环境湿度对铝粉爆炸特性参数影响的实验研究

第34卷第8期2013年8月

兵

ACTA ARMAMENTARII

工学报

Vol. 34No. 8Aug.

2013

环境湿度对铝粉爆炸特性参数影响的实验研究

(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京100081; 2. 西南科技大学环境与资源学院, 四川绵阳621010)

谭汝媚1, 2, 张奇1

　 　 摘要:为全面评估铝粉爆炸的危险性, 在爆炸罐内进行了环境湿度对铝粉爆炸影响的实验研

究㊂ 分别得到了33%㊁ 60%和90%相对湿度下铝粉爆炸的最大爆炸压力和最大压力上升速率值㊂ 结果表明:环境湿度对铝粉爆炸有显著的影响作用, 而这种作用与浓度有关㊂ 当铝粉浓度较低时,

随着环境湿度的增加, 最大爆炸压力和最大压力上升速率值先增加后减小; 而浓度较高时, 最大爆炸压力和最大压力上升速率值则随着环境湿度的增加而明显增加㊂ 同时通过对实验数据的非线性拟合, 得到了3种环境湿度下最大爆炸压力和铝粉浓度之间的DoseResp 函数关系㊂ 该研究可作为铝粉爆炸危险性评估的参考㊂ 　 　 中图分类号:TQ560. 72

　 　 关键词:爆炸力学; 爆炸参数; 压力测试; 铝粉; 环境湿度　 　 DOI :10. 3969/j. issn. 1000⁃1093. 2013. 08. 007

文献标志码:A

文章编号:1000⁃1093(2013)08⁃0965⁃05

Experimental Research of the Effect of Ambient Humidity on the

Explosion Characteristic Parameters of Aluminum Powder

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;

2. School of Environmental Resources and Engineering, Southwest University of Science and Technology,

Mianyang 621010, Sichuan, China)

TAN Ru⁃mei 1,2, ZHANG Qi 1

Abstract :In order to assess the explosion risk of aluminum powder comprehensively, the influence of hu⁃

midity on aluminum powder explosion is studied in a explosion tank. The maximum explosion pressure

and the maximum pressure rise rate of aluminum powder explosion were obtained at the relative humidities the probability of aluminum powder explosion, and the effect is related with dust concentration. When the maximum explosion pressure and the maximum pressure rise rate are significantly increased with the DoseResp function between the maximum explosion pressure and aluminum powder concentration at dif⁃ ferent ambient humidity is obtained. midity

dust concentration is lower, with the increase in ambient humidity, the maximum explosion pressure and increase of the ambient humidity. Meanwhile, based on the nonlinear fitting of experimental data, the Key words :explosion mechanics; explosion parameter; pressure test; aluminum powder; ambient hu⁃

of 33%, 60%and 90%, respectively. It is shown that the relative humidity usually distinctively affects the maximum pressure rise rate first increase and then decrease; but when dust concentration is higher,

　 　 收稿日期:2013-03-11

基金项目:国家自然科学基金项目(11072035)

张奇(1756 ),男, 教授, 博士生导师㊂ E⁃mail:qzhang@ bit. edu. cn

作者简介:谭汝媚(1976 ),女, 讲师, 博士研究生㊂ E⁃mail:yiran76@ 163. com;

966

兵　 工　 0　 引言

空气湿度是粉尘爆炸的一个重要影响因

素[1-2]艺简单㊂ , 因此增加空气湿度成为一种最为经济而有

由于获取水蒸气的方法多, 成本低, 而且工效的预防措施㊂

然而许多学者认为粉尘爆炸与湿度的关系还应有更深层次的反应机理㊂ Laurent [3]认为既然湿度可以通过粉尘的集聚㊁ 热沉降㊁ 惰化或阻碍颗粒表面和氧接触来影响粉尘爆炸的点火和爆炸进程, 那同样也可以对粉尘爆炸起到促进作用㊂ Otsuka 等[4]指出, 谷物受潮以及金属粉末与水发生氧化还原反应时都会产生可燃气体㊂ 这些研究成果进一步验证了水对粉尘爆炸所具有的双重性㊂

