基于20 L球形爆炸装置的微米级铝粉爆炸特性实验

林柏泉，梅晓凝，王可，李庆钊

(中国矿业大学 安全工程学院，煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏，徐州 221116)



基于20 L球形爆炸装置的微米级铝粉爆炸特性实验

林柏泉，梅晓凝，王可，李庆钊

(中国矿业大学 安全工程学院，煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏，徐州 221116)

采用20 L球形爆炸装置，对6种不同粒径分布的微米铝粉在不同浓度下的爆炸特性进行了实验研究，考察了浓度和粒径对铝粉爆炸特性的影响规律，并分析了其爆炸产物的表面特征. 结果表明，铝粉的最大爆炸压力、压力上升速率和爆炸指数随铝粉浓度的增加呈抛物线变化，在最适爆炸浓度(copt=500 g/m3)时三者均达到峰值. 随着铝粉粒径的减小时，最大爆炸压力、压力上升速率呈指数增加趋势，且在铝粉粒径小于10 μm时，其增幅更为显著. 爆炸过程中的铝粉粉尘云的燃烧时间随铝粉浓度的增大呈指数规律衰减并趋于平缓，同时随着铝粉粒径的减小而降低.

微米铝粉；最大爆炸压力；最大爆炸压力上升速率；燃烧时间

铝粉是一种重要的金属工业原料，在冶金、化工、包装、油漆、建筑、制造、航空航天及军事工业等众多领域被广泛使用. 铝粉的制备过程中会产生大量粉尘，有严重的爆炸危险性，属于高危冶炼行业. 近年来铝粉爆炸事故频发，爆炸时产生的巨大压力和热量对人员和设备产生了很大的破坏作用，造成了严重的人员伤亡与财产损失. 如2014年8月2日，昆山中荣金属制品有限公司发生特别重大事故，铝粉粉尘爆炸造成了97人死亡，185人受伤，直接经济损失达3.51亿元. 如何有效预防铝粉爆炸、控制铝粉爆炸及减轻爆炸事故后果显得尤为重要，因此，对于铝粉爆炸的研究十分必要.

对铝粉爆炸的研究大致可分为3个方面：铝粉爆炸机理的研究、铝粉爆炸特性参数的研究和铝粉爆炸防爆抑爆措施的研究[1]，并且取得了一定的成果. 铝粉的粒径、浓度等自身因素，还有外部因素包括实验装置、点火能量、点火延迟时间、湿度等，都会影响铝粉的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸下限、最小点火能等爆炸特性参数[2-7]. 不断增大铝粉的浓度，则最大爆炸压力和压力上升速率先增大后减小[2-4]. 微米铝粉的粒径越小，最大爆炸压力越大，压力升高得越快，最大爆炸压力上升速率越大[2，4]. 在不同测试装置中测得粒径和浓度都相同的铝粉粉尘的爆炸特性参数也是不同的，哈特曼管中测得的最大爆炸压力和压力上升速率比水平管道内所测得的要小[5]. 当点火能量高于铝粉的最小点火能，则不同点火能量下的最大爆炸压力和压力上升速率几乎没有变化[4]. 点火延迟时间与铝粉浓度对最大爆炸压力和压力上升速率的影响趋势是相同的[7]. 水分对铝粉爆炸的作用是双方面的：既可能促进铝粉爆炸，也可能抑制爆炸，促进还是抑制与铝粉浓度是相关的[2]. 纳米铝粉的爆炸下限比微米铝粉的爆炸下限要低[4]，但是各因素对爆炸下限的影响规律研究还不充分.

对于微米铝粉的爆炸研究已经很充分，但是所选铝粉种类较少或是粒径分布相差较大，对于铝粉在爆炸过程中的燃烧时间研究较少. 本文利用20 L球形爆炸装置对6种不同粒径分布的微米级铝粉在不同浓度下进行爆炸实验，探讨铝粉的粒径和浓度对爆炸的影响，以期对预防铝粉爆炸有所帮助.

1 实验样品及装置

1.1 铝粉样品粒度特性

选取河南远洋铝业有限公司生产的6种不同粒径的铝粉作为研究对象，其粒径分布及特征参数如表1和图1所示，试验前将所选铝粉在50 ℃的惰气环境中经30 min的烘干处理.

表1 铝粉粒度性质

1.2 铝粉样品表面特性

对6种铝粉样品进行扫描电子显微镜分析，得到结果如图2所示.

