碳酸钙对金属粉尘最小点火能的影响研究

李亚男，焦枫媛，闻利群

(1.中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051;2.中北大学 信息商务学院，山西 太原 030051)

0 引言

在工业生产中，金属粉尘的爆炸事故频繁发生，从而导致大量的人员伤亡和巨大的财产损失.铝可以用来制造油漆、油墨、颜料和焰火，也可用作多孔混凝土的添加剂，还可以作为治疗和医药用品.此外，铝还用于汽车和飞机工业，可以说铝的应用极为广泛，需求量也极大;镁铝合金也广泛应用于交通运输、航空和航天工业，由于铝、镁铝合金的化学性质都非常活泼，它们的粉尘都具备易燃易爆的特性，因此无论是生产、存储还是运输，都存在着巨大的安全隐患.所以，通过研究金属粉尘爆炸的预防方法和抑制方法，从而减少事故的危害程度和发生概率已经成为安全生产方面研究的重大课题.

目前，在预防、抑制粉尘爆炸方面国内外主要有以下几种方法:①消除点火源;②避免粉尘云的形成;③采用隔离、泄放、通风等一系列保护措施［1-3］.但是，工业生产中潜在的点火源非常多，而且还有很多不可避免的静电环境和静电效应，因此消除点火源几乎是不可能的.而在粉体加工时，会有大量的粉尘暴露在空气中形成可引发爆炸的粉尘云，所以要想避免形成粉尘云也非常困难.采取通风、泄放、隔离等一系列保护措施确实能有效地减少粉尘爆炸的可能性，但是如果这些保护措施失效，后果将会无法想象.如果将粉尘惰化，能有效地提高它的最小点火能，从而避免爆炸事故的发生，属于本质安全方法(适度原则)［4］.碳酸钙作为一种非常常见又廉价的物质，被广泛应用在粉尘的惰化抑爆研究中，所以研究碳酸钙对金属粉尘最小点火能的影响，从而达到对金属粉尘的惰化抑爆效果，意义深远.因此，笔者以高爆特性的铝粉和镁铝合金为对象，在粉尘云最小点火能测试装置内测试了碳酸钙粉末浓度对铝粉、镁铝合金粉最小点火能的影响，并对其机理进行了分析.

1 试样、装置和测试方法

1.1 样品试验前处理

试验所用铝粉的粒径为15～17 μm，镁铝合金粉的粒径为74 μm，碳酸钙是含量99% 以上的高纯度碳酸钙，粒径是38 μm.试验中所用样品试验前在60 ℃的温度下先干燥20 h，放在室温下保存，环境湿度不大于30%［5］.

1.2 试验装置和操作

试验装置主要包括扩散装置和能量储存装置两大部分.图1 为粉尘云最小点火能测试装置的示意图，使用时哈特曼管竖直安装在空气扩散装置的底座上.手持式遥控器控制吹粉点火，空气扩散装置通过电线和底座连接，能量储存装置则是一个高压电容的放电箱.通过稳定的高压直流电源向电容放电箱输入超高压(EHT)，电压是9～12 kV.为了减缓电容箱的充电速度，在电源与电容高压终端之间安装限流电阻，从而产生出一连串的不连续电火花.试验时，先将粉尘均匀置于扩散装置的底座内，然后将哈特曼管竖直安装在空气扩散控制装置的外壳上，连接好电极，接通高压电，调好能量，调整好电极放电频率(1 s左右放电一次)，用手持遥控器将粉尘扬起，同时按下点火按钮，观察实验现象.

图1 粉尘云最小点火能量测试装置示意图Fig.1 Dust cloud minimum ignition energy test device

1.3 最小点火能的测试方法

最小点火能测试就是扩散已知重量的试验样品粉末，使样品粉末在电极头的附近形成粉尘云，然后对样品粉末放电，通过仔细观察从电极头处开始传播的火焰来判断是否着火.火焰与电极头分离且火焰半径超过5 cm，就判定为试验粉尘被点燃［6］.

最小点火能测试要从高能量开始试验观察，如果试验粉尘爆炸或火焰半径超过5 cm，则应该降低点火的能量，并重复地测试;如果在任意一个能量级别下无着火现象发生，那么应该至少去重复测试20 次.为了避免电火花产生的淬火效应，电极间隙不应该小于2 mm.最佳的电极间隙是6 mm，如果点火能量非常低，可以缩短电极间隙从而达到更低的击穿电压;如果没有观察到点火现象，那么可以改变电极间距去研究不同的放电间距对点火的影响［7］.

2 试验结果与讨论

2.1 碳酸钙浓度对铝粉最小点火能的影响

试验过程中喷粉压力为0.7 MPa，点火延时为60 ms，铝粉选取敏感浓度1 000 g/m3.

从表1 可以看出，在混合粉尘中，当碳酸钙的质量分数分别为0%，10%，20%，30%，40% 时，混合粉尘的最小点火能分别是 34.85 mJ，42.17 mJ，48.52 mJ，54.57 mJ，60.86 mJ，随着碳酸钙质量分数的增加，混合粉尘的最小点火能也随之增加.由图2 可以看出，在一定范围内，混合粉尘中碳酸钙质量分数的增加与混合粉尘最小点火能的增加近似成线性关系，说明碳酸钙作为铝粉的惰化剂，确实能够有效提高铝粉的最小点火能，从而实现对铝粉的惰化抑爆效果.从表1中可知，当碳酸钙的质量分数达到80%的时候，铝粉的最小点火能大于最小点火能装置能够提供的最大能量1 J，可以推断出在混合粉尘中，当碳酸钙达到一定量时，再高的点火能量都不能使混合粉尘发生爆炸.