虽然已经认识到空气湿度的两面性, 但绝大多数涉及粉尘爆炸的标准和规程都忽略了湿度的影响㊂ IEC 1241⁃2⁃1 (MIT) 和IEC 1241⁃2⁃2 (MIE) 只是要求注意检查环境湿度并做好相应记录[5-6]于金属粉尘爆炸的实验数据在文献[7-16]中都可㊂ 关以看到, 但考虑湿度影响的却只有极少数㊂ Traoré 3等[17]储在有固定湿度的容器内种有机物质粉末的爆炸性和Dufaud 等[18]研究了两种湿度情况下铝粉和, 直到达到吸附平衡:一种是事先将粉尘存, 然后在干燥的密闭空间内起爆; 另一种是将干燥的粉尘分散到有湿度控制的容器内进行爆炸㊂ 结果发现只有铝粉爆炸反映了湿度作用的双重性, 即第一种情况时湿度增加了爆炸的严重度, 而后一种情况则抑制了爆炸的发生㊂ 在工业实际中, 铝粉爆炸并不仅仅是在上面两种情况下发生, 也可能是达到吸附平衡的铝粉在高湿度环境中的爆炸㊂ 为了能正确评估铝粉爆炸的危险性, 需要提供更全面的铝粉在高湿度环境下爆炸的实验数据㊂ 因此, 本文采用地下室天然湿度环境, 在5L 爆炸容器内测得常态下存储的铝粉在环境湿度分别为33%㊁60 %和90%时的最大爆炸压力和最大压力上升速率㊂

1　 实验

1. 1　 实验装置

粉尘爆炸实验在5L 的圆柱形容器中进行, 容器高160mm, 内径199mm .

3部分组成测试系统主要由控制系统, ㊁ 采集系统㊁ 喷粉系统

控制电路, 主要控制系统进气如图1所示㊂ 控制系统是基于㊁ 触发采样㊁ 开阀喷粉PLC 的和点火, 整个实验过程在不到1s 内全部完成㊂ 采

学　 报

第34卷

集系统, 由Kistler 压力传感器㊁ 电荷放大器㊁ 采集卡和瞬态爆炸参数测试软件组成㊂ 爆炸过程通过压力1传感器进行监测MHz 的采样频率记录压力信号, 数据采集系统由控制单元触发, 所有的实验结果, 以

都被保存到数据采集卡上㊂ 通过瞬态爆炸参数测试软件可直接得到实验的压力曲线㊂ 喷粉系统将铝粉在0. 6MPa 的压缩空气驱动下通过蘑菇形喷头喷入罐体, 经过一定时间的延迟, 点火触发爆炸㊂ 系统点

火采用中心点火方式, 点火装置是常规的电容储能14放电μF , 点火能量为和180022. 68J, 放电电容和电压分别为

0. 5mm, 电极间距V . 3点火电极为钨电极mm .

, 曲率半径图1　 粉尘爆炸实验装置

1. 　

Fig. 1　 Dust explosion experimental device

2　 实验原料

实验选用铝粉作为实验原料, 样品结构通过电镜扫描(SEM) 图进行了分析,SEM 图像如图2所示, 图片的右下角是50μm 的尺标, 从图中可以看到1. 铝粉为片状结构5~2μm , 平均粒径约为10~16μm, 厚度

经干燥, 也没有增加任何分散剂

. 铝粉在常温常压下密闭保存㊂

, 实验前未图2　 片状铝粉的电子显微镜扫描图像

Fig. 2　 Scanning 　

of the flake electron aluminum

microscope image

1. 3　 实验条件

环境湿度采用地下实验室的天然湿度环境, 不同的季节地下室具有不同的湿度条件而且湿度环境

　 第8期环境湿度对铝粉爆炸特性参数影响的实验研究967

保持稳定, 一年之中相对湿度可在20%~90%之间变化㊂ 实验时铝粉密封保存, 只在称量和加粉时与空气接触㊂ 每次爆炸实验结束都要用压缩空气对爆炸容器进行吹扫, 这样既可以减小罐内的残留物对下次实验的影响, 又可以保证爆炸容器内外的湿度环境一致㊂

2摇实验结果与讨论

为了研究环境湿度对铝粉爆炸猛烈度的影响, 分别选用33%㊁60 %和90%3种湿度条件进行实验310㊂ g 铝粉的实验浓度分别为/m 200g /m 33㊁500 g /m 3和1000g /m 3. 在不同环境湿度

㊁262 g /m 3㊁ 下测得的典型爆炸压力曲线如图3所示㊂ 图中的铝粉浓度为310g /m 3

.