从图2可以看出本实验所选用的铝粉颗粒是球形的，分布无规则. 当体积中位直径d50<10 μm时，铝粉颗粒形状是规则的球形，大小较均匀，表面光滑；当体积中位直径d50>10 μm时，有些颗粒呈椭球形，大小不均，含有部分粒径较小的颗粒，有些颗粒表面还有小颗粒附着. 铝粉在空气中极易被氧化，颗粒表面能谱(EDS)检测显示球体表面附着一层薄的氧化铝薄膜[8].

1.3 实验装置及方法

铝粉爆炸参数的实测值与所使用的仪器设备、实验条件等紧密相关. 研究粉尘爆炸参数的仪器大多采用1.3 L Hartmann 管、20 L球形爆炸测试装置和1 m3筒形容器. 使用Hartmann 管来测量爆炸威力参数时，由于其爆炸室为管状结构，铝粉燃烧后火焰很快接触冷管壁被吸收掉部分燃烧反应热；Hartmann管的点火方式和点火位置都不利于爆炸过程的快速发展；铝粉在Hartmann管中的未燃铝粉约占32.6%[9]，而在20 L球内爆炸后会残留约20%的未燃铝粉[10].

本实验在标准20 L球形爆炸装置(如图3所示)上进行，该系统主要包括爆炸球装置本体、控制系统和数据采集系统等.

爆炸装置的粉尘罐体积为0.6 L，实验时粉尘罐预先充气使压力达到2 MPa，随后高压气流携带铝粉经分散喷嘴进入球体内形成高紊流度的粉尘云；爆炸实验点火采用能量为2 kJ的化学点火头，探究弱点火条件下铝粉的爆炸特性，根据喷粉装置特性及传感器灵敏度，经多次预备性实验，确定点火延迟时间为230 ms.

铝粉在20 L球形爆炸装置中爆炸后，通过数据采集系统可以对爆炸压力信号进行采集和处理，得到铝粉的爆炸压力随时间的变化曲线，数据采集时间为1 000 ms，如图4所示(体积中位直径d50=24.62 μm，浓度为250 g/m3的铝粉).

根据铝粉燃烧反应产生的能量与损失的热量的关系，可将铝粉爆炸过程分为3个阶段[3]：爆炸压力上升区、峰值区和衰减区. 在曲线上定义从点火(此时罐内压力为0)到达到最大爆炸压力所需时间为铝粉的燃烧时间t.

2 实验结果及数据分析

2.1 铝粉爆炸特性参数的分析

2.1.1 浓度对铝粉爆炸的影响

选取不同粒径分布的铝粉分别在7种不同的铝粉浓度下进行爆炸实验，探索铝粉浓度对爆炸特性参数的影响规律.

实验结果揭示了粒径分布不同时，铝粉浓度对爆炸特性参数的影响规律是大致相同. 选取d50分别为1.58 ，9.03 ，30.51 μm的铝粉作出说明，实验时测定了浓度为30，60，125，250，500，750，1 000 g/m3时的爆炸特性参数(图5).

图5表明铝粉粒径一定时，最大爆炸压力pm随铝粉浓度的增大呈抛物线变化，存在一个最适爆炸浓度copt=500 g/m3，使最大爆炸压力达到峰值. 当铝粉浓度不足500 g/m3时，最大爆炸压力随铝粉浓度的增大而逐渐变大，在铝粉浓度为500 g/m3时达到峰值；当铝粉浓度超过500 g/m3时，最大爆炸压力随铝粉浓度的增大而逐渐变小. 铝粉浓度对最大爆炸压力上升速率和爆炸指数的影响规律与其对最大爆炸压力的影响规律基本一致.

铝粉粒径一定时，热量在颗粒间的传递方式决定其爆炸特性，即最大爆炸压力、压力上升速率和爆炸指数可近似表示为粉尘浓度的函数. 铝粉与氧气产生的爆炸反应是链式反应过程，不考虑链式反应的中间过程，铝粉在空气中燃烧的化学反应方程式为：4Al+3(O2+3.76N2)=2Al2O3+11N2+Q，根据此式，在标准状况下，铝粉在空气中的化学计量比浓度为337.5 g/m3，即理论上铝粉与氧气完全反应，最大爆炸压力和压力上升速率皆达到峰值. 但由于喷粉效果等原因，铝粉可能并未完全吹散扬起或扬起后分布不均匀，导致燃烧不充分，所以铝粉浓度取最适反应浓度500 g/m3，处于富燃料状态. 当铝粉浓度低于500 g/m3时，燃烧处于富氧状态，热量在铝粉颗粒间快速传递，充足的氧气促使反应快速进行直至爆炸发生，随着铝粉浓度的不断增加，参与燃烧反应的铝粉随之增多，最大爆炸压力、压力上升速率和爆炸指数亦不断增大；当铝粉浓度高于500 g/m3时，燃烧处于富燃料状态，多余的铝粉并未参与燃烧反应，粉尘云过浓时，缺氧会阻碍燃烧反应的进行，且多余的未燃铝粉吸收燃烧产生的热量，降低爆炸后温度，阻碍火焰传播，因此反应较慢，产生的最大爆炸压力较小，压力上升也较慢.

