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        鋁粉遇水燃燒爆炸危險性的實驗研究

        2022-04-15 04:44:58婧,躍,
        黑龍江科技大學學報 2022年2期
        關(guān)鍵詞:鋁鎂合金鋁粉檢測儀

        邢 婧, 畢 躍, 崔 瀚

        (1.沈陽工學院 能源與水利學院, 遼寧 撫順 113122;2.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司 公用工程室, 沈陽 110000)

        0 引 言

        鋁粉遇水潮濕易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。近年來,鋁粉企業(yè)事故頻發(fā)。2014年8月2日7時34分,位于江蘇省蘇州市昆山市昆山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故,當天造成75人死亡、185人受傷。事故直接原因為除塵器集塵桶銹蝕破損,桶內(nèi)鋁粉受潮,發(fā)生氧化放熱反應(yīng),達到粉塵云的引燃溫度,引發(fā)除塵系統(tǒng)及車間的系列爆炸[1]。2015年3月20日,遼寧省大石橋市永安鎮(zhèn)的周建良煉鋁廠發(fā)生了火災(zāi)和爆炸事故。事故的直接原因也是鋁粉自燃,后引發(fā)火災(zāi),在消防員救火的過程中發(fā)生粉塵爆炸,造成消防員1死7傷[2]。諸如此類鋁粉遇水后產(chǎn)生的火災(zāi)爆炸事故還有很多,此類事故由于不能使用水、二氧化碳等常用滅火器滅火,增加了滅火工作的難度。因此,研究鋁粉遇水后的燃燒規(guī)律,實現(xiàn)有效預(yù)防具有重要意義。

        國內(nèi)外學者對鋁粉遇水的反應(yīng)機理進行了比較深入的研究。Deng等[3-4]提出的鋁水反應(yīng)模型認為,金屬Al表面有一層致密的氧化物膜,使得內(nèi)部的Al不能與水直接反應(yīng)。當Al顆粒與水接觸時,其表面氧化物層首先將發(fā)生水合反應(yīng)。上海大學蓋偉卓[5]研究了純度較高的鋁粉在常溫常壓的條件下和去離子水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的特性。上海出入境檢驗檢疫局的趙頤晴[6]研究了鋁粉遇水放氣的危險性,得出鋁粉與常溫水不反應(yīng),當水溫大于70 ℃時發(fā)生反應(yīng),溫度不同,反應(yīng)過程也不相同。南京理工大學國家特種超細粉體工程技術(shù)研究中心的劉冠鵬等應(yīng)用納米鋁粉與水反應(yīng)制備燃料。

        目前對常溫鋁粉與水反應(yīng)機理或燃爆特性研究較多,對于高溫鋁粉與水反應(yīng)以及作為冶金、化工、建筑、軍事等方面常見原料的鋁鎂合金粉與水反應(yīng)的研究幾乎為空白。為了揭示鋁粉遇水后火災(zāi)爆炸的危險性及規(guī)律,為鋁粉遇水后的火災(zāi)爆炸事故的預(yù)警、探測以及控制系統(tǒng)的研制提供理論依據(jù),筆者將在常壓、密閉的實驗條件下,研究粉塵粒徑、溫度對鋁粉和合金鋁粉與水反應(yīng)程度的影響。

        1 實 驗

        1.1 實驗裝置

        本實驗采用的裝置如圖1所示。該裝置具有良好的密封性,以玻璃罩形成密閉空間模擬企業(yè)廠房或倉庫。玻璃罩尺寸為450 mm×450 mm×520 mm,容積為105 L,結(jié)構(gòu)為五面無底玻璃罩。玻璃罩中除去實驗裝置剩余容積約為100 L。實驗采用收集氣體的方式測得某位置的氫氣濃度,根據(jù)該值計算反應(yīng)產(chǎn)生氫氣速度。由于鋁水反應(yīng)只產(chǎn)生氫氣,因此,鋁水反應(yīng)的進展可以由產(chǎn)生的氫氣量來表征。在氫氣散播均勻的前提下,測得一點的數(shù)據(jù),來近似代替整個密閉空間的氫氣體積分數(shù)。通過氫氣檢測儀測得氫氣體積分數(shù),在已知容積的前提下,便可以算出產(chǎn)生氫氣的總量。本實驗可以控制進物料量和進水量,做到定量達到實驗要求。

