靳紅旺，鄭立剛，2，朱小超，于水軍，2，潘榮錕，2，杜德朋，竇增果

（1 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作454003；2煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454003）

引 言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鋁粉爆炸事故接連不斷，給工業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失。2014年8月江蘇省蘇州市昆山中榮金屬制品有限公司汽車輪轂拋光車間發(fā)生特大鋁粉塵爆炸事故，造成146 人死亡91 人受傷[1]，社會(huì)影響極其惡劣。鋁粉爆炸性極強(qiáng)，燃爆敏感性極高，爆炸后果嚴(yán)重[2]。研究抑制鋁粉爆炸的惰化劑對(duì)安全有效地利用鋁粉具有重要意義。

鋁粉爆炸是一個(gè)非常復(fù)雜的多相反應(yīng)過(guò)程，受到鋁粉粒徑[3-4]、粉塵云分散均勻性、點(diǎn)火能[5]、氧濃度[6]、環(huán)境濕度[7-8]、湍流[9]、點(diǎn)火延遲時(shí)間[10-12]等多種因素的影響。安全高效的惰化劑可以很大程度上降低鋁粉爆炸的危害性。魏吳晉等[13-14]對(duì)納米鋁粉爆炸及抑制技術(shù)進(jìn)行了研究，簡(jiǎn)化了鋁粉表面燃燒模型，同時(shí)對(duì)比非納米鋁粉的差異，建立納米鋁粉基本安全特性數(shù)據(jù)。譚迎新等[15]利用哈特曼管，研究了磷酸氫二銨對(duì)鋁粉的爆炸抑制作用，結(jié)果表明：磷酸氫二銨有較好的抑爆效果，且抑爆粉體粒徑越小，抑爆效果越好。伍毅等[16]對(duì)比了三種碳酸鹽對(duì)鋁粉爆炸的抑制效果，結(jié)果表明碳酸鈣效果明顯，且惰化劑粒徑越小濃度越高，惰化作用越強(qiáng)。Jiang 等[17-20]利用20 L 爆炸儀和自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，做了一系列實(shí)驗(yàn)，研究了碳酸氫鈉、磷酸二氫銨、三聚氰胺氰酸鹽和三聚氰胺聚磷酸鹽對(duì)抑制鋁粉爆炸的作用，雖然以上四種惰化劑均表現(xiàn)出一定的抑爆效果，但經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，磷酸二氫銨抑爆效果優(yōu)于碳酸氫鈉，而三聚氰胺磷酸鹽好于三聚氰胺氰酸鹽。王林元等[21]采用碳化硅和石墨對(duì)鎂鋁合金粉塵的爆炸抑制作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明碳化硅和石墨等惰性粉體對(duì)鎂鋁合金粉塵的爆炸均有抑制作用，且石墨的抑制作用明顯優(yōu)于碳化硅。朱小超等[22]開(kāi)展了阻塞比對(duì)豎直管道中鋁粉爆炸特性的影響研究，結(jié)果表明阻塞比對(duì)較小粒徑鋁粉爆炸火焰鋒面影響較大。Xu 等[23]研究了氯化鈉對(duì)鋁粉甲烷混合燃燒的抑制情況，氯化鈉的抑制性能優(yōu)于砂粒和碳化硅。氯化鈉顆粒熔融對(duì)火焰產(chǎn)生冷卻效果，熔融之后的氯化鈉會(huì)覆蓋在金屬顆粒上隔絕氧氣抑制反應(yīng)進(jìn)行。盡管前人做了諸多研究但仍有不足之處，其所選的抑爆粉體對(duì)爆炸火焰后期的抑制效果不理想，因此有必要尋找一種較穩(wěn)定的惰化劑來(lái)探究持續(xù)抑制作用對(duì)鋁粉爆炸的影響。在研究鋁粉爆炸抑制劑方向時(shí)，大多數(shù)學(xué)者選擇采用活性較強(qiáng)容易受熱分解的抑制劑，抑爆效率均不是很高。大部分此類抑爆劑需要很大的惰化比才能有效地抑制鋁粉爆炸，而氧化鋁的抑爆效果更為優(yōu)秀，在惰化比較小的情況下也可有效地抑制鋁粉爆炸。在對(duì)比前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上將氧化鋁抑爆預(yù)實(shí)驗(yàn)的效果與磷酸氫二銨、碳酸氫鈉的抑爆效果作對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)氧化鋁的抑爆效果明顯要優(yōu)于磷酸氫二銨和碳酸氫鈉。