图3　 不同环境湿度下310g /m 3浓度

铝粉爆炸的压力曲线

Fig. 3　 Pressure at different evolution ambient recorded humidities

for 310g /m 3aluminum

　

dust 为了保证实验数据的准确性, 每个铝粉浓度都做了3次以上的实验㊂ 图4和图5分别表示3种环境湿度(相对湿度33%㊁60 %和90%) 下, 铝粉浓度对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响㊂ 图中的数据均为3次实验的平均值, 曲线是对实验结果的非线性拟合㊂ 根据图4中的拟合曲线, 可得到不同环境湿度下, 铝粉浓度与最大爆炸压力的近似定量关系1) :

p 环境湿度为33%时, max =-290. 168+

290. 993

714. 538-C AI )

; (1)2) p 环境湿度为60%时+, 100. 0032(-max =-672. 959+

673. 871

367-C AI )

; (2)3) 环境湿度为p 90%1时+,

10

0. 00236(-1205. max =0. 360+

1+10

0. 0040. 08(284.567

193-C AI )

.

(3)

式中:p (g/m 3环境相对湿度为) max 为最大爆炸压力(MPa); C .

AI 为铝粉浓度

60%和90%时的拟合相关系

数分别为0. 9219和0. 9908, 拟合效果较好㊂ 33%湿度时拟合效果稍差, 如图4所示㊂ 但其残差平方和为0. 00353, 说明该拟合结果在一定程度上可以接受

㊂

图4　 33%㊁60% 和90%环境湿度下铝粉的最大爆炸压力Fig. 4　 Maximum overpressures varying with aluminum pow⁃

60%der concentration and 90%

at ambient humidities of 33%,

　

根据图4㊁ 图5的拟合曲线(d , 可得到最大爆炸压

力p max 和最大压力上升速率

典型变化趋势㊂ d p /d t 表示单位时间内爆炸压力的d p

t

)max

随铝粉浓度的

上升速率㊂ 随着铝粉浓度的增加, p max 和

(d p t

)max

都

随之增加, 但低于500g /m 3浓度以下的增加较为迅Dufaud 速, 而高于等500g /m 3以上的增加比较缓慢㊂ 这与

[18]在20L 爆炸罐中得到的最大爆炸压力的结果略有不同㊂ 文献[18]得到的实验结果是:在低于750g /m 3时最大爆炸压力随着铝粉浓度的增加而增加, 之后, 反而减小㊂ 分析发现, 文献[18]的结论是建立在实验数据拟合处理后的分析基础之上的, 而其原始数据显示, 当铝粉浓度为1000g /m 3时, 最大爆炸压力达到最大, 但随着铝粉浓度的进一步增加反而使得最大爆炸压力值减小㊂ 在200~1000g /的一致m 3铝粉浓度范围内本文的实验结论与文献[18], 在1000g /m 3时最大爆炸压力和最

大压力上升速率均达到最大值㊂

由图4和图5可明显看到, 在铝粉的实验浓度范围内, 随着环境湿度的变化, 最大爆炸压力和最大压力上升速率的变化呈现出两种趋势㊂ 当铝粉浓度较低(200~310g /m 3) 时, p max 和

d p t

)max

都随着环境

968

兵　 工　 图5　 33%㊁60% 和90%环境湿度下铝粉的

最大压力上升速率

Fig. 5　 Maximum num rates of pressure rise ambient varying humidities with alumi⁃

33%, powder 60%and concentration 90%

at of

　