        圖1 實驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus

        1.2 實驗方法

        本實驗是在常壓條件下進行的,故不設(shè)置泄壓孔。玻璃罩左端連接進水管,進水端含有兩個閥門,閥門1控制水進入或停止,閥門2控制水流速。玻璃罩內(nèi)部放置長350 mm、高280 mm的不銹鋼架子。架子上放置投料裝置,以圓盤圓心為中心被平均分為8個45°的扇形,其中一個扇形可以漏料,勻速轉(zhuǎn)動鐵桿,可達到均勻進料的效果。

        實驗容器為容量2 L的燒杯。燒杯底部使用加熱器控制加熱平臺溫度,以達到實驗要求。燒杯內(nèi)使用氫氣檢測儀測定集氣罩內(nèi)各位置的氫氣濃度。實驗原材料為5瓶鋁粉,分別為鋁鎂合金粉﹑片狀鋁粉﹑氮沖鋁粉﹑113~180 μm鋁粉﹑113 μm鋁粉。

        2 結(jié)果分析

        2.1 起始溫度分析

        在實驗裝置中加入400 mL的25 ℃常溫水,然后投入113 μm鋁粉,采用水浴加熱的方式,測試113 μm鋁粉與水反應(yīng)起始溫度。

        在實驗過程中,氫氣檢測儀的數(shù)值一直為0,證明沒有氫氣產(chǎn)生。當燒杯內(nèi)的溫度達到79 ℃時,氫氣檢測儀出現(xiàn)數(shù)值,立即降低平臺溫度,盡量保持燒杯內(nèi)溫度基本不變,觀察實驗現(xiàn)象。由于氫氣檢測儀是吸收氣體后測試氫氣的體積分數(shù),需要約20 s的反應(yīng)時間。在熱流數(shù)據(jù)采集儀上查出對應(yīng)時間所在溫度,其溫度大約為73 ℃,故推算113 μm鋁粉與73 ℃的水開始發(fā)生反應(yīng)。在1 067 s后,反應(yīng)基本停止,氫氣檢測儀最大值為837.6×10-6,遠遠沒有達到氫氣的爆炸下限,說明氫氣體積分數(shù)不高,沒有爆炸危險,可被人們接受。在實際生產(chǎn)儲存鋁粉過程中,應(yīng)設(shè)置溫度監(jiān)控裝置,當高溫水噴射到鋁表面時,應(yīng)停止高溫水泄露或采用迅速冷卻鋁粉,使得氫氣產(chǎn)生的速度下降,防控火災(zāi)事故發(fā)生。

        2.2 常溫鋁粉與75 ℃水反應(yīng)

        通過實驗?zāi)M常溫情況下,不同類型鋁粉受潮導(dǎo)致燃燒爆炸反應(yīng)情況。

        將10 g 113 μm鋁粉、10 g氮沖鋁粉、10 g 113~180 μm鋁粉、鋁鎂合金粉通過進料端分別加入到75 ℃的400 mL水中,熱電偶分別接觸加熱平臺和燒杯,觀察燒杯內(nèi)反應(yīng)現(xiàn)象并記錄氫氣檢測儀的數(shù)據(jù)。

        4種鋁粉與75 ℃水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣情況的實驗數(shù)據(jù)對比情況,如圖2所示。

        圖2 4種鋁粉與75 ℃水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣曲線Fig. 2 Hydrogen curves generated by reaction of 4 kinds of aluminum powder with water at 75 ℃

