鋁粉抑爆劑適用性能評估研究

雷偉剛，畢海普，王凱全

(常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

粉塵爆炸事故在世界范圍內廣泛存在[1]，首次有記錄的粉塵爆炸事故是1785年意大利都靈發生的面包作坊面粉爆炸[2]；2014年8月，我國江蘇省昆山中榮金屬制造品有限公司發生鋁粉爆炸，導致146人死亡、114人受傷[3]，此類是經濟損失和社會影響重大的鋁粉爆炸事故。傳統上，由于金屬粉塵反應強烈，它的爆燃抑制被認為難以解決。然而，Going等[4]詳細描述了抑制爆炸技術的進步，通過早期的壓力檢測和更快的抑制劑注入使得抑爆得以實現，這大大提高了爆炸抑制系統的效率；Taveau等[5]通過在4.4 m3的容器中利用SBC(碳酸氫鈉)抑爆劑進行抑爆試驗，結果發現該抑爆劑主要通過改變鋁粉爆炸的性能參數來大規模、有效地抑制鋁粉爆炸，以降低人員傷亡和財產損失。近年來，隨著安全意識的提高，國內研究機構和企業開始關注和研究鋁粉爆炸的危害性，發現可以通過改變鋁粉爆炸的性能參數，從而防范與控制鋁粉爆炸事故的發生[6]。如以碳酸鈣為惰性材料，通過爆炸嚴重程度的試驗數據，發現碳酸鈣是防止金屬粉塵點燃的有效方法，且抑爆效果隨著碳酸鈣粒徑的減小而增強[7-9]；抑爆劑碳酸氫鈉可顯著降低火焰強度，發現其惰化抑制作用在微米級與其粒徑成反比關系，其粒徑越小，對鋁粉的火焰傳播速度抑制效果越好[10]；抑爆劑磷酸二氫銨對金屬粉塵爆炸的抑制作用比碳酸鈣顯著，且隨著磷酸二氫銨質量分數的增加，對金屬粉塵的抑爆效果越來越好[11]。通過將碳酸鈣、碳酸氫鈉、磷酸二氫銨等抑爆劑作為抑爆介質，討論其濃度、粒徑及點火能量對最大爆炸壓力的影響，發現磷酸二氫銨是最有效的金屬粉塵抑爆劑，碳酸鈣的惰化效果優于碳酸氫鈉，而碳酸鈣的抑爆效果次于碳酸氫鈉[12-13]。

目前，國內外對于鋁粉爆炸和抑爆劑抑爆效果的試驗研究比較成熟，但基于試驗測試結果分析鋁粉抑爆劑的適用性能還需要考慮環境影響等副作用。例如磷酸鹽、鹵化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽都具有一定的抑爆作用[14]，而鹵化物因其對環境的危害現已逐步被取代。因此，本文基于層次分析法(AHP)建立了鋁粉抑爆劑適用性能綜合評估模型和計算方法，并結合抑爆劑的環境毒理影響、處理難度、安全抑爆效果、運行成本等幾方面進行評估與分析，為現實工業生產中預防鋁粉爆炸事故提供數據支持。

1　鋁粉抑爆劑適用性能綜合評估方法

1. 1　綜合評價指標體系的建立

本文在對某拋光企業鋁粉進行實地調查研究和查閱相關資料的基礎上，結合相關專業人員進行打分測評，并參考鋁粉抑爆劑的環境毒理影響、鋁粉爆炸及抑爆試驗的數據，構建了鋁粉抑爆劑適用性能綜合評價指標體系，詳見圖1。

圖1　鋁粉抑爆劑適用性能綜合評價指標體系Fig.1　　　　Comprehensive evaluation index system of the application of explosion suppressant of aluminum powder

