濃度對微米級鋁粉爆炸壓力的影響

馮 倩

(蘇交安江蘇安全技術咨詢有限公司，南京 210000)

可燃氣體爆炸和粉塵爆炸是常見的2種工業爆炸災害形式，爆炸過程涉及均相反應、兩相反應等化學變化和能量傳遞、氣化等物理變化[1-3]。鋁是重要的工業原料，在生產、運輸和使用過程中可能發生爆炸。鋁粉塵爆炸作為常見的事故類型，引起了國內外學者的高度重視，圍繞鋁粉燃燒機理、爆炸機理和爆炸特征參數進行了廣泛研究，得到了許多研究成果。范寶春等[1-3]對鋁粉的燃燒機理，做出了一系列研究。由于鋁粉爆炸過程復雜，對于其爆炸機理的研究未形成統一的體系。在鋁粉爆炸特征參數方面，鄭大高等[4-6]圍繞著最低著火溫度、點火能、爆炸極限、爆炸壓力等開展了一系列研究。

可燃性氣體的最小點火能通常比可燃性粉塵的最小點火能小，氣體燃燒和爆炸引發粉塵爆炸的劇烈程度往往要大于單純的粉塵爆炸。如果與鋁相關的作業環境中發生可燃氣體爆炸，會對可燃性粉塵爆炸產生協同效應[7]，粉塵爆炸的難易程度會大大降低，爆炸強度會大大增強[8-11]。研究可燃性氣體爆炸引發不同濃度的鋁粉爆炸的壓力變化規律具有一定的工業意義。

1 實驗裝置

水平管道式爆炸實驗系統包括管道系統、配氣系統、數據采集系統、噴粉系統、點火系統5個子系統(見圖1)。

本次爆炸實驗使用左端封閉右端開口的鋼制圓形管道，鋼管內徑為180 mm，管道總長20 m，可承受的最大內壓為20 MPa。管道系統分為3個部分，管段Ⅰ長6.5 m，填充9.5%的甲烷預混氣體。管段Ⅱ長0.5 m，外接噴粉系統，吹粉壓力0.4 MPa。管段Ⅲ長11 m，右端開口對接泄爆罐。在管段Ⅰ和管段Ⅱ、管段Ⅱ和管段Ⅲ之間分別用薄膜隔開。試驗時，封閉端[12]的點火系統引爆管段Ⅰ中的甲烷，產生的沖擊波和火焰沖破膜片點燃管段Ⅱ中的懸浮鋁粉，引發二次爆炸。兩相爆炸產生的沖擊波沖破第2層膜片進入管段Ⅲ，隨后傳播至泄爆罐。

在管道上表面軸線上布置有安裝孔，用于安裝壓力傳感器、閥門、真空表等設施。管段Ⅰ布置T1傳感器，管段Ⅱ布置T2傳感器，管段Ⅲ布置T3～T8傳感器。距離管道封閉段的長度表示測點位置，各個傳感器的位置如表1所示。

表1 壓力傳感器的布置

2 甲烷爆炸與鋁粉爆炸對比分析

實驗設計甲烷爆炸作為鋁粉爆炸的點火方式，為了確認鋁粉塵被甲烷爆炸的沖擊波和火焰引燃發生爆炸，對單獨使用甲烷作為爆炸物和使用甲烷、鋁粉作為爆炸物進行對比實驗。

2.1 甲烷爆炸壓力分析

當只在管段Ⅰ內填充9.5%的甲烷時，某次試驗得到T1～T8測點壓力隨時間的變化如圖2所示。

試驗管道左端封閉，管身狹長，密閉程度高。從圖2中可以看出，每個壓力測點除了接收到前驅沖擊波和燃燒波的壓力信號外，還會接收到明顯的反射波和若干震蕩波信號。在每個波形結構的后端會短暫出現大小程度不同的負壓，T8處的負壓區最為明顯。主要是由于接近管道開口端，氣體膨脹所致[13]。

根據管道內是否發生爆炸，將管道分為燃燒段和非燃燒段。實驗時，最左端甲烷被點火源引燃，爆炸產生的沖擊波和燃燒波沿管道向右端傳播。爆炸傳播到甲烷填充區末端即6.25 m處，峰值壓力上升到0.467 MPa。根據兩波三區結構[14]，爆炸產生的前驅沖擊波在前，火焰鋒面在后。沖擊波傳播至6.5 m處時，壓力遠遠超過塑料薄膜能承受的最大壓力，塑料薄膜遭到破壞。未燃燒的可燃氣體在沖擊波的推動下向前運動。從T1點到T2點，燃燒供能大于能量損失，燃燒仍舊處于加速階段，沖擊波強度依舊在增大，峰值壓力上升到0.55 MPa。從線形趨勢可以判斷，T2點到T3點之間仍屬于燃燒段，但是甲烷濃度減小，能量供應減少的同時還要抵抗粗糙壁面的阻礙作用和熱量散失，壓力上升速率減小，壓力上升至0.637 MPa。7.25 m以后，參與爆炸的甲烷量越來越少直至消耗完全，逐漸進入非燃燒段[15]。沖擊波失去能量供應，能量隨著傳播距離的增長損失越多，壓力峰值衰減。

