超細CaCO3惰化劑對鋁合金拋光伴生粉塵爆炸的防控效果*

仝校炎，呂 辰，崔新榮，焦 勇，樓琴霞，王信群

(1.中國計量大學 質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018；2.綠盾注冊安全工程師事務所，浙江 嘉興 314599)

0 引言

鋁、鎂等輕金屬粉塵與空氣的混合物爆炸敏感度及猛烈度均明顯高于有機物粉體[1]，相關生產場所防控措施較為嚴格，而打磨、拋光作為鋁合金壓鑄毛坯件表面處理的重要環節，工藝過程伴生廢棄物粉塵，存在一定安全隱患，爆炸事故偶有發生。在江蘇昆山某鋁合金拋光車間發生特別重大粉塵爆炸事故后，如何有效防范類似事故重演，引起相關學者廣泛關注和研究。許多研究者以純度較高的鋁粉產品為研究對象，進一步揭示粒徑分布、表面形態、初始湍流度等因素對爆炸特性參量、火焰傳播進程的影響[2-8]。一些研究發現，由于鋁粉顆粒表面存在不同程度的氧化層，只有在點火源高溫作用下將其熔化，才能發生著火現象[9]。較鋁粉產品相比，拋光廢棄物多為合金粉塵，并伴隨其他雜質，不能簡單沿用鋁粉爆炸參數，且不同生產場所、工藝流程之間，實際爆炸危險性存在較大差異，作為隱患排查基礎性工作，粉塵爆炸性判定方法受到相關研究者關切。Marmoa、韓波等[10-11]利用改進哈特曼(Hartmann)裝置及其他輔助措施，根據測定結果，將鋁合金拋光粉塵劃分為易爆炸性、可爆炸性及無爆炸性3類。與此同時，某些測試裝置的適用性等歷史遺留問題，重新引起國內外相關研究機構的學術興趣[12-13]。基于生產現場實際，采取恰當的防控措施，是工業爆炸控制領域始終關注的焦點。向可燃粉塵中添加惰性粉末，有助于降低其點燃感度及爆炸威力。Addai等[14]通過向玉米淀粉中施加(NH4)2SO4惰性粉末，以考察對點燃性能的影響，當(NH4)2SO4質量分數為60%時，可使玉米淀粉的最小點火能量鈍化至1 J；Amyotte[15]全面檢驗CaCO3、NH4H2PO4及NaHCO3粉體對匹茲堡煤粉、玉米淀粉及鋁粉爆炸強度的影響，結果表明，在可燃粉塵與惰化粉體混合體系中，只有惰化劑的質量分數高于可燃粉塵時，惰化防爆效果方能體現。我國相關機構也開展了類似研究[16-18]，取得了較為顯著的成果。

然而粉體物料作為最終產品，采用施加粉狀惰化介質的方法進行爆炸防控，對產品純度所造成的潛在影響是實際生產必須考慮的現實問題。針對鋁合金拋光伴生廢棄物粉塵，以某些特定的粉狀介質(超細CaCO3粉末)作為惰化介質，既能有效防控粉塵爆炸，其共混物又可作為某些污水處理絮凝劑的原材料，對危險廢物的資源化利用可起到一定促進作用。為此，本文以典型鋁合金拋光伴生廢棄物粉塵為研究對象，通過施加超細CaCO3粉體，考察對粉塵爆炸敏感度的鈍化效果，研究惰化劑施加量對爆炸火焰傳播進程的影響規律，研究結果可為降低鋁合金廢棄物粉塵爆炸風險提供一定參考依據。

1 實驗系統及流程

1.1 實驗系統及流程

施加超細CaCO3粉體對鋁合金拋光廢棄物粉塵最小點火能量、爆炸下限影響的研究，主要在Hartmann爆炸裝置中進行，遵從相應實驗流程及判定規則。爆炸火焰傳播進程的研究，則利用自行構建的實驗平臺。實驗系統如圖1所示，主要包括爆炸火焰傳播管道、粉塵卷揚系統、配氣系統(包含真空泵、電磁閥、儲氣罐)、點火裝置、同步控制裝置與數據采集系統以及高速攝像系統。

圖1 爆炸火焰傳播實驗系統Fig.1 Experimental system of explosion flame propagation

爆炸裝置主體為高度500 mm、截面100 mm×100 mm(長×寬)垂直布設的不銹鋼火焰傳播管道，兩側嵌有帶標尺的觀測視窗，以拍攝火焰傳播進程。裝置底部安裝有儲粉槽，槽中間連接蘑菇型噴嘴，用于分散粉塵，槽下部與配氣系統相連。配氣系統主要由導管、電磁閥和儲氣罐組成。1組點火電極對稱安裝于裝置兩側，點火電極距底部100 mm。在程序中預設電磁閥、點火電極放電、數據采集系統和高速攝像的觸發時間，實現對各實驗系統的同步控制。

