镁铝合金粉最小点火能的实验研究
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第21卷第5期 VO1.21 N0.5 Oct.2015 2015年10月 镁铝合金粉最小点火能的实验研究 章 君。胡双启 (中北大学化工与环境学院,山西太原030051) 摘要:为了评价镬铝合金粉的燃烧爆炸特性.利用哈特曼管研究粉尘浓 度、粒径和惰化剂碳酸钙粒度对镁铝合金粉最小点火能的影响,采用平均 粒径分别为15、38、75、120 m的镁铝合金粉及平均粒径为5、21、38 m 的碳酸钙粉进行实验研究。结果表明:对于同一粒径的镁铝合金粉,随着 № 质量浓度从100咖 增大至1 800目,m ,其最小点火能先减小后增大;随 着镘铝合金粉粒径的增大,最小点火能也会随之增大:碳酸钙对镁铝合金 粉的最小点火能有着较大的影响,碳酸钙粒度越小,惰化效果越明显。明 关键词:镁铝合金粉;最小点火能;粒度:粉尘浓度 中图分类号:X932 文献标志码:A 文章编号:1008—5548(2015)05—0097—04 Experi№ mental Study on Mjnimum Ignition Energy of Mg-AI Alloy Powders ZHANG Jun,HU Shuangqi (School ofChemical Engineering and Environment, North University ofChina,TM ̄an 030051,China) Abstract:To evaluate the combustion and explosion characteristies of Mg—Al alloy powders,a Hartmann apparatus was used to study the effect of dust concentration,particle size and the particle size of inerting agent calcium carbonate on minimum ignition energy fMIE)of Mg—Al alloy powders.The mean size of Mg—A1 alloy particles used in the experiments were 15,38,75 and 120 m respectively and the mean size of calcium carbonate particles were 5.21 and 38 txm.111e results show that.for the sallle size ofthe alloy powders.the value ofMIE st decreases and then increases as the concentration from 1 00 g/m up to 1 800 g/m .The value of MIE increases with the increase ofparticle size ofalloy powders.Calcium carbonate has a great effect on MIE of powders.When the particle size of calcium carbonate becomes smaller,the inerting effect is more obviously. Keywords:Mg—AI alloy powder;minimum ingition energy;particle size;dust concentration 镁铝合金(Mg ls)粉一般是由质量分数各为50% 的镁、铝组成,大部分为Mg l,的金属互化物。镁 铝合金粉是一种灰色粉末,有金属光泽,密度约为 2.15 g/cm,熔点为463 c《=,具有良好的机械性能,化学 稳定性比单纯的镁粉或铝粉的好。镁铝合金粉在燃烧 收稿日期:2015一O1一l0,修回日期:2015—03—16。 第一作者简介:章君(1989一),女,硕士研究生,研究方向为炸药和粉尘 爆炸。E—mail:694906229@qq.com。 