氧化鋁廉價(jià)易得、無(wú)毒無(wú)害、熱穩(wěn)定性較好，且氧化鋁是鋁粉爆炸的最終產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成更大的影響。因此選擇氧化鋁作為惰化劑，主要研究爆炸火焰鋒面演化特性、傳播特性和爆炸超壓波形的變化情況，來(lái)探究氧化鋁作惰化劑對(duì)鋁粉爆炸的抑制效果，以期在鋁粉工業(yè)應(yīng)用中對(duì)鋁粉爆炸的抑制提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)搭建鋁粉爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，爆炸平臺(tái)主要由爆炸管道系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及同步控制系統(tǒng)五部分組成。實(shí)驗(yàn)器材透明有機(jī)玻璃管道由南京展朔能源技術(shù)有限公司提供，規(guī)格是100 mm×100 mm×1000 mm，管壁厚20 mm，承壓2.0 MPa，經(jīng)測(cè)試承壓可滿足實(shí)驗(yàn)需要。透明度較好便于相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)。噴粉系統(tǒng)主要由200 ml 儲(chǔ)氣罐、電磁閥、壓力表、高壓噴頭、儲(chǔ)粉器、空氣壓縮機(jī)六部分組成，噴氣壓力最高達(dá)0.8 MPa，噴粉效果良好。點(diǎn)火系統(tǒng)主要由在西安順泰熱工定制的HE119 系列高熱能點(diǎn)火器和點(diǎn)火電極組成，其中高熱能點(diǎn)火器輸入電壓為AC220 V，輸出功率為60 W，輸出電壓為6 kV，輸出電流為30 mA，放電穩(wěn)定。點(diǎn)火電極采用陶瓷鎢棒點(diǎn)火棒，安裝在距封閉端底部100 mm 處，兩電極放電間隙為5 mm。火焰圖像采集系統(tǒng)利用德國(guó)La Vision 公司生產(chǎn)的High Speed Star 4G 高速攝像機(jī)，采樣頻率為2000 fps，最大分辨率可達(dá)1024×1024，放置在管道正前方。壓力采集系統(tǒng)由Measurement Computing Corporation 公司生產(chǎn)的USB-1608FS型數(shù)據(jù)采集卡、上海銘控公司定制壓力傳感器及配套電腦等構(gòu)成，信號(hào)采集頻率為15 kHz，壓力傳感器量程為-100～100 kPa，精度為＜0.25%FS，安裝在管道底部。使用南京東大測(cè)振儀器廠的RL-1 紅外光電傳感器采集火焰信號(hào)，采樣頻率為15 kHz，方向指向點(diǎn)火電極，其作用是利用點(diǎn)火后的光電信號(hào)控制同步器同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡和高速攝像相機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)采集和火焰高速攝像的實(shí)時(shí)同步。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)粉體均為真空包裝，粉體純度均在99%以上；圖2 和圖3 為實(shí)驗(yàn)樣品的粒徑分布情況。鋁粉中位徑分別為17.1、15 μm；本次實(shí)驗(yàn)鋁粉原樣基本呈現(xiàn)為近似球形顆粒。氧化鋁的中位徑分別為4.09、28、89.2 μm，分布較為集中。粒徑4.09 μm 的鋁粉表征更加均勻，粒徑跨度更小。為了展示氧化鋁粒徑變化對(duì)抑爆效果的影響，增強(qiáng)對(duì)比性，文中主要討論4.09 μm 氧化鋁和89.2 μm 氧化鋁抑制

