惰性粉尘对铝镁混合粉尘云最低点燃温度的影响*

胡海燕　胡立双　武学

(1.中北大学化工与环境学院　太原 030051；　2.忻州师范学院　山西忻州 034000)



惰性粉尘对铝镁混合粉尘云最低点燃温度的影响*

胡海燕1,2胡立双1武学1

(1.中北大学化工与环境学院太原 030051；2.忻州师范学院山西忻州 034000)

为了研究惰性粉尘存在氛围下，铝镁混合粉着火爆炸的规律，采用Godbert-Greenwald恒温炉设备研究了设备吹粉压力、惰性BaCO3和SiO2粉尘粒径、惰性粉尘含量对铝镁混合粉尘云最低点燃温度的影响。结果表明，试验存在最佳吹粉压力，此时最有利于铝镁混合粉燃烧，且高浓度铝镁混合粉的最佳吹粉压力比低浓度的大；最低点燃温度随着不活泼粉尘粒径的减小而升高，粒径相同条件下，BaCO3抑制效果比SiO2明显；惰性粉尘对铝镁混合粉尘云最低点燃温度影响很大，当BaCO3和SiO2粉尘含量增加时，最低点燃温度先升高，达到一定值后趋于不变；混合粉尘中，惰性粉尘质量分数在53%以下时，BaCO3的抑制作用比SiO2强，但当惰性粉尘质量分数在53%以上时，SiO2和BaCO3对混合粉尘抑制作用正好相反；当炉体温度在630 ℃以上时，铝镁混合粉最低点燃温度受BaCO3和SiO2粉尘影响很小。

铝镁混合粉尘云最低点燃温度惰性粉尘G-G恒温炉

0　引言

铝镁混合粉可作为金属燃料广泛应用于烟火剂配方设计和固体火箭推进剂配方设计中[1-3]。在铝镁混合粉的现实工业生产加工过程中，铝镁混合粉以粉尘云的形态普遍存在[4]。铝镁混合粉物理化学性质十分活泼，如果受到高温表面或者明火作用，很容易点燃，发生事故，造成人员伤亡及财产损失。所以，做好铝镁混合粉的抑爆、防爆工作，测试铝镁混合粉的爆炸特性参数就变得十分迫切。最低点燃温度则是衡量粉尘云着火感度和爆炸危险性的重要参数之一[5-7]，在可燃粉尘中添加惰性粉尘可以从根本上确保可燃粉尘生产、储存和运输过程中的安全性。所以，本文选用铝镁混合粉(铝粉与镁粉的质量比为1∶9)，改变装置吹粉压力、BaCO3及SiO2粉尘粒径和含量，研究铝镁混合粉尘云在这些外界条件作用下的最低点燃温度变化规律，为深入研究铝镁混合粉的安全防护措施，保证铝镁混合粉安全生产提供一定的指导参考意义。

1　实验研究

1.1实验装置及原理

本文采用G-G恒温炉实验仪器来研究BaCO3及SiO2惰性粉尘对铝镁混合粉尘云最低点燃温度影响规律[8]，装置图如图1所示。G-G恒温炉装置组成分为3部分：220 mL的炉体部分、吹气控制系统部分以及加热控制系统部分，其中吹气压力可在0～0.1 MPa范围内调节，加热温度可在0～1 000 ℃范围内调节控制。

实验前，调节加热控制系统部分，将装置炉体温度设定为某一恒定值，装置的吹粉压力可由吹气控制系统部分调控，实验时将铝镁混合粉放在样品室中，打开控制开关，由空气将铝镁混合粉吹入装置炉体中，可通过实验装置底部的镜面反射板判定铝镁混合粉是否被点燃。

根据标准，如果实验装置炉体中有火焰出现且现象很明显，则判定混合粉被点燃；如果没有观察到明显火焰，则判定混合粉未被点燃。实验从低温开始测定，某温度条件下重复进行10次实验都无明显的火焰出现则认为此温度条件下铝镁混合粉未着火，那么继续升高炉体温度并恒定在某一数值，重复上述步骤直到获得铝镁混合粉的最低点燃温度。

1-加热控制器；2-热电偶；3-加热炉；4-观察玻璃管；5-装样室；6-高度抛光板；7-空气存储器；8-电磁阀；9-粉尘扩散开关；10-调节阀；11-空气压缩机

1.2实验样品

实验所用的铝镁混合粉粒径53～75 μm，纯度≥99%；惰性粉尘BaCO3和SiO2有粒径为38～45，48～53 ，53～75 ，75～150 μm的4种规格，纯度为分析纯。实验前，需要将BaCO3粉尘和SiO2粉尘置于干燥箱中，对其干燥脱水处理，设定的干燥温度为70 ℃，干燥时间为12 h，干燥结束后，迅速将BaCO3和SiO2粉尘分别存放于干燥瓶中。铝镁混合粉一般存放在真空干燥箱中，这样可以避免铝镁混合粉被空气氧化而影响实验结果测试的准确性。