        通過觀察氫氣檢測儀發(fā)現(xiàn)氮沖鋁粉反應(yīng)速度最快,在187 s氫氣體積分數(shù)達到1 000×10-6,同時反應(yīng)沒有下降的趨勢,氫氣體積分數(shù)很有可能達到4 000×10-6,在這種狀態(tài)下,不能被人們接受。與氮沖鋁粉對比,鋁鎂合金粉總體反應(yīng)速度很快,但是當氫氣體積分數(shù)達到1 000×10-6后速度有下降趨勢。113~180 μm鋁粉與113 μm鋁粉與水反應(yīng)速度都較慢,氫氣檢測儀沒有發(fā)生爆表現(xiàn)象。這說明鋁粉與水反應(yīng)的速度與鋁粉粒徑大小有關(guān),粒徑越小、比表面積更大,反應(yīng)更劇烈,更應(yīng)該在生產(chǎn)儲存過程中給與關(guān)注。

        2.3 高溫鋁粉與常溫水反應(yīng)

        通過實驗?zāi)M鋁粉燃燒時,用水滅火使燃燒爆炸進一步擴大的情況。

        將10 g 113 μm鋁粉、10 g氮沖鋁粉、10 g 113~180 μm鋁粉、鋁鎂合金粉分別加入燒杯后通過加熱平臺加熱,將燒杯溫度升高至150 ℃,然后加入400 mL的常溫水,觀察燒杯內(nèi)反應(yīng)現(xiàn)象并記錄氫氣檢測儀的數(shù)據(jù)。

        通過這4組實驗得到4種高溫鋁粉與常溫水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣情況的數(shù)據(jù)如圖3所示。

        圖3 4種高溫鋁粉與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣曲線Fig. 3 Curves of hydrogen produced by reaction of four high-temperature aluminum powders with water

        4組150 ℃鋁粉與水反應(yīng)過程中氫氣檢測儀全部爆表,氫氣體積分數(shù)達到1 000×10-6,說明鋁粉在加熱后活性大大提高。氮沖鋁粉由于較113 μm鋁粉和113~180 μm鋁粉相比粒徑小,活性最高,最先爆表。同時在生產(chǎn)過程中是用氮氣吹出,氧化程度低,而113~180 μm和113 μm鋁粉是空氣吹出,氧化程度高,氮沖鋁粉更容易與水反應(yīng)。鋁鎂合金粉前期反應(yīng)速度最慢,最后爆表,在反應(yīng)前期水面形成銀白色物質(zhì),在反應(yīng)中期向上形成巨大凸起薄層,可見鋁鎂形成的氧化膜更加致密,在反應(yīng)后期薄層逐個破裂,反應(yīng)速度加快,氫氣量迅速增加,在薄層破裂后,氫氣產(chǎn)生量的速度迅速增加。分析原因主要是鋁鎂合金粉與水反應(yīng)時,生成的氫氧化鎂和氫氧化鋁能進一步反應(yīng)生成溶于水的偏鋁酸鹽,使得鎂鋁粉不斷地與水發(fā)生劇烈反應(yīng),產(chǎn)生氫氣和大量的熱。因此,鋁鎂合金粉的生產(chǎn)、儲存存在更大的安全隱患。當高溫鋁粉與水反應(yīng)時,反應(yīng)時間持久,氫氣產(chǎn)生的速度快,具有危險性,在鋁粉發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的時候,嚴禁用水滅火。

        3 結(jié) 論

        (1)73 ℃為113 μm鋁粉與水反應(yīng)的初始溫度。在常低溫狀態(tài)下,鋁粉與水不發(fā)生反應(yīng)。

        (2)鋁粉粒徑越小,比表面積越大,反應(yīng)更加劇烈。

        (3)鋁鎂合金粉與水反應(yīng)是先慢后快,當氫氣沖破鋁鎂合金粉氧化膜后,反應(yīng)速度極快,因此鋁鎂合金粉的生產(chǎn)、儲存存在更大的安全隱患。

        (4)當鋁粉被加熱后與常溫水反應(yīng)危險性高于常溫鋁粉與高溫水反應(yīng),且氫氣產(chǎn)生量易達到氫氣的爆炸下限,從而發(fā)生爆炸事故。

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