铝粉粉尘云浓度接近或达到最适爆炸浓度时，爆炸造成的损失和伤害是最大的，在生产中要控制最适爆炸浓度(copt=500 g/m3)铝粉粉尘云的产生.

2.1.2 粒径对铝粉爆炸的影响

现分析6种不同粒径分布的铝粉在最适爆炸浓度下(copt=500 /m3)的最大爆炸压力、压力上升速率和爆炸指数随体积中位直径的变化规律，如图6所示.

由图6可见，pmax和(dp/dt)max随着铝粉体积中位直径d50的减小而增大，尤其当d50<10 μm时，pmax迅速增长：d50=18.13 μm时，pmax=0.32 MPa；d50=9.03 μm时，pmax=0.43 MPa，增幅为34.38%；d50=1.58 μm时，pmax=0.56 MPa，增幅为30.23%；(dp/dt)max的增长更为迅速：d50=18.13 μm时，(dp/dt)max=26.74 MPa/s；d50=9.03 μm时，(dp/dt)max=106.14 MPa/s，增幅为296.93%；d50=1.58 μm时，(dp/dt)max=258.25 MPa/s，增幅为143.31%.

当铝粉粒径小于100 μm时，爆炸机理以表面非均相为主[11]. 表面非均相点火机理认为铝粉点火过程与氧气和铝粉颗粒表面的接触面积有关，接触面积越大，铝粉点火越快. 从表1可以得出铝粉的体积中位直径d50越小，比表面积Sp越大，当铝粉的粒径小于10 μm时，铝粉的比表面积大大增加，特别是粒径为1.58 μm的铝粉，其比表面积可达6.05 m2/g. 铝粉的比表面积越大，铝粉与空气中氧气的总接触面积越大，氧气可快速向铝粉颗粒表面扩散，铝粉颗粒内部因缺氧而不充分燃烧的现象有效减弱，燃烧热的释放也加快；文献[12]指出铝粉氧化的活化能随着粒径的增大而增大，所以铝粉的粒径越小，铝粉氧化过程所消耗的能量越小，那么释放的能量越多；铝粉的粒径越大，颗粒质量越大，沉降速度越快，影响燃烧反应程度，所以当铝粉的粒径减小到10 μm时，沉降速度大大降低，悬浮时间随之增长，燃烧反应进行得更加充分，释放出更多的能量. 综上可知，多重因素耦合作用下，铝粉粒径对pmax和(dp/dt)max有着显著影响.

研究结果表明在生产过程中要避免产生微细铝粉粉尘，尤其是爆炸危险性大的粉尘(d<10 μm). 对于此类铝粉要加大防护力度.

2.2 铝粉燃烧时间的数据分析

2.2.1 铝粉浓度对燃烧时间的影响

对6种不同粒径的铝粉粉尘在不同浓度下的爆炸实验的燃烧时间t进行统计，并对实验数据进行拟合处理，结果如图7所示.

由拟合曲线可知，当铝粉粉尘的粒径一定时，铝粉在爆炸过程中的燃烧时间随铝粉浓度的增加而减小，最后逐渐趋于平缓，呈指数变化. 铝粉浓度较小时，铝粉较分散，颗粒之间间隙较大，热量传递速度慢，所以燃烧时间较长；随着铝粉浓度的增大，颗粒间间隙逐渐减小，热量传递速度变快，燃烧时间随之减小，但由于分子间斥力的存在，颗粒间间隙会保持在一定的距离，故燃烧时间随铝粉浓度的增大而趋于平缓.