2.2 鋁粉爆炸壓力分析

在管段Ⅰ內填充9.5%的甲烷，在管段Ⅱ中填充濃度為400 g/m3、平均粒徑6 μm的鋁粉塵，某次實驗得到鋁粉爆炸時T1～T8測點壓力隨時間的變化如圖3所示。

對比圖2和圖3可以發現，圖2c、圖2d波形圖只有1個爆炸波峰，圖3c、圖3d鋁粉爆炸比甲烷爆炸多了1個持續時間較短但是壓力明顯躍升的爆炸波，即在T3、T4點發生過二次爆炸，使波形圖呈現多個爆炸峰值。取3次鋁粉、甲烷爆炸實驗各壓力測點峰值壓力的平均值，得到甲烷和鋁粉爆炸的P-L曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，鋁粉爆炸的峰值壓力沿水平直管向前傳播的變化趨勢和甲烷爆炸壓力傳播規律相似，都是隨傳播距離增大其峰值壓力呈先增大后減小的趨勢。甲烷爆炸的峰值壓力為0.637 MPa，鋁粉爆炸的峰值壓力為2.613 MPa，出現約4倍的增長。兩組爆炸試驗均在T3點取得峰值壓力的最大值。

綜上，甲烷爆炸引燃了鋁粉云并使其發生了二次爆炸，大大增強了爆炸的沖擊力。受條件限制，管段Ⅱ中填充的鋁粉量是有限的。實際工況下，生產場所的粉塵量會更多，由一次爆炸引發的粉塵二次爆炸持續時間會更長，壓力會更大，甚至可能會引發多次爆炸。

3 濃度對鋁粉爆炸的影響

選擇平均粒徑分別為6、12、18、24、30 μm的鋁粉顆粒，研究鋁粉云的濃度對爆炸壓力的影響，實驗使用的質量濃度范圍為200～600 g/m3，以100 g/m3為梯度依次遞增。每組實驗重復進行5次，選取實驗結果最優3組求取平均值，得到T3點的峰值壓力P3隨粉塵云濃度c的變化如圖5所示。

由圖5可知，不同粒徑的鋁粉塵發生爆炸，濃度對P3的影響規律一致，P3-c曲線呈類拋物線型。當c=200 g/m3時，5種粒徑粉塵云的P3值接近；隨著濃度增大，P3逐漸增大；當濃度超過500 g/m3時，P3出現減小的趨勢。每種粒徑的鋁粉濃度在500 g/m3時，取得P3的最大值，我們稱這個濃度為最佳爆炸濃度。

忽略空氣中的水分和鋁粉發生的支鏈反應，鋁粉爆炸的單步化學反應方程式如下所示：

4Al+3(O2+3.76N2)=2Al2O3+11N2+O2

(1)

能維持鋁粉顆粒和空氣中的氧氣完全反應的鋁粉濃度稱為爆炸當量濃度。空氣中的氧含量是一定的，根據式(1)，計算得到鋁粉塵的爆炸當量濃度337.5 g/m3。實驗后，管壁上附著有未完全反應的鋁粉塵，因此這里的最佳爆炸濃度大于爆炸當量濃度。

當濃度小于500 g/m3時，參與反應的鋁粉粒子數量較少，容器中的氧氣能支撐燃燒反應進行，此時實際反應的粉塵云濃度小于爆炸當量濃度。隨著濃度增大，參與反應的粒子數量開始增加，爆炸強度增大。當濃度等于500 g/m3時，容器中的氧氣能支撐燃燒的粒子數達到最大，此時實際反應的粉塵云濃度等于或接近爆炸當量濃度，爆炸強度達到極限。當濃度大于500 g/m3時，容器中的氧氣不足以支撐燃燒反應進行，缺氧狀態下未參與爆炸的鋁粉也增多，未燃鋁粉會吸收燃燒產生的熱量，爆炸強度減弱，P3開始減小。

4 結論

1)在圓形水平管道中，甲烷濃度和體積相同條件下，400 g/m3、粒徑6 μm的鋁粉爆炸的峰值壓力是甲烷爆炸的的4倍。氣體爆炸的火焰和壓力引發粉塵“二次爆炸”甚至“多次爆炸”，加劇了爆炸的劇烈程度。

2)顆粒大小相同的球型鋁粉爆炸，隨粉塵云濃度的增大，峰值壓力呈現先增大后減小的趨勢。

3)實驗條件下鋁粉未發生完全爆炸，最佳質量濃度均為500 g/m3，大于爆炸當量濃度337.5 g/m3。