李亞男，焦楓媛，聞利群

(1.中北大學 化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051;2.中北大學 信息商務學院，山西 太原 030051)

0 引言

在工業(yè)生產中，金屬粉塵的爆炸事故頻繁發(fā)生，從而導致大量的人員傷亡和巨大的財產損失.鋁可以用來制造油漆、油墨、顏料和焰火，也可用作多孔混凝土的添加劑，還可以作為治療和醫(yī)藥用品.此外，鋁還用于汽車和飛機工業(yè)，可以說鋁的應用極為廣泛，需求量也極大;鎂鋁合金也廣泛應用于交通運輸、航空和航天工業(yè)，由于鋁、鎂鋁合金的化學性質都非?；顫?，它們的粉塵都具備易燃易爆的特性，因此無論是生產、存儲還是運輸，都存在著巨大的安全隱患.所以，通過研究金屬粉塵爆炸的預防方法和抑制方法，從而減少事故的危害程度和發(fā)生概率已經成為安全生產方面研究的重大課題.

目前，在預防、抑制粉塵爆炸方面國內外主要有以下幾種方法:①消除點火源;②避免粉塵云的形成;③采用隔離、泄放、通風等一系列保護措施［1-3］.但是，工業(yè)生產中潛在的點火源非常多，而且還有很多不可避免的靜電環(huán)境和靜電效應，因此消除點火源幾乎是不可能的.而在粉體加工時，會有大量的粉塵暴露在空氣中形成可引發(fā)爆炸的粉塵云，所以要想避免形成粉塵云也非常困難.采取通風、泄放、隔離等一系列保護措施確實能有效地減少粉塵爆炸的可能性，但是如果這些保護措施失效，后果將會無法想象.如果將粉塵惰化，能有效地提高它的最小點火能，從而避免爆炸事故的發(fā)生，屬于本質安全方法(適度原則)［4］.碳酸鈣作為一種非常常見又廉價的物質，被廣泛應用在粉塵的惰化抑爆研究中，所以研究碳酸鈣對金屬粉塵最小點火能的影響，從而達到對金屬粉塵的惰化抑爆效果，意義深遠.因此，筆者以高爆特性的鋁粉和鎂鋁合金為對象，在粉塵云最小點火能測試裝置內測試了碳酸鈣粉末濃度對鋁粉、鎂鋁合金粉最小點火能的影響，并對其機理進行了分析.

1 試樣、裝置和測試方法

1.1 樣品試驗前處理

試驗所用鋁粉的粒徑為15～17 μm，鎂鋁合金粉的粒徑為74 μm，碳酸鈣是含量99% 以上的高純度碳酸鈣，粒徑是38 μm.試驗中所用樣品試驗前在60 ℃的溫度下先干燥20 h，放在室溫下保存，環(huán)境濕度不大于30%［5］.

1.2 試驗裝置和操作

試驗裝置主要包括擴散裝置和能量儲存裝置兩大部分.圖1 為粉塵云最小點火能測試裝置的示意圖，使用時哈特曼管豎直安裝在空氣擴散裝置的底座上.手持式遙控器控制吹粉點火，空氣擴散裝置通過電線和底座連接，能量儲存裝置則是一個高壓電容的放電箱.通過穩(wěn)定的高壓直流電源向電容放電箱輸入超高壓(EHT)，電壓是9～12 kV.為了減緩電容箱的充電速度，在電源與電容高壓終端之間安裝限流電阻，從而產生出一連串的不連續(xù)電火花.試驗時，先將粉塵均勻置于擴散裝置的底座內，然后將哈特曼管豎直安裝在空氣擴散控制裝置的外殼上，連接好電極，接通高壓電，調好能量，調整好電極放電頻率(1 s左右放電一次)，用手持遙控器將粉塵揚起，同時按下點火按鈕，觀察實驗現(xiàn)象.