17.1 μm鋁粉爆炸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 實(shí)驗(yàn)鋁粉表征測(cè)試結(jié)果Fig.2 Characterization of aluminum powder

圖3 實(shí)驗(yàn)氧化鋁粒徑分布Fig.3 PSD of two aluminum oxide powders

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了6 種惰化比φ(φ=m惰化劑/m鋁粉，m惰化劑為每次實(shí)驗(yàn)所需惰化劑質(zhì)量，m鋁粉為每次實(shí)驗(yàn)所需鋁粉質(zhì)量)和2 種粒徑相差較大氧化鋁粉對(duì)樣本鋁粉進(jìn)行抑爆實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用17.1 μm 鋁粉，每次加粉量為2.5 g，稱出設(shè)計(jì)好的惰化劑量與鋁粉混合，攪拌均勻，放入實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)粉罐，進(jìn)行點(diǎn)火操作，其中噴粉壓力為0.5 MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間為400 ms，放電時(shí)長(zhǎng)為300 ms。管道泄爆口阻塞比α(α=(S管道截面積-S泄爆口面積)/S管道截面積)為0.6，保持不變。實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)粉體用真空干燥箱在40°恒溫環(huán)境中干燥8 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰鋒面結(jié)構(gòu)演化特性分析

圖4中列舉了兩種粒徑氧化鋁在不同惰化比條件下鋁粉爆炸火焰鋒面結(jié)構(gòu)演化。每組工況挑選出五幅代表性鋒面結(jié)構(gòu)圖，每組圖第一幅為點(diǎn)火初期火焰鋒面情況，第二幅為火焰剛剛接觸左右管壁時(shí)的火焰鋒面情況，接下來(lái)是火焰沿管道傳播過(guò)程中鋒面演化情況。由圖4可知氧化鋁的加入對(duì)鋁粉爆炸的鋒面結(jié)構(gòu)演化有重要影響。隨著惰化比的升高，初期火焰呈現(xiàn)高度不均勻狀態(tài)，且發(fā)展明顯受限，例如用4 μm的氧化鋁作惰化劑惰化比從10%提高到70%時(shí)，明顯可以看到發(fā)展到第二張圖所對(duì)應(yīng)的類球形狀態(tài)逐漸變得不規(guī)則。這是由于氧化鋁顆粒依附在鋁粉顆粒表面，一定程度上降低了鋁粉顆粒之間的熱傳導(dǎo)并消耗大量熱量，限制反應(yīng)的正常進(jìn)行，加之抑制劑的混入并不是絕對(duì)均勻，故火焰鋒面表現(xiàn)并不規(guī)則。加入89 μm 氧化鋁，初期火焰呈現(xiàn)出明顯的分散性，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的類球形火焰，可能原因是氧化鋁顆粒較大，在鋁粉顆粒之間相當(dāng)于障礙物的存在，導(dǎo)致熱量的傳播路徑受阻，火焰朝著發(fā)散式發(fā)展。對(duì)于火焰?zhèn)鞑ズ笃?，隨著惰化比的增加，鋒面形變程度明顯減弱，如圖4中4 μm氧化鋁惰化比達(dá)到70%時(shí)，第二次出現(xiàn)平面形火焰結(jié)構(gòu)。在對(duì)可燃?xì)獾难芯恐锌芍?，火焰鋒面結(jié)構(gòu)對(duì)火焰的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用[24-28]?；鹧驿h面面積大幅度減小，標(biāo)志著火焰速度降低，反應(yīng)進(jìn)行減緩。對(duì)于89 μm 氧化鋁，雖然一定程度上也減弱了鋒面形變，但較4 μm 氧化鋁來(lái)說(shuō)其作用明顯減弱[29]。

