浓度对微米级铝粉爆炸压力的影响

冯 倩

(苏交安江苏安全技术咨询有限公司，南京 210000)

可燃气体爆炸和粉尘爆炸是常见的2种工业爆炸灾害形式，爆炸过程涉及均相反应、两相反应等化学变化和能量传递、气化等物理变化[1-3]。铝是重要的工业原料，在生产、运输和使用过程中可能发生爆炸。铝粉尘爆炸作为常见的事故类型，引起了国内外学者的高度重视，围绕铝粉燃烧机理、爆炸机理和爆炸特征参数进行了广泛研究，得到了许多研究成果。范宝春等[1-3]对铝粉的燃烧机理，做出了一系列研究。由于铝粉爆炸过程复杂，对于其爆炸机理的研究未形成统一的体系。在铝粉爆炸特征参数方面，郑大高等[4-6]围绕着最低着火温度、点火能、爆炸极限、爆炸压力等开展了一系列研究。

可燃性气体的最小点火能通常比可燃性粉尘的最小点火能小，气体燃烧和爆炸引发粉尘爆炸的剧烈程度往往要大于单纯的粉尘爆炸。如果与铝相关的作业环境中发生可燃气体爆炸，会对可燃性粉尘爆炸产生协同效应[7]，粉尘爆炸的难易程度会大大降低，爆炸强度会大大增强[8-11]。研究可燃性气体爆炸引发不同浓度的铝粉爆炸的压力变化规律具有一定的工业意义。

1 实验装置

水平管道式爆炸实验系统包括管道系统、配气系统、数据采集系统、喷粉系统、点火系统5个子系统(见图1)。

本次爆炸实验使用左端封闭右端开口的钢制圆形管道，钢管内径为180 mm，管道总长20 m，可承受的最大内压为20 MPa。管道系统分为3个部分，管段Ⅰ长6.5 m，填充9.5%的甲烷预混气体。管段Ⅱ长0.5 m，外接喷粉系统，吹粉压力0.4 MPa。管段Ⅲ长11 m，右端开口对接泄爆罐。在管段Ⅰ和管段Ⅱ、管段Ⅱ和管段Ⅲ之间分别用薄膜隔开。试验时，封闭端[12]的点火系统引爆管段Ⅰ中的甲烷，产生的冲击波和火焰冲破膜片点燃管段Ⅱ中的悬浮铝粉，引发二次爆炸。两相爆炸产生的冲击波冲破第2层膜片进入管段Ⅲ，随后传播至泄爆罐。

在管道上表面轴线上布置有安装孔，用于安装压力传感器、阀门、真空表等设施。管段Ⅰ布置T1传感器，管段Ⅱ布置T2传感器，管段Ⅲ布置T3～T8传感器。距离管道封闭段的长度表示测点位置，各个传感器的位置如表1所示。

表1 压力传感器的布置

2 甲烷爆炸与铝粉爆炸对比分析

实验设计甲烷爆炸作为铝粉爆炸的点火方式，为了确认铝粉尘被甲烷爆炸的冲击波和火焰引燃发生爆炸，对单独使用甲烷作为爆炸物和使用甲烷、铝粉作为爆炸物进行对比实验。

2.1 甲烷爆炸压力分析

当只在管段Ⅰ内填充9.5%的甲烷时，某次试验得到T1～T8测点压力随时间的变化如图2所示。

试验管道左端封闭，管身狭长，密闭程度高。从图2中可以看出，每个压力测点除了接收到前驱冲击波和燃烧波的压力信号外，还会接收到明显的反射波和若干震荡波信号。在每个波形结构的后端会短暂出现大小程度不同的负压，T8处的负压区最为明显。主要是由于接近管道开口端，气体膨胀所致[13]。

根据管道内是否发生爆炸，将管道分为燃烧段和非燃烧段。实验时，最左端甲烷被点火源引燃，爆炸产生的冲击波和燃烧波沿管道向右端传播。爆炸传播到甲烷填充区末端即6.25 m处，峰值压力上升到0.467 MPa。根据两波三区结构[14]，爆炸产生的前驱冲击波在前，火焰锋面在后。冲击波传播至6.5 m处时，压力远远超过塑料薄膜能承受的最大压力，塑料薄膜遭到破坏。未燃烧的可燃气体在冲击波的推动下向前运动。从T1点到T2点，燃烧供能大于能量损失，燃烧仍旧处于加速阶段，冲击波强度依旧在增大，峰值压力上升到0.55 MPa。从线形趋势可以判断，T2点到T3点之间仍属于燃烧段，但是甲烷浓度减小，能量供应减少的同时还要抵抗粗糙壁面的阻碍作用和热量散失，压力上升速率减小，压力上升至0.637 MPa。7.25 m以后，参与爆炸的甲烷量越来越少直至消耗完全，逐渐进入非燃烧段[15]。冲击波失去能量供应，能量随着传播距离的增长损失越多，压力峰值衰减。

