分散度對鋁粉爆炸敏感性的影響

張江石，劉建華

(中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引言

鋁制品工業加工生產時產生的鋁粉顆粒粒度分布不均勻且粒徑跨度較大。實驗條件下測量單一粒徑鋁粉樣本的爆炸敏感性與實際情況不符，往往難以準確評估爆炸風險[1-3]。探究分散度對鋁粉爆炸敏感性的影響并找出一種平均粒徑表述方式來評估爆炸發生可能性，能有效降低爆炸風險。在爆炸過程中，小顆粒鋁粉燃燒主要受氣體擴散控制[4-6]，在粒徑分布不均勻的情況下，小粒徑鋁粉占比不同，分散度對鋁粉爆炸敏感性的影響也就不同[7]。即使是少量(質量百分數低于5%)高度易燃的粉塵也能從根本上改變混合物的可燃性[8-9]。Castellanos等[10]提出使用中位粒徑D50難以準確描述粉塵粒徑對爆炸烈度的影響并測量了D50=15 μm時分散度不同的5種鋁粉爆炸烈度參數，結果表明在D50不變情況下，最大爆炸壓力和爆炸指數隨著粒徑多分散性σD的增加而顯著增加，對于小粒徑鋁粉質量分數越大的樣本，爆炸越劇烈，因此建議在描述爆炸烈度時采用σD表示平均粒徑。Dufaud等[11]認為D10(粒徑第10百分位數)的粉塵顆粒決定著鋁粉的可爆性，而Sauter平均直徑D3,2更能表征粒徑對氧化動力學和最大爆炸壓力上升速率的影響。Eckhoff[12]認為粉塵爆炸取決于粉塵的比表面積，比表面積越大，爆炸危害性越大。為了進一步探究分散度對鋁粉爆炸敏感性的影響，采用標準20 L爆炸球和Hartmann管測定了11組不同分散度樣品的最小爆炸濃度(MEC)和最小點火能(MIE)值，后續通過相關性分析確定最佳粒徑表述方式。

1 實驗樣品、裝置及方法

1.1 實驗樣品

本實驗所用樣品包含7組原始鋁粉樣品O1～O7和4組混合鋁粉樣品B1～B4.為了控制變量，設計混合樣品分別滿足D10(粒徑5 μm、10 μm)、D50(粒徑20 μm、30 μm)和粒徑跨度(PSS)(粒徑270 μm、350 μm)3個要素保持大致統一。通過正交實驗和函數解算，確定混合樣品的配比方案如下：

1) 混合樣品B1，樣品O1∶樣品O3∶樣品O4為33∶29∶39；

2) 混合樣品B2，樣品O1∶樣品O3∶樣品O5為33∶9∶59；

3) 混合樣品B3，樣品O1∶樣品O3∶樣品O5為9∶87∶4；

4) 混合樣品B4，樣品O2∶樣品O3∶樣品O4為22∶3∶75.

采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀對7組原始樣品和4組混合樣品的14個粒徑參數D10、D20、D30、D40、D50、D60、D70、D80、D90、D3,2、D4,3、σD、PSS、SSA進行分析(D10、D20、D30、D40、D50、D60、D70、D80、D90分別為粒徑第10、20、30、40、50、60、70、80、90百分位數；D4,3為體積四次矩平均徑；SSA為比表面積)，測量結果如表1所示。

表1 11組鋁粉樣品粒徑分析結果Tab.1 Analyzed results of particle sizes of 11 groups of aluminum powder samples

進行鋁粉爆炸實驗之前，為控制樣品水分，利用干燥箱，將鋁粉在溫度60 ℃、壓力0.09 MPa的真空條件下干燥10 h.

1.2 實驗裝置及方法

MEC測量實驗按照國家標準GB/T 16425—2018[13]規定，本實驗采用東北大學工業爆炸防護研究所制造的Siwek 20 L爆炸球進行測定，實驗裝置如圖1所示。

圖1 Siwek 20 L爆炸球裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Siwek 20 L vessel apparatus

本次實驗，MEC測量實驗選用5 kJ化學點火頭。實驗時，將點火頭與電極相連接，將鋁粉樣品加入粉塵儲存室，接著打開真空泵將艙體抽真空至-0.05 MPa，再打開氣瓶，向儲氣室通入2 MPa的壓縮空氣。點擊啟動開關，鋁粉將均勻分布于爆炸球內，60 ms點火延遲之后點火頭被點燃，電腦終端自動記錄時間和壓力，單次爆炸實驗完成。為保證實驗結果的準確性，設定初始濃度為60 g/m3，濃度梯度為5 g/m3.每個濃度進行3次爆炸實驗，測量結果取平均值，直到找到剛剛使粉塵發生爆炸的最小濃度MEC.