2.2 火焰鋒面?zhèn)鞑ヌ匦苑治?/h3>

圖5 為火焰鋒面位置隨時(shí)間變化的依賴關(guān)系?；鹧驿h面在整個(gè)管道中傳播分兩個(gè)階段，初期的變加速運(yùn)動(dòng)階段和后期的近似勻加速運(yùn)動(dòng)階段。如圖5 所示，無(wú)論是粒徑為89 μm 氧化鋁還是粒徑為4 μm 的氧化鋁，以黑線為界分為兩大作用階段。第一階段為變加速運(yùn)動(dòng)抑制階段，從圖中可以觀察到，添加惰化劑后在同一時(shí)刻火焰鋒面位置都靠上。原因是加入惰化劑后，火焰初期著火難度加大，前期需更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)備熱量。著火后曲線斜率略小于未添加惰化劑所對(duì)應(yīng)的曲線斜率?？梢?jiàn)，加入氧化鋁惰化劑對(duì)管道初期粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑テ鸬揭欢ǖ囊种谱饔茫饔貌⒉皇鞘置黠@。第二階段為勻加速運(yùn)動(dòng)抑制階段，在不同惰化比條件下，火焰鋒面發(fā)展趨勢(shì)有明顯變化。如圖5(a)所示，隨著惰化比的增大，曲線斜率逐漸減小，即所對(duì)應(yīng)的火焰鋒面速度也逐漸減?。欢?，隨著惰化比的增大，火焰鋒面形變程度逐漸減小，對(duì)應(yīng)的火焰鋒面面積也逐漸減小，與氧氣接觸面積變小，爆炸反應(yīng)強(qiáng)度大大降低。圖5(b)為粒徑89 μm 氧化鋁的作用曲線圖，隨著惰化比的升高，抑制效果逐漸顯現(xiàn)，但其效果與粒徑為4 μm 氧化鋁相比還是有較大差距。

圖4 火焰鋒面結(jié)構(gòu)演化圖Fig.4 Evolution diagram of flame front structure

圖5 火焰鋒面位置隨時(shí)間的變化Fig.5 Relation of flame front position with time

圖6為氧化鋁作用下各鋒面位置點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的平均速度變化趨勢(shì)。從曲線變化趨勢(shì)可更加清楚地觀察到整個(gè)速度演化呈先加速后減速再加速狀態(tài)，且后期加速趨勢(shì)明顯小于前期加速趨勢(shì)。原因是點(diǎn)火初期在噴粉氣流作用下管道內(nèi)部氣體湍流度大，粉體未完全穩(wěn)定，粒子受重力作用沉降，管道底部粉塵濃度高，造成初期火焰速度變化較快。圖6(a)為4 μm氧化鋁對(duì)鋁粉爆炸火焰鋒面發(fā)展的抑制情況，隨著鋒面逐漸遠(yuǎn)離點(diǎn)火端，火焰速度降低的幅度增大，最大速度下降率達(dá)42.3%。在惰化比φ=70%的情況下，火焰鋒面到達(dá)管道口處出現(xiàn)類似平面型火焰[25]，可見(jiàn)氧化鋁的添加對(duì)火焰發(fā)展后期抑制效果更明顯。圖6(b)是89 μm 氧化鋁對(duì)鋁粉爆炸火焰鋒面演化的抑制情況，惰化比較小時(shí)鋒面?zhèn)鞑テ骄俣让黠@高于無(wú)惰化劑添加的情況，少量大顆粒氧化鋁粉的添加會(huì)導(dǎo)致促爆現(xiàn)象。這可能是少量大顆粒氧化鋁在管道中起到障礙物的作用，加大了管道內(nèi)部湍流度，對(duì)鋁粉反應(yīng)的增益作用強(qiáng)于本身的物理吸熱隔離等抑制作用。當(dāng)惰化比φ增加到大于20%時(shí)鋁粉抑制作用開(kāi)始顯現(xiàn)，鋒面速度逐漸降低，但最大平均速度下降率僅為24.1%，其降幅明顯小于4 μm氧化鋁的42.3%。

