胡海燕　胡立雙　武學(xué)

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院　太原 030051；　2.忻州師范學(xué)院　山西忻州 034000)

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惰性粉塵對(duì)鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度的影響*

胡海燕1,2胡立雙1武學(xué)1

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院太原 030051；2.忻州師范學(xué)院山西忻州 034000)

為了研究惰性粉塵存在氛圍下，鋁鎂混合粉著火爆炸的規(guī)律，采用Godbert-Greenwald恒溫爐設(shè)備研究了設(shè)備吹粉壓力、惰性BaCO3和SiO2粉塵粒徑、惰性粉塵含量對(duì)鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度的影響。結(jié)果表明，試驗(yàn)存在最佳吹粉壓力，此時(shí)最有利于鋁鎂混合粉燃燒，且高濃度鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力比低濃度的大；最低點(diǎn)燃溫度隨著不活潑粉塵粒徑的減小而升高，粒徑相同條件下，BaCO3抑制效果比SiO2明顯；惰性粉塵對(duì)鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度影響很大，當(dāng)BaCO3和SiO2粉塵含量增加時(shí)，最低點(diǎn)燃溫度先升高，達(dá)到一定值后趨于不變；混合粉塵中，惰性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在53%以下時(shí)，BaCO3的抑制作用比SiO2強(qiáng)，但當(dāng)惰性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在53%以上時(shí)，SiO2和BaCO3對(duì)混合粉塵抑制作用正好相反；當(dāng)爐體溫度在630 ℃以上時(shí)，鋁鎂混合粉最低點(diǎn)燃溫度受BaCO3和SiO2粉塵影響很小。

鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度惰性粉塵G-G恒溫爐

0　引言

鋁鎂混合粉可作為金屬燃料廣泛應(yīng)用于煙火劑配方設(shè)計(jì)和固體火箭推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)中[1-3]。在鋁鎂混合粉的現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中，鋁鎂混合粉以粉塵云的形態(tài)普遍存在[4]。鋁鎂混合粉物理化學(xué)性質(zhì)十分活潑，如果受到高溫表面或者明火作用，很容易點(diǎn)燃，發(fā)生事故，造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。所以，做好鋁鎂混合粉的抑爆、防爆工作，測(cè)試鋁鎂混合粉的爆炸特性參數(shù)就變得十分迫切。最低點(diǎn)燃溫度則是衡量粉塵云著火感度和爆炸危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一[5-7]，在可燃粉塵中添加惰性粉塵可以從根本上確保可燃粉塵生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中的安全性。所以，本文選用鋁鎂混合粉(鋁粉與鎂粉的質(zhì)量比為1∶9)，改變裝置吹粉壓力、BaCO3及SiO2粉塵粒徑和含量，研究鋁鎂混合粉塵云在這些外界條件作用下的最低點(diǎn)燃溫度變化規(guī)律，為深入研究鋁鎂混合粉的安全防護(hù)措施，保證鋁鎂混合粉安全生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)參考意義。

1　實(shí)驗(yàn)研究

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本文采用G-G恒溫爐實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)研究BaCO3及SiO2惰性粉塵對(duì)鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度影響規(guī)律[8]，裝置圖如圖1所示。G-G恒溫爐裝置組成分為3部分：220 mL的爐體部分、吹氣控制系統(tǒng)部分以及加熱控制系統(tǒng)部分，其中吹氣壓力可在0～0.1 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，加熱溫度可在0～1 000 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制。

實(shí)驗(yàn)前，調(diào)節(jié)加熱控制系統(tǒng)部分，將裝置爐體溫度設(shè)定為某一恒定值，裝置的吹粉壓力可由吹氣控制系統(tǒng)部分調(diào)控，實(shí)驗(yàn)時(shí)將鋁鎂混合粉放在樣品室中，打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)，由空氣將鋁鎂混合粉吹入裝置爐體中，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置底部的鏡面反射板判定鋁鎂混合粉是否被點(diǎn)燃。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如果實(shí)驗(yàn)裝置爐體中有火焰出現(xiàn)且現(xiàn)象很明顯，則判定混合粉被點(diǎn)燃；如果沒(méi)有觀察到明顯火焰，則判定混合粉未被點(diǎn)燃。實(shí)驗(yàn)從低溫開(kāi)始測(cè)定，某溫度條件下重復(fù)進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)都無(wú)明顯的火焰出現(xiàn)則認(rèn)為此溫度條件下鋁鎂混合粉未著火，那么繼續(xù)升高爐體溫度并恒定在某一數(shù)值，重復(fù)上述步驟直到獲得鋁鎂混合粉的最低點(diǎn)燃溫度。