圖1 粉塵云最小點火能量測試裝置示意圖Fig.1 Dust cloud minimum ignition energy test device

1.3 最小點火能的測試方法

最小點火能測試就是擴散已知重量的試驗樣品粉末，使樣品粉末在電極頭的附近形成粉塵云，然后對樣品粉末放電，通過仔細觀察從電極頭處開始傳播的火焰來判斷是否著火.火焰與電極頭分離且火焰半徑超過5 cm，就判定為試驗粉塵被點燃［6］.

最小點火能測試要從高能量開始試驗觀察，如果試驗粉塵爆炸或火焰半徑超過5 cm，則應該降低點火的能量，并重復地測試;如果在任意一個能量級別下無著火現(xiàn)象發(fā)生，那么應該至少去重復測試20 次.為了避免電火花產生的淬火效應，電極間隙不應該小于2 mm.最佳的電極間隙是6 mm，如果點火能量非常低，可以縮短電極間隙從而達到更低的擊穿電壓;如果沒有觀察到點火現(xiàn)象，那么可以改變電極間距去研究不同的放電間距對點火的影響［7］.

2 試驗結果與討論

2.1 碳酸鈣濃度對鋁粉最小點火能的影響

試驗過程中噴粉壓力為0.7 MPa，點火延時為60 ms，鋁粉選取敏感濃度1 000 g/m3.

從表1 可以看出，在混合粉塵中，當碳酸鈣的質量分數(shù)分別為0%，10%，20%，30%，40% 時，混合粉塵的最小點火能分別是 34.85 mJ，42.17 mJ，48.52 mJ，54.57 mJ，60.86 mJ，隨著碳酸鈣質量分數(shù)的增加，混合粉塵的最小點火能也隨之增加.由圖2 可以看出，在一定范圍內，混合粉塵中碳酸鈣質量分數(shù)的增加與混合粉塵最小點火能的增加近似成線性關系，說明碳酸鈣作為鋁粉的惰化劑，確實能夠有效提高鋁粉的最小點火能，從而實現(xiàn)對鋁粉的惰化抑爆效果.從表1中可知，當碳酸鈣的質量分數(shù)達到80%的時候，鋁粉的最小點火能大于最小點火能裝置能夠提供的最大能量1 J，可以推斷出在混合粉塵中，當碳酸鈣達到一定量時，再高的點火能量都不能使混合粉塵發(fā)生爆炸.

表1 碳酸鈣濃度對鋁粉最小點火能的影響Tab.1 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of aluminum dust

圖2 碳酸鈣濃度對鋁粉最小點火能的影響Fig.2 Effects of CaCO3 concentration on the minimum ignition energy of aluminum dust

最小點火能反映了粉塵的著火敏感性，是衡量可燃性粉塵爆炸危險性的重要參數(shù)，也是靜電安全的重要技術參數(shù).在最小點火能測量中，有很多因素會對它造成不同程度的影響，有的來自于金屬粉塵本身，有的則與測試的裝置密切相關，還有的則來自于外部環(huán)境，甚至連分析方法也會對測試的結果造成一定的影響［8］.由于實驗條件和實驗設備的限制，由所得實驗數(shù)據(jù)做出的圖是理想狀態(tài)下的結果.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:碳酸鈣的粉塵具有冷卻和抑制懸浮的效果，當向鋁粉中加入碳酸鈣粉末后，碳酸鈣會吸收點火放出的熱量，降低鋁粉的著火敏感性.此外，碳酸鈣會抑制鋁粉的懸浮性，使粉塵云形成效果不佳，這樣也會降低鋁粉的著火性.在這種情況下，若要使鋁粉發(fā)生燃燒或爆炸，則要加大點火能量，從而實現(xiàn)了碳酸鈣對鋁粉的惰化抑爆效果.

2.2 碳酸鈣濃度對鎂鋁合金粉最小點火能的影響

在試驗過程中，噴粉壓力為0.7 MPa，點火延時為60 ms，鎂鋁合金選取敏感濃度800 g/m3.