圖7為兩種粒徑惰化劑的火焰鋒面到達(dá)管口的時(shí)間曲線。隨著惰化比的增加，火焰到達(dá)管口所用的時(shí)間都在延長(zhǎng)，抑爆作用都在逐漸加強(qiáng)；對(duì)比兩種惰化劑，4 μm 氧化鋁效用明顯強(qiáng)于89 μm 氧化鋁，隨著惰化比的增加，兩者之間的差距逐漸拉大，惰化比越大惰化劑粒徑大小對(duì)抑爆效果的影響就越大。

2.3 超壓波形分析

圖6 火焰鋒面平均速度Fig.6 Average velocity of flame front versus flame front position

圖7 火焰鋒面到達(dá)管口時(shí)間Fig.7 Arrival time of flame front

圖8為添加惰化劑后鋁粉爆炸超壓隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知，惰化劑惰化比對(duì)超壓波形變化有重要影響。圖8(a)為4 μm 氧化鋁作用下的鋁粉超壓波形，顯而易見(jiàn)，隨著惰化比的增加，爆炸特征波形出現(xiàn)明顯變化，第一峰值與第二峰值逐漸降低。當(dāng)惰化比達(dá)到30%后，第一峰值在數(shù)值上明顯下降，出現(xiàn)的時(shí)間也明顯推遲，第二峰值消失，只剩下小幅度的壓力振蕩現(xiàn)象，說(shuō)明4 μm氧化鋁抑爆效率極高。圖8(b)為89 μm 氧化鋁抑制鋁粉爆炸產(chǎn)生的超壓波形，雖有一定的抑爆效果，但其作用十分有限。從爆炸波形上分析，雖然89 μm 氧化鋁對(duì)鋁粉爆炸所產(chǎn)生的第一波峰和第二波峰均有抑爆效果，但相較于4 μm 氧化鋁，其對(duì)第二波峰抑制效果明顯較差，對(duì)鋁粉爆炸后期抑制作用明顯減弱。統(tǒng)計(jì)兩種粒徑氧化鋁作用下鋁粉爆炸所產(chǎn)第一和第二波峰超壓具體數(shù)值：添加4 μm 氧化鋁時(shí)，隨著惰化比的增加(10%～70%)，其第一波峰值依次為10.6、9.2、6.5、4.2、1.9 kPa，對(duì)應(yīng)的壓降率依次為50.5%、57.0%、69.6%、80.4%、91.1%；添加89 μm 氧化鋁時(shí)，隨著惰化比的增加(10%～70%)，其第一波峰值依次為11.1、10.7、8.1、10.5、9.4 kPa，對(duì)應(yīng)的壓降率依次為48.1%、50.0%、71.9%、50.9%、56.1%。

圖9 (a)為中位粒徑為4 μm 氧化鋁作用下超壓峰值及壓力下降率。隨著惰化比的增加，爆炸超壓值逐漸降低，且降低幅度越來(lái)越大。惰化劑對(duì)第一波峰值的影響十分明顯，最大壓降率達(dá)到91.1%。粒徑為89 μm 的氧化鋁在惰化比超過(guò)10%后超壓下降緩慢，出現(xiàn)抑爆平臺(tái)期，即隨惰化比的增加，抑爆效果增益不明顯，對(duì)第二峰值的抑制作用效果類似。

