錳金屬粉塵最小點火能量實驗研究

鄧越洋

摘要：為了研究錳金屬粉塵的最小點火能， 在實驗室濕度為40～60%、溫度為20～32℃的條件下，以粒徑范圍1.13～138um的錳粉為研究對象，利用1.2L哈特曼實驗裝置對錳粉進行最小點火能實驗。結果表明：在設定錳粉質量為0.6g，噴涂壓力為100kPa時，進行不同點火延遲時間對錳粉塵云最小點火能影響實驗，錳粉塵云的最小點火能隨著點火延遲時間的增加呈現先降低后增大的趨勢;在設定質量濃度為0.836g/L及點火延遲時間為100ms時，進行不同噴涂壓力對錳粉塵云最小點火能影響實驗，錳粉塵云的最小點火能隨著噴涂壓力的增加呈現先降低后增大的趨勢，400kPa為錳粉塵云的最佳分散壓力值;進行不同質量濃度的錳粉對錳粉塵云最小點火能影響實驗，設定噴涂壓力300kPa及點火延遲時間100ms時，錳粉塵云的最小點火能隨著粉塵質量濃度的增加呈現先降低后增大的趨勢，錳粉云燃燒爆炸的最敏感濃度在1～1.25g/L之間。

關鍵詞：錳粉;最小點火能;最佳分散壓力;最敏感濃度

Abstract： In order to study the minimum ignition energy of manganese metal dust， under the condition of laboratory humidity of 40～60% and temperature of 20～32℃， 1.2L Hartmann experiment device is used to conduct the minimum ignition energy experiment of manganese powder with particle size range of 1.13～138um as the research object. The results show that when the mass of manganese powder is set at 0.6g and the spraying pressure is 100kPa， the influence of different ignition delay times on the minimum ignition energy of manganese dust cloud is tested. The minimum ignition energy of manganese dust cloud decreases first and then increases with the increase of ignition delay time. When the mass concentration is set at 0.836g/L and the ignition delay time is set at 100ms， the influence of different spraying pressures on the minimum ignition energy of manganese dust cloud is tested. The minimum ignition energy of manganese dust cloud first decreases and then increases with the increase of spraying pressure. 400kPa is the best dispersion pressure value for manganese dust cloud. When spraying pressure is set at 300kPa and ignition delay time is set at 100ms， the minimum ignition energy of manganese dust cloud decreases first and then increases with the increase of dust mass concentration. The most sensitive concentration of manganese dust cloud combustion explosion is between 1g/L and 1.25g/L.

0? 引言

錳粉是重要的、必不可少的工業原材料，被廣泛地應用在醫藥、不銹鋼冶煉等領域。在錳粉的生產經營的過程可能會產生錳金屬粉塵云，一旦與合適的能量接觸，很有可能發火災爆炸，最小點火能是指能夠引起粉塵云燃燒或爆炸的最小火花能量，是判斷粉塵形成粉塵云危險性的參數指標。在一些特殊條件下，無論是非金屬粉塵或金屬粉塵在一定能量的作用下，可能就成很嚴重的后果，如昆山市中榮的鋁金屬粉塵及驪驊淀粉企業的爆炸事件。國內外的學者對金屬粉塵最小點火能進行了相應的研究，文獻[1-2]研究了點火能的敏感程度范及主要影響因素;文獻[3-7] 研究了不同粉塵爆炸測試裝置對最小點火能及不同的對象之間點火能的特征及影響規律;李恩科等[8]對糧食粉塵的爆炸過程、特點及爆炸條件進行了分析，并提出了相應的控制措施。在前人的研究基礎上對錳粉塵的點火能進行實驗研究，以圖對錳金屬粉塵的加工、儲存、運輸過程中可能發生爆炸事故的預防提供有參考意義實驗數值。