鋁粉抑爆劑適用性能綜合評價指標體系(即評估模型)包含5個一級指標，分別為：環境毒理影響(即對環境和工業生產可能的影響)、后處理難度、前處理難度、安全抑爆效果和運行成本。其中抑爆劑的環境毒理影響是指抑爆劑本身的理化性質，包括污染性、毒害性、腐蝕性和水溶性；抑爆劑的后處理難度是指生產中集塵管道加入抑爆劑后的清掃及處理難度，包括集塵桶清潔難度、粉塵排出難度、粉塵清除確認難度、管道清潔難度和內部清掃難度；抑爆劑的前處理難度是指抑爆劑在現實中獲取的難度以及與粉塵惰化過程中的預處理難度，包括抑爆劑的獲得難度、預處理難度、噴粉難度和與爆炸粉塵混合度；抑爆劑的安全抑爆效果是指工業粉塵惰化后的爆炸性能參數，包括最小點火能、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數；抑爆劑的運行成本是指制作抑爆系統的成本以及后期運行和管理成本，包括抑爆劑成本、噴粉系統成本、噴粉設備維護成本和管理成本。

1. 2　評價指標權重的計算

本文應用層次分析法的基本原理及步驟計算相應的指標權重。層次分析法的基本步驟包括：將具有豐富經驗的專家對各影響因素的相對重要性進行兩兩對比評估打分，構造判斷矩陣；根據判斷矩陣計算得到的相對權重進行判斷矩陣的一致性檢驗；計算不同層次各指標對于系統目標的權重[15-16]。基于專家打分得到的標度判斷矩陣，計算各層指標權重、最大特征值(λmax)及一致性檢驗指標(CR)，其計算結果見表1。

表1　各層指標權重及一致性檢驗Table 1　　　　Weight of indicators of each layer and consistency test

目標層的最大特征值λmax為5.000，一致性檢驗指標CR=0.000 1<0.1，通過一致性檢驗。在一級指標中，權重最大的兩個指標為安全抑爆效果(0.436 4)和環境毒理影響(0.327 3)，其次依次為運行成本(0.109 1)、前處理難度(0.072 7)、后處理難度(0.054 5)，其中環境毒理影響、前處理難度和后處理難度均屬于環境影響類，指標權重之和達0.454 5，高于安全抑爆效果，此外工業應用中還需考慮運行成本。

在二級指標中，B1的4個指標因素中毒害性的權重最大，占主要影響，其次是腐蝕性、水溶性和污染性；B2的5個指標因素中管道清潔難度和內部清掃難度的權重最大，其次是集塵桶清潔難度、粉塵排出難度和粉塵清除確認難度；B3的4個指標因素中權重大小依次是抑爆劑獲得難度、預處理難度、與爆炸粉塵混合度和噴粉難度；B4的4個指標因素中最大爆炸壓力和爆炸指數的權重最大，其他依次是最大爆炸壓力上升速率和最小點火能；B5的4個指標因素中抑爆劑成本的權重最大，占主要影響，其他依次是噴粉系統成本、管理成本和噴粉設備維護成本。

2　3種典型鋁粉抑爆劑的應用分析

2. 1　基于試驗的指標賦值與分析

抑爆劑主要是在爆炸初期使用，最早使用于煤礦行業，后來逐漸應用于其他行業，在選取抑爆劑時主要考慮的是抑爆性能、實用性和危害性。碳酸鈣(CaCO3)、磷酸二氫銨(NH4H2PO4)和碳酸氫鈉(NaHCO3)是目前國內外研究最多的典型抑爆劑，而且在市場上的應用也比較廣泛，其污染性小，幾乎無毒害性，且抑爆性能相對其他抑爆劑較好，所以本文選取這三種典型鋁粉抑爆劑進行了20 L爆炸球試驗，測試其抑爆性能。

20 L球形爆炸測試裝置由容積為20 L的不銹鋼球形罐、壓力檢測系統、分散系統、點火系統和控制及數據采集系統組成。球形罐的底部安有粉塵擴散器，儲塵罐的容積為0.6 L，可承受2.5 MPa的壓力；球形罐的側面設置有觀察窗，通過觀察窗可觀察到罐內爆炸時產生的火光。20 L爆炸球試驗主要用于測試粉塵云的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、最小點火能和爆炸指數等參數。鋁粉的平均粒徑為40～52 μm，進行試驗前期在烘干箱60℃烘干6 h。