表2 碳酸鈣濃度對鎂鋁合金最小點火能的影響Tab.2 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of magnesium alloy dust

從表2 可以看出，在混合粉塵中，當碳酸鈣的質量分數(shù)分別為0%，10%，20%，30%，40%時，混合粉塵的最小點火能分別是161 mJ，359 mJ，434 mJ，495 mJ，589 mJ，隨著碳酸鈣質量分數(shù)的增加，混合粉塵的最小點火能也在隨之增加.由圖3 可以看出，在一定范圍內，混合粉塵中碳酸鈣質量分數(shù)的增加與混合粉塵最小點火能的增加近似成線性關系，說明碳酸鈣作為鎂鋁合金粉的惰化劑，確實能有效提高鎂鋁合金粉的最小點火能，從而起到對鎂鋁合金粉的惰化抑爆效果;而當碳酸鈣的質量分數(shù)達到60%的時候，鎂鋁合金粉的最小點火能大于最小點火能裝置所能提供的最大能量1 J，可以推斷出在混合粉塵中，當碳酸鈣達到一定量時，再高的點火能量都不能使混合粉塵發(fā)生爆炸.

通過上述試驗發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣可以提高金屬粉塵的最小點火能，對金屬粉塵有惰化抑爆的作用.這是因為碳酸鈣本身對燃燒這種特殊的化學反應具有惰化作用，或者是混合粉塵之間進行了熱量、動量交換后發(fā)生了衰減，于是爆炸火焰的形成、傳播遭到了阻礙.首先，碳酸鈣是一種不可燃物，能夠吸收、消耗一部分點火能，在電極周圍的金屬粉塵溫度會大大降低［9］，得到的點火能也會大大減少;其次，碳酸鈣會擠占掉一定空間，使金屬粉塵周圍的氧氣濃度降低，單位質量的金屬粉塵的氧濃度大大降低，從而燃燒反應沒有了充足的氧氣去維持;再次，碳酸鈣可以吸收掉爆炸火焰的部分熱能、輻射能，從而使火焰的傳播速度減慢甚至于熄滅;同時，它還能夠充當障礙物，阻擋火焰，衰減激波傳遞，屏蔽熱輻射、熱傳導［10-12］，從而使火焰陣面前的金屬粉塵不能夠得到足夠能量去發(fā)生燃燒，大大提升了傳熱的阻力，有效地阻止了爆炸的發(fā)展、傳播.

圖3 碳酸鈣濃度對鎂鋁合金粉最小點火能的影響Fig.3 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of magnesium alloy dust

3 結論

1)鎂鋁合金粉的化學性質比鋁粉更活潑一些，但通過兩組試驗數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，鎂鋁合金粉的最小點火能卻明顯大于鋁粉的最小點火能.原因是試驗中鋁粉的粒度要明顯小于鎂鋁合金粉.由此可以看出，金屬粉塵的粒度對它的最小點火能有很大的影響.

2)在鋁粉的試驗中，隨著碳酸鈣質量分數(shù)的增加，混合粉塵的最小點火能也隨之增加，而且在一定范圍內，二者近似地成線性關系;而在鎂鋁合金粉的試驗中，碳酸鈣濃度對最小點火能的影響也有相似的線性規(guī)律，而且對比圖2 和圖3發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣濃度對鎂鋁合金粉最小點火能的影響要更明顯一些.

3)在鋁粉試驗中，當碳酸鈣質量分數(shù)達到80%時，混合粉塵最小點火能超過了裝置所能提供的最大能量;而在鎂鋁合金粉試驗中，當碳酸鈣質量分數(shù)達到60%時，混合粉塵最小點火能超過了裝置所能提供最大能量.以上現(xiàn)象說明，在混合粉塵中，當碳酸鈣達到一定質量分數(shù)后，再高的點火能量都無法使金屬粉塵發(fā)生爆炸，此時的金屬粉塵已被完全惰化，喪失了高爆特性.

4)碳酸鈣是一種有效的惰化劑，在金屬粉塵中加入一定量的碳酸鈣，可以有效地提高它的最小點火能，從而實現(xiàn)對金屬粉塵的惰化抑爆效果.

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