锰金属粉尘最小点火能量实验研究

邓越洋

摘要：为了研究锰金属粉尘的最小点火能， 在实验室湿度为40～60%、温度为20～32℃的条件下，以粒径范围1.13～138um的锰粉为研究对象，利用1.2L哈特曼实验装置对锰粉进行最小点火能实验。结果表明：在设定锰粉质量为0.6g，喷涂压力为100kPa时，进行不同点火延迟时间对锰粉尘云最小点火能影响实验，锰粉尘云的最小点火能随着点火延迟时间的增加呈现先降低后增大的趋势;在设定质量浓度为0.836g/L及点火延迟时间为100ms时，进行不同喷涂压力对锰粉尘云最小点火能影响实验，锰粉尘云的最小点火能随着喷涂压力的增加呈现先降低后增大的趋势，400kPa为锰粉尘云的最佳分散压力值;进行不同质量浓度的锰粉对锰粉尘云最小点火能影响实验，设定喷涂压力300kPa及点火延迟时间100ms时，锰粉尘云的最小点火能随着粉尘质量浓度的增加呈现先降低后增大的趋势，锰粉云燃烧爆炸的最敏感浓度在1～1.25g/L之间。

关键词：锰粉;最小点火能;最佳分散压力;最敏感浓度

Abstract： In order to study the minimum ignition energy of manganese metal dust， under the condition of laboratory humidity of 40～60% and temperature of 20～32℃， 1.2L Hartmann experiment device is used to conduct the minimum ignition energy experiment of manganese powder with particle size range of 1.13～138um as the research object. The results show that when the mass of manganese powder is set at 0.6g and the spraying pressure is 100kPa， the influence of different ignition delay times on the minimum ignition energy of manganese dust cloud is tested. The minimum ignition energy of manganese dust cloud decreases first and then increases with the increase of ignition delay time. When the mass concentration is set at 0.836g/L and the ignition delay time is set at 100ms， the influence of different spraying pressures on the minimum ignition energy of manganese dust cloud is tested. The minimum ignition energy of manganese dust cloud first decreases and then increases with the increase of spraying pressure. 400kPa is the best dispersion pressure value for manganese dust cloud. When spraying pressure is set at 300kPa and ignition delay time is set at 100ms， the minimum ignition energy of manganese dust cloud decreases first and then increases with the increase of dust mass concentration. The most sensitive concentration of manganese dust cloud combustion explosion is between 1g/L and 1.25g/L.

0  引言

錳粉是重要的、必不可少的工业原材料，被广泛地应用在医药、不锈钢冶炼等领域。在锰粉的生产经营的过程可能会产生锰金属粉尘云，一旦与合适的能量接触，很有可能发火灾爆炸，最小点火能是指能够引起粉尘云燃烧或爆炸的最小火花能量，是判断粉尘形成粉尘云危险性的参数指标。在一些特殊条件下，无论是非金属粉尘或金属粉尘在一定能量的作用下，可能就成很严重的后果，如昆山市中荣的铝金属粉尘及骊骅淀粉企业的爆炸事件。国内外的学者对金属粉尘最小点火能进行了相应的研究，文献[1-2]研究了点火能的敏感程度范及主要影响因素;文献[3-7] 研究了不同粉尘爆炸测试装置对最小点火能及不同的对象之间点火能的特征及影响规律;李恩科等[8]对粮食粉尘的爆炸过程、特点及爆炸条件进行了分析，并提出了相应的控制措施。在前人的研究基础上对锰粉尘的点火能进行实验研究，以图对锰金属粉尘的加工、储存、运输过程中可能发生爆炸事故的预防提供有参考意义实验数值。

1  实验

1.1 实验装置、方法

1.1.1 粉尘云最小点火能试验装置

实验采用装置为1.2L哈特曼管装置实验设备如图1所示。

1.1.2 供气设备

实验所用的供气设备采用直连式空气压缩机如图2所示。设备为实验提供压缩空气。

1.1.3 实验原理及方法

最小点火能实验方法是选定的点火能点燃锰粉若火焰离开火花位置传播大于60mm则认为着火，然后用减半的逐步逼近法降低点火能直到连续10次未点火的点火能E1和连续10次着火的点火能E2。锰粉的最小点火能Emin介于E1和E2之间。

1.1.4 实验操作步骤

①样品的选取。用电子秤称量实验需要用到的锰粉，因为不知大概多少，所以随机选取样品质量，但必须保证设备安全，于是选取3.6g质量做一次实验。开启空压机，准备好喷涂所需要的气源。

②将之前称好的锰粉用药勺将其放入装载粉尘的圆筒扩散器的边缘并将其缝隙密封。

③安装哈特曼管于底座上，并调整好电极的间距和位置，保证电极在管中的位置满足实验要求。

④启动电源，设定喷涂压力为200kPa，锰粉的最小点火能设置80mJ，点火延迟时间100ms进行一次实验，观察实验有无着火现象。

⑤第一次实验并未着火，于是增大喷涂压力，设置喷涂压力为300kPa，控制其他参数不变，然后重复操作，实验最终确定0.6g锰粉质量为最佳的实验质量，反应现象明显，反应的烟雾小，产物易于清理，数据方便计算。

⑥如果实验没着火，则每次增大点火能20mJ直到着火及连续10次实验均出现着火。

⑦如果着火，则逐渐降低点火能，每次降10mJ，找到连续10次实验均不着火时对应的能量。

⑧E1（连续10次实验均未着火的最大点火能）和E2（连续10次实验均着火的最小点火能）之间的值为最小点火能Emin，即E1

⑨重复②～⑥的实验操作步骤，并且改变点火延迟时间，点火延迟时间分别设定为为20ms、50ms、80ms、110ms、140ms、170ms测定该粒径锰粉相对应条下的最小点火能。