基于物質的物理屬性和試驗測定的抑爆劑的相關參數數據，并結合專家打分對各個指標進行賦值，賦值規則采用5分制，5分表示得分最高，相應鋁粉抑爆劑適用性貢獻度最優，其賦值結果如下：

(1) 環境毒理影響：結合3種抑爆劑環境毒理性質(見表2)對指標賦值。其中，污染性由于3種抑爆劑污染性幾乎不計，所以賦值為4；毒害性由于碳酸鈣和磷酸二氫銨是無毒的，所以賦值為5，碳酸氫鈉具有微毒性，所以賦值為4；腐蝕性由于三者都無腐蝕性，因此賦值為5；水溶性由于碳酸氫鈉易溶于水，所以賦值為0，磷酸二氫銨溶于水，賦值為1，碳酸鈣不溶于水但易潮解，因此賦值為4。

(2) 后處理難度： 結合3種抑爆劑在20 L爆炸球試驗后的狀態(見圖2)對指標賦值。其中，集塵桶清潔難度由于在工業生產中屬于爆炸和抑爆混合粉塵，比較容易清理，所以三者都賦值為4；粉塵排出難度由于生產中磷酸二氫銨呈結晶體狀態，因此其排出難度要高于碳酸鈣和碳酸氫鈉，所以磷酸二氫銨賦值為3，碳酸鈣和碳酸氫鈉賦值為4；粉塵清除確認難度由于在生產中屬于全自動化掃描確認，結合該試驗后的狀態(見圖2)發現三者都屬于比較容易確認清除的，因此三者均賦值為3；管道清潔難度由于碳酸鈣、碳酸氫鈉和磷酸二氫銨都屬于易潮解的，即易呈塊狀集結在管道內部，結合該試驗后的狀態(見圖2)發現磷酸二氫銨(抑爆后呈結晶體)屬于比較難清理的，因為在抑爆過程中與鋁粉結合成塊狀物質附著在管道壁面，所以賦值為2，而碳酸鈣和碳酸氫鈉(抑爆后呈粉末狀)在試驗過程中比較好清理，因此賦值為3；內部清掃難度包括噴粉裝置表面清掃和抑爆裝置表面清掃等，磷酸二氫銨賦值為2，碳酸鈣和碳酸氫鈉均賦值為3。

表2　3種抑爆劑的環境毒理性質Table 2　Properties of three kinds of explosion suppressants

圖2　3種鋁粉抑爆劑在20 L爆炸球試驗后的狀態圖Fig.2　　　　State diagram of three kinds of explosion supp- ressants after the experiment in 20 L blast ball

(3) 前處理難度：抑爆劑的獲得難度由于碳酸鈣和碳酸氫鈉都易獲得，所以賦值為5，磷酸二氫銨屬于稍微易獲得，因此賦值為4；抑爆劑的預處理難度由于碳酸鈣在試驗中預處理最簡單，只需烘干，所以賦值為4，碳酸氫鈉在試驗中易結塊，在實驗室還需要輕微研磨且用粉體篩篩選，因此賦值為3，磷酸二氫銨在試驗中需要研磨且用粉體篩篩選，因此賦值為2.5；抑爆劑的噴粉難度由于三者在試驗中經過預處理后噴粉難度是一樣的，但結合現實工業生產中磷酸二氫銨噴粉難于碳酸鈣和碳酸氫鈉，所以磷酸二氫銨賦值為4，碳酸氫鈉和碳酸鈣賦值為5；抑爆劑與爆炸粉塵的混合度由于三者混合難易度相同，因此均賦值為3(0代表不混合，5代表完全混合)。

