铝粉抑爆剂适用性能评估研究

雷伟刚，毕海普，王凯全

(常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164)

粉尘爆炸事故在世界范围内广泛存在[1]，首次有记录的粉尘爆炸事故是1785年意大利都灵发生的面包作坊面粉爆炸[2]；2014年8月，我国江苏省昆山中荣金属制造品有限公司发生铝粉爆炸，导致146人死亡、114人受伤[3]，此类是经济损失和社会影响重大的铝粉爆炸事故。传统上，由于金属粉尘反应强烈，它的爆燃抑制被认为难以解决。然而，Going等[4]详细描述了抑制爆炸技术的进步，通过早期的压力检测和更快的抑制剂注入使得抑爆得以实现，这大大提高了爆炸抑制系统的效率；Taveau等[5]通过在4.4 m3的容器中利用SBC(碳酸氢钠)抑爆剂进行抑爆试验，结果发现该抑爆剂主要通过改变铝粉爆炸的性能参数来大规模、有效地抑制铝粉爆炸，以降低人员伤亡和财产损失。近年来，随着安全意识的提高，国内研究机构和企业开始关注和研究铝粉爆炸的危害性，发现可以通过改变铝粉爆炸的性能参数，从而防范与控制铝粉爆炸事故的发生[6]。如以碳酸钙为惰性材料，通过爆炸严重程度的试验数据，发现碳酸钙是防止金属粉尘点燃的有效方法，且抑爆效果随着碳酸钙粒径的减小而增强[7-9]；抑爆剂碳酸氢钠可显著降低火焰强度，发现其惰化抑制作用在微米级与其粒径成反比关系，其粒径越小，对铝粉的火焰传播速度抑制效果越好[10]；抑爆剂磷酸二氢铵对金属粉尘爆炸的抑制作用比碳酸钙显著，且随着磷酸二氢铵质量分数的增加，对金属粉尘的抑爆效果越来越好[11]。通过将碳酸钙、碳酸氢钠、磷酸二氢铵等抑爆剂作为抑爆介质，讨论其浓度、粒径及点火能量对最大爆炸压力的影响，发现磷酸二氢铵是最有效的金属粉尘抑爆剂，碳酸钙的惰化效果优于碳酸氢钠，而碳酸钙的抑爆效果次于碳酸氢钠[12-13]。

目前，国内外对于铝粉爆炸和抑爆剂抑爆效果的试验研究比较成熟，但基于试验测试结果分析铝粉抑爆剂的适用性能还需要考虑环境影响等副作用。例如磷酸盐、卤化物、碳酸盐和碳酸氢盐都具有一定的抑爆作用[14]，而卤化物因其对环境的危害现已逐步被取代。因此，本文基于层次分析法(AHP)建立了铝粉抑爆剂适用性能综合评估模型和计算方法，并结合抑爆剂的环境毒理影响、处理难度、安全抑爆效果、运行成本等几方面进行评估与分析，为现实工业生产中预防铝粉爆炸事故提供数据支持。

1　铝粉抑爆剂适用性能综合评估方法

1. 1　综合评价指标体系的建立

本文在对某抛光企业铝粉进行实地调查研究和查阅相关资料的基础上，结合相关专业人员进行打分测评，并参考铝粉抑爆剂的环境毒理影响、铝粉爆炸及抑爆试验的数据，构建了铝粉抑爆剂适用性能综合评价指标体系，详见图1。

图1　铝粉抑爆剂适用性能综合评价指标体系Fig.1　　　　Comprehensive evaluation index system of the application of explosion suppressant of aluminum powder

铝粉抑爆剂适用性能综合评价指标体系(即评估模型)包含5个一级指标，分别为：环境毒理影响(即对环境和工业生产可能的影响)、后处理难度、前处理难度、安全抑爆效果和运行成本。其中抑爆剂的环境毒理影响是指抑爆剂本身的理化性质，包括污染性、毒害性、腐蚀性和水溶性；抑爆剂的后处理难度是指生产中集尘管道加入抑爆剂后的清扫及处理难度，包括集尘桶清洁难度、粉尘排出难度、粉尘清除确认难度、管道清洁难度和内部清扫难度；抑爆剂的前处理难度是指抑爆剂在现实中获取的难度以及与粉尘惰化过程中的预处理难度，包括抑爆剂的获得难度、预处理难度、喷粉难度和与爆炸粉尘混合度；抑爆剂的安全抑爆效果是指工业粉尘惰化后的爆炸性能参数，包括最小点火能、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数；抑爆剂的运行成本是指制作抑爆系统的成本以及后期运行和管理成本，包括抑爆剂成本、喷粉系统成本、喷粉设备维护成本和管理成本。