針對特定惰化比(超細CaCO3粉體與可燃粉塵的質量比)，根據預設質量濃度，定量放置粉塵，裝配實驗裝置并確認氣密性完好。控制系統發出指令開啟電磁閥，初始壓力為0.7 MPa的壓縮空氣經蘑菇型噴嘴將粉塵卷揚，以保證可燃粉塵在實驗裝置中均勻分布。采用電容放電產生火花的方式提供點火源，點火能量設定為20 J，點火裝置在電磁閥開啟后150 ms時刻觸發，高速攝像同步觸發。

為確保實驗過程中的安全，管道頂部采用厚0.1 mm的聚乙烯泄壓膜片進行密封。卷揚粉塵壓縮空氣的噴入，將導致爆炸裝置內初始壓力略有升高，為保證實驗初始條件為常壓，將爆炸裝置預抽一定真空度。為保證實驗穩定性，每組工況均進行3次重復實驗。

1.2 鋁合金廢棄物粉塵及超細CaCO3粉體樣品

鋁合金廢棄物粉塵從砂帶打磨機現場收集，為YZASi9Cu4(YL112)鋁合金，經干燥、篩分(過200目篩網)，得到粒徑小于75 μm的干燥粉塵。鋁合金鑄件在拋光過程中，拋屑表面受到一定氧化，經X射線能譜分析，拋光粉塵中O，Si，Al元素分別占比6%，8%，81%，其余為Cu、Fe等元素。此外，選用同等粒徑的高純度鋁粉(鋁含量99.5%)，進行爆炸參數及惰化防爆效果對比研究。采用Mastersizer 2 000型激光粒度儀對經過預處理的鋁合金廢棄物粉塵與高純度鋁粉樣品的粒徑進行測量，如圖2所示，其中位粒徑分別約為31 μm和29 μm。利用掃描電鏡對樣品表面形態進行分析。如圖3所示，砂帶打磨鋁合金拋光廢棄物粉塵為平滑纖維狀，表面粘附少量打磨膏，并夾雜細小顆粒，而同等粒徑的鋁粉產品則為球形顆粒，粉體的整體分散性較好。

圖2 鋁合金廢棄物粉塵與高純度鋁粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of aluminum alloy waste dust and high purity aluminum powder

圖3 鋁合金拋光廢棄物及高純度鋁粉表面形態Fig.3 Surface morphology of aluminum alloy polishing waste dust and high purity aluminum powder

惰化劑為1 500目超細CaCO3粉體，粒徑分布及表面形態如圖4所示，CaCO3粉體的中位粒徑約為6.5 μm，但小粒徑顆粒存在一定程度的團聚現象。根據設定的惰化比，將碳酸鈣粉體、鋁合金拋光粉塵通過三維混料機均勻混合。

圖4 超細CaCO3粉體粒徑分布及表面形態Fig.4 Particle size distribution surface morphology of ultra-fine CaCO3 poweder

2 結果與討論

2.1 惰化介質對粉塵爆炸敏感度的鈍化效果

CaCO3粉體對粉塵爆炸敏感度的鈍化效果如圖5所示。在未進行惰化條件下，高純度鋁粉最小點火能量約為35 mJ，而同等粒徑鋁合金拋光粉塵最小點火能量約為280 mJ。因而，針對鋁合金打磨拋光工藝流程的爆炸風險評估，不宜簡單沿用鋁粉爆炸敏感度指標。

圖5 超細CaCO3對最小點火能量的影響Fig.5 Influence of ultra-fine CaCO3 on minimum ignition energy

施加不同惰化比CaCO3粉體對粉塵爆炸特性的影響也不盡相同，當添加CaCO3粉體惰化比為20%時，拋光伴生粉塵最小點火能量鈍化約至600 mJ，而高純度鋁粉最小點火能量約為80 mJ，進一步提高惰化比至30%，鋁合金拋光伴生粉塵最小點火能量接近1 J，屬于較難點燃級別，而同等條件下鋁粉最小點火能量約為140 mJ。由此可見，施加CaCO3粉體對鋁合金拋光廢棄物粉塵點燃敏感度的鈍化效果更為顯著。

如圖6所示為CaCO3粉體施加量對可燃粉塵爆炸下限的影響規律，在未施加惰化劑條件下，鋁粉及鋁合金拋光粉塵的爆炸下限分別約為80，120 g/m3。惰化劑施加量為10%時，鋁粉爆炸下限約為95 g/m3，同等條件下鋁合金拋光粉塵的爆炸下限提高到約160 g/m3。在惰化劑施加量30%條件下，鋁合金拋光粉塵爆炸下限約為260 g/m3，惰化效果進一步增強，鋁粉爆炸下限雖有改變(提高到約140 g/m3)，但惰化作用效果明顯低于鋁合金拋光廢棄物粉塵。

