ABC/MCA粉体对铝金属粉爆炸特性的影响

邓军 屈姣 王秋红 杨玉峰

摘 要：为了研究ABC/MCA粉体对铝金属粉爆炸的抑制作用，采用竖直管道粉尘爆炸装置，分别测试了Al/ABC，Al/MCA，Al/ABC/MCA混合粉体的爆炸严重程度，探讨了ABC+MCA复配粉体的协同抑爆机理，并对不同粉体的抑爆效果进行了对比分析，研究结果表明，ABC/MCA粉体的添加，使铝粉爆炸危险性大大降低。与ABC粉相比，MCA粉对铝粉的抑爆作用更加显著。随着MCA粉质量分数的增加，铝粉最大爆炸压力降幅增大，且当MCA粉的质量分数达15.8%，Al/MCA混合粉体未发生爆炸，ABC+MCA复配粉体对铝粉爆炸也具有抑制作用，添加剂总质量一定时，随着复配比的减小，铝粉最大爆炸压力减小，且降幅增大。复配粉体吸热分解出惰性气体和P2O5，降低反应速率，稀释O2浓度，且P2O5覆盖在铝粉表面，隔绝空气，从而达到协同抑爆作用。最后对比得到不同粉体对铝粉爆炸的抑制效果为：ABC

关键词：竖直管道;复配粉体;最大爆炸壓力;抑爆效能中图分类号：X 932

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0018-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0103开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Inhibition of ABC/MCA powder on explosion characteristics

of aluminum metal powder

DENG Jun 1，2，QU Jiao 1，2，WANG Qiu-hong 1，2，YANG Yu-feng 1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：To investigate the inhibition effect of ABC/MCA powder for aluminum metal dust explosions，a self-designedvertical pipeline dust explosion test equipment was employed to determine the explosion severity of Al/ABC，Al/MCA，and Al/ABC/MCA mixtures，respectively.The synergistic anti-explosion mechanism of ABC+MCA composite powder was investigated.The anti-explosion effects of different powders were analyzed.The results showed that：The addition of ABC/MCA powder greatly reduced the risk of aluminum powder explosion.The inhibition effect of MCA powder for aluminum powder was more remarkable thanthat of ABC powder.As the mass fraction of MCA powder increased，Pmax and（dP/dt）max of Al/MCA mixture decreased，and when the mass fraction of MCA powder reached to 15.8%，explosion would be inhibited.The ABC+MCA composite powder also had an inhibition effect on the aluminum powder explosion.When the total mass of the additive was constant，Pmax decreased with the decrease of the mixing ratio，and the decreasing range increased.The composite powder absorbed a large amount of heat and then decomposed to generate inert gases and the reaction product P2O5，which reduced the reaction rate and diluted O2 concentration.Meanwhile，P2O5 covered the surface of aluminum powder and protected it from air.Thereby synergistic explosion suppression was achieved.Finally，the ranking of inhibition effect of different suppressants on aluminum powder explosion was as follows：ABC

0 引 言

铝粉是一种高致热金属粉尘，易被氧化，具有着火温度低、燃烧速度大、燃烧热量高等特性。近年来，随着铝粉加工制造业的蓬勃发展，国内外粉尘爆炸事故时有发生，尤其是重大事故和特别重大事故。2014年8月2日，江苏昆山发生一起铝金属粉尘爆炸特别重大事故，造成146人死亡，114人受伤，直接经济损失高达3.51亿元，给国家和人民的生命财产安全造成严重的损害[1]。所以，粉尘爆炸及抑爆技术研究很重要。

Eckhoff，Amyotte，Proust，Moussa等国外学者对粉尘爆炸特性进行了大量的实验研究，发现粉尘爆炸是极其复杂的，并且受多种因素的影响[2-5]。1985年，Nagy首次发现实验装置样式对粉尘分散后的悬浮状态有显著的影响，从而影响粉尘的爆炸特性[6]。Eckhoff在研究中发现点火延迟时间可以反映装置内粉尘的分布状态，它可以表征点火时刻粉尘的湍流度，因此点火延迟时间是粉尘爆炸特性研究的重要影响因素[7]。中国学者对粉尘爆炸的研究也做出了重要贡献，邓煦帆最先开始研究粉尘爆炸，并在大量研究基础上，建立了粉尘爆炸反应工程学[8]。赵衡阳对气体和粉尘爆炸原理进行了基础性探究[9]。孙金华等研究了粉尘爆炸的火焰传播过程及机理[10]。钟圣俊对粉尘爆炸过程进行了数值模拟研究[11]。