1-加熱控制器；2-熱電偶；3-加熱爐；4-觀察玻璃管；5-裝樣室；6-高度拋光板；7-空氣存儲(chǔ)器；8-電磁閥；9-粉塵擴(kuò)散開(kāi)關(guān)；10-調(diào)節(jié)閥；11-空氣壓縮機(jī)

1.2實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用的鋁鎂混合粉粒徑53～75 μm，純度≥99%；惰性粉塵BaCO3和SiO2有粒徑為38～45，48～53 ，53～75 ，75～150 μm的4種規(guī)格，純度為分析純。實(shí)驗(yàn)前，需要將BaCO3粉塵和SiO2粉塵置于干燥箱中，對(duì)其干燥脫水處理，設(shè)定的干燥溫度為70 ℃，干燥時(shí)間為12 h，干燥結(jié)束后，迅速將BaCO3和SiO2粉塵分別存放于干燥瓶中。鋁鎂混合粉一般存放在真空干燥箱中，這樣可以避免鋁鎂混合粉被空氣氧化而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試的準(zhǔn)確性。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1最低點(diǎn)燃溫度受吹粉壓力影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)選用鋁鎂混合粉質(zhì)量濃度分別為0.45，1.36，2.73 kg/m3，粒徑范圍為53～75 μm。研究裝置吹粉壓力分別為0.02，0.025，0.03，0.035，0.04，0.045，0.05 MPa時(shí)，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　最低點(diǎn)燃溫度受吹粉壓力影響規(guī)律

由圖2可得出，在同一濃度和同一粒徑條件下，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度隨吹粉壓力的升高，呈現(xiàn)出先變小后增大的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)還得出，該實(shí)驗(yàn)條件下存在一個(gè)最佳的吹粉壓力；質(zhì)量濃度為0.45，1.36 kg/m3的鋁鎂混合粉，其最佳吹粉壓力為0.03 MPa，而當(dāng)質(zhì)量濃度變成2.73 kg/m3時(shí)，最佳吹粉壓力則變成0.035 MPa，即高濃度鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力要大于低濃度鋁鎂混合粉，這是因?yàn)楫?dāng)鋁鎂混合粉濃度增大時(shí)，鋁鎂混合粉顆粒之間的距離相對(duì)減小，原子間作用力增強(qiáng)，故需要增大吹粉壓力以利于鋁鎂混合粉在爐體中均勻分散。

吹粉壓力過(guò)高過(guò)低都不利于鋁鎂混合粉著火燃燒，存在最佳吹粉壓力，當(dāng)吹粉壓力低于最佳吹粉壓力時(shí)，由于吹氣系統(tǒng)吹進(jìn)爐體中的空氣量很少，使鋁鎂混合粉燃燒不完全，同時(shí)由于吹粉壓力很小，不能使鋁鎂混合粉在爐體中均勻分布，鋁鎂混合粉因發(fā)生團(tuán)聚而使其比表面積變小，這也不利于鋁鎂混合粉和O2及N2反應(yīng)，反應(yīng)不完全，降低了反應(yīng)放出的熱量。所以隨著吹粉壓力變小，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度會(huì)增大。

當(dāng)吹粉壓力比最佳吹粉壓力大時(shí)，氣流速度變大，大大縮短了鋁鎂混合粉在爐體中的停留時(shí)間，在一定程度上縮短了粒子與爐體環(huán)境及粒子間的換熱時(shí)間，導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，吸收的熱量不足，與此同時(shí)，會(huì)將大量的低溫空氣帶入到反應(yīng)爐體中，低溫空氣的進(jìn)入降低了爐體的溫度。所以在高于最佳吹粉壓力時(shí)，隨著吹粉壓力的增大，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度會(huì)升高[9]。

