分散度对铝粉爆炸敏感性的影响

张江石，刘建华

(中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

铝制品工业加工生产时产生的铝粉颗粒粒度分布不均匀且粒径跨度较大。实验条件下测量单一粒径铝粉样本的爆炸敏感性与实际情况不符，往往难以准确评估爆炸风险[1-3]。探究分散度对铝粉爆炸敏感性的影响并找出一种平均粒径表述方式来评估爆炸发生可能性，能有效降低爆炸风险。在爆炸过程中，小颗粒铝粉燃烧主要受气体扩散控制[4-6]，在粒径分布不均匀的情况下，小粒径铝粉占比不同，分散度对铝粉爆炸敏感性的影响也就不同[7]。即使是少量(质量百分数低于5%)高度易燃的粉尘也能从根本上改变混合物的可燃性[8-9]。Castellanos等[10]提出使用中位粒径D50难以准确描述粉尘粒径对爆炸烈度的影响并测量了D50=15 μm时分散度不同的5种铝粉爆炸烈度参数，结果表明在D50不变情况下，最大爆炸压力和爆炸指数随着粒径多分散性σD的增加而显著增加，对于小粒径铝粉质量分数越大的样本，爆炸越剧烈，因此建议在描述爆炸烈度时采用σD表示平均粒径。Dufaud等[11]认为D10(粒径第10百分位数)的粉尘颗粒决定着铝粉的可爆性，而Sauter平均直径D3,2更能表征粒径对氧化动力学和最大爆炸压力上升速率的影响。Eckhoff[12]认为粉尘爆炸取决于粉尘的比表面积，比表面积越大，爆炸危害性越大。为了进一步探究分散度对铝粉爆炸敏感性的影响，采用标准20 L爆炸球和Hartmann管测定了11组不同分散度样品的最小爆炸浓度(MEC)和最小点火能(MIE)值，后续通过相关性分析确定最佳粒径表述方式。

1 实验样品、装置及方法

1.1 实验样品

本实验所用样品包含7组原始铝粉样品O1～O7和4组混合铝粉样品B1～B4.为了控制变量，设计混合样品分别满足D10(粒径5 μm、10 μm)、D50(粒径20 μm、30 μm)和粒径跨度(PSS)(粒径270 μm、350 μm)3个要素保持大致统一。通过正交实验和函数解算，确定混合样品的配比方案如下：

1) 混合样品B1，样品O1∶样品O3∶样品O4为33∶29∶39；

2) 混合样品B2，样品O1∶样品O3∶样品O5为33∶9∶59；

3) 混合样品B3，样品O1∶样品O3∶样品O5为9∶87∶4；

4) 混合样品B4，样品O2∶样品O3∶样品O4为22∶3∶75.

采用Mastersizer 3000激光粒度分析仪对7组原始样品和4组混合样品的14个粒径参数D10、D20、D30、D40、D50、D60、D70、D80、D90、D3,2、D4,3、σD、PSS、SSA进行分析(D10、D20、D30、D40、D50、D60、D70、D80、D90分别为粒径第10、20、30、40、50、60、70、80、90百分位数；D4,3为体积四次矩平均径；SSA为比表面积)，测量结果如表1所示。

表1 11组铝粉样品粒径分析结果Tab.1 Analyzed results of particle sizes of 11 groups of aluminum powder samples

进行铝粉爆炸实验之前，为控制样品水分，利用干燥箱，将铝粉在温度60 ℃、压力0.09 MPa的真空条件下干燥10 h.

1.2 实验装置及方法

MEC测量实验按照国家标准GB/T 16425—2018[13]规定，本实验采用东北大学工业爆炸防护研究所制造的Siwek 20 L爆炸球进行测定，实验装置如图1所示。

图1 Siwek 20 L爆炸球装置示意图Fig.1 Schematic diagram of Siwek 20 L vessel apparatus

本次实验，MEC测量实验选用5 kJ化学点火头。实验时，将点火头与电极相连接，将铝粉样品加入粉尘储存室，接着打开真空泵将舱体抽真空至-0.05 MPa，再打开气瓶，向储气室通入2 MPa的压缩空气。点击启动开关，铝粉将均匀分布于爆炸球内，60 ms点火延迟之后点火头被点燃，电脑终端自动记录时间和压力，单次爆炸实验完成。为保证实验结果的准确性，设定初始浓度为60 g/m3，浓度梯度为5 g/m3.每个浓度进行3次爆炸实验，测量结果取平均值，直到找到刚刚使粉尘发生爆炸的最小浓度MEC.