1? 實驗

1.1 實驗裝置、方法

1.1.1 粉塵云最小點火能試驗裝置

實驗采用裝置為1.2L哈特曼管裝置實驗設備如圖1所示。

1.1.2 供氣設備

實驗所用的供氣設備采用直連式空氣壓縮機如圖2所示。設備為實驗提供壓縮空氣。

1.1.3 實驗原理及方法

最小點火能實驗方法是選定的點火能點燃錳粉若火焰離開火花位置傳播大于60mm則認為著火，然后用減半的逐步逼近法降低點火能直到連續10次未點火的點火能E1和連續10次著火的點火能E2。錳粉的最小點火能Emin介于E1和E2之間。

1.1.4 實驗操作步驟

①樣品的選取。用電子秤稱量實驗需要用到的錳粉，因為不知大概多少，所以隨機選取樣品質量，但必須保證設備安全，于是選取3.6g質量做一次實驗。開啟空壓機，準備好噴涂所需要的氣源。

②將之前稱好的錳粉用藥勺將其放入裝載粉塵的圓筒擴散器的邊緣并將其縫隙密封。

③安裝哈特曼管于底座上，并調整好電極的間距和位置，保證電極在管中的位置滿足實驗要求。

④啟動電源，設定噴涂壓力為200kPa，錳粉的最小點火能設置80mJ，點火延遲時間100ms進行一次實驗，觀察實驗有無著火現象。

⑤第一次實驗并未著火，于是增大噴涂壓力，設置噴涂壓力為300kPa，控制其他參數不變，然后重復操作，實驗最終確定0.6g錳粉質量為最佳的實驗質量，反應現象明顯，反應的煙霧小，產物易于清理，數據方便計算。

⑥如果實驗沒著火，則每次增大點火能20mJ直到著火及連續10次實驗均出現著火。

⑦如果著火，則逐漸降低點火能，每次降10mJ，找到連續10次實驗均不著火時對應的能量。

⑧E1（連續10次實驗均未著火的最大點火能）和E2（連續10次實驗均著火的最小點火能）之間的值為最小點火能Emin，即E1

⑨重復②～⑥的實驗操作步驟，并且改變點火延遲時間，點火延遲時間分別設定為為20ms、50ms、80ms、110ms、140ms、170ms測定該粒徑錳粉相對應條下的最小點火能。

⑩重復②～⑥的實驗操作步驟，設定點火延遲時間為100ms，錳粉質量為0.6g，改變噴涂壓力，噴涂壓力分別設定為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa時測定該粒徑錳粉相對應條件下的最小點火能。

{11}重復②～⑥的實驗操作步驟，設定噴涂壓力為300kPa，點火延遲時間為100ms，改變粉塵的質量濃度，稱取錳粉質量分別為0.30g、0.60g、0.90g、1.20g、1.50g、1.80g對應1.2L哈特曼管的濃度分別為0.250g/L、0.500g/L、0.750g/L、1.000g/L、1.500g/L。測定該粒徑錳粉相對應條件下的最小點火能。

1.2 實驗樣品與環境條件

錳粉實驗樣品，購買于山東省錳粉零售商，錳粉純度99%，粒徑范圍為1.13～186um，在實驗室濕度為40～60%、溫度為20～32℃的情況下進行試驗，錳粉在實驗前進烘箱60℃干燥24h。

2? 結果與分析

2.1 點火延遲時間對錳粉最小點火能的影響

在實驗過程中，設定錳粉質量恒定為0.6g，噴涂壓力恒定為100kPa，分別設定點火延遲時間對錳粉最小點火能的影響，點火延遲時間分別設定為20ms、50ms、80ms、110ms、140ms、170ms，實驗結果如表1所示。

將表1繪制直線圖方便觀察它們之間的關系。如圖5所示。

由圖5趨勢圖可知在同等條件下，隨點火延遲時間的增大，錳粉的最小點火能先減少再增大，但是變化的幅度基本不大。在20～170ms點火延遲時間內，錳粉的最小點火能呈現逐漸增大的趨勢，但是波動的幅度基本在70mJ和85J之間，只要錳粉最小點火能大于85mJ，在100kPa噴涂壓力和0.6g質量的前提之下，錳粉都會成功著火。