2.2最低點(diǎn)燃溫度受惰性粉塵粒徑影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)的吹粉壓力控制在0.03 MPa，鋁鎂混合粉的質(zhì)量濃度確定為1.36 kg/m3，惰性粉塵BaCO3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%不變，研究4種不同粒徑38～45，48～53，53～75，75～150 μm的惰性BaCO3和SiO2粉塵對(duì)鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度的影響情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　最低點(diǎn)燃溫度受惰性粉塵粒徑影響規(guī)律

由圖3可得出，當(dāng)惰性粉塵粒徑變小，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度會(huì)升高，惰性粉塵粒徑越小對(duì)鋁鎂混合粉著火燃燒的抑制效果越好。惰性粉塵的粒徑由75～150 μm減小到38～45 μm時(shí)，在鋁鎂混合粉塵云中加入BaCO3時(shí)，則混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度會(huì)提高22 ℃，而在鋁鎂混合粉塵云中加入SiO2時(shí)，混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度只提高了14 ℃，這說(shuō)明當(dāng)惰性粉塵粒徑固定時(shí)，BaCO3的抑制效果好于SiO2的抑制效果。

微觀上，根據(jù)分子碰撞反應(yīng)理論，當(dāng)鎂原子與氧分子碰撞時(shí)，能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，只有當(dāng)分子能量高于反應(yīng)活化能時(shí)，反應(yīng)才能發(fā)生。惰性粉塵的添加使鎂原子與氧分子有效碰撞數(shù)降低，降低了反應(yīng)活性。宏觀上，惰性粉塵BaCO3和SiO2的粒徑越小，與鋁鎂混合粉接觸的換熱面積越大，就越有助于吸收反應(yīng)釋放的熱量，繼而起到抑制鋁鎂混合粉著火燃燒的效果。另外一個(gè)原因是，在可燃粉塵中添加惰性粉塵，這就使得單位體積中可燃粉塵的濃度變小，使得燃燒反應(yīng)釋放的能量變小。由于惰性粉塵添加量不變，因此，惰性粉塵粒徑越小，單位體積中惰性粉塵顆粒越多，導(dǎo)致單位體積中鋁鎂混合粉相對(duì)濃度變小。所以，可以考慮在可燃粉塵中添加微小粒徑的惰性粉塵來(lái)提高其對(duì)可燃粉塵著火燃燒的抑制效果，從而大大降低可燃粉塵因著火燃燒而帶來(lái)的危害，保證生產(chǎn)加工過(guò)程的安全。

2.3低點(diǎn)燃溫度受惰性粉塵含量影響規(guī)律

選擇實(shí)驗(yàn)吹粉壓力0.035 MPa，鋁鎂混合粉質(zhì)量濃度選擇1.36 kg/m3，研究向鋁鎂混合粉中添加不同含量的粒徑為53～75 μm的惰性粉塵BaCO3和SiO2，研究鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度受惰性粉塵含量影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可得出，當(dāng)惰性粉塵BaCO3和SiO2在混合粉塵中含量增加時(shí)，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度會(huì)提高，這也充分表明惰性BaCO3和SiO2粉塵對(duì)鋁鎂混合粉燃燒反應(yīng)有抑制效果。從圖4中還可以得出，含量不同時(shí)，BaCO3和SiO2粉塵的抑制效果是不一樣的，混合物中惰性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在53%以下時(shí)，BaCO3抑制燃燒反應(yīng)的效果較好；但當(dāng)混合物中惰性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在53%以上時(shí)，SiO2抑制燃燒反應(yīng)的效果較好；當(dāng)加熱溫度在630 ℃以上時(shí)，BaCO3和SiO2兩種惰性粉塵對(duì)鋁鎂混合粉燃燒反應(yīng)的抑制效果都很差，此時(shí)即使再增加BaCO3和SiO2的含量，鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度也不會(huì)有很大的變化。