近年来，国内外学者对粉尘抑爆做了一些研究。通过分析粉尘抑爆研究结果发现，抑制粉尘爆炸的手段主要是加入不同的添加剂，包括惰性气体[12]，超细水雾[13-16]，抑爆粉体[17-18]等。而对于铝金属粉的抑爆技术研究主要是添加不同的抑爆粉体，主要有NH4H2PO4，NaHCO3，CaCO3，SiO2等粉体[19-25]。工业应用中铝粉抑爆粉体的选用，除了需要关注其安全抑爆效果之外，还应该考虑其对环境的影响等。

主要采用自主设计的粉尘云瞬态火焰传播实验系统，研究了不同抑爆粉体（ABC粉和MCA粉）对铝粉爆炸特性的影响，分别分析了单一抑爆粉体和复配抑爆粉体对铝粉的抑爆效果，以期对铝粉的防爆抑爆设计具有指导意义。

1 实验测试

1.1 实验样品

本实验以河南省远洋铝业有限公司购买的铝粉作为实验样品，其平均粒径为12 μm，振实密度为1.482 g/cm 3.铝粉的化学成分见表1.

选用ABC粉和MCA粉为粉体添加剂，其中ABC粉的主要成分是磷酸二氢铵，其化学式为NH4H2PO4，是一种无色透明的正方晶系晶体，而MCA粉的主要成分是三聚氰胺氰脲酸盐，其化学式为C6H9N9O3，是具有油腻感的白色结晶粉末。

1.2 实验装置

实验研究是采用竖直管道粉尘爆炸装置系统[16]，其示意图如图1所示。

该系统由竖直管道、喷粉器、高压点火装置、同步控制器以及数据采集仪等设备组成。其中实验竖直管道的长宽高分别为80，80和600 mm，体积为3.84 L，主要材质为不锈钢和耐高温玻璃。管壁同侧安装有2个CY-DB4304型压力传感器，其量程0～2 MPa，允许过载120%，输出电压为0～5 VDC，输入电压24 VDC，精度0.5 F.S，响应时间为1 ms.用于采集粉尘爆炸产生压力数据，其至管道底部的距离分别为250和400 mm.

1.3 实验步骤

首先，采用精密电子天平称取一定质量的粉体（铝粉、ABC粉或MCA粉），若为混合粉体，混合均匀后均匀平铺在竖直管道底部的喷粉器中，采用法兰密封竖直管道，并用泄爆膜密封泄爆口，使管道呈密闭空间。用真空泵抽取管道内空气为负压，以保证粉尘在压缩空气作用下分散在竖直管道内形成粉尘云，并在常压下被引爆，设置压缩空气瓶的气压为0.4 MPa，设置高压点火器的电压为30 kV，点火延迟时间为60 ms.通过同步控制系统，相继触发数据采集仪，开启电磁阀，在点火延迟时间后高压点火，引爆管道内粉尘爆炸。与此同时，数据采集仪自动记不同时刻粉尘爆炸的爆炸压力数据。

实验前，先进行一组空白实验，在未放置任何粉体情况下，测试高压点火器产生的压力，以建立粉尘爆炸判据，测试结果为0.15 MPa，所以认为爆炸压力小于0.15 MPa时，粉尘未发生爆炸。

2 结果讨论与分析

2.1 纯铝粉在矩形管道内的爆炸过程分析

为了研究不同抑爆粉体对铝粉的抑爆效果，需要首先进行空白实验。称取1.44 g纯铝粉，其理论浓度为375 g/m 3，通过上下2个压力传感器分别采集到铝粉在矩形实验管道内的爆炸压力-时间曲线如图2所示。

从图2可以看出，铝粉的上部爆炸压力和下部爆炸压力均随着爆炸时间的延长，先增大后逐渐减小。还可以看出铝粉在整个爆炸过程中，管道上部爆炸压力均大于管道下部壓力。这表明在竖直密闭实验管道中，点火中心处的爆炸压力并不是管道中压力最大处，爆炸压力在距点火位置处一定距离内，距离点火位置越近，其爆炸压力越小，距离点火位置越远，爆炸压力反而增大，如果管道长度够长，当距离点火位置达到一定距离时，其爆炸压力应该会降低，这主要是因为能量在传播过程中会不断损失。

根据P-t曲线，可以得到1.44 g纯铝粉爆炸特性参数。下部最大爆炸压力和上部最大爆炸压力分别为0.603 7和0.612 1 MPa，最大爆炸压力上升速率分别是 6.13和6.17 MPa/s.

