硬脂酸包覆鋁粉爆炸火焰傳播機理研究

中圖分類號：0389;X932 國標學科代碼：13035 文獻標志碼：A

Study on the mechanism of explosion flame propagation of aluminum powder coated with stearic acid

HUANG Yuxiongl， GUO Rui ^1，2 ， QIN Jiang1，NIU Yanjiel， XU Chang1， ZHANG Xinyan ^1，3，4_. （2 （1. College of Safety and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590，Shandong， China;2.CollegeofaetyiencendEngneering，Xi'anUnivesityfenendechnologyXi'ano4，aaia;3.Mine Disaster Prevention and Control-Ministry of State Key Laboratory Breeding Base， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 26659o， Shandong， China;4.QingdaoIntelligentControlEngineeringCenterforroductionafetyFireAcdent，Qingdao690，andong，ina）

Abstract：To investigate the explosion flame development and propagation mechanism ofcoated aluminum powder，a shel and core structure of stearic acid-coated aluminum powder （SA @ Al） was prepared using the solvent evaporation method. The influence of dust concentration on the explosion flame propagation characteristics of SA @ Al dust with coating concentrations of 5% 10% and 15% was experimentally studied using an improved Hartmann tube. Flame propagation behavior was observed throughhigh-speed photographyandtheflame propagationvelocitywascalculated.Thekineticcharacteristicsofthe gas-phase explosion reaction were analyzed using CHEMKIN-PRO software to reveal the mechanism of SA@Al dust explosionflamepropagation.Theresultsindicatedthatasthedustconcentrationincreased，thefullnessandcontinuityof the explosion flames for 5% 10% ， and 15% SA @Al dust first increased and then decreased， with the average flame propagation velocity showinga trendoffirst rising and then faling.The flame propagationvelocityreached itsmaximumatadust concentration of 500g/m³ .In contrast， the explosion flame propagation velocity of pure aluminum powder reached its maximum at 750g/m³ ， suggesting that the stearic acid coating layer promotes the propagation of the aluminum powder explosion flame.Additionally，under each dust concentration， the explosion flame of 10% coating concentration SA@Al was the most intense，with the highest average flame propagationvelocity.The temperature riseoftheSA@Al explosion flame withdiffrent dust concentrations mainlyconsisted of two stages： a rapid heating stage and a slow heating stage.The rapid heatingstageexhibitedhighertemperaturesensitivityforreactionsR2，R11，andR10，whiletheslowheatingstageehbited highertemperaturesensitivityforreactions R5andR11.Thedustconcentrationsignificantlyaffected therateof temperature rise in the slow heating stage，resulting in the highest explosion equilibrium temperature for SA@Al at 500g/m³ .The combustion ofthe stearic acid coating promoted theoxidation of the aluminum core，thereby strengthening the explosion reaction.However，high dustconcentration ledto limitationsin Oradicals，which weakened thereaction intensityto some extent.

Keywords： coated aluminum powder explosion; dust concentration; flame propagation; chemical reaction kinetics

為了防止超細鋁粉氧化，保持鋁粉活性，學者們研發了一系列包覆技術以改良超細鋁粉的綜合性能，諸如鎳、金屬氧化物、有機酸、聚合物、含氟高聚物以及碳氫化合物[1-7等皆可作為表面包覆材料。目前，包覆型鋁粉因其卓越的抗氧化性、耐水化性和良好的流變性[-2，被廣泛應用于含能材料、耐火材料和顏料涂料等領域[3-4]。然而，鋁粉具有爆炸危險性[5-6]，研究表明，大部分表面包覆材料在一定程度上可以提升鋁粉的點火及燃燒性能，增強鋁粉的爆炸強度。例如：Escot Bocanegra等發現，微米Al顆粒經Ni包覆后，由于液態Al核與Ni固體殼之間的高能金屬間反應，粒子點火時間大大縮短。Jiang 等[8]研究了AI-Ni機械合金的爆炸強度和點火敏感度，結果表明，隨著鎳含量的增加，鎳鋁化物的合成熱先增加后減少，鋁粉的爆炸強度也隨之先增大后減小，粉末對靜電點火的敏感性將隨著鎳含量的增加而增加。Lyu等[9研究了納米AI/CuO 鋁熱劑對煤油燃料點火和燃燒性能的影響，結果表明， CuO 的加入促進了納米A1顆粒的放熱過程，從而促進了納米A1基煤油液滴的著火和燃燒，其中納米 Al/CuO（5% /煤油在團聚體燃燒階段表現出最高的發射光譜強度，燃燒產物粒度均勻，燃燒效率最高。Xiao等[]對單寧酸（TA）和Fe（I）離子包覆鋁粉（ TA-Fe）的著火溫度進行了研究，結果表明， Al（a） TA-Fe中的TA-Fe界面層能有效促進鋁粉著火，抑制燃燒過程中鋁液的團聚，使其具有更高的燃燒速度。 ΔXu 等[]研究了Al/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）復合材料中PTFE含量對鋁基材料爆炸特性的影響，結果表明，隨著氟元素含量的增加，火焰傳播速度先降低后升高，PTFE添加劑可以加速氧化過程，釋放更多的熱量，避免或減少因產生冷凝相而造成的兩相損失。