1. 2　评价指标权重的计算

本文应用层次分析法的基本原理及步骤计算相应的指标权重。层次分析法的基本步骤包括：将具有丰富经验的专家对各影响因素的相对重要性进行两两对比评估打分，构造判断矩阵；根据判断矩阵计算得到的相对权重进行判断矩阵的一致性检验；计算不同层次各指标对于系统目标的权重[15-16]。基于专家打分得到的标度判断矩阵，计算各层指标权重、最大特征值(λmax)及一致性检验指标(CR)，其计算结果见表1。

表1　各层指标权重及一致性检验Table 1　　　　Weight of indicators of each layer and consistency test

目标层的最大特征值λmax为5.000，一致性检验指标CR=0.000 1<0.1，通过一致性检验。在一级指标中，权重最大的两个指标为安全抑爆效果(0.436 4)和环境毒理影响(0.327 3)，其次依次为运行成本(0.109 1)、前处理难度(0.072 7)、后处理难度(0.054 5)，其中环境毒理影响、前处理难度和后处理难度均属于环境影响类，指标权重之和达0.454 5，高于安全抑爆效果，此外工业应用中还需考虑运行成本。

在二级指标中，B1的4个指标因素中毒害性的权重最大，占主要影响，其次是腐蚀性、水溶性和污染性；B2的5个指标因素中管道清洁难度和内部清扫难度的权重最大，其次是集尘桶清洁难度、粉尘排出难度和粉尘清除确认难度；B3的4个指标因素中权重大小依次是抑爆剂获得难度、预处理难度、与爆炸粉尘混合度和喷粉难度；B4的4个指标因素中最大爆炸压力和爆炸指数的权重最大，其他依次是最大爆炸压力上升速率和最小点火能；B5的4个指标因素中抑爆剂成本的权重最大，占主要影响，其他依次是喷粉系统成本、管理成本和喷粉设备维护成本。

2　3种典型铝粉抑爆剂的应用分析

2. 1　基于试验的指标赋值与分析

抑爆剂主要是在爆炸初期使用，最早使用于煤矿行业，后来逐渐应用于其他行业，在选取抑爆剂时主要考虑的是抑爆性能、实用性和危害性。碳酸钙(CaCO3)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)和碳酸氢钠(NaHCO3)是目前国内外研究最多的典型抑爆剂，而且在市场上的应用也比较广泛，其污染性小，几乎无毒害性，且抑爆性能相对其他抑爆剂较好，所以本文选取这三种典型铝粉抑爆剂进行了20 L爆炸球试验，测试其抑爆性能。

20 L球形爆炸测试装置由容积为20 L的不锈钢球形罐、压力检测系统、分散系统、点火系统和控制及数据采集系统组成。球形罐的底部安有粉尘扩散器，储尘罐的容积为0.6 L，可承受2.5 MPa的压力；球形罐的侧面设置有观察窗，通过观察窗可观察到罐内爆炸时产生的火光。20 L爆炸球试验主要用于测试粉尘云的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最小点火能和爆炸指数等参数。铝粉的平均粒径为40～52 μm，进行试验前期在烘干箱60℃烘干6 h。

基于物质的物理属性和试验测定的抑爆剂的相关参数数据，并结合专家打分对各个指标进行赋值，赋值规则采用5分制，5分表示得分最高，相应铝粉抑爆剂适用性贡献度最优，其赋值结果如下：

(1) 环境毒理影响：结合3种抑爆剂环境毒理性质(见表2)对指标赋值。其中，污染性由于3种抑爆剂污染性几乎不计，所以赋值为4；毒害性由于碳酸钙和磷酸二氢铵是无毒的，所以赋值为5，碳酸氢钠具有微毒性，所以赋值为4；腐蚀性由于三者都无腐蚀性，因此赋值为5；水溶性由于碳酸氢钠易溶于水，所以赋值为0，磷酸二氢铵溶于水，赋值为1，碳酸钙不溶于水但易潮解，因此赋值为4。