經(jīng)上述分析可知，氧化鋁惰化比以及粒徑對(duì)豎直開(kāi)口管道中的鋁粉爆炸超壓有重要影響，小粒徑氧化鋁抑爆效率明顯優(yōu)于大粒徑氧化鋁，對(duì)第二峰值的抑制作用差異尤其明顯。主要原因在于小顆粒氧化鋁具有相對(duì)較大的比表面積，具有較強(qiáng)的吸熱能力，其次小粒徑的氧化鋁可以更加均勻地分散于爆炸粉體之間，起到良好的阻隔作用，加大熱傳導(dǎo)難度，阻止火焰的進(jìn)一步發(fā)展。小粒徑氧化鋁也可能會(huì)吸附在爆炸粉體表面，進(jìn)一步阻止鋁粉與氧氣的結(jié)合，減緩反應(yīng)的進(jìn)行，起到很好的抑制作用。

2.4 最大超壓峰值分析

圖10 是最大超壓峰值及其下降率與氧化鋁惰化比的變化關(guān)系。從安全和災(zāi)害防治的角度出發(fā)，需要統(tǒng)計(jì)整個(gè)反應(yīng)的最大超壓，然后進(jìn)行危害評(píng)估。由圖10 可知，4 μm 氧化鋁可以使鋁粉爆炸最大超壓峰值進(jìn)一步降低，在越過(guò)惰化比臨界值(φ=20%)后，最大超壓峰值依然與惰化比呈線性關(guān)系下降，抑爆效果加強(qiáng)。例如，隨著4 μm 氧化鋁惰化比的增加，抑爆效率(與無(wú)惰化劑添加相比)依次為57.3%、63.0%、73.9%、83.0%、88.9%；而89 μm 氧化鋁的抑爆效率依次為45.4%、56.3%、56.6%、56.8%、62.7%，從數(shù)值上很明顯可看出4 μm 氧化鋁擁有較高的抑爆效率。為了驗(yàn)證氧化鋁粒徑對(duì)鋁粉爆炸影響規(guī)律的可靠性，將28 μm 氧化鋁抑制15 μm 鋁粉爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。28 μm 氧化鋁抑爆的壓力峰值變化曲線和超壓下降率曲線介于4 μm氧化鋁和89 μm 氧化鋁之間，足以證明規(guī)律的可靠性。從波形曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，4 μm 氧化鋁抑爆沒(méi)有明顯的極限值，隨著惰化比的升高，抑爆效率仍有明顯提高。氧化鋁在較低的惰化比條件下即可對(duì)鋁粉爆炸超壓產(chǎn)生很大影響，例如在惰化比φ=10%的條件下爆炸超壓下降57.3%，而碳酸氫鈉、磷酸氫二銨在同樣惰化比條件下爆炸超壓下降較少。例如，Jiang等[19]測(cè)得的數(shù)據(jù)表明，在30 μm鋁粉濃度為200 g/m3時(shí)，當(dāng)惰化比φ=0增加到φ=50%時(shí)，爆炸超壓下降20%；增加到φ=100%時(shí)，爆炸超壓下降47%。觀察其結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，碳酸氫鈉抑制鋁粉爆炸，爆炸超壓急劇下降階段都在惰化比φ大于100%后發(fā)生。

3 氧化鋁抑制鋁粉爆炸機(jī)理分析

經(jīng)過(guò)上述研究討論，氧化鋁在管道中對(duì)鋁粉爆炸有良好的抑制作用，其抑爆機(jī)理如圖11所示。圖11中粉體顆粒數(shù)密度(個(gè)/m3)和大小是按照鋁粉和氧化鋁粉的實(shí)際濃度和粒徑計(jì)算的結(jié)果。圖11 假設(shè)顆粒呈理想的近似均勻空間分布。氧化鋁熔點(diǎn)高達(dá)2350 K，沸點(diǎn)更是達(dá)到了3253 K。鋁粉在空氣中理論燃燒溫度可達(dá)3370 K，所以氧化鋁在火焰中呈現(xiàn)出固態(tài)顆?；蛞旱蔚男问?。氧化鋁具有良好的吸熱能力，分散在鋁粉顆粒周圍或吸附在鋁粉顆粒表面，可以吸收大量的反應(yīng)熱，起到良好的降溫作用。假設(shè)氧化鋁粒子的熱容恒定，得到粒子的溫度方程[30]