MIE測量實驗按照國家標準GB/T 16428—1996[14]規定，本實驗采用吉林市宏源科學儀器有限公司制造的Hartmann管進行測定，該儀器主要由容積為1.2 L的石英玻璃管主體、控制與數據記錄系統、充壓與噴塵系統、電火花放電系統4個部分組成，其裝置示意如圖2所示。

圖2 Hartmann管裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of Hartmann tube apparatus

在點火瞬間，為了使待測鋁粉樣品能夠在石英玻璃管內均勻分布且不被噴出，提前通過噴粉實驗確定了電極間距為6 mm，噴粉壓力為100 kPa，點火延遲時間為150 ms.查閱文獻發現鋁粉MIE值隨著濃度的增高呈現先降低、后增高再趨于穩定的趨勢，鋁粉MIE值主要落在粉塵質量900～1 200 mg之間[15]。因此在設計實驗時，分別測量鋁粉質量為0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.3 g、1.6 g、2.0 g時的MIE.實驗時，稱取一定質量的鋁粉樣本，均勻地放置在粉塵擴散器周圍，安裝好石英玻璃管道，安裝電極并調整電極間距，設置初始點火能量10 mJ、能量梯度為1 mJ或2 mJ、噴粉壓力、點火延遲時間。點擊開始測試，肉眼觀察點火情況，并記錄。重復上述操作，如果在10次點火實驗中有一次成功，則降低電火花能量；若連續10次點火均未點燃，則增加電火花能量，直至找到鋁粉連續10次點火不成功的最大電火花能量和至少有一次點火成功時的電火花能量，即MIE值。

2 實驗結果及分析

2.1 分散度對鋁粉最小爆炸濃度的影響

使用20 L爆炸球測量MEC時，一般根據艙體內壓力變化判斷粉塵云是否被點燃，即由(1)式計算PR值，PR為壓比。美國材料與試驗協會標準ASTM E1515—14[16]規定，當PR≥2.0時，則認為鋁粉發生爆炸，即由粉塵著火引起的壓力增量大于0.10 MPa時點火成功。

PR=(pe-Δpi)/ps，

(1)

式中：pe為在一次爆燃過程中氣壓達到的最大壓力值(絕對壓強)(MPa)；Δpi為在艙體內由于點火頭自身引起的氣壓增量(MPa)；ps為啟動點火時刻的絕對壓強(MPa)。

鋁粉原始樣品(O1～O7)的最小爆炸濃度測量結果如圖3所示。

圖3 鋁粉原始樣本的MECFig.3 MEC measurements of original aluminum powder samples

如圖3所示，總的來說，隨著粒徑增大，最小爆炸濃度逐漸增大。但O1的MEC測量值反而比O2的要大，這說明O1～O7粒徑范圍內包含鋁粉的特征粒徑[11,17]，當鋁粉的粒徑小于該值時，隨著粒徑的減小，敏感性反而降低。這是因為，當粉塵的粒徑過小，鋁粉顆粒間的靜電力會使得鋁粉團聚，改變原有尺寸并影響均勻擴散。還有研究表明，粉塵顆粒的團聚會改變顆粒的著火模式[18]。圖3中O2處出現了拐點，由此推斷本實驗樣本的特征粒徑約為10 μm.當鋁粉粒徑大于10 μm后，MEC測量值隨著粒徑的增大快速增長。

實驗測得樣品B1的MEC區間為50～55 g/m3，B2的MEC區間為55～60 g/m3，B3的MEC區間為60～65 g/m3，B4的MEC區間為65～70 g/m3.這4組混合樣本的MEC都在原始樣本的MEC值范圍內，且基本與O1～O3的MEC值相似。樣本B2(O5占59%)和B3(O5占4%)均混有樣本O5，但兩個混合樣本的MEC值(分別為55～60 g/m3，60～65 g/m3)遠小于O5的MEC值(165～170 g/m3)。因此這些混合鋁粉樣本中小粒徑的鋁粉起到了新點火源的作用，降低了粒徑跨度較大的粉塵云MEC值，提高了鋁粉爆炸敏感性。由此可見，這些小粒徑鋁粉更容易被熱輻射預熱形成熱解區域，更容易被點燃，因此混合樣本中的小粒徑粉塵組分容易率先被點火源點燃，然后作為新的點火源繼續傳遞下去[19]。

2.2 分散度對鋁粉最小點火能的影響

在探究分散度對鋁粉最小點火能影響的實驗過程中用高速攝像機記錄了鋁粉在Hartmann管中的爆炸過程。Hartmann管是一個透明的石英玻璃管道，因此直接觀察實驗過程中是否產生明顯的火焰即可判斷鋁粉粉塵云是否被點燃。如圖4為樣本O4(質量1.30 g，點火能量5 mJ)在Hartmann管道內的點火過程。

由圖4所示：圖4(a)為粉塵云在Hartmann管道內的分散過程；圖4(b)中形成了較大火焰光斑，說明釋放的電火花已經點燃了周圍的鋁粉顆粒。原始樣本O1～O6的最小點火能量測量結果如圖5所示。

圖4 樣本O4在Hartmann管中點燃的火焰傳播過程Fig.4 Flame propagation process of ignited aluminum dust powder sample O4 in Hartmann tube