(4) 安全抑爆效果：結合不同濃度3種抑爆劑對鋁粉的抑爆效果試驗數據(見表3、表4和表5)對指標賦值,“0”表示20 L爆炸球內沒有發生爆炸，“1”表示20 L爆炸球內發生爆炸。其中，最小點火能由于磷酸二氫銨抑爆所需最小點火能最大，所以賦值為4，碳酸鈣次之，賦值為2，碳酸氫鈉賦值為1；最大爆炸壓力由于在試驗過程中爆炸壓力降低定值需加入10%的磷酸二氫銨，而碳酸鈣需加至40%，碳酸氫鈉需加至80%，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為1，碳酸氫鈉賦值為0.5；最大爆炸壓力上升速率由于試驗過程中分別加入等量的磷酸二氫銨、碳酸鈣和碳酸氫鈉，測試數據顯示磷酸二氫銨的最大爆炸壓力上升速率最小(鋁粉濃度為500 g/m3爆炸時最大爆炸壓力上升速率為24.9 MPa/s，加入磷酸二氫銨后其減小為4.98 MPa/s)，碳酸鈣和碳酸氫鈉的最大爆炸壓力上升速率相近但大于磷酸二氫銨(碳酸鈣為10.86 MPa/s，碳酸氫鈉為13.58 MPa/s)，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為2，碳酸氫鈉賦值為2；爆炸指數與最大爆炸壓力上升速率呈正比關系，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為2，碳酸氫鈉賦值為2。

表3　不同濃度的磷酸二氫銨對鋁粉的抑爆效果Table 3　　　　Effect of different concentration of ammonium dihydrogen phosphate on the explosion suppression of aluminum powder

表4　不同濃度的碳酸鈣對鋁粉的抑爆效果Table 4　　　　Effect of different concentration of calcium carbonate on the explosion suppression of aluminum powder

表5　不同濃度的碳酸氫鈉對鋁粉的抑爆效果Table 5　　　　Effect of different concentration of sodium bicarbonate on the explosion suppression of aluminum powder

(5) 運行成本：抑爆劑成本由于碳酸鈣和碳酸氫鈉屬于同等價格，價格低廉，價格為30元/kg左右，所以兩者賦值為3，而磷酸二氫銨價格為40元/kg，所以賦值為2.25；噴粉系統成本由于磷酸二氫銨和碳酸氫鈉都具有水溶性，所以在噴粉系統中要維持干燥，而磷酸二氫銨后期難清理，碳酸氫鈉在高于50℃時開始分解，因此要保持噴粉系統溫度低于50℃，所以碳酸氫鈉和磷酸二氫銨均賦值為2，碳酸鈣賦值為3；噴粉設備維護成本賦值同上，磷酸二氫銨賦值為2，碳酸鈣賦值為3；管理成本結合上述得出，碳酸鈣管理最簡單，所以賦值為3，碳酸氫鈉和磷酸二氫銨管理成本類似，均賦值為2。

2. 2　鋁粉抑爆劑適用性能指標的計算與評估

基于層次模型中各級指標的權重，利用試驗數據給各個指標賦值并進行適用性能計算，得到3種鋁粉抑爆劑適用性能一級指標(B1～B5)值和綜合指標值的對比結果，見圖3。

圖3　3種鋁粉抑爆劑適用性能指標的對比Fig.3　　　　Comparison of performance of three kinds of explosion suppressants

為了便于橫向對比，對3種鋁粉抑爆劑適用性能一級指標按下式進行計算[17]:

(1)

式中：ζ為性能指標比對值(%)；A為一種鋁粉抑爆劑的性能指標值；B為另一種鋁粉抑爆劑的性能指標值。

由圖3，并結合公式(1)的計算結果可知，在環境毒理影響方面，碳酸鈣性能指標值略高于磷酸二氫銨(高15.1%)，碳酸氫鈉性能指標值最小；在后處理難度方面，碳酸鈣和碳酸氫鈉的性能指標值最小(低22.4%)；在抑爆劑前處理難度方面，碳酸鈣性能指標值略高于碳酸氫鈉和磷酸二氫銨，說明在抑爆劑的獲取方面碳酸鈣比后兩者易獲取(高碳酸氫鈉7.0%，高磷酸二氫銨29.0%)；在安全抑爆效果方面，碳酸鈣和碳酸氫鈉的性能指標值遠低于磷酸二氫銨(碳酸鈣低61.7%，碳酸氫鈉低70.0%)，說明前者的安全抑爆效果優于后兩者；在運行成本方面，碳酸鈣運行成本最低(低磷酸二氫銨29.6%)。綜合3種鋁粉抑爆劑適用性能綜合評估結果表明，磷酸二氫銨的適用性能高于碳酸鈣和碳酸氫鈉(鋁粉抑爆劑適用性能綜合指標值分別為3.680、3.011、2.413)。