湿度的增加先增加后减小(; 当环境湿度由33%增加到60%时, p max 和

分别约为0. 06MPa d p t

)

max

都略有增加, 增加的幅度

和4MPa /s; 而当环境湿度增加到90%时, p max 和

(d p

t

)max

与60%湿度时相比, 分别

下降了约0. 1MPa 和4MPa /s, 最大爆炸压力下降较为明显, p max 值甚至低于33%湿度时(; 当铝粉浓度较高(500~1000g /m 3) 时, p max 和

d 湿度的增加而明显增加㊂ 1000g /d p t

)

max

都随着环境

(m 3时, 当环境湿度由33%增加到90%时, p max 和d 分别增加

0. 107d p 文献MPa [18]和9的研究结果表明MPa /s .

t

)max

, 铝粉的储存湿度超

过10%(相对湿度) 对爆炸就有促进作用, 而环境湿度对干燥铝粉爆炸起抑制作用㊂ 关于环境湿度的影

响, 文献[18]只进行了一个浓度(250g /m 3

验, 与本文262g /m 3

得到的结果不同, 可能是由于铝) 的实粉本身的含湿量不同造成的㊂ 实验使用的铝粉虽然

是密封保存, 但在称量和加粉时会与空气接触, 由于空气中本身含有一定的水分, 而且实验前并未进行干燥, 因此实验时铝粉表面可能含有一定量的吸附水㊂

铝粉颗粒由一个铝核和外面一层Al 组成㊂ 当环境温度达到铝和Al 2O 3保护层

铝的熔化, 氧化铝保护层受到热机械力的拉伸2O 3的熔点时, 由于, 薄的氧化层可能发生破裂, 这样铝就直接暴露于空气和水蒸汽的氧化环境中㊂ 此时, 如果颗粒表面含有吸附水的铝粉吹入爆炸罐内点火起爆㊂ Kwok , 等

很可能发生铝粉与水生成氢气的反应

[18]

[19]

也认为爆

学　 报

第34

卷

炸猛烈度的提高确实是因为产生氢气的缘故㊂

在高湿度环境下, 爆炸罐内的铝粉可能发生如下的爆炸反应2Al +:

由上面的反应方程式可以知道Al (O2+3. 774N 2) +H 2O 2O 3+H 2+3. 774N 2

→

, 环境内适量水分的增加可以促进铝粉爆炸反应的发生, 氢气的产(200生也增~310强了g /爆m 炸的猛烈程度㊂ 当铝粉浓度较小

3取决于参与反应的铝粉的量) 时, 铝粉爆炸反应放出的热量主要, 铝粉浓度一定时, 反应放出的热量也一定㊂ 若环境湿度增加到一定程度, 除了满足上述反应的需要外还有剩余, 则多余的水分就会阻碍颗粒的点火, 同时湿度的增加导致铝粉粉尘的凝聚, 从而对铝粉爆炸起抑制作用㊂ 因此在低浓度时, 随着环境湿度的增加, 最大爆炸压力和最大压力上升速率出现先增加后减小的变化趋势; 在高浓度500g /m 3和1000g /m 3时, 铝粉的量足以与爆炸罐中的氧气和水蒸汽发生完全反应, 因此随着湿度的增加, 参与反应的铝粉量会逐渐增加, 放热量也必然增大, 因此p max 和

增加而明显增加㊂

(d d p t

)max

都随着环境湿度的

在铝粉的实验浓度范围内, 当环境湿度由33%0. 增加到927MPa, 90%最大压力上升速率由时, 最大爆炸压力由0. 71. 823MPa MPa /增加到

到80. 3MPa /s, 增幅明显, 因此, 在铝粉爆炸的危险

s 增加性分析中, 环境湿度的影响应该予以考虑㊂

3　 结论

水蒸汽对铝粉的爆炸有两方面的作用:促进作用和抑制作用㊂ 这两种作用与铝粉浓度有关, 当铝粉浓度较低时, 环境中的水分含量不足以与铝粉发生完全生成氢气的反应, 则水蒸汽起促进作用, 否则多余的水蒸汽会抑制铝粉的爆炸; 相反, 如果铝粉的量足以与环境中的水蒸汽发生完全反应, 则产生的氢气会大大增强铝粉爆炸的猛烈程度㊂ 同时通过对实验数据的非线性拟合, 获得了3种环境湿度下最大爆炸压力和铝粉浓度之间的DoseResp 函数关系㊂ 该实验研究可作为对铝粉爆炸进行危险性评估的参考㊂

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