圖5 原始鋁粉樣本MIE測試結果Fig.5 MIE measured results of original aluminum powder samples

樣本O1、O6的MIE隨著鋁粉濃度的增加而減少；而對于O3、O4、O5這3個樣本，當鋁粉濃度達到一定值時，MIE隨著鋁粉濃度的增加逐漸增大。鋁粉粒徑分布狀況不同，MIE值也不相同。樣本O3～O6分別在1.0 g、1.3 g、1.3 g、2.5 g的質量下取到MIE值，分別為2～3 mJ、4～6 mJ、15～20 mJ、20～30 mJ.對于小粒徑粉塵而言，當粉塵濃度較低時，鋁粉顆粒間距較大，火焰難以傳播[20]。因此原始樣本的MIE值隨著粒徑的減小或濃度的增大而減小。

混合樣本B1～B4的MIE測量結果如圖6所示。

如圖6所示，4個混合樣本的MIE值基本呈現隨著鋁粉濃度的增加先降低、后趨于平穩的變化趨勢。其中B1～B3的MIE值小于1 mJ，B4的MIE值為1～2 mJ，也相對較小，這說明了混合樣本中小粒徑鋁粉在粉塵云被點燃時起到了關鍵作用。

圖6 混合鋁粉樣本MIE測試結果Fig.6 MIE measured results of blended aluminum powder samples

2.3 分散度與鋁粉爆炸敏感參數相關性分析

鋁粉爆炸的敏感性參數對應關鍵粒徑組分不同，僅采用D50來描述鋁粉粒徑分布情況、恒量爆炸風險不夠準確，并且不同的敏感性參數選用的粒徑參數也應有所區別。為了分析14種粒徑參數哪一個更適合評價該分散度下鋁粉爆炸敏感性，用數據分析軟件RStudio對粒徑參數、MEC、MIE進行了皮爾遜相關性分析。分析結果如圖7所示。

圖7 皮爾遜相關性分析Fig.7 Pearson correlation analysis

整體上，粒徑參數與MEC的相關性要比粒徑參數與MIE的相關性要大，說明對于MIE而言，粒徑參數的變化更有可能引起MEC的改變。如圖7所示：SSA與爆炸敏感性參數呈負相關關系，即SSA越大，鋁粉越容易發生爆炸；其余粒徑參數與爆炸敏感性參數均呈正相關，即這些參數越大，鋁粉爆炸敏感性越弱。對于粒徑百分數而言，在D10～D90這9個參數中，與MEC的簡單相關系數最大的前3個粒徑百分位數依次為D30、D40和D20，與MIE的簡單相關系數最大的前3個粒徑百分位數依次為D40、D50和D60.從總體來看，D3,2與D40對MEC和MIE的影響最大(簡單相關系數分別為0.962 7和0.746 0，0.947 9和0.741 1)，因此是較為合適的粒徑分布表示方式。

為了剔除了一些不重要的粒徑參數變量，選用了逐步回歸法進行選元處理。分析結果如表2所示，通過對異方差、異常值和強影響點3個方面的分析，并未發現有嚴重異方差、異常值和強影響點。對于9個粒徑百分數而言，除了D10、D60、D90之外，其余6個參數與MIE值的相關性均具有統計學意義(P<0.05，P值為統計學中衡量結果可信程度的指標)；而其他的粒徑表示方式中，僅有D3,2與MIE值的相關性具有統計學意義(P<0.05)。

表2 逐步回歸選元后粒徑參數與MIE值T檢驗的P值Tab.2 P-values of T-test for particle size parameters and MIE values after selecting element by stepwise regression method

總的來說，D3,2與D40與MEC和MIE相關性較高，因此用來描述鋁粉爆炸敏感性較為合適。這與Dufaud等[11]實驗得出的D10粒徑的粉塵在影響鋁粉最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率中起到了關鍵作用，建議采用D10和D3,2描述鋁粉粒徑分布情況這一結果有所不同。因此不同爆炸參數的關鍵粒徑組分是不同的，在研究不同爆炸參數時應注意關注不同的粒徑分布參數。σD和PSS等參數與MEC和MIE值的相關系數較低，因此不推薦作為恒量鋁粉爆炸敏感性的參數。

3 結論

1) 對于粒徑較為單一的原始鋁粉樣本，粉塵云的爆炸敏感性隨著粒徑的增大而增加。當鋁粉粒徑較小時，粒徑變化對MEC和MIE的影響相對較小。

2) 粒徑范圍大的混合鋁粉樣本中，粉塵云中小粒徑鋁粉濃度達到一定值時，這部分顆粒能率先被較小的點火能量點燃，進而作為一個新的點火源引燃整片粉塵云，使得MEC和MIE測量值均降低。因此，小粒徑鋁粉極大地增加粉塵云的爆炸敏感性。

3) 從皮爾遜相關性分析結果來看，小粒徑鋁粉顆粒對MEC值影響較大，中粒徑鋁粉顆粒對MIE值影響較大。總的來說，D3,2、D40與MEC和MIE的相關系數最大(相關系數分別為0.962 7和0.746 0，0.947 9和0.741 1)，能夠很好地描述鋁粉爆炸敏感性，而σD、PSS與MEC和MIE值的相關系數均較低，因此不推薦作為恒量鋁粉爆炸敏感性的參數。

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