时,温度高达2 000~3 000℃,并且放出大量热.一般 用作烟火剂的发光、发热剂和可燃剂.因此对镁铝合 金粉进行研究具有十分重要的意义口1。田甜I21采用哈特 曼管测试了不同实验条件下镁铝合金粉的最大爆炸 压力和最大压力上升速率。张小涛l 3l用20 L球形爆炸 装置研究了粉尘浓度、粒径、点火能量、惰性粉尘对镁 铝合金粉的最大爆炸压力和爆炸下限的影响。 最小点火能反映了粉尘的着火敏感性,是衡量 可燃性粉尘爆炸危险性的重要参数.也是静电安全 的重要技术参数.因此.最小点火能的研究对粉尘爆 炸危险性评估以及爆炸事故的防护具有十分重要的 意义 。本文中通过研究镁铝合金粉的最小点火能,既 可以评价镁铝合金粉的危险爆炸特性。同时为镁铝合 金粉的广泛生产和利用提供参考。 1 实验 1.1样品 实验采用的是平均粒径分别为15、38、75、120 m 的镁铝合金粉,预先将其在烘烤箱中恒温50℃烘干。 碳酸钙粉体的纯度为99%(质量分数),平均粒径分别 为5、21、38 txm。 1.2实验装置 实验测试采用由美国Chilworth公司研制1.2 L 哈特曼管粉尘最小点火能测试装置,其主要结构包括 由点火系统、扬尘扩散系统、能量控制系统、数据采集 系统。装置结构如图1所示。在实验过程中,将提前 烘干好的镁铝合金粉均匀地分散到哈特曼管的底部, 图1哈特曼装置结构图 Fig.1 Schematic disgram of Hartmann bomb 祭 中 国粉 体 枝 术酬 中国粉体技术 第21卷 打开空压机将压缩气体压力调至0.6~0.7 MPa,设置 好所需的点火能量值,在电极产生电火花的瞬间按下 高压按钮点燃爆炸管内形成的粉尘云。 1-3 点火能量的计算公式 尘浓度的增大,单位体积内参与有效反应的颗粒数 增多。反应剧烈程度加大,这样参加反应的颗粒就会 把热量辐射给其他还未参加反应的颗粒,所以使得 更多的粒子在不需要外界能量或需要较少能量条件 下就能维持反应继续。另一方面,随着粉尘浓度的增 电容火花的能量计算公式为 E=J I(t)U(t)dt, A;U(t)为电路放电时电压,V。 (1) 大。火焰的传播速度也会变快,也会导致所需的外界 能量的减小。 式中:E为电火花能量,J;I(t)为电路放电时电流, 当电容电火花的能量小于100 mJ时,电火花的 能量 1 ’ , 当粉尘浓度超过一定值时,最小点火能却逐渐增 大了,这是因为随着粉尘浓度的增大,颗粒由于分散 性较差发生了团聚现象,减小了粉体颗粒的比表面 积,所以使得热辐射能力下降。同时由于哈特曼管的 (2) E= 1 CU-体积较小,高浓度的粉尘会使系统供氧不足,引起粉 尘的不完全燃烧,因此粉尘所需的能量增大,最终导 致了最小点火能的增加_5 。 式中:E为电火花能量,J;C为电容量,F;U为电路 放电电压,V。 2 结果与分析 2.1 粉尘浓度对最小点火能的影响 实验选取了平均粒径为15、38、75、120 m的 从图2中可以明显地看出粉尘浓度变化对镁铝 合金粉最小点火能的影响趋势,将图中的数据进行拟 合,得到了粉尘浓度对最小点火能的影响规律的经验 关系式,如表1所示。其最佳拟合方程为 E~= 1P + 2p+k3。 镁铝合金粉在10℃、喷粉压力为O.7 MPa的实验条 件下,分别对质量浓度为100、200、400、600、800、 1 000、1 200、1 500、1 800 g/m 的粉尘进行了最小 式中:E 为镁铝合金粉的最小点火能,P为粉尘质 量浓度,k 、k2,k,分别为拟合常数。 通过对拟合方程求导,然后令导函数E =0,则 可以得到一个粉尘浓度,此浓度则为镁铝粉尘爆炸的 点火能的测定,其结果如图2所示。 可以看出,对于粒度相同的镁铝合金粉,随着浓 度的增大,其最小点火能逐渐减小,这是因为随着粉 最敏感浓度。 罩 删 质艇浓度/(g・m ) (a)15 m 质量浓度/(g・nl。) (b)38 m 罩 廿皤 避 罢 质蹙浓度/(g-m ) (C)75 m 质位浓度/(g・I11。) (d)120 m 图2镁铝合金粉尘浓度对最小点火能的影响 Fig.2 Influence of dust concentration of Ug—AI alloy powders on MⅢ 第5期 章 君,等:镁铝合金粉最小点火能的实验研究 ・99・ 表1 实验数据的拟合方程及方差分析 Tab.1 Fitting equation and analysis of vadanee 粒径/pan 最小点火能拟合方程 相关系数的平方R 2.2镁铝合金粉粒径对最小点火能的影响 粉尘质量浓度为1 DO0 g/m .