2.2ABC粉对铝粉爆炸压力的影响

向1.44 g铝粉中添加不同质量分数（11.1%，15.8%，20%，23.8%）ABC粉，实验测试得到的Al/ABC混合粉体的最大爆炸压力数据见表2.

从表2可知，添加ABC粉会降低铝粉的最大爆炸压力，且随着ABC粉添加质量的增加，下部和上部的最大爆炸压力均降低，由此可知，ABC粉对铝粉爆炸有一定的抑制作用，但最大爆炸压力降幅在0.34%～4.12%，这种抑制作用并不显著。

ABC粉的主要成分是NH4H2PO4，在加熱环境下易被分解，且当温度高于熔点（190 ℃）时就会失去氨与水，从而生成了H3PO4和NH4PO3.继续加热会发生复杂的多方式分解反应，反应过程中吸收大量热量。在此过程中，主要发生如下反应

根据上述反应，ABC粉对铝粉爆炸的抑制作用。一方面，NH4H2PO4的分解是吸热反应，消耗大量热量;另一方面，反应产物有效隔绝铝粉与氧气的接触，从而降低燃烧反应速率。

2.3MCA粉对铝粉爆炸压力的影响

向1.44 g铝粉中添加不同质量分数（11.1%，15.8%，20%，23.8%）MCA粉，实验测试得到的Al/MCA混合粉体的最大爆炸压力数据见表3.

从表3可以明显看出，添加MCA粉后，铝粉的上部和下部的最大爆炸压力均有明显降低，且随着MCA粉质量的增加，最大爆炸压力降幅先大幅增大后趋于稳定，抑制效果明显。当1.44 g铝粉中添加0.27gMCA粉时，Al/MCA混合粉体的下部和上部最大爆炸压力分别为0.068 8和0.077 5 MPa，均小于0.15 MPa，根据1.2节中的爆炸判据，可以认为此时未发生爆炸。出现该现象的原因：在加热的情况下，MCA粉吸收热量，分解为三聚氰胺和异氰酸，同时三聚氰胺的高温升华，使系统中的热量减小，致使反应速率减缓;三聚氰胺和异氰酸进一步分解生成CO2，NH3等惰性气体，稀释空气中的氧气，从而达到抑制作用。

2.4复配粉体对铝粉爆炸特性的影响

由2.2节中单一抑爆粉体对铝粉爆炸特性影响的研究结果可以看出，ABC粉和MCA粉对铝粉都有抑爆作用，本节对2种抑爆粉体按照不同比例进行复配，研究复配抑爆粉体对铝粉爆炸特性的影响。引入复配比（）的概念，它等于2种不同抑爆粉体质量的比值，如式（1）所示。

=mABCmMCA（1）

将ABC粉和MCA粉按照不同比例进行复配后，再与铝粉混合均匀，实验测试得到其上下部的最大爆炸压力数据，见表4.

从表4可以看出，复配粉体对铝粉爆炸具有抑制作用，添加剂总质量一定时，随着复配比的减小，上部和下部的最大爆炸压力均减小，且降幅增大，即ABC/MCA粉体复配比越小，对铝粉爆炸的抑制作用越强。这是因为复配比越小，复配粉体中MCA粉含量越大，热分解的惰性气体产物越多，氧气浓度越小，铝粉爆炸难度增大，抑制作用增强。

从表5可知，与纯铝粉的Pmax 和（dP/dt）max相比，不同添加剂都会使铝粉爆炸特性参数减小。不同添加剂对铝粉爆炸都有抑制作用。ABC+MCA复配粉体的抑制效果介于单一ABC粉和MCA粉之间，且ABC

3 结 论

1）与纯铝粉最大爆炸压力Pmax相比，MCA粉的添加，使Pmax大大降低，随着MCA粉质量分数的增加，Pmax降幅先增大之后趋于稳定。

2）ABC+MCA复配粉体对铝粉爆炸具有抑制作用，添加剂总质量一定时，随着复配比的减小，铝粉Pmax减小，且降幅增大。

3）不同粉体对铝粉爆炸都有抑制作用，且抑制效果为：ABC

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