硬脂酸（stearic acid，SA）是一種成本低廉的長鏈飽和脂肪酸，常被用作鋁粉的表面包覆劑，其良好的疏水性能可以有效防止電解液和水分滲透至鋁表面，從而抑制鋁的腐蝕反應，提高鋁粉的適應性、耐水性和穩定性[12]。此外，硬脂酸受熱易分解氧化，其燃燒焓變較高，可提高鋁單位質量釋放的燃燒焓，有利于提高鋁在固體推進劑中的轉化率和熱釋放率[13]。這一特點也說明硬脂酸包覆鋁粉（SA@Al）在生產、處理和加工過程中具有潛在的爆炸危險性。Li等[4]研究了SA@Al的爆炸特性，結果表明，SA@Al的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率均大于鋁粉，硬脂酸顯著增強了鋁粉的爆炸危險性和破壞性。研究SA@Al的火焰傳播特性及機理，有助于了解其爆炸發生的本質規律，對于從根源上防控SA@Al爆炸事故具有重要的理論意義。基于此，本文中，以硬脂酸為表面包覆劑，采用溶劑蒸發法制備了殼-核結構的 SA@Al，并利用改進的哈特曼管實驗裝置進行實驗，研究在半開空間內不同粉塵濃度的 sA（?Al 粉塵爆炸時的火焰傳播特性，分析SA@AI粉塵爆炸的火焰傳播規律并探討其爆炸火焰傳播機理，以期為預防包覆型鋁粉的爆炸和制定有效防護措施提供依據。

1實驗

1.1 材料的制備與表征

1.1.1 材料的制備

實驗采用的高純鋁粉樣品平均粒徑為 30μm ，對硬脂酸樣品進行破碎過篩（200目標準篩）處理。實驗開始前，將2種材料全部放置在真空干燥箱中，在 40% 下干燥 12h. ，以減少水分的影響。

實驗用 sA（?Al 的制備方法如圖1所示。首先，稱取一定質量的硬脂酸和鋁粉，將硬脂酸置于無水乙醇中，待硬脂酸完全溶解后，將鋁粉分散到硬脂酸溶液中[15-16]，在 65°C 下攪拌 2h. ，直至充分混合，用無水乙醇清洗3遍；然后，在溶劑完全蒸發之前，將樣品放入 10% 的冷水中急冷，以防止液態硬脂酸從鋁粉表面流失，保證硬脂酸完全固化在鋁粉表面；最后，將樣品放入真空干燥箱中常溫烘干，即可得到SA@A1樣品。定義硬脂酸的理論包覆濃度（ （C_SA） 為硬脂酸的質量 m_SA 與鋁粉質量 m_Al 之比，即C_SA=m_SA/m_Al， ，制備得到的不同硬脂酸包覆濃度的SA@A1樣品，分別記為 5% SA @ A1、 10% SA@Al和15% SA@Al。