由式(2)可知，4 μm 氧化鋁抑爆作用優(yōu)于89 μm氧化鋁的主要原因是顆粒升溫速率與顆粒直徑的平方呈反比(dTp/dt～d-2p)，4 μm 氧化鋁比表面積較大吸熱效果較好。4 μm 氧化鋁與爆炸流場(chǎng)之間的速度滑移小(顆粒與氣流速度差)，在反應(yīng)區(qū)停留的時(shí)間更長(zhǎng)，所以4 μm 氧化鋁吸熱速率要比89 μm 氧化鋁快得多[31]。

除此之外還可以通過(guò)對(duì)反應(yīng)區(qū)熱量的量化分析來(lái)描述粒子的不同作用，氧化鋁顆粒的熱輻射損失和粒子的直徑、溫度、輻射發(fā)射率有關(guān)。單個(gè)顆粒的輻射熱損失[32]可以表示為

圖11 氧化鋁抑制機(jī)理Fig.11 Mechanism of aluminum oxide inhibition

假設(shè)火焰反應(yīng)區(qū)有n 個(gè)氧化鋁顆粒參加輻射，方程可以表示為

其中，氧化鋁粒子數(shù)密度n可以計(jì)算

氧化鋁粒子在火焰中受熱膨脹直徑變大，考慮到這些因素將公式做進(jìn)一步變換得

從式(6)可以看出，單個(gè)顆粒熱損失Qr和D32呈反比，因此氧化鋁粒子直徑越大，其相對(duì)輻射散熱量就越小。氧化鋁顆粒在燃燒區(qū)的輻射熱損失相當(dāng)于散熱器的作用，對(duì)燃燒區(qū)的降溫起到了重要作用。隨著氧化鋁粉濃度σp增加，散熱作用加強(qiáng)，致使反應(yīng)溫度逐漸降低。當(dāng)溫度降低到1000 K 以下時(shí)，鋁粉的燃燒將不能持續(xù)進(jìn)行，從而達(dá)到抑制鋁粉爆炸的作用。在鋁粉燃燒產(chǎn)生熱量的作用下，固態(tài)氧化鋁變成液態(tài)與鋁粉表面的氧化鋁外殼粘連在一起，導(dǎo)致氧化鋁外殼的厚度增加。氧化鋁的熱輻射發(fā)射率為0.9 左右，而鋁的熱輻射發(fā)射率最大僅為0.25，氧化鋁覆蓋鋁粒子會(huì)增加熱輻射量，對(duì)燃燒的鋁粒子起到降溫的作用，從而降低反應(yīng)區(qū)的溫度。

預(yù)熱區(qū)顆粒升溫所吸收的熱量大部分來(lái)自反應(yīng)區(qū)的熱傳導(dǎo)，還有一部分來(lái)自反應(yīng)區(qū)的熱輻射。預(yù)熱區(qū)粉塵云接收的輻射傳熱與粒子燃燒時(shí)間尺度和預(yù)熱區(qū)粒子吸熱的時(shí)間尺度相關(guān)。層流燃燒速度Slad可以表示為[33]

粒子在反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間τc可以表示為

粒子在反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間τc不超過(guò)0.1 s，在這個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)預(yù)熱區(qū)粒子鋁粉粒子吸收熱輻射升溫基本可以忽略，所以在實(shí)驗(yàn)室小尺度條件下燃燒區(qū)熱輻射對(duì)預(yù)熱區(qū)的作用可以忽略[33]。但是在大尺度粉塵爆炸場(chǎng)景下，鋁粉燃燒時(shí)間長(zhǎng)，熱輻射持續(xù)的時(shí)間也長(zhǎng)，對(duì)預(yù)熱區(qū)的鋁粉輻射升溫作用明顯。