2.2 噴涂壓力對錳粉最小點火能的影響

在實驗過程中，分別采用不同的噴涂壓力研究對錳粉最小點火能的影響，噴涂壓力分別設定為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，固定錳粉的質量濃度為0.836g/L，即1.00g質量的錳粉，及點火延遲時間為100ms。實驗結果如表2所示。

由圖6可知在同等的條件下，錳粉的最小點火能隨著點火延遲時間先減小后增大，但是變化的幅度不是很大，在分散壓力為100kPa時，錳粉塵云的最小點火能最大，最大為82.1J，在以100kPa增加的基礎上，錳粉塵云的最小點火能開始逐漸遞減，當噴涂壓力為400Pa時，錳粉塵云的最小點火能最低，數值為47.5mJ左右。當分散壓力達到500kPa時最小點火能又開始升高，數值為57.5mJ。由此可見，400kPa為錳粉塵云的最佳分散壓力值。

由此可知，400kPa是錳粉塵云的最佳分散壓力值，此時的粉塵分布相對均勻，密度最大，所需的點火能最小。粉塵依靠壓縮空氣擴散形成粉塵云，哈特曼管中的粉塵云濃度的性成分與噴涂壓力具有一定的聯系。當噴涂壓力小于400kPa時，粉塵云的湍流度隨著噴涂壓力的增加而提高，粉塵擴散越均勻，分布在電極周圍的粉塵云濃度越來越大，所以粉塵云更容易被點燃，即所需點火能不斷降低。當噴涂壓力大于400kPa時，粉塵云的湍流度隨著噴涂壓力的增加而增加，錳粉顆粒流快速地將一部分能量帶離粉塵云燃燒區域電極，減少燃燒的熱量，同時由于風速大就成錳粉顆粒距離增大，火焰、能量傳播難度加大，導致錳粉點火能增加。

2.3 質量濃度對錳粉最小點火能的影響

實驗中，設定噴涂壓力為300kPa，點火延遲時間為100ms，粉塵質量濃度分別設定為0.250g/L、0.500g/L、0.750g/L、1.000g/L、1.250g/L、1.500g/L對粉進行實驗，實驗結果如圖7所示。

由圖7可知，在設定的條件下，錳粉的敏感濃度介于1～1.25g/L之間，即1.2～1.5g錳粉之間。在錳粉的濃度為0.25g/L時反應現象不太明顯，反應所需的最小點火能最高，甚至達到123mJ左右，由此可推測原因是管內形成的粉塵云太小，點火能量過低不足以使粉塵云點燃發生爆炸，而當粉塵濃度達到1g/L時，粉塵云在管內剛好達到飽和，此時，粉塵云所需要的能量相應降低，但隨著粉塵質量增加，1.2L管內質量達到過余，粉塵過多對粉塵的最小點能的影響也越來越小，最小點火能趨于一個恒定的常數。

3? 結論

在實驗室濕度為40～60%、溫度為20～32℃，粒徑范圍為1.13～138um的條件下，利用1.2L哈特曼實驗裝置對錳粉進行最小點火能實驗，結論如下：

①在設定錳粉質量恒定為0.6g，噴涂壓力為100kPa的前提下，在進行不同點火延遲時間對錳粉塵云最小點火能實驗中，錳粉塵云的最小點火能隨著點火延遲時間的增加呈現先降低后增大的趨勢;

②在設定質量濃度為0.836g/L及點火延遲時間為100ms的前提下，在進行不同噴涂壓力對錳粉塵云最小點火能實驗中，錳粉塵云的最小點火能隨著噴涂壓力的增加呈現先降低后增大的趨勢，400kPa為錳粉塵云的最佳分散壓力值;

③在進行不同質量濃度的錳粉對錳粉塵云最小點火能實驗中，在設定噴涂壓力300kPa及點火延遲時間100ms的前提下，錳粉塵云的最小點火能隨著粉塵質量濃度的增加呈現先降低后增大的趨勢，根據實驗數據，錳粉云燃燒爆炸的最敏感濃度在1～1.25g/L之間。

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