劉志敏　(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,太原030051）

鎂鋁混合粉塵爆炸規(guī)律研究

劉志敏
(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,太原030051）

鎂與鋁被運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)，特別是在化工，軍工，航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在一定條件下，鎂和鋁制備成顆粒極易發(fā)生爆炸。所以有必要研究鎂、鋁粉塵爆炸的規(guī)律，從而預(yù)防和控制爆炸事故的發(fā)生。本文以鎂鋁混合粉塵為研究對(duì)象，基于水平管道對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：200目(75μm)以下鎂鋁混合粉塵比例分別為1:1,1:2,1:3的爆炸下限分別為30g/m3、40g/m3、65g/m3。隨著鎂鋁混合粉塵中鋁比例的增加，爆炸下限增大。鎂鋁混合粉塵發(fā)生爆炸時(shí)存在一個(gè)濃度值，在此濃度值下最大爆炸壓力達(dá)到最大。相同濃度不同配比下，隨著鎂鋁混合粉塵中鋁粉比例的增加，爆炸時(shí)最大爆炸壓力減小，爆炸的猛烈程度降低。

鎂粉;鋁粉;爆炸下限;爆炸壓力

0　引言

粉塵爆炸是給人類生產(chǎn)生活帶來(lái)危害的主要事故，同時(shí)，鎂鋁粉在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，但自身化學(xué)性質(zhì)活潑，極易發(fā)生燃燒爆炸。有效預(yù)防爆炸災(zāi)害產(chǎn)生的危害，準(zhǔn)確掌握其爆炸的原理，了解其爆炸特性，建立相應(yīng)的爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，研究其爆炸特性是很有必要的。中國(guó)對(duì)鎂鋁合金的抑燃抑爆的研究仍處于最初階段，落后于國(guó)際先進(jìn)水平很大的差距，在鎂鋁合金的應(yīng)用上受制于國(guó)外。因此，對(duì)鎂鋁金屬的研究意義重大。本文在參閱鎂鋁合金相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其爆炸特性規(guī)律進(jìn)行研究，使用本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)制造的設(shè)備對(duì)其爆炸特性進(jìn)行研究，測(cè)出不同配比鎂鋁合金的爆炸極限，研究了不同配比鎂鋁合金不同濃度的最大爆炸壓力的變化規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)裝置為本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)研究的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為管道式可燃?xì)怏w-粉塵爆炸試驗(yàn)裝置，如下圖所示。

整套實(shí)驗(yàn)裝置由水平管道、揚(yáng)塵系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)4部分組成。

1.1水平管道

水平管道總長(zhǎng)0.7米，截面為直徑139mm的圓形。內(nèi)置電極、吹粉管。體積為0.0106m3。

1.2揚(yáng)塵系統(tǒng)

揚(yáng)塵系統(tǒng)由空壓機(jī)、電磁閥、貯氣室、粉塵倉(cāng)、吹粉管等組成。先將粉塵放置在粉倉(cāng)內(nèi)，開(kāi)打空壓機(jī)給貯氣室充氣，當(dāng)接受到點(diǎn)火信號(hào)后，電磁閥隨之開(kāi)啟，貯氣室內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)粉塵倉(cāng)將粉塵吹起，最后粉塵再經(jīng)過(guò)吹粉管吹入水平管道，最后粉塵在管道內(nèi)形成均勻的粉塵云。

1.3點(diǎn)火控制系統(tǒng)

點(diǎn)火控制系統(tǒng)由電極、電源、高壓互感器、控制箱組成。電極兩端加上10kV電壓，擊穿空氣產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃懸浮在空氣中的鋁粉;控制箱可以調(diào)節(jié)電極點(diǎn)火延遲時(shí)間。本次試驗(yàn)設(shè)定點(diǎn)火延遲時(shí)間為80ms。

1.4信號(hào)采集系統(tǒng)

管道內(nèi)部安裝有壓電式壓力傳感器、將采集到的信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大，最終由動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀記錄。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鎂鋁混合粉塵爆炸下限的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)中采用不同配比的鎂鋁混合進(jìn)行爆炸下限的測(cè)定，鎂鋁混合的配比分別為1:1,1:2,1:3三種。采用的混合粉塵為200目鎂粉和鋁粉自行配置而成，配置時(shí)盡量使其混合均勻。測(cè)定的初始濃度選定為80g/m3，其他濃度分為以10g/m3為階梯下降，每個(gè)測(cè)定濃度連續(xù)實(shí)驗(yàn)5次，如果此濃度5次均為發(fā)生爆炸，則被認(rèn)為是該粒徑該配比的鋁鎂混合粉塵的爆炸下限。表4.3，4.4，4.5分別是不同配比鎂鋁混合粉塵爆炸下限濃度測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果，其中：“+”表示爆炸；“-”表示未爆炸。