圖1硬脂酸包覆鋁粉的制備流程

Fig.1 Preparation process ofstearic acid-coated aluminum powder

1.1.2 材料的表征

為了驗證硬脂酸成功包覆于Al粉表面，采用型號為FEINovaNanoSEM450的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和X射線衍射儀（D8Advance），對Al和 粉塵樣品的微觀形貌及物質成分進行了測試，結果如圖 2～3 所示。從圖2可以看出：A1顆粒近似為球形，表面光滑，具有良好的分散性； 10%SA@Al 顆粒表面不平整，有明顯的包覆痕跡。

圖3給出了SA、Al和 10% SA@A1粉體的X射線衍射圖譜。從圖3可以看出，SA在 11.25^° 、 16.12^° 、22.23^°，24.74^° 的特征衍射峰在 10% SA@A1譜圖中有微弱呈現。與鋁晶體的PDF標準卡片（JCPDS：89-4037）比較， 10% SA@A1在20為 38.47^° 、 44.72^° 、 65.09^° / 78.20^° 及 82.43^° 的衍射峰與標準A1的衍射峰一致，且該圖譜中5條衍射峰的角度對應的衍射晶面分別為（11）、（200）、（220）、（311）和（222），說明鋁粉的晶體結構并未發生改變，硬脂酸以包覆的形式粘附于鋁粉表面。

此外，采用激光粒度分析儀（型號為MalvernMastersizer3000）對Al和 10% SA@Al的粒度分布進行表征，結果如圖4所示。可以看出，A1粉的粒徑分布范圍為 13.32～49.70μm ，其中表面積平均粒徑D_[3，2] 為 25.27μm ，體積平均粒徑 D_[4，3] 為 30.04μm ，中位粒徑 D₅₀ 為 28.44μm 。 10% SA@Al粒子的直徑分布為 16.73～50.0μm ，其中 D_[3，2] 為 26.59μm，D_[4，3] 為 31.98μm D₅₀ 為 28.97μm 。 10% SA@Al的粒徑與A1相比整體均有所增大，這也從側面驗證了硬脂酸成功包覆于鋁粉表面。

圖2鋁粉和 10% SA@Al的掃描電子顯微鏡圖像

Fig.2Scanning electron microscope images ofAl and 10% SA@Al dust

圖3鋁粉和 10% SA .@Al 的X射線衍射圖譜

圖4純鋁粉及 10% SA@A1粉塵的粒徑分布Fig.4Particle size distributions ofAl and 10% SA @ Aldust

1.2 實驗儀器

采用改進的哈特曼管實驗裝置測定實驗樣品的火焰傳播特性[17]，裝置如圖5所示。該裝置主要由哈特曼燃燒管、揚塵點火系統及高速攝影系統等組成。改進的哈特曼燃燒管作為爆炸發生室，是一個半封閉透明的圓柱形石英玻璃管道，其上端開口，體積為 2.4L 。揚塵系統包括高壓氣罐、進氣閥、儲氣罐、電磁閥及蘑菇狀噴頭。點火系統包括高壓儲能器、電火花能量發生器和安裝在蘑菇狀噴頭上部 50mm 處的點火電極。高速攝影系統使用Phantom系列 v641 高速攝像機，使用PhantomCameraControl軟件實現對實時圖像區間的處理。實驗中設定粉塵擴散壓力和點火延遲時間分別為 0.3MPa 和 30ms ，點火能量為 20J

圖5改進的哈特曼管實驗裝置示意圖

Fig.5Improved Hartmann tube explosion experimental device

2結果與分析

2.1 SA（a）Al 的爆炸火焰傳播規律

以 5% SA@Al、 10% SA @.61 和 15%SA@Al 粉塵及純鋁粉為研究對象，開展爆炸火焰傳播實驗，研究粉塵濃度對 sA（?Al 粉塵爆炸火焰傳播特性的影響，結果如圖 6～9 所示。理論粉塵濃度由 c=m/V 計算，其中， c 為粉塵濃度 （g/m³） ！ m 為粉塵質量（g）， V 為半開放燃燒管的體積 （m³） 0