圖4　最低點(diǎn)燃溫度受惰性粉塵含量影響規(guī)律

常溫下氮?dú)饩涂梢院玩V粉反應(yīng)，只是該反應(yīng)速率太慢，達(dá)到平衡狀態(tài)需要的時(shí)間非常漫長(zhǎng)[10]，因此觀察不到氮?dú)馀c鎂粉的反應(yīng)，只有在高溫下才能觀察到。根據(jù)分子有效碰撞理論，實(shí)驗(yàn)中，鎂原子先與氧分子發(fā)生有效碰撞，激起化學(xué)反應(yīng)，釋放的能量傳遞給氮分子，促使氮分子和鎂原子的化學(xué)反應(yīng)。但是由于惰性粉塵BaCO3和SiO2的添加，降低了單位體積中鋁鎂混合粉的含量，從而降低了氧分子和鎂原子的有效碰撞，降低了化學(xué)反應(yīng)的可能性；同時(shí)由于惰性粉塵BaCO3和SiO2不參與化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)空間中會(huì)吸收鋁鎂混合粉與氧氣反應(yīng)釋放出的一部分熱量，降低體系的溫度，抑制氮?dú)馀c鎂粉的化學(xué)反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果在指導(dǎo)實(shí)際鋁鎂混合粉工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的不同，為保證安全生產(chǎn)，鋁鎂混合粉實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中涉及的所有設(shè)備的最高表面溫度應(yīng)小于實(shí)驗(yàn)條件下鋁鎂混合粉塵云最低著火溫度的2/3，即當(dāng)鋁鎂混合粉所處環(huán)境溫度低于420 ℃時(shí)，方可認(rèn)為安全[11]。

3　結(jié)語(yǔ)

(1) 本次實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)吹粉壓力設(shè)定在0.02～0.05 MPa范圍內(nèi)時(shí)，隨著吹粉壓力的增大，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，且存在一個(gè)最佳吹粉壓力值，在此條件下鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度值最小。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，高濃度時(shí)鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力要比低濃度時(shí)鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力高。

(2) 隨著惰性粉塵粒徑減小，鋁鎂混合粉塵云的最低點(diǎn)燃溫度會(huì)增大，惰性粉塵粒徑越小，其對(duì)鋁鎂混合粉燃燒反應(yīng)的抑制效果就越好，此外，粒徑對(duì)BaCO3抑制效果的影響要略強(qiáng)于對(duì)SiO2的影響。

(3) 隨著B(niǎo)aCO3和SiO2含量的增加，鋁鎂混合粉塵云最低點(diǎn)燃溫度呈現(xiàn)先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)?；旌衔镏卸栊苑蹓m質(zhì)量分?jǐn)?shù)在53%以下時(shí)，BaCO3抑制燃燒反應(yīng)的效果較好；但當(dāng)混合物中惰性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在53%以上時(shí)，SiO2抑制燃燒反應(yīng)的效果較好；當(dāng)加熱溫度在630 ℃以上時(shí)，BaCO3和SiO2兩種惰性粉塵對(duì)鋁鎂混合粉燃燒反應(yīng)的抑制效果都很差。

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Research on the Influence of Inert Dust on Minimum Ignition Temperature of Aluminum and Magnesium Dust Cloud

HU Haiyan1,2HU Lishuang1WU Xue1

(1.CollegeofChemicalEngineeringandEnvironment,NorthUniversityofChinaTaiyuan030051)

In order to evaluate inhibition effect of inert dust to magnesium and aluminum dust, G-G furnace is used to study the influence of diffusing pressure, particle size and content of inert dust BaCO3and SiO2on the minimum ignition temperature (MIT) of magnesium and aluminum dust cloud. Results show that there is optimum diffusing pressure, which is most conducive to magnesium and aluminum dust combustion and the optimum diffusing pressure of high concentration of magnesium and aluminum dust is greater than that of low concentration of magnesium and aluminum dust. The MIT of magnesium and aluminum dust cloud increases with the decrease of the particle size of inert dust and the influence of inhibition effect for BaCO3by the change of size is slightly stronger than that of SiO2. The MIT of magnesium and aluminum dust cloud increases at first and then tends to be stable with the increase of the content of inert dust BaCO3and SiO2, the inhibition effect of BaCO3is stronger than that of SiO2, when the content of inert dust is lower than 53%, but when higher than 53%, the inhibition effect of SiO2is stronger than that of BaCO3. The inhibition effect of BaCO3and SiO2to magnesium and aluminum dust is weaker, when the temperature of furnace body is higher than 630 ℃.

magnesium and aluminum dust cloudminimum ignition temperatureinert dustG-G furnace

中北大學(xué)研究生科技基金(20141137)。

胡海燕，男，1975年生，博士，講師，研究方向?yàn)槲ｋU(xiǎn)化學(xué)品評(píng)價(jià)。

2016-01-19)