2.2.2 铝粉粒径对燃烧时间的影响

统计6种不同粒径的铝粉粉尘在最适爆炸浓度下(copt=500 g/m3)的燃烧时间t，分析铝粉在爆炸过程中的燃烧时间t与铝粉粒径(体积中位直径d50)的关系，如图8所示.

从图8可以看出，当铝粉粉尘浓度一定时，铝粉在爆炸过程中的燃烧时间随着铝粉体积中位直径的减小而缩短. 铝粉的粒径越小，比表面积越大，在燃烧过程中与空气中氧气的接触面积越大，促使燃烧反应快速进行，燃烧时间随之缩短. 铝粉颗粒表面与氧气接触越充分，热量由颗粒表面传递到内部的速度越快，燃烧时间越短.

2.3 铝粉爆炸产物SEM分析

对6种不同的铝粉，分别取其最大爆炸压力pmax和最小爆炸压力pmin下的爆炸产物作SEM分析，现选取样品No.1，No.3，No.6进行对比，结果如图9所示，图10是样品No.1的原样及其pmax爆炸产物的能谱分析.

图9中铝粉的爆炸产物呈絮状分布，其中有一些球形颗粒的铝粉存在，从图10的能谱分析中可以看出爆炸产物中氧的含量增加，表明铝粉和其氧化物Al2O3共同存在，铝粉并未完全反应. 在最小爆炸压力下，铝粉的爆炸产物团聚作用明显，颜色较浅；而在最大爆炸压力下，铝粉的爆炸产物更为破碎，可能是在爆炸过程中产生的巨大爆炸压力破坏了其团聚作用，且颜色较深. 铝粉爆炸产物证明了在燃烧过程中，铝粉颗粒的球形表面先被破坏才能参与反应.

3 结 论

① 铝粉最大爆炸压力pm、最大爆炸压力上升速率(dp/dt)m和爆炸指数kst均随粉尘浓度c呈抛物线变化，均在最适爆炸浓度copt为500 g/m3时达到峰值.

② 微米铝粉的最大爆炸压力pmax和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max铝粉粒径的变化呈指数衰减变化. 当粒径小于10 μm时，增加幅度明显变大，pmax的增幅分别为34.38%和30.23%；(dp/dt)max的增幅分布为296.93%和143.311%. 结果表明微米铝粉的粒径越小，越易发生爆炸，爆炸威力越大.

③ 当微米铝粉粉尘的粒径一定时，铝粉在爆炸过程中的燃烧时间t随铝粉浓度c的增加而减小，最后逐渐趋于平缓，呈指数衰减；当铝粉粉尘浓度一定时，铝粉在爆炸过程中的燃烧时间t随着铝粉粒径的减小而减小.

④ 无论在最大爆炸压力还是最小爆炸压力状态下，铝粉的爆炸产物呈絮状分布，铝粉和其氧化物Al2O3共同存在，表明在爆炸过程中铝粉并未完全反应，有部分铝粉未参与爆炸.

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(责任编辑：刘雨)

Explosion Characteristics of Micro-Aluminum Powders in 20 L Spherical Vessels

LIN Bai-quan， MEI Xiao-ning， WANG Ke， LI Qing-zhao

(School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines，Xuzhou，Jiangsu 221116，China)

Aluminum powder is an important mental industrial raw material，it is significant to prevent aluminum dusts explosion effectively. Explosion experiments were carried out for six micro-aluminum powders with different particle sizes in different concentrations by using 20 L spherical vessel to investigate the effects of aluminum dust concentration and particle size on explosion characteristics，and the explosion products were also analyzed. The results show: the maximum explosion pressure，the rate of pressure rise and explosion index all vary with dust concentration increasing，and their curves are parabola and reach the peak value in optimum concentration which is 500 g/m3. The maximum explosion pressure and the rate of pressure rise both rise with aluminum dust particle size decreasing，and their curves are exponential. They increase rapidly when particle sizes less than 10 μm. The combustion time in explosion of dust cloud decreases as aluminum dust concentration increasing，and gradually trends to flat，besides its curve is exponential. The combustion time of aluminum powders decreases with aluminum dust particle size decreasing.

micro-aluminum powders; maximum explosion pressure; the maximum rate of pressure rise; combustion time

2015-05-25

国家自然科学基金资助项目(51204169，51574230)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20131115)

林柏泉(1960—)，男，博士，教授，E-mail:lbq21405@126.com.

李庆钊(1979—)，男，博士，副教授，E-mail:qingzhaolee@163.com.

TG 146.2

A

1001-0645(2016)07-0661-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.001