從圖6可以看出：A1粉塵云燃燒反應劇烈，爆炸火焰發出刺眼的黃白亮光，火焰前鋒擴散特征顯著。隨著粉塵濃度的增大，爆炸火焰傳播的連續性及火焰的飽滿度不斷增強，火焰前鋒傳播至燃燒管道頂端的時間呈先縮短后延長的趨勢。當粉塵濃度為 250g/m³ 時，粉塵濃度較低，熱量傳遞效率較低，反應過程中燃料的持續消耗使得火焰在 171ms 時燃燒強度驟然降低，火焰下方連續性減弱，亮度及飽滿度急劇下降，火焰于 190ms 時停止向上擴散傳播，逐漸消逝。當粉塵濃度為 750g/m³ 時，A1粉塵云火焰整體發光強度較高，連續性和飽滿度較好，火焰傳播時間最短，燃燒強度最高。當粉塵濃度為 1 000g/m³ 時，粉塵顆粒過量，形成貧氧燃燒，未燃區內的粒子數增加，鋁微粒燃燒不夠充分，此時火焰雖然仍較飽滿，但亮度略有降低。

從圖7可以看出：對于 5% SA@A1粉塵，當粉塵濃度為 250g/m³ 時，由于粉塵濃度較低，火焰強度低，火焰前鋒未能傳播至燃燒管頂端。當粉塵濃度增大至 500g/m³ 時，參與反應的粒子數增多，粒子間距離縮短，鋁粉表面的硬脂酸熱解產生的揮發分相互融合，在鋁粒子周圍形成較連續的橙色預混氣相火焰，可促進鋁核的氧化燃燒進程，火焰內部顏色分布較均勻，火焰亮度及飽滿度較 250g/m³ 時顯著提升，火焰前鋒于 100ms 時傳播至燃燒管頂端。當粉塵濃度繼續增大到750和 1000g/m³ 時，火焰傳播不規則性增強，火焰亮度和傳播連續性均有所減弱，火焰傳播后期均出現了明顯斷層，火焰內部出現大量向上聚集的明暗相間的紋理，火焰前鋒離散特征顯著。這可能是由于，當粉塵濃度增大時，單位體積內粉塵顆粒數量激增，單個 sA（?Al 粒子可利用的氧氣相對較少，同時高濃度下，硬脂酸包覆層燃燒需要消耗更多的氧氣，導致鋁核燃燒不充分。750和 1000g/m³ 的 5% SA@A1粉塵云火焰分別于110和 131ms 時傳播至燃燒管頂端，傳播時間顯著延長。

從圖8可以看出：不同粉塵濃度下的 10%SA@Al 爆炸火焰均能較連續地傳播至燃燒管口，火焰整體亮度及傳播時間隨粉塵濃度的增大呈現先增大后減小的趨勢。當粉塵濃度為 250g/m³ 時，參與燃燒的粒子密度較小，火焰連續性和飽滿度較低，亮度較暗。當粉塵濃度為 500g/m³ 時，爆炸火焰飽滿度最高，火焰傳播至燃燒管頂端的時間最短。當粉塵濃度增大至750和 1000g/m³ 時，火焰前期發展較緩慢，亮度較低，火焰顏色類似硬脂酸爆炸火焰，火焰發展到中后期，燃燒強度增大，管道上半部分火焰局部亮度明顯。此外，與圖7和9相比， 10%SA@Al 粉塵云爆炸火焰的連續性和火焰形態的飽滿度顯著優于15% SA@A1，略優于 5% SA@A1，表明此包覆濃度下硬脂酸包覆層良好地激發了鋁的爆炸活性，對鋁爆炸反應的促進作用最強。

圖6不同粉塵濃度的A1粉塵云爆炸火焰傳播行為

Fig.6Flame propagations ofAl dust clouds with different dust concentrations

圖7不同粉塵濃度的 5% SA@A1粉塵云爆炸火焰傳播行為

Fig.7Flame propagations of 5% SA@Al dust cloudswith different dust concentrations

圖8不同粉塵濃度的 10% SA@A1粉塵云爆炸火焰傳播行為

Fig.8Flame propagations of 10% SA @ Aldustcloudswith different dust concentrations