2　实验结果与讨论

2.1最低点燃温度受吹粉压力影响规律

实验选用铝镁混合粉质量浓度分别为0.45，1.36，2.73 kg/m3，粒径范围为53～75 μm。研究装置吹粉压力分别为0.02，0.025，0.03，0.035，0.04，0.045，0.05 MPa时，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度。实验结果如图2所示。

图2　最低点燃温度受吹粉压力影响规律

由图2可得出，在同一浓度和同一粒径条件下，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度随吹粉压力的升高，呈现出先变小后增大的规律，实验还得出，该实验条件下存在一个最佳的吹粉压力；质量浓度为0.45，1.36 kg/m3的铝镁混合粉，其最佳吹粉压力为0.03 MPa，而当质量浓度变成2.73 kg/m3时，最佳吹粉压力则变成0.035 MPa，即高浓度铝镁混合粉的最佳吹粉压力要大于低浓度铝镁混合粉，这是因为当铝镁混合粉浓度增大时，铝镁混合粉颗粒之间的距离相对减小，原子间作用力增强，故需要增大吹粉压力以利于铝镁混合粉在炉体中均匀分散。

吹粉压力过高过低都不利于铝镁混合粉着火燃烧，存在最佳吹粉压力，当吹粉压力低于最佳吹粉压力时，由于吹气系统吹进炉体中的空气量很少，使铝镁混合粉燃烧不完全，同时由于吹粉压力很小，不能使铝镁混合粉在炉体中均匀分布，铝镁混合粉因发生团聚而使其比表面积变小，这也不利于铝镁混合粉和O2及N2反应，反应不完全，降低了反应放出的热量。所以随着吹粉压力变小，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度会增大。

当吹粉压力比最佳吹粉压力大时，气流速度变大，大大缩短了铝镁混合粉在炉体中的停留时间，在一定程度上缩短了粒子与炉体环境及粒子间的换热时间，导致换热不充分，吸收的热量不足，与此同时，会将大量的低温空气带入到反应炉体中，低温空气的进入降低了炉体的温度。所以在高于最佳吹粉压力时，随着吹粉压力的增大，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度会升高[9]。

2.2最低点燃温度受惰性粉尘粒径影响规律

实验的吹粉压力控制在0.03 MPa，铝镁混合粉的质量浓度确定为1.36 kg/m3，惰性粉尘BaCO3和SiO2质量分数为44%不变，研究4种不同粒径38～45，48～53，53～75，75～150 μm的惰性BaCO3和SiO2粉尘对铝镁混合粉尘云最低点燃温度的影响情况，实验结果如图3所示。

图3　最低点燃温度受惰性粉尘粒径影响规律

由图3可得出，当惰性粉尘粒径变小，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度会升高，惰性粉尘粒径越小对铝镁混合粉着火燃烧的抑制效果越好。惰性粉尘的粒径由75～150 μm减小到38～45 μm时，在铝镁混合粉尘云中加入BaCO3时，则混合粉尘云的最低点燃温度会提高22 ℃，而在铝镁混合粉尘云中加入SiO2时，混合粉尘云的最低点燃温度只提高了14 ℃，这说明当惰性粉尘粒径固定时，BaCO3的抑制效果好于SiO2的抑制效果。

微观上，根据分子碰撞反应理论，当镁原子与氧分子碰撞时，能量发生转移，只有当分子能量高于反应活化能时，反应才能发生。惰性粉尘的添加使镁原子与氧分子有效碰撞数降低，降低了反应活性。宏观上，惰性粉尘BaCO3和SiO2的粒径越小，与铝镁混合粉接触的换热面积越大，就越有助于吸收反应释放的热量，继而起到抑制铝镁混合粉着火燃烧的效果。另外一个原因是，在可燃粉尘中添加惰性粉尘，这就使得单位体积中可燃粉尘的浓度变小，使得燃烧反应释放的能量变小。由于惰性粉尘添加量不变，因此，惰性粉尘粒径越小，单位体积中惰性粉尘颗粒越多，导致单位体积中铝镁混合粉相对浓度变小。所以，可以考虑在可燃粉尘中添加微小粒径的惰性粉尘来提高其对可燃粉尘着火燃烧的抑制效果，从而大大降低可燃粉尘因着火燃烧而带来的危害，保证生产加工过程的安全。

2.3低点燃温度受惰性粉尘含量影响规律

选择实验吹粉压力0.035 MPa，铝镁混合粉质量浓度选择1.36 kg/m3，研究向铝镁混合粉中添加不同含量的粒径为53～75 μm的惰性粉尘BaCO3和SiO2，研究铝镁混合粉尘云最低点燃温度受惰性粉尘含量影响规律，实验结果如图4所示。