氧化鋁本身具有很強(qiáng)的吸熱能力，可以吸收大量燃燒區(qū)的熱量，降低反應(yīng)區(qū)火焰溫度。氧化鋁高發(fā)射率使其在燃燒區(qū)可以輻射出更多的熱量，而這些熱量不能被預(yù)熱區(qū)有效地吸收，而是以熱損失的形式散失到環(huán)境中，所以氧化鋁相較于其他惰化粉體有更好的降溫作用。

4 結(jié) 論

本文對(duì)兩種粒徑的氧化鋁抑制鋁粉爆炸特性進(jìn)行了比較研究，從鋁粉爆炸火焰結(jié)構(gòu)演化、鋒面?zhèn)鞑ヌ匦院捅ǔ瑝翰ㄐ渭耙种茩C(jī)理等多個(gè)方面進(jìn)行分析比較，得到以下結(jié)論。

(1)在豎直開(kāi)口管道中，氧化鋁作為惰化劑，其濃度和粒徑均對(duì)鋁粉爆炸火焰鋒面演化有重要影響。隨著惰化比增加，爆炸火焰鋒面趨于穩(wěn)定，對(duì)爆炸初期火焰的發(fā)展表現(xiàn)出明顯的抑制作用。4 μm 氧化鋁對(duì)初期火焰發(fā)展抑制效果更佳火焰面積明顯減小。

(2)氧化鋁惰化比增加對(duì)爆炸第一階段火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^小，對(duì)第二階段影響較大。隨惰化比的增加，火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣却蟠蠼档停竭_(dá)管道出口的時(shí)間延長(zhǎng)，在4 μm氧化鋁抑制下火焰鋒面到達(dá)管口需要更長(zhǎng)的時(shí)間，抑爆效果更好。

(3)在豎直開(kāi)口管道中，氧化鋁濃度和粒徑對(duì)管道中鋁粉爆炸超壓均有重要影響。隨著惰化比增加，無(wú)論粒徑大小均對(duì)爆炸所產(chǎn)生的第一超壓峰值有明顯的抑制作用，對(duì)于第二超壓波峰的作用89 μm 氧化鋁表現(xiàn)不如4 μm 氧化鋁明顯。4 μm 氧化鋁惰化比φ=30%時(shí)，第二超壓波峰消失，在惰化比φ=70%時(shí)，抑爆效率高達(dá)88.9%。而89 μm 氧化鋁抑爆效率有明顯的極限值(φ=20%)，超過(guò)此值，其抑爆效用增加無(wú)幾。

(4)氧化鋁物理性質(zhì)特殊，比熱容較大，吸熱能力強(qiáng)，小粒徑的氧化鋁分散在鋁粉顆粒周圍或吸附在鋁粉顆粒表面，可以吸收大量的反應(yīng)熱，起到良好的降溫作用。氧化鋁顆粒在燃燒區(qū)的輻射熱損失相當(dāng)于散熱器的作用，對(duì)燃燒區(qū)的降溫起到了重要作用。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——火焰表面面積,m2

C1,C3——分別為D20D32、D30D32

cp,cpg——分別為顆粒比熱容、氣體比熱容，J·mol·K-1

D20,D30,D32——分別為表面積平均直徑、體積平均直徑、體積表面平均直徑,μm

dp——粒徑,μm

F——輻射角系數(shù)

f——溶脹因子

Nu——Nusselt數(shù)

Qr——輻射引起的熱損失,J

q——燃料空氣質(zhì)量比

T0,Tp,Tf,Ti——分別為初溫、顆粒溫度、火焰溫度、著火溫度，K

δ0——燃燒區(qū)厚度,μm

ε——粒子輻射發(fā)射率

λg——?dú)怏w熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ρg,ρp——分別為氣體密度、固體密度，g·cm-3

σ——Stefan-Boltzmann常數(shù)

σp——粒子質(zhì)量濃度，g·m-3

τc——停留時(shí)間,ms