圖6 超細CaCO3對爆炸下限的影響Fig.6 Influence of ultra-fine CaCO3 on lower explosion limit

2.2 超細CaCO3粉體對高純度鋁粉爆炸火焰傳播的惰化作用

為保證爆炸火焰傳播強度，同時利于高速攝像的清晰拍攝，以可燃粉塵質量濃度300 g/m3為實驗條件，研究超細CaCO3粉體施加量對爆炸火焰傳播進程的影響。按特定時間步長截取高速攝像所拍攝的火焰傳播影像，得出爆炸火焰前鋒位置及傳播速度隨時間的變化趨勢。

針對高純度鋁粉，未施加超細CaCO3粉體，以及超細CaCO3粉體施加量為10%、20%和30%條件下，爆炸火焰傳播進程及傳播速度如圖7所示。由圖7(a)可見，未施加超細CaCO3粉體時，在點燃后約96 ms，爆炸火焰前鋒傳播至電極上方約380 mm處，當超細CaCO3粉體施加量為10%時，在點燃后約160 ms方能到達相同高度，較未施加惰化劑延遲了64 ms。提高超細CaCO3粉體惰化比至20%和30%，爆炸火焰傳播持續減緩，火焰傳播速度呈現震蕩降低趨勢，在點燃后約264 ms，火焰陣面分別到達電極上方約350 mm、290 mm，此后爆炸火焰傳播未能持續。由圖7(b)可見，未施加超細CaCO3粉體時，爆炸火焰傳播速度峰值約為12.9 m/s，CaCO3粉體惰化比為10%、20%及30%的條件下，爆炸火焰傳播速度峰值分別逐步降低至約11.4，8.2，7.1 m/s。

圖7 不同惰化比條件下高純度鋁粉與空氣的混合物爆炸的惰化效果Fig.7 Inerting effect of high purity aluminum powder/air mixture under different inerting ratios

以點火電極為起始，其上方200 mm范圍內的爆炸火焰形態如圖8所示。未施加超細CaCO3粉體時，在10 ms時刻時，火焰傳播呈現明顯加速趨勢，伴隨較為強烈的火焰輻射。可燃粉塵質量濃度維持300 g/m3不變，超細CaCO3粉體施加量為10%情形下，爆炸整體傳播進程得以延緩，約50 ms時刻火焰陣面抵達管道側壁；盡管火焰陣面呈現出不規則形態，但整體結構相對完整，約70 ms時刻出現明顯加速趨勢。由此可見，施加10%的超細CaCO3粉體，對高純度鋁粉爆炸傳播的惰化作用較為有限。

提高惰化比至20%，超細CaCO3粉體吸熱效能有所體現，爆炸火焰輻射強度降低，在火焰傳播過程中，出現間斷火焰區。隨著超細CaCO3粉體施加量的增加，火焰離散性增強，火焰顏色逐漸轉變為淡紅色。

2.3 超細CaCO3粉體對鋁合金拋光伴生粉塵的惰化作用

對于質量濃度為300 g/m3的拋光廢棄物粉塵和空氣混合物，超細CaCO3施加量對爆炸火焰傳播的惰化效果如圖9所示。未施加超細CaCO3粉體時，爆炸后152 ms，爆炸火焰陣面抵達電極上方約380 mm，歷經時間約為高純度鋁粉的1.6倍，爆炸火焰傳播速度峰值也隨之降低至約7.4 m/s，約為高純度鋁粉的57%。由于拋光伴生粉塵的爆炸強度低于高純度鋁粉，在超細CaCO3粉體添加量為10%時，爆炸火焰傳播至電極上方約280 mm處自行熄滅，惰化作用效果較為顯著。超細CaCO3粉體的施加量增至20%，火焰傳播速度峰值減弱至約3.4 m/s，爆炸后300 ms、火焰傳播至約250 mm處自行熄滅，超細CaCO3粉體對爆炸火焰傳播的惰化作用進一步強化。進一步提高超細CaCO3粉體施加量，當惰化比為30%時，爆炸明顯減弱，傳播進程僅約為200 mm，火焰速度峰值約為1.7 m/s。由圖9(a)可知，當超細CaCO3粉體施加量提高到32%時，粉體混合物在5 kJ的點火能量激發下，火焰在點火后約148 ms僅能傳播至電極上方約60 mm。

圖9 不同惰化比條件下超細CaCO3對鋁合金拋光粉塵與空氣混合物爆炸的惰化效果Fig.9 Inerting effect of ultra-fine CaCO3 on explosion of aluminum alloy polishing dust/air mixture under different inerting ratios