从图4可得出，当惰性粉尘BaCO3和SiO2在混合粉尘中含量增加时，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度会提高，这也充分表明惰性BaCO3和SiO2粉尘对铝镁混合粉燃烧反应有抑制效果。从图4中还可以得出，含量不同时，BaCO3和SiO2粉尘的抑制效果是不一样的，混合物中惰性粉尘质量分数在53%以下时，BaCO3抑制燃烧反应的效果较好；但当混合物中惰性粉尘质量分数在53%以上时，SiO2抑制燃烧反应的效果较好；当加热温度在630 ℃以上时，BaCO3和SiO2两种惰性粉尘对铝镁混合粉燃烧反应的抑制效果都很差，此时即使再增加BaCO3和SiO2的含量，铝镁混合粉尘云最低点燃温度也不会有很大的变化。

图4　最低点燃温度受惰性粉尘含量影响规律

常温下氮气就可以和镁粉反应，只是该反应速率太慢，达到平衡状态需要的时间非常漫长[10]，因此观察不到氮气与镁粉的反应，只有在高温下才能观察到。根据分子有效碰撞理论，实验中，镁原子先与氧分子发生有效碰撞，激起化学反应，释放的能量传递给氮分子，促使氮分子和镁原子的化学反应。但是由于惰性粉尘BaCO3和SiO2的添加，降低了单位体积中铝镁混合粉的含量，从而降低了氧分子和镁原子的有效碰撞，降低了化学反应的可能性；同时由于惰性粉尘BaCO3和SiO2不参与化学反应，在反应空间中会吸收铝镁混合粉与氧气反应释放出的一部分热量，降低体系的温度，抑制氮气与镁粉的化学反应。

实验结果在指导实际铝镁混合粉工业生产时，考虑到实验环境和现实环境的不同，为保证安全生产，铝镁混合粉实际生产环境中涉及的所有设备的最高表面温度应小于实验条件下铝镁混合粉尘云最低着火温度的2/3，即当铝镁混合粉所处环境温度低于420 ℃时，方可认为安全[11]。

3　结语

(1) 本次实验条件下，当吹粉压力设定在0.02～0.05 MPa范围内时，随着吹粉压力的增大，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度呈现先降低后升高的变化规律，且存在一个最佳吹粉压力值，在此条件下铝镁混合粉尘云的最低点燃温度值最小。实验还发现，高浓度时铝镁混合粉的最佳吹粉压力要比低浓度时铝镁混合粉的最佳吹粉压力高。

(2) 随着惰性粉尘粒径减小，铝镁混合粉尘云的最低点燃温度会增大，惰性粉尘粒径越小，其对铝镁混合粉燃烧反应的抑制效果就越好，此外，粒径对BaCO3抑制效果的影响要略强于对SiO2的影响。

(3) 随着BaCO3和SiO2含量的增加，铝镁混合粉尘云最低点燃温度呈现先升高后趋于稳定的变化趋势。混合物中惰性粉尘质量分数在53%以下时，BaCO3抑制燃烧反应的效果较好；但当混合物中惰性粉尘质量分数在53%以上时，SiO2抑制燃烧反应的效果较好；当加热温度在630 ℃以上时，BaCO3和SiO2两种惰性粉尘对铝镁混合粉燃烧反应的抑制效果都很差。

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Research on the Influence of Inert Dust on Minimum Ignition Temperature of Aluminum and Magnesium Dust Cloud

HU Haiyan1,2HU Lishuang1WU Xue1

(1.CollegeofChemicalEngineeringandEnvironment,NorthUniversityofChinaTaiyuan030051)

In order to evaluate inhibition effect of inert dust to magnesium and aluminum dust, G-G furnace is used to study the influence of diffusing pressure, particle size and content of inert dust BaCO3and SiO2on the minimum ignition temperature (MIT) of magnesium and aluminum dust cloud. Results show that there is optimum diffusing pressure, which is most conducive to magnesium and aluminum dust combustion and the optimum diffusing pressure of high concentration of magnesium and aluminum dust is greater than that of low concentration of magnesium and aluminum dust. The MIT of magnesium and aluminum dust cloud increases with the decrease of the particle size of inert dust and the influence of inhibition effect for BaCO3by the change of size is slightly stronger than that of SiO2. The MIT of magnesium and aluminum dust cloud increases at first and then tends to be stable with the increase of the content of inert dust BaCO3and SiO2, the inhibition effect of BaCO3is stronger than that of SiO2, when the content of inert dust is lower than 53%, but when higher than 53%, the inhibition effect of SiO2is stronger than that of BaCO3. The inhibition effect of BaCO3and SiO2to magnesium and aluminum dust is weaker, when the temperature of furnace body is higher than 630 ℃.

magnesium and aluminum dust cloudminimum ignition temperatureinert dustG-G furnace

中北大学研究生科技基金(20141137)。

胡海燕，男，1975年生，博士，讲师，研究方向为危险化学品评价。

2016-01-19)