(2) 后处理难度： 结合3种抑爆剂在20 L爆炸球试验后的状态(见图2)对指标赋值。其中，集尘桶清洁难度由于在工业生产中属于爆炸和抑爆混合粉尘，比较容易清理，所以三者都赋值为4；粉尘排出难度由于生产中磷酸二氢铵呈结晶体状态，因此其排出难度要高于碳酸钙和碳酸氢钠，所以磷酸二氢铵赋值为3，碳酸钙和碳酸氢钠赋值为4；粉尘清除确认难度由于在生产中属于全自动化扫描确认，结合该试验后的状态(见图2)发现三者都属于比较容易确认清除的，因此三者均赋值为3；管道清洁难度由于碳酸钙、碳酸氢钠和磷酸二氢铵都属于易潮解的，即易呈块状集结在管道内部，结合该试验后的状态(见图2)发现磷酸二氢铵(抑爆后呈结晶体)属于比较难清理的，因为在抑爆过程中与铝粉结合成块状物质附着在管道壁面，所以赋值为2，而碳酸钙和碳酸氢钠(抑爆后呈粉末状)在试验过程中比较好清理，因此赋值为3；内部清扫难度包括喷粉装置表面清扫和抑爆装置表面清扫等，磷酸二氢铵赋值为2，碳酸钙和碳酸氢钠均赋值为3。

表2　3种抑爆剂的环境毒理性质Table 2　Properties of three kinds of explosion suppressants

图2　3种铝粉抑爆剂在20 L爆炸球试验后的状态图Fig.2　　　　State diagram of three kinds of explosion supp- ressants after the experiment in 20 L blast ball

(3) 前处理难度：抑爆剂的获得难度由于碳酸钙和碳酸氢钠都易获得，所以赋值为5，磷酸二氢铵属于稍微易获得，因此赋值为4；抑爆剂的预处理难度由于碳酸钙在试验中预处理最简单，只需烘干，所以赋值为4，碳酸氢钠在试验中易结块，在实验室还需要轻微研磨且用粉体筛筛选，因此赋值为3，磷酸二氢铵在试验中需要研磨且用粉体筛筛选，因此赋值为2.5；抑爆剂的喷粉难度由于三者在试验中经过预处理后喷粉难度是一样的，但结合现实工业生产中磷酸二氢铵喷粉难于碳酸钙和碳酸氢钠，所以磷酸二氢铵赋值为4，碳酸氢钠和碳酸钙赋值为5；抑爆剂与爆炸粉尘的混合度由于三者混合难易度相同，因此均赋值为3(0代表不混合，5代表完全混合)。

(4) 安全抑爆效果：结合不同浓度3种抑爆剂对铝粉的抑爆效果试验数据(见表3、表4和表5)对指标赋值,“0”表示20 L爆炸球内没有发生爆炸，“1”表示20 L爆炸球内发生爆炸。其中，最小点火能由于磷酸二氢铵抑爆所需最小点火能最大，所以赋值为4，碳酸钙次之，赋值为2，碳酸氢钠赋值为1；最大爆炸压力由于在试验过程中爆炸压力降低定值需加入10%的磷酸二氢铵，而碳酸钙需加至40%，碳酸氢钠需加至80%，因此磷酸二氢铵赋值为4，碳酸钙赋值为1，碳酸氢钠赋值为0.5；最大爆炸压力上升速率由于试验过程中分别加入等量的磷酸二氢铵、碳酸钙和碳酸氢钠，测试数据显示磷酸二氢铵的最大爆炸压力上升速率最小(铝粉浓度为500 g/m3爆炸时最大爆炸压力上升速率为24.9 MPa/s，加入磷酸二氢铵后其减小为4.98 MPa/s)，碳酸钙和碳酸氢钠的最大爆炸压力上升速率相近但大于磷酸二氢铵(碳酸钙为10.86 MPa/s，碳酸氢钠为13.58 MPa/s)，因此磷酸二氢铵赋值为4，碳酸钙赋值为2，碳酸氢钠赋值为2；爆炸指数与最大爆炸压力上升速率呈正比关系，因此磷酸二氢铵赋值为4，碳酸钙赋值为2，碳酸氢钠赋值为2。