施加超細CaCO3粉體對鋁合金拋光廢棄物粉塵爆炸火焰形態的影響如圖10所示。未施加超細CaCO3粉體時，與較高純度鋁粉相比，拋光伴生粉塵初期火焰輻射強度明顯減弱，電極附近的粉塵小顆粒通過熱對流和熱傳導等方式吸收能量，顆粒表面溫度明顯升高，并開始熔化，分解出氣態可燃物質與氧氣充分混合后形成燃燒區，燃燒區內火焰輻射最為強烈。拋光伴生粉塵中存在少量不燃雜質，影響預熱區內的粉塵顆粒吸熱熔化，該區域火焰輻射相對較弱，此外未參與反應、部分反應的顆粒懸浮于管道上部未燃區內，其火焰輻射相對微弱。在爆炸60 ms時刻之前，燃燒區、預熱區及未燃區輪廓較為清晰，70 ms時刻方呈現較為強烈的火焰輻射。

圖10 惰化劑施加量對鋁合金拋光伴生粉塵與空氣混合物爆炸火焰形態的改變Fig.10 Variation of flame shape of aluminum alloy polishing associated dust/air mixture under different amounts of inerting agent

當施加超細CaCO3粉體的施加量為10%時，對爆炸火焰傳播的惰化效果較為明顯。在點燃初始階段，爆炸火焰的加速趨勢明顯減緩，通過對比不同時刻火焰傳播高度，施加惰化劑顯著延緩了火焰縱向傳播。隨著時間增加，超細CaCO3粉體的冷卻作用破壞爆炸火焰結構的連續性，燃燒球團內出現較大面積熄滅區域，爆炸火焰不再光滑連續，呈現離散狀態。超細CaCO3粉體施加量增至20%時，上述惰化效能的發揮更為充分，爆炸傳播的不穩定性增強，燃燒區更為離散，火焰速度呈現震蕩態勢。當惰化比提高至30%時，盡管在點燃初始階段，火焰能夠持續傳播，但進程緩慢，火焰前沿呈明暗交替的羽流狀，燃燒區歷經前期微弱膨脹后，不斷收縮，在約320 ms時刻自行熄滅。比較爆炸火焰前鋒到達電極上方200 mm處時刻，可發現爆炸火焰前鋒到達相同高度所需時間不同，隨著超細CaCO3粉體施加量的增加，火焰向上傳播的速率隨之降低。

對于鋁合金拋光伴生廢棄物粉塵，當惰化比為30%時，可較大幅度降低點燃敏感度，爆炸火焰在歷經較為緩慢的傳播后，也會自行熄滅，進一步提高CaCO3粉體施加量，即使在強點火條件下，也未發生火焰持續傳播現象。鋁合金廢棄物粉塵中摻混超細CaCO3粉體后，一方面降低可燃粉塵局部濃度，降低整體爆炸危險性。另一方面惰性介質因粒徑較小，易懸浮于空氣中，使其吸附于鋁合金粉塵顆粒表面，降低與氧氣接觸面積，中斷燃燒過程中的鏈式反應。施加超細CaCO3粉體后，鋁合金廢棄物粉塵燃燒區離散現象明顯，火焰很難形成連續的鋒面，隨著鋁合金粉塵小顆粒的逐步熔化、分解，超細CaCO3粉體吸收通過熱傳導和火焰輻射所傳遞的大部分熱量，僅靠殘余熱量無法維持預熱區可燃粉塵顆粒進一步分解，在重力作用下可燃粉塵大顆粒開始下落，火焰呈現出紊亂、離散狀態，火焰輻射強度顯著降低。較濕法除塵相比，施加粉狀惰化介質作為防爆措施，可有效避免鋁合金碎屑與水反應產生氫氣等次生隱患，減少泥漿壓濾、污水處理方面等不利影響。

3 結論

1)鋁合金拋光伴生廢棄物粉塵點燃敏感度及爆炸火焰傳播速度峰值，均明顯低于同等粒徑的高純度鋁粉，不宜直接將高純度鋁粉爆炸參數作為鋁合金拋光粉塵現場風險評估及防控的量化依據。

2)超細CaCO3粉體惰化比為30%時，可將拋光伴生粉塵點火能量由280 mJ鈍化至約1 J，爆炸下限由120 g/m3提高至約260 g/m3，爆炸風險顯著降低。

3)超細CaCO3粉體惰化比為30%時，高純度鋁粉的爆炸火焰傳播速度峰值仍高至約7 m/s，而拋光伴生粉塵云火焰傳播則接近臨界狀態，對于鋁合金拋光工藝流程，該防爆措施具有一定潛在現實可行性及優越性。