MIE测量实验按照国家标准GB/T 16428—1996[14]规定，本实验采用吉林市宏源科学仪器有限公司制造的Hartmann管进行测定，该仪器主要由容积为1.2 L的石英玻璃管主体、控制与数据记录系统、充压与喷尘系统、电火花放电系统4个部分组成，其装置示意如图2所示。

图2 Hartmann管装置示意图Fig.2 Schematic diagram of Hartmann tube apparatus

在点火瞬间，为了使待测铝粉样品能够在石英玻璃管内均匀分布且不被喷出，提前通过喷粉实验确定了电极间距为6 mm，喷粉压力为100 kPa，点火延迟时间为150 ms.查阅文献发现铝粉MIE值随着浓度的增高呈现先降低、后增高再趋于稳定的趋势，铝粉MIE值主要落在粉尘质量900～1 200 mg之间[15]。因此在设计实验时，分别测量铝粉质量为0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.3 g、1.6 g、2.0 g时的MIE.实验时，称取一定质量的铝粉样本，均匀地放置在粉尘扩散器周围，安装好石英玻璃管道，安装电极并调整电极间距，设置初始点火能量10 mJ、能量梯度为1 mJ或2 mJ、喷粉压力、点火延迟时间。点击开始测试，肉眼观察点火情况，并记录。重复上述操作，如果在10次点火实验中有一次成功，则降低电火花能量；若连续10次点火均未点燃，则增加电火花能量，直至找到铝粉连续10次点火不成功的最大电火花能量和至少有一次点火成功时的电火花能量，即MIE值。

2 实验结果及分析

2.1 分散度对铝粉最小爆炸浓度的影响

使用20 L爆炸球测量MEC时，一般根据舱体内压力变化判断粉尘云是否被点燃，即由(1)式计算PR值，PR为压比。美国材料与试验协会标准ASTM E1515—14[16]规定，当PR≥2.0时，则认为铝粉发生爆炸，即由粉尘着火引起的压力增量大于0.10 MPa时点火成功。

PR=(pe-Δpi)/ps，

(1)

式中：pe为在一次爆燃过程中气压达到的最大压力值(绝对压强)(MPa)；Δpi为在舱体内由于点火头自身引起的气压增量(MPa)；ps为启动点火时刻的绝对压强(MPa)。

铝粉原始样品(O1～O7)的最小爆炸浓度测量结果如图3所示。

图3 铝粉原始样本的MECFig.3 MEC measurements of original aluminum powder samples

如图3所示，总的来说，随着粒径增大，最小爆炸浓度逐渐增大。但O1的MEC测量值反而比O2的要大，这说明O1～O7粒径范围内包含铝粉的特征粒径[11,17]，当铝粉的粒径小于该值时，随着粒径的减小，敏感性反而降低。这是因为，当粉尘的粒径过小，铝粉颗粒间的静电力会使得铝粉团聚，改变原有尺寸并影响均匀扩散。还有研究表明，粉尘颗粒的团聚会改变颗粒的着火模式[18]。图3中O2处出现了拐点，由此推断本实验样本的特征粒径约为10 μm.当铝粉粒径大于10 μm后，MEC测量值随着粒径的增大快速增长。

实验测得样品B1的MEC区间为50～55 g/m3，B2的MEC区间为55～60 g/m3，B3的MEC区间为60～65 g/m3，B4的MEC区间为65～70 g/m3.这4组混合样本的MEC都在原始样本的MEC值范围内，且基本与O1～O3的MEC值相似。样本B2(O5占59%)和B3(O5占4%)均混有样本O5，但两个混合样本的MEC值(分别为55～60 g/m3，60～65 g/m3)远小于O5的MEC值(165～170 g/m3)。因此这些混合铝粉样本中小粒径的铝粉起到了新点火源的作用，降低了粒径跨度较大的粉尘云MEC值，提高了铝粉爆炸敏感性。由此可见，这些小粒径铝粉更容易被热辐射预热形成热解区域，更容易被点燃，因此混合样本中的小粒径粉尘组分容易率先被点火源点燃，然后作为新的点火源继续传递下去[19]。

2.2 分散度对铝粉最小点火能的影响

在探究分散度对铝粉最小点火能影响的实验过程中用高速摄像机记录了铝粉在Hartmann管中的爆炸过程。Hartmann管是一个透明的石英玻璃管道，因此直接观察实验过程中是否产生明显的火焰即可判断铝粉粉尘云是否被点燃。如图4为样本O4(质量1.30 g，点火能量5 mJ)在Hartmann管道内的点火过程。

由图4所示：图4(a)为粉尘云在Hartmann管道内的分散过程；图4(b)中形成了较大火焰光斑，说明释放的电火花已经点燃了周围的铝粉颗粒。原始样本O1～O6的最小点火能量测量结果如图5所示。

图4 样本O4在Hartmann管中点燃的火焰传播过程Fig.4 Flame propagation process of ignited aluminum dust powder sample O4 in Hartmann tube