圖9給出了不同粉塵濃度下 15% SA @A 1粉塵云火焰的傳播過程，與 5% SA 和 10% SA @ A1粉塵云火焰相比較，各粉塵濃度下， 15% SA @ A1粉塵燃燒強度均大幅降低。這是因為：在高包覆濃度之下，包覆層熱解產生的短鏈烷烴類氣相組分增加，形成的預混可燃氣體主導了粉塵云的燃燒過程，使得火焰亮度大幅減弱；且粉塵濃度越大，粉塵顆粒和包覆層熱解吸收的燃燒熱增加，粉塵云燃燒不充分，對A1核的爆炸燃燒火焰發展具有一定的抑制作用。當粉塵濃度低于 500g/m³ 時，隨著粉塵濃度逐漸增大，爆炸火焰亮度略有提升，火焰飽滿度及連續性有所增強；當粉塵濃度繼續增大到750 和 1000g/m³ 時，火焰亮度顯著降低，火焰傳播連續性及火焰飽滿度均大幅減弱。相比之下，當粉塵濃度為 500g/m³ 時，爆炸火焰能夠自持傳播至燃燒管頂端，且火焰連續性較強。

此外，從圖 6～9 可知，鋁粉表面包覆不同濃度的硬脂酸后， SA（?Al 的火焰亮度和飽滿度均有所下降，火焰前鋒擴散程度逐漸減小。這可能是由于包覆濃度的增大使得硬脂酸的熱解燃燒對鋁爆炸的干預作用逐漸加強，由鋁粉燃燒驅動的擴散火焰逐漸轉變為由硬脂酸燃燒驅動的預混氣相火焰[18]。

圖10給出了不同粉塵濃度下的Al、 5% SA @ A1、 10% SA 和 15%SA@Al 粉塵云爆炸火焰傳播速度曲線。從圖10（a）可以看出，A1火焰傳播速度隨粉塵濃度增大呈現先升高后降低的變化趨勢，粉塵濃度為 750g/m³ 的A1粉塵火焰的傳播速度明顯高于其他3種濃度，且平均火焰傳播速度最大，為5.77m/s ，火焰傳播最快。從圖10（b）和（c）可以看出， 5% SA @81 和 10% SA@A1火焰的傳播速度亦隨粉塵濃度的增大出現先增大后減小的變化趨勢。不同的是，在粉塵濃度為 500g/m³ 時， 5%SA@Al 和 10% SA（?Al 粉塵云的火焰傳播最快，平均火焰速度分別為5.98和 8.15m/s ，爆炸破壞性最強。可見包覆層的存在促進了AI爆炸火焰的傳播，使其在更低的粉塵濃度下達到了最佳的火焰傳播效果。 15%SA@Al 粉塵云火焰的傳播速度曲線如圖10（d）所示，與 5% SA@A1和 10%SA@Al 粉塵云相比變化明顯。當粉塵濃度為 250g/m³ 時，粉塵云爆炸火焰傳播速度極低，基本維持在 1.35m/s 左右且波動不大，結合圖9可以看出，這與其火焰并未充分向上擴散燃燒有關。而粉塵濃度為 750g/m³ 時，火焰傳播速度呈波動狀態。當粉塵濃度為 1000g/m³ 時，火焰在前、中期傳播速度較低，在后期傳播速度出現了一個較大的攀升，結合圖9可知，這是由于其火焰稀疏暗淡不連續，導致火焰前鋒位置出現跳躍。其原因可能是，在高包覆比例和高粉塵濃度下，硬脂酸包覆層熱解揮發需要更多的熱量以及燃燒需要消耗大量氧氣，導致鋁核燃燒不充分，進而減弱了火焰強度。當粉塵濃度為 500g/m³ 時，火焰傳播速度則隨時間延長整體上保持不斷增長的趨勢，爆炸火焰傳播最快，平均火焰速度為 6.34m/s ，破壞性最強。

圖9不同粉塵濃度的 15% SA@A1粉塵云爆炸火焰傳播行為

Fig.9Flame propagations of 15% SA @ Aldust cloudswith different dustconcentrations