表1　200目鎂鋁混合粉塵(1:1)爆炸下限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　200目鎂鋁混合粉塵(1:2)爆炸下限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3　200目鎂鋁混合粉塵(1:3)爆炸下限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1,2,3三個(gè)表可以看出，200目以下1:1鎂鋁混合粉塵的爆炸下限為30g/m3、200目以下1:2鎂鋁混合粉塵的爆炸下限為40g/m3、200目以下1:3鎂鋁混合粉塵的爆炸下限為65g/m3。

隨著鎂鋁混合粉塵中鎂含量的的減小，鎂鋁混合粉塵的爆炸下限隨之降低。這是因?yàn)殒V粉的活性要比鋁粉強(qiáng)，物質(zhì)自身的特性影響了爆炸下限。因此鎂鋁混合粉塵中鎂含量越高，發(fā)生燃燒爆炸的可能性越大，危險(xiǎn)性也越大。

2.2 鎂鋁混合粉塵濃度對(duì)爆炸特性的影響

在點(diǎn)火電壓10KV，點(diǎn)火延遲時(shí)間為80ms，吹粉壓力0.76MPa的實(shí)驗(yàn)條件下。圖1，2，3分別為不同配比(1:1,1:2,1:3)200目粉塵濃度對(duì)最大爆炸壓力的影響圖，濃度范圍為100g/m3～1000g/m3，以100g/m3為梯度遞增。

從圖1,2,3中可以看出，鎂鋁混合粉塵濃度在100g/m3～700g/m3的范圍時(shí)，最大爆炸壓力隨著濃度的增加而增大，當(dāng)濃度達(dá)到700g/m3時(shí)，最大爆炸壓力達(dá)到最大值，鎂鋁混合粉塵濃度在700g/m3～1000g/m3的范圍時(shí)，最大爆炸壓力隨著濃度的增加而減小。

3　鎂鋁混合粉塵防爆安全對(duì)策

粉塵爆炸的防治通常分為預(yù)防和防護(hù)兩個(gè)方面。預(yù)防是指阻止爆炸的發(fā)生,防護(hù)是爆炸發(fā)生后通過(guò)技術(shù)手段降低爆炸引起的損失。

3.1預(yù)防措施

（1）避免爆炸性粉塵云

在原有工藝基礎(chǔ)上,通過(guò)工藝改進(jìn)和技術(shù)提高使生產(chǎn)過(guò)程中不存在爆炸性粉塵云。這種方法通常成本較高,并且囿于技術(shù)水平，很難在生產(chǎn)過(guò)程中完全不產(chǎn)生粉塵。

（2）惰化工藝

用惰性氣體將粉塵云包圍，例如氮?dú)?，二氧化碳，可以降低粉塵周?chē)难鯕鉂舛?，從而阻止粉塵發(fā)生爆炸。惰化工藝需要使用大量惰性氣體，成本較高，適用于較高危險(xiǎn)性的行業(yè)。

（3）限制粉塵云濃度

限制粉塵云的濃度使其低于爆炸下限，粉塵云顯然不會(huì)爆炸。但在實(shí)際操作中卻很難控制粉塵云的濃度，因此該方法在實(shí)際中應(yīng)用較少。

3.2防護(hù)措施

（1）封閉

讓設(shè)備能夠完全承受粉塵爆炸產(chǎn)生的壓力的技術(shù)就是封閉,一般能承受1.0MPa壓力的設(shè)備就能承受幾乎所有種類粉塵的爆炸,但這樣的設(shè)備往往造價(jià)昂貴,因此封閉技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。

（2）隔爆

隔爆是指將爆炸源與其他設(shè)備隔絕開(kāi)，防止爆炸傳播從而波及人員和其他設(shè)備。隔爆技術(shù)又分為主動(dòng)隔爆和被動(dòng)隔爆。目前的隔爆產(chǎn)品主要使用于管道上。

（3）泄爆技術(shù)

指有可能產(chǎn)生爆炸的房間或者箱體為了避免爆炸而設(shè)的排泄壓力或者能量的通道。泄爆技術(shù)是目前使用最廣泛的粉塵爆炸防護(hù)技術(shù),但泄爆過(guò)程本身是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，目前仍是研究的熱點(diǎn)。

（4）自動(dòng)抑爆

自動(dòng)抑爆技術(shù)通過(guò)傳感器探測(cè)爆炸信號(hào)，之后傳感器發(fā)出指令向爆炸源噴射抑制劑阻止爆炸的傳播。自動(dòng)抑爆技術(shù)設(shè)備的技術(shù)含量較高，難度較大。

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劉志敏(1988-)，男，碩士研究生，中北大學(xué)。