图5 原始铝粉样本MIE测试结果Fig.5 MIE measured results of original aluminum powder samples

样本O1、O6的MIE随着铝粉浓度的增加而减少；而对于O3、O4、O5这3个样本，当铝粉浓度达到一定值时，MIE随着铝粉浓度的增加逐渐增大。铝粉粒径分布状况不同，MIE值也不相同。样本O3～O6分别在1.0 g、1.3 g、1.3 g、2.5 g的质量下取到MIE值，分别为2～3 mJ、4～6 mJ、15～20 mJ、20～30 mJ.对于小粒径粉尘而言，当粉尘浓度较低时，铝粉颗粒间距较大，火焰难以传播[20]。因此原始样本的MIE值随着粒径的减小或浓度的增大而减小。

混合样本B1～B4的MIE测量结果如图6所示。

如图6所示，4个混合样本的MIE值基本呈现随着铝粉浓度的增加先降低、后趋于平稳的变化趋势。其中B1～B3的MIE值小于1 mJ，B4的MIE值为1～2 mJ，也相对较小，这说明了混合样本中小粒径铝粉在粉尘云被点燃时起到了关键作用。

图6 混合铝粉样本MIE测试结果Fig.6 MIE measured results of blended aluminum powder samples

2.3 分散度与铝粉爆炸敏感参数相关性分析

铝粉爆炸的敏感性参数对应关键粒径组分不同，仅采用D50来描述铝粉粒径分布情况、恒量爆炸风险不够准确，并且不同的敏感性参数选用的粒径参数也应有所区别。为了分析14种粒径参数哪一个更适合评价该分散度下铝粉爆炸敏感性，用数据分析软件RStudio对粒径参数、MEC、MIE进行了皮尔逊相关性分析。分析结果如图7所示。

图7 皮尔逊相关性分析Fig.7 Pearson correlation analysis

整体上，粒径参数与MEC的相关性要比粒径参数与MIE的相关性要大，说明对于MIE而言，粒径参数的变化更有可能引起MEC的改变。如图7所示：SSA与爆炸敏感性参数呈负相关关系，即SSA越大，铝粉越容易发生爆炸；其余粒径参数与爆炸敏感性参数均呈正相关，即这些参数越大，铝粉爆炸敏感性越弱。对于粒径百分数而言，在D10～D90这9个参数中，与MEC的简单相关系数最大的前3个粒径百分位数依次为D30、D40和D20，与MIE的简单相关系数最大的前3个粒径百分位数依次为D40、D50和D60.从总体来看，D3,2与D40对MEC和MIE的影响最大(简单相关系数分别为0.962 7和0.746 0，0.947 9和0.741 1)，因此是较为合适的粒径分布表示方式。

为了剔除了一些不重要的粒径参数变量，选用了逐步回归法进行选元处理。分析结果如表2所示，通过对异方差、异常值和强影响点3个方面的分析，并未发现有严重异方差、异常值和强影响点。对于9个粒径百分数而言，除了D10、D60、D90之外，其余6个参数与MIE值的相关性均具有统计学意义(P<0.05，P值为统计学中衡量结果可信程度的指标)；而其他的粒径表示方式中，仅有D3,2与MIE值的相关性具有统计学意义(P<0.05)。

表2 逐步回归选元后粒径参数与MIE值T检验的P值Tab.2 P-values of T-test for particle size parameters and MIE values after selecting element by stepwise regression method

总的来说，D3,2与D40与MEC和MIE相关性较高，因此用来描述铝粉爆炸敏感性较为合适。这与Dufaud等[11]实验得出的D10粒径的粉尘在影响铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率中起到了关键作用，建议采用D10和D3,2描述铝粉粒径分布情况这一结果有所不同。因此不同爆炸参数的关键粒径组分是不同的，在研究不同爆炸参数时应注意关注不同的粒径分布参数。σD和PSS等参数与MEC和MIE值的相关系数较低，因此不推荐作为恒量铝粉爆炸敏感性的参数。

3 结论

1) 对于粒径较为单一的原始铝粉样本，粉尘云的爆炸敏感性随着粒径的增大而增加。当铝粉粒径较小时，粒径变化对MEC和MIE的影响相对较小。

2) 粒径范围大的混合铝粉样本中，粉尘云中小粒径铝粉浓度达到一定值时，这部分颗粒能率先被较小的点火能量点燃，进而作为一个新的点火源引燃整片粉尘云，使得MEC和MIE测量值均降低。因此，小粒径铝粉极大地增加粉尘云的爆炸敏感性。

3) 从皮尔逊相关性分析结果来看，小粒径铝粉颗粒对MEC值影响较大，中粒径铝粉颗粒对MIE值影响较大。总的来说，D3,2、D40与MEC和MIE的相关系数最大(相关系数分别为0.962 7和0.746 0，0.947 9和0.741 1)，能够很好地描述铝粉爆炸敏感性，而σD、PSS与MEC和MIE值的相关系数均较低，因此不推荐作为恒量铝粉爆炸敏感性的参数。

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