表1 碳酸钙浓度对铝粉最小点火能的影响Tab.1 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of aluminum dust

图2 碳酸钙浓度对铝粉最小点火能的影响Fig.2 Effects of CaCO3 concentration on the minimum ignition energy of aluminum dust

最小点火能反映了粉尘的着火敏感性，是衡量可燃性粉尘爆炸危险性的重要参数，也是静电安全的重要技术参数.在最小点火能测量中，有很多因素会对它造成不同程度的影响，有的来自于金属粉尘本身，有的则与测试的装置密切相关，还有的则来自于外部环境，甚至连分析方法也会对测试的结果造成一定的影响［8］.由于实验条件和实验设备的限制，由所得实验数据做出的图是理想状态下的结果.出现这种现象的原因是:碳酸钙的粉尘具有冷却和抑制悬浮的效果，当向铝粉中加入碳酸钙粉末后，碳酸钙会吸收点火放出的热量，降低铝粉的着火敏感性.此外，碳酸钙会抑制铝粉的悬浮性，使粉尘云形成效果不佳，这样也会降低铝粉的着火性.在这种情况下，若要使铝粉发生燃烧或爆炸，则要加大点火能量，从而实现了碳酸钙对铝粉的惰化抑爆效果.

2.2 碳酸钙浓度对镁铝合金粉最小点火能的影响

在试验过程中，喷粉压力为0.7 MPa，点火延时为60 ms，镁铝合金选取敏感浓度800 g/m3.

表2 碳酸钙浓度对镁铝合金最小点火能的影响Tab.2 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of magnesium alloy dust

从表2 可以看出，在混合粉尘中，当碳酸钙的质量分数分别为0%，10%，20%，30%，40%时，混合粉尘的最小点火能分别是161 mJ，359 mJ，434 mJ，495 mJ，589 mJ，随着碳酸钙质量分数的增加，混合粉尘的最小点火能也在随之增加.由图3 可以看出，在一定范围内，混合粉尘中碳酸钙质量分数的增加与混合粉尘最小点火能的增加近似成线性关系，说明碳酸钙作为镁铝合金粉的惰化剂，确实能有效提高镁铝合金粉的最小点火能，从而起到对镁铝合金粉的惰化抑爆效果;而当碳酸钙的质量分数达到60%的时候，镁铝合金粉的最小点火能大于最小点火能装置所能提供的最大能量1 J，可以推断出在混合粉尘中，当碳酸钙达到一定量时，再高的点火能量都不能使混合粉尘发生爆炸.

通过上述试验发现，碳酸钙可以提高金属粉尘的最小点火能，对金属粉尘有惰化抑爆的作用.这是因为碳酸钙本身对燃烧这种特殊的化学反应具有惰化作用，或者是混合粉尘之间进行了热量、动量交换后发生了衰减，于是爆炸火焰的形成、传播遭到了阻碍.首先，碳酸钙是一种不可燃物，能够吸收、消耗一部分点火能，在电极周围的金属粉尘温度会大大降低［9］，得到的点火能也会大大减少;其次，碳酸钙会挤占掉一定空间，使金属粉尘周围的氧气浓度降低，单位质量的金属粉尘的氧浓度大大降低，从而燃烧反应没有了充足的氧气去维持;再次，碳酸钙可以吸收掉爆炸火焰的部分热能、辐射能，从而使火焰的传播速度减慢甚至于熄灭;同时，它还能够充当障碍物，阻挡火焰，衰减激波传递，屏蔽热辐射、热传导［10-12］，从而使火焰阵面前的金属粉尘不能够得到足够能量去发生燃烧，大大提升了传热的阻力，有效地阻止了爆炸的发展、传播.

图3 碳酸钙浓度对镁铝合金粉最小点火能的影响Fig.3 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of magnesium alloy dust

3 结论

1)镁铝合金粉的化学性质比铝粉更活泼一些，但通过两组试验数据的对比发现，镁铝合金粉的最小点火能却明显大于铝粉的最小点火能.原因是试验中铝粉的粒度要明显小于镁铝合金粉.由此可以看出，金属粉尘的粒度对它的最小点火能有很大的影响.

2)在铝粉的试验中，随着碳酸钙质量分数的增加，混合粉尘的最小点火能也随之增加，而且在一定范围内，二者近似地成线性关系;而在镁铝合金粉的试验中，碳酸钙浓度对最小点火能的影响也有相似的线性规律，而且对比图2 和图3发现，碳酸钙浓度对镁铝合金粉最小点火能的影响要更明显一些.

3)在铝粉试验中，当碳酸钙质量分数达到80%时，混合粉尘最小点火能超过了装置所能提供的最大能量;而在镁铝合金粉试验中，当碳酸钙质量分数达到60%时，混合粉尘最小点火能超过了装置所能提供最大能量.以上现象说明，在混合粉尘中，当碳酸钙达到一定质量分数后，再高的点火能量都无法使金属粉尘发生爆炸，此时的金属粉尘已被完全惰化，丧失了高爆特性.

4)碳酸钙是一种有效的惰化剂，在金属粉尘中加入一定量的碳酸钙，可以有效地提高它的最小点火能，从而实现对金属粉尘的惰化抑爆效果.

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