綜合來看，在粉塵濃度為 250g/m³ 時，不同包覆濃度的 粉塵云火焰傳播速度隨時間的延長均呈現先升高后降低的趨勢，此時，由于粉塵濃度較低，始終處于貧燃料燃燒，爆炸強度較低，火焰傳播速度整體基本保持在較低水平。當粉塵濃度增大到 500g/m³ 時，參與爆炸反應的粒子密度增大，SA@Al火焰的傳播速度均隨傳播時間增長而增大，相比之下， 10%SA@Al 爆炸火焰傳播速度增幅最大。當粉塵濃度增加到750和 1000g/m³ 時，A1、 和 10% SA@A1粉塵云火焰的傳播速度變化趨勢與粉塵濃度為 500g/m³ 時類似，呈不斷攀升狀態，直至火焰傳播到燃燒管口仍未出現下降趨勢，而 15% SA@A1則在粉塵濃度為 750g/m³ 時火焰傳播速度呈現一定的波動，在 1000g/m³ 時前期火焰傳播速度較低，后期火焰速度有較大的攀升，這可能是因為包覆濃度較高，包覆層熱解揮發需要更多的能量。

圖10不同粉塵濃度下Al、 5% SA@A1、 10% SA 和 15% SA@A1粉塵云的爆炸火焰傳播速度Fig.10 Explosion flame propagation velocity ofAl， 5% SA @ Al， 10% SA @ Al，and 15% SA@Aldustcloudsunderdifferent dust concentrations

2.2 SA（a）Al 粉塵爆炸動力學

為了進一步研究 SA（?Al 的爆炸反應動力學機理，通過CHEMKIN-PRO軟件中的零維閉式均相反應器（closed homogeneous batch reactor），在 2500K 的初溫下建立了 10%SA@Al 的爆炸反應動力學模型[18-19]，并對爆炸反應過程中主要物質和自由基摩爾分數的變化規律、溫度上升演化趨勢及溫度敏感度特征進行了系統分析。

圖11給出了粉塵濃度為 500g/m³ 時A1和 10%SA@Al 在爆炸過程中主要物質的摩爾分數的變化。相較于Al而言， SA（?Al 在 10^-16s 時開始反應，此時體系中 C₂H₃ 和 C₂H₄ 等小分子開始生成，同時H自由基逐漸增加，可見此時有機氣體開始燃燒，系統內的熱導效率增強，引起部分A1發生氫化和氧化反應，其含量出現輕微下降。 10^-10 s時鋁開始發生氧化反應， 10^-9 s時A1和 O₂ 的含量開始快速下降，A1O和O含量逐漸增加，點火發生后，反應更加劇烈，部分AlO轉化為 Al₂O 和 Al₂O₂ ，隨著反應的進行，燃料基本耗盡，A1O、 Al₂O 和 Al₂O₂ 等中間產物最終均轉化為 Al₂O₃（1） ，與此同時， SA（?Al 中殘余的有機分子在高溫下迅速分解并發生復雜的氧化還原反應，最終生成 H₂ 、 H₂O 和 CO₂ 氣體。

圖12展示了不同粉塵濃度下Al和 在爆炸過程中的溫度變化，圖13呈現了 10% SA@Al在爆炸過程中的溫度敏感度變化。從圖12可以看出，A1和 在不同粉塵濃度下的爆炸過程中，溫度隨時間變化均可分為3個階段：第1階段為初步反應階段，第2階段為快速升溫階段，第3階段為緩慢升溫階段。值得注意的是，由于硬脂酸包覆層的存在， 10%SA（OAl 的第1階段存在明顯的溫度降低，并且爆炸反應過程中的自由基種類更豐富。對于A1的爆炸反應過程已有較詳細和深入的研究，本文中重點針對SA@AI的各階段溫度變化進行分析。第1階段，SA@AI出現了明顯的降溫現象，且粉塵濃度越大，溫度降幅越大。結合圖13可知，降溫是由于 SA（?Al 中有機小分子的分解反應R22（C₄H₉C₂H₄+C₂H₅） 吸熱所致。進入第2階段后，鋁核發生爆炸反應，反應空間內溫度急劇升高，且在爆炸初始階段，高濃度的 SA（?Al 爆炸溫度逐漸反超低濃度下 SA（?Al 的爆炸溫度，由圖13可知，是由于R2 （Al+O₂AlO+O） 、R11（ Al₂O AlO+A1）和 R10（AlO₂AlO+O） 在此時間段內的溫度敏感性系數迅速提升，且其開始反應時間隨粉塵濃度增大而不斷提前所致，可見此時粉塵濃度越高， SA（?Al 中硬脂酸燃燒所起的預熱作用越強，可以極大程度地促進鋁的初步氧化燃燒。在快速升溫階段，粉塵濃度越大，溫度上升越快，反應溫度越高，當粉塵濃度超過 750g/m³ 時，隨粉塵濃度的增加，由于氧含量的限制，溫度上升速率基本不變。