表3　不同浓度的磷酸二氢铵对铝粉的抑爆效果Table 3　　　　Effect of different concentration of ammonium dihydrogen phosphate on the explosion suppression of aluminum powder

表4　不同浓度的碳酸钙对铝粉的抑爆效果Table 4　　　　Effect of different concentration of calcium carbonate on the explosion suppression of aluminum powder

表5　不同浓度的碳酸氢钠对铝粉的抑爆效果Table 5　　　　Effect of different concentration of sodium bicarbonate on the explosion suppression of aluminum powder

(5) 运行成本：抑爆剂成本由于碳酸钙和碳酸氢钠属于同等价格，价格低廉，价格为30元/kg左右，所以两者赋值为3，而磷酸二氢铵价格为40元/kg，所以赋值为2.25；喷粉系统成本由于磷酸二氢铵和碳酸氢钠都具有水溶性，所以在喷粉系统中要维持干燥，而磷酸二氢铵后期难清理，碳酸氢钠在高于50℃时开始分解，因此要保持喷粉系统温度低于50℃，所以碳酸氢钠和磷酸二氢铵均赋值为2，碳酸钙赋值为3；喷粉设备维护成本赋值同上，磷酸二氢铵赋值为2，碳酸钙赋值为3；管理成本结合上述得出，碳酸钙管理最简单，所以赋值为3，碳酸氢钠和磷酸二氢铵管理成本类似，均赋值为2。

2. 2　铝粉抑爆剂适用性能指标的计算与评估

基于层次模型中各级指标的权重，利用试验数据给各个指标赋值并进行适用性能计算，得到3种铝粉抑爆剂适用性能一级指标(B1～B5)值和综合指标值的对比结果，见图3。

图3　3种铝粉抑爆剂适用性能指标的对比Fig.3　　　　Comparison of performance of three kinds of explosion suppressants

为了便于横向对比，对3种铝粉抑爆剂适用性能一级指标按下式进行计算[17]:

(1)

式中：ζ为性能指标比对值(%)；A为一种铝粉抑爆剂的性能指标值；B为另一种铝粉抑爆剂的性能指标值。

由图3，并结合公式(1)的计算结果可知，在环境毒理影响方面，碳酸钙性能指标值略高于磷酸二氢铵(高15.1%)，碳酸氢钠性能指标值最小；在后处理难度方面，碳酸钙和碳酸氢钠的性能指标值最小(低22.4%)；在抑爆剂前处理难度方面，碳酸钙性能指标值略高于碳酸氢钠和磷酸二氢铵，说明在抑爆剂的获取方面碳酸钙比后两者易获取(高碳酸氢钠7.0%，高磷酸二氢铵29.0%)；在安全抑爆效果方面，碳酸钙和碳酸氢钠的性能指标值远低于磷酸二氢铵(碳酸钙低61.7%，碳酸氢钠低70.0%)，说明前者的安全抑爆效果优于后两者；在运行成本方面，碳酸钙运行成本最低(低磷酸二氢铵29.6%)。综合3种铝粉抑爆剂适用性能综合评估结果表明，磷酸二氢铵的适用性能高于碳酸钙和碳酸氢钠(铝粉抑爆剂适用性能综合指标值分别为3.680、3.011、2.413)。

3　结　论

本文综合考虑环境风险、安全抑爆效果和运行成本，建立了铝粉抑爆剂适用性能评估模型，并以典型的3种铝粉抑爆剂为例进行了应用分析，主要得出以下结论：

(1) 基于专家打分计算得到的评价指标权重显示，一级指标层5个指标因素中安全抑爆效果占主要影响作用，其次是环境毒理影响、运行成本、前处理难度和后处理难度；通过对比二级指标的权重大小可知，最大爆炸压力最重要，其次是爆炸指数和毒害性，粉尘清除确认难度和预处理难度的影响最小。

(2) 综合考虑3种铝粉抑爆剂的适用性能指标可以得出，在工业生产中铝粉抑爆剂磷酸二氢铵的适用性能高于碳酸钙和碳酸氢钠(铝粉尘抑爆剂适用性能指标综合值分别为3.680、3.011、2.413)。

(3) 基于行业专家打分，计算不同的标度矩阵及指标权重，本模型也适用于其他涉粉行业抑爆剂的评估与选取。

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