2.2 铝粉爆炸压力分析

在管段Ⅰ内填充9.5%的甲烷，在管段Ⅱ中填充浓度为400 g/m3、平均粒径6 μm的铝粉尘，某次实验得到铝粉爆炸时T1～T8测点压力随时间的变化如图3所示。

对比图2和图3可以发现，图2c、图2d波形图只有1个爆炸波峰，图3c、图3d铝粉爆炸比甲烷爆炸多了1个持续时间较短但是压力明显跃升的爆炸波，即在T3、T4点发生过二次爆炸，使波形图呈现多个爆炸峰值。取3次铝粉、甲烷爆炸实验各压力测点峰值压力的平均值，得到甲烷和铝粉爆炸的P-L曲线如图4所示。

从图4可以看出，铝粉爆炸的峰值压力沿水平直管向前传播的变化趋势和甲烷爆炸压力传播规律相似，都是随传播距离增大其峰值压力呈先增大后减小的趋势。甲烷爆炸的峰值压力为0.637 MPa，铝粉爆炸的峰值压力为2.613 MPa，出现约4倍的增长。两组爆炸试验均在T3点取得峰值压力的最大值。

综上，甲烷爆炸引燃了铝粉云并使其发生了二次爆炸，大大增强了爆炸的冲击力。受条件限制，管段Ⅱ中填充的铝粉量是有限的。实际工况下，生产场所的粉尘量会更多，由一次爆炸引发的粉尘二次爆炸持续时间会更长，压力会更大，甚至可能会引发多次爆炸。

3 浓度对铝粉爆炸的影响

选择平均粒径分别为6、12、18、24、30 μm的铝粉颗粒，研究铝粉云的浓度对爆炸压力的影响，实验使用的质量浓度范围为200～600 g/m3，以100 g/m3为梯度依次递增。每组实验重复进行5次，选取实验结果最优3组求取平均值，得到T3点的峰值压力P3随粉尘云浓度c的变化如图5所示。

由图5可知，不同粒径的铝粉尘发生爆炸，浓度对P3的影响规律一致，P3-c曲线呈类抛物线型。当c=200 g/m3时，5种粒径粉尘云的P3值接近；随着浓度增大，P3逐渐增大；当浓度超过500 g/m3时，P3出现减小的趋势。每种粒径的铝粉浓度在500 g/m3时，取得P3的最大值，我们称这个浓度为最佳爆炸浓度。

忽略空气中的水分和铝粉发生的支链反应，铝粉爆炸的单步化学反应方程式如下所示：

4Al+3(O2+3.76N2)=2Al2O3+11N2+O2

(1)

能维持铝粉颗粒和空气中的氧气完全反应的铝粉浓度称为爆炸当量浓度。空气中的氧含量是一定的，根据式(1)，计算得到铝粉尘的爆炸当量浓度337.5 g/m3。实验后，管壁上附着有未完全反应的铝粉尘，因此这里的最佳爆炸浓度大于爆炸当量浓度。

当浓度小于500 g/m3时，参与反应的铝粉粒子数量较少，容器中的氧气能支撑燃烧反应进行，此时实际反应的粉尘云浓度小于爆炸当量浓度。随着浓度增大，参与反应的粒子数量开始增加，爆炸强度增大。当浓度等于500 g/m3时，容器中的氧气能支撑燃烧的粒子数达到最大，此时实际反应的粉尘云浓度等于或接近爆炸当量浓度，爆炸强度达到极限。当浓度大于500 g/m3时，容器中的氧气不足以支撑燃烧反应进行，缺氧状态下未参与爆炸的铝粉也增多，未燃铝粉会吸收燃烧产生的热量，爆炸强度减弱，P3开始减小。

4 结论

1)在圆形水平管道中，甲烷浓度和体积相同条件下，400 g/m3、粒径6 μm的铝粉爆炸的峰值压力是甲烷爆炸的的4倍。气体爆炸的火焰和压力引发粉尘“二次爆炸”甚至“多次爆炸”，加剧了爆炸的剧烈程度。

2)颗粒大小相同的球型铝粉爆炸，随粉尘云浓度的增大，峰值压力呈现先增大后减小的趋势。

3)实验条件下铝粉未发生完全爆炸，最佳质量浓度均为500 g/m3，大于爆炸当量浓度337.5 g/m3。