圖11A1和 10% SA@A1粉塵爆炸火焰中主要物質的摩爾分數分布

Fig.11Mole fraction distribution of major components in the explosion flame ofAl and 10% SA du：

隨著爆炸的進行，約 10^-7 s時進入第3階段，在緩慢升溫階段，對溫度上升貢獻最大的化學反應為R5（Al₂O₃Al₂O₂+O） ，對溫度下降起主要作用的是 R11（Al₂OAlO+Al） 。在此階段，粉塵濃度為250和500g/m³ 的 SA（?Al 的溫度上升速率均有所下降，且粉塵濃度為 500g/m³ 的 SA（?Al 的升溫速率減小更明顯，由圖13可知，這是由于R5的反應強度減弱所致，但最終平衡溫度較粉塵濃度為 250g/m³ 的SA（?Al 更高，歸因于快速升溫階段，粉塵濃度為 500g/m³ 的 SA（?Al 達到的反應溫度更高。粉塵濃度為750g/m³ 的 SA（?Al 的溫度變化趨勢與 500g/m³ 的 sA（?Al 相近，但由于粉塵濃度增大使得O自由基相對不足，以及未燃反應物的吸熱，粉塵濃度為 750g/m³ 的 SA（?Al 在緩慢升溫階段R5的敏感度更低，反應溫度逐漸低于粉塵濃度為 500g/m³ 的 SA（?Al 粉塵濃度為 1000g/m³ 的 SA（?Al 升溫趨勢在這一階段減緩最明顯，過高的粉塵濃度下氧氣更顯匱乏，O自由基嚴重不足，燃燒更不充分，粉塵濃度為750、500 和250g/m³ 的 SA（?Al 爆炸溫度分別于 1.0×10^-7 2.2×10^-7 和 2.3×10^-6s 時超過粉塵濃度為 1000g/m³ 的SA@Al。隨著燃料和氧氣逐漸消耗，爆炸反應逐漸達到平衡，不同濃度的 SA（?Al 爆炸溫度均逐漸趨向平穩，粉塵濃度為250、500、750和 1000g/m³ 的 的平衡溫度分別為4297、4427、4380和4256K，可見當粉塵濃度為 500g/m³ 時， SA（?Al 爆炸平衡溫度最高。

由于快速升溫階段的主要反應R2、R11、R10和緩慢升溫階段的主要反應R5、R11均與O自由基密切相關，為進一步分析爆炸升溫過程中的基元反應動力學特征，給出了不同粉塵濃度下 10%SA@A 1爆炸過程中的O自由基含量變化和敏感度分析，如圖14和15所示。從圖14可以看出：一方面，粉塵濃度越高，O自由基在10^-9～10^-8s 內的產生速度越快，但當粉塵濃度高于 500g/m³ 時，由于 O₂ 含量的限制，O自由基濃度的增長速率相差無幾；另一方面，隨著粉塵濃度的增大，O自由基開始緩慢增長的時間節點在不斷提前，這是因為氧氣含量受限以及濃度的增大加快了反應進程。從圖15可以看出，O自由基主要來自于 R2（Al+O₂AlO+O） ，粉塵濃度逐步增大，氧氣主要被R2所消耗， R4（AlO+O₂AlO₂+O） 的敏感度系數不斷減小，當粉塵濃度為 1000g/m³"時，R4對O自由基含量變化的貢獻度已低于R11（ Al₂O A1O+A1）而未在圖中顯示出來。此外，結合圖12、14和15可以發現，R5的敏感度系數隨粉塵濃度的增加逐漸減小，因此，在緩慢升溫階段，SA（?Al 粉塵濃度越高，O自由基濃度變化越小，升溫速率增幅越小。

圖14不同粉塵濃度的 10% SA@A1粉塵爆炸過程中的O自由基含量變化

Fig.14Variation of O radical content during the explosion of different dust concentrations of 10% SA @ Aldust