3　結　論

本文綜合考慮環境風險、安全抑爆效果和運行成本，建立了鋁粉抑爆劑適用性能評估模型，并以典型的3種鋁粉抑爆劑為例進行了應用分析，主要得出以下結論：

(1) 基于專家打分計算得到的評價指標權重顯示，一級指標層5個指標因素中安全抑爆效果占主要影響作用，其次是環境毒理影響、運行成本、前處理難度和后處理難度；通過對比二級指標的權重大小可知，最大爆炸壓力最重要，其次是爆炸指數和毒害性，粉塵清除確認難度和預處理難度的影響最小。

(2) 綜合考慮3種鋁粉抑爆劑的適用性能指標可以得出，在工業生產中鋁粉抑爆劑磷酸二氫銨的適用性能高于碳酸鈣和碳酸氫鈉(鋁粉塵抑爆劑適用性能指標綜合值分別為3.680、3.011、2.413)。

(3) 基于行業專家打分，計算不同的標度矩陣及指標權重，本模型也適用于其他涉粉行業抑爆劑的評估與選取。

參考文獻：

[1] 李紅玉，樊運曉.基于系統思考的AL Solutions粉塵爆炸事故分析[J].安全與環境工程，2016，23(2)：90-95.

[2] 李迪.鋁粉爆炸泄放特性及二次爆炸現象實驗硏究[D].大連：大連理工大學，2012.

[3] 胡東濤，陳曦.工業粉塵惰化抑爆技術研究現狀分析[J].工業安全與環保，2016，42(12)：10-13.

[4] Going J E,Snoeys J.Explosion protection with metal dust fuels[J].ProcessSafetyProgress,2002,21(4):305-312.

[5] Taveau J,Vingerhoets J,Snoeys J,et al.Suppression of metal dust deflagrations[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2015,36:244-251.

[6] 曹衛國，潘峰，徐森.小麥淀粉粉塵爆炸特性參數的研究[J].安全與環境學報，2012，12(2)：213-216.

[7] 甘媛，蒯念生，劉龍.碳酸鈣對粉塵爆炸抑制效力的實驗研究[J].消防科學與技術，2014，33(2)：128-131.

[8] Miao N,Zhong S,Yu Q.Ignition characteristics of metal dusts generated during machining operations in the presence of calcium carbonate[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2016,40:174-179.

[9] Kuai N,Li J,Chen Z.Experiment-based investigations of magnesium dust explosion characteristics[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2011,24:302-313.

[10]王玉潔，陳曦，陳先鋒.碳酸氫鈉粉體粒徑對鋁粉火焰傳播特性的影響[J].中國安全科學學報，2016，26(3)：53-57.

[11]李亞男.磷酸二氫銨對金屬粉塵的爆炸抑制研究[D].太原：中北大學，2015.

[12]伍毅，袁旌杰，蒯念生.碳酸鹽對密閉空間粉塵爆炸壓力影響的試驗研究[J].中國安全科學學報， 2010，20(10)：92-96.

[13]Amyotte P R.Solid inertants and their use in dust explosion prevention and mitigation[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2006,19:161-173．

[14]左前明，程衛民，湯家軒.粉體抑爆劑在煤礦應用研究的現狀與展望[J].煤炭技術，2010，29(11)：78-80.

[15]鄭重，趙云勝，張衛中.改進的模糊層次分析法在采動滑坡穩定性影響因素評價中的應用[J].安全與環境工程，2016,23(5)：109-112.

[16]劉小琴，何中其，郭效德.基于灰色層次分析法的硝基胍噴霧干燥系統風險評價[J].安全與環境工程，2017，24(4)：109-113.

[17]畢海普.三峽庫區突發水污染事故的數值模擬及風險評估研究[D].重慶：重慶大學，2011.