⑩重复②～⑥的实验操作步骤，设定点火延迟时间为100ms，锰粉质量为0.6g，改变喷涂压力，喷涂压力分别设定为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa时测定该粒径锰粉相对应条件下的最小点火能。

{11}重复②～⑥的实验操作步骤，设定喷涂压力为300kPa，点火延迟时间为100ms，改变粉尘的质量浓度，称取锰粉质量分别为0.30g、0.60g、0.90g、1.20g、1.50g、1.80g对应1.2L哈特曼管的浓度分别为0.250g/L、0.500g/L、0.750g/L、1.000g/L、1.500g/L。测定该粒径锰粉相对应条件下的最小點火能。

1.2 实验样品与环境条件

锰粉实验样品，购买于山东省锰粉零售商，锰粉纯度99%，粒径范围为1.13～186um，在实验室湿度为40～60%、温度为20～32℃的情况下进行试验，锰粉在实验前进烘箱60℃干燥24h。

2  结果与分析

2.1 点火延迟时间对锰粉最小点火能的影响

在实验过程中，设定锰粉质量恒定为0.6g，喷涂压力恒定为100kPa，分别设定点火延迟时间对锰粉最小点火能的影响，点火延迟时间分别设定为20ms、50ms、80ms、110ms、140ms、170ms，实验结果如表1所示。

将表1绘制直线图方便观察它们之间的关系。如图5所示。

由图5趋势图可知在同等条件下，随点火延迟时间的增大，锰粉的最小点火能先减少再增大，但是变化的幅度基本不大。在20～170ms点火延迟时间内，锰粉的最小点火能呈现逐渐增大的趋势，但是波动的幅度基本在70mJ和85J之间，只要锰粉最小点火能大于85mJ，在100kPa喷涂压力和0.6g质量的前提之下，锰粉都会成功着火。

2.2 喷涂压力对锰粉最小点火能的影响

在实验过程中，分别采用不同的喷涂压力研究对锰粉最小点火能的影响，喷涂压力分别设定为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，固定锰粉的质量浓度为0.836g/L，即1.00g质量的锰粉，及点火延迟时间为100ms。实验结果如表2所示。

由图6可知在同等的条件下，锰粉的最小点火能随着点火延迟时间先减小后增大，但是变化的幅度不是很大，在分散压力为100kPa时，锰粉尘云的最小点火能最大，最大为82.1J，在以100kPa增加的基础上，锰粉尘云的最小点火能开始逐渐递减，当喷涂压力为400Pa时，锰粉尘云的最小点火能最低，数值为47.5mJ左右。当分散压力达到500kPa时最小点火能又开始升高，数值为57.5mJ。由此可见，400kPa为锰粉尘云的最佳分散压力值。

由此可知，400kPa是锰粉尘云的最佳分散压力值，此时的粉尘分布相对均匀，密度最大，所需的点火能最小。粉尘依靠压缩空气扩散形成粉尘云，哈特曼管中的粉尘云浓度的性成分与喷涂压力具有一定的联系。当喷涂压力小于400kPa时，粉尘云的湍流度随着喷涂压力的增加而提高，粉尘扩散越均匀，分布在电极周围的粉尘云浓度越来越大，所以粉尘云更容易被点燃，即所需点火能不断降低。当喷涂压力大于400kPa时，粉尘云的湍流度随着喷涂压力的增加而增加，锰粉颗粒流快速地将一部分能量带离粉尘云燃烧区域电极，减少燃烧的热量，同时由于风速大就成锰粉颗粒距离增大，火焰、能量传播难度加大，导致锰粉点火能增加。

2.3 质量浓度对锰粉最小点火能的影响

实验中，设定喷涂压力为300kPa，点火延迟时间为100ms，粉尘质量浓度分别设定为0.250g/L、0.500g/L、0.750g/L、1.000g/L、1.250g/L、1.500g/L对粉进行实验，实验结果如图7所示。

由图7可知，在设定的条件下，锰粉的敏感浓度介于1～1.25g/L之间，即1.2～1.5g锰粉之间。在锰粉的浓度为0.25g/L时反应现象不太明显，反应所需的最小点火能最高，甚至达到123mJ左右，由此可推测原因是管内形成的粉尘云太小，点火能量过低不足以使粉尘云点燃发生爆炸，而当粉尘浓度达到1g/L时，粉尘云在管内刚好达到饱和，此时，粉尘云所需要的能量相应降低，但随着粉尘质量增加，1.2L管内质量达到过余，粉尘过多对粉尘的最小点能的影响也越来越小，最小点火能趋于一个恒定的常数。

3  结论

在实验室湿度为40～60%、温度为20～32℃，粒径范围为1.13～138um的条件下，利用1.2L哈特曼实验装置对锰粉进行最小点火能实验，结论如下：

①在设定锰粉质量恒定为0.6g，喷涂压力为100kPa的前提下，在进行不同点火延迟时间对锰粉尘云最小点火能实验中，锰粉尘云的最小点火能随着点火延迟时间的增加呈现先降低后增大的趋势;

②在设定质量浓度为0.836g/L及点火延迟时间为100ms的前提下，在进行不同喷涂压力对锰粉尘云最小点火能实验中，锰粉尘云的最小点火能随着喷涂压力的增加呈现先降低后增大的趋势，400kPa为锰粉尘云的最佳分散压力值;

③在进行不同质量浓度的锰粉对锰粉尘云最小点火能实验中，在设定喷涂压力300kPa及点火延迟时间100ms的前提下，锰粉尘云的最小点火能随着粉尘质量浓度的增加呈现先降低后增大的趋势，根据实验数据，锰粉云燃烧爆炸的最敏感浓度在1～1.25g/L之间。

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