圖15不同粉塵濃度下 10% SA@A1粉塵爆炸過程中的O自由基敏感度分析 Fig.15O radical sensitivity analysis during explosion of 10% SA@Al dust underdifferent dust concentrations

2.3 SA（a）Al 粉塵爆炸火焰傳播機理

綜合考慮 SA（?Al 粒子中硬脂酸包覆層和鋁核從熱解到燃燒的全過程，結合A1粉塵云和 SA（?Al 粉塵云爆炸火焰傳播特性及爆炸反應動力學分析，建立了描述SA@A1粉塵云火焰傳播機理的物理模型，如圖16所示。該模型將 SA（?Al 粉塵云火焰陣面傳播結構分為4個區域進行闡述。在預熱區，鋁顆粒表面的硬脂酸涂層開始被加熱，逐漸熔化，隨著燃燒區的接近，熔化的硬脂酸層首先受熱分解為小分子可燃氣體，產生 C₂H₄ 、 C₂H₅ 和 C₃H₃ 等有機小分子，這些可燃氣體迅速與空氣混合形成可燃預混氣，粉塵濃度越大，包覆層吸熱越強，初始降溫越明顯。與此同時，由于硬脂酸的剝離導致鋁表面暴露在空氣中，且由于預混氣體與鋁顆粒之間發生熱量和質量傳遞，促使鋁核在較早時間內迅速發生初始氧化反應，爆炸體系中的鋁和 O₂ 含量有所下降。在燃燒區，可燃預混氣發生氧化燃燒反應，在鋁顆粒周圍形成預混氣相火焰，火焰的熱傳遞和熱輻射作用促使鋁表面溫度迅速升高，加快了鋁核熔化和氧化膜的破裂進程[20]。當溫度達到 Al₂O₃ 的熔點時，氧化膜開始發生晶型轉變[21，熔化的鋁核心向外擴散;當溫度達到鋁的沸點時，鋁粒子開始蒸發并進行氣相燃燒，在預混氣相火焰內部形成大量發光點。因此， SA（?Al 粒子的傳播火焰類似于可燃預混氣相火焰耦合鋁粒子的擴散燃燒火焰。粉塵濃度低于 500g/m³ 時，反應空間內氧氣相對充足，包覆層揮發分形成的預混氣相火焰與鋁核燃燒之間相互促進效果明顯，火焰強度與傳播速度隨粉塵濃度增加而增大。當粉塵濃度高于 500g/m³ ，單位空間內粒子數增多，氧氣相對不足，能夠產生的O自由基有限，隨著粉塵濃度增大，SA形成的預混氣相火焰會消耗較多的O自由基，阻礙鋁核燃燒的進一步擴大，因此，在較高的粉塵濃度下，火焰傳播速度減小，爆炸平衡溫度更低。

圖16SA@A1粉塵云火焰傳播機理物理模型

Fig.16Physical model for flame propagation of SA@Al dust cloud

3結論

采用溶劑蒸發法制備了殼-核結構的SA@AI，探究了其爆炸火焰的發展演化過程及爆炸燃燒機理，并對SA@AI粉塵云爆炸火焰傳播特性及爆炸反應動力學開展了一系列研究，得到以下主要結論。

（1）粉塵濃度為 500g/m³ 時， sA（?Al 粉塵云火焰傳播最快，爆炸破壞性最強，硬脂酸包覆層的存在促進了A1爆炸火焰的傳播，使其在更低的粉塵濃度下達到了最佳的火焰傳播效果。（2）在研究范圍內， 10%SA（OAl 爆炸火焰的平均傳播速度最大，爆炸火焰的傳播效果最佳，對其進行爆炸反應動力學分析，發現粉塵濃度為 500g/m³ 時，爆炸平衡溫度最高。（3）SA@Al火焰傳播機制類似于預混氣相燃燒耦合鋁粒子的擴散燃燒。硬脂酸包覆層的燃燒加快了鋁核的熔化及爆炸反應進程，使燃燒反應得以強化，但粉塵濃度過高又會對反應產生削弱作用，在此基礎上提出了粉塵濃度影響下的 SA（?Al 爆炸火焰傳播物理模型。

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（責任編輯蔡國艷）