喷粉压力为0.7 MPa。 温度为10℃,选用平均粒径分别为15、38、75、120 m 的镁铝合金粉进行实验.最终得到了粒径与最小点火 能的关系,结果如图3所示。 从图中可以看出,对于同一浓度的镁铝合金粉 尘。最小点火能随着粒径的增大而增大,这是因为随 着粒径的增大,单个颗粒质量越大。比表面积越小,与 氧气接触面积也会随之减小,表面能降低,所以所需 的点火能量就会随之增大[9-圳。 由{ 粒径/“m 图3镁铝合金粉粒径对最小点火能的影响 Fig.3 Influence of particle size of Mg-AI alloy powders on MIE 2.3碳酸钙粉粒径对最小点火能的影响 向平均粒径为75 m、质量浓度为1 000 g/m 的镁铝合金粉中分别加入了平均粒径分别为5、21、 38 m的碳酸钙粉体,其质量分数为20%。测得的镁 铝合金粉的最小点火能如图4所示。 从图中可以看出,随着碳酸钙颗粒粒径的增大, 镁铝合金粉尘的最小点火能逐渐减小,说明粒度小的 碳酸钙颗粒,其惰化效果更加明显。主要原因是碳酸 钙在高温下会吸收热量生成CO:,从而降低了氧浓度, 这对燃烧系统起到了冷却加窒息的作用,而粒度越小 的碳酸钙颗粒热分解效率越高,因此放出CO 的速率 也越快.使得镁铝合金粉尘得不到足够的氧气来维持 燃烧;粒度小的碳酸钙颗粒会包覆到可燃粉尘表面, 一方面阻止了氧气与可燃粉尘的接触。另一方面也阻 隔了火焰将热量辐射传导给可燃粉尘,从而使镁铝合 金粉尘得不到足够的热量维持甚至是发生燃烧现象: 粒径, m 图4碳酸钙粉体粒径对最小点火能的影响 Fig.4 Influence of particle size of calcium carbona ̄ powders onMIE 同时,粒度小的碳酸钙颗粒会更容易附着于电极表 面,降低了哈特曼管的电极放电能量【l】 61。 3 结论 1)镁铝合金粉最小点火能随着粉尘浓度的增大 先减小后增大.存在一个粉尘敏感浓度使得点火能量 最小。 2)随着镁铝合金粉的粒径逐渐增大,其最小点火 能呈单调递增的趋势,质量浓度为1 000 gyms时,当 粉尘粒径从15 m增大到120 Ixm时,其最小点火能 从19-3 mJ增大到324 mJ。 3)碳酸钙粉体对镁铝合金粉起到了惰化抑爆的 作用,且随着碳酸钙颗粒粒度的逐渐增大,其最小点 火能逐渐减小,即惰化效果逐渐减弱。 4)粒度越小的金属粉尘越容易发生燃爆事故,应 当采取一些有效措施可以防止事故的发生,例如在金 属粉尘中加入一些粒度较小的惰化剂。 参考文献(References): 【1]江洪.烟花炮竹生产与安全【M].北京:中国轻工业出版社,1980. 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(下转第102页) ・102・ 中国粉体技术 第21卷 度的影响。可以看出,不同水压时雾滴速度的变化趋 势相似.均随着旋芯直径的增大而呈近似线性变化, 但变化幅度不大。以水压为0.9 MPa时为例:旋芯直 径为11 mm时.雾滴速度为45.1 m/s;旋芯直径为 18 mm时.雾滴速度为35.5 m/s,变化幅度约为21%。 随水压的增大,雾滴速度基本上呈增大趋势,符合射 流原理。由流量公式可知,当喷嘴口截面积一定时,喷 嘴口射流速度与流量成正比,水压增大了水流量,喷 嘴口射流速度则会增大,检测到距喷嘴口1 m处的雾 滴速度也会相应增大。 径/mm 图5不同水压时旋芯直径对雾锥角的影响 Fig.5 Effect of screw core size Oil spray cone angle at diferent water pressures 嵇 哦 4 结论 l∞ 墨 1)旋芯直径与雾滴中位直径及雾滴速度负相关, 与雾锥角正相关;旋芯直径为l2—16 film时,雾滴中位 直径变化显著;旋芯直径对雾滴速度的影响不大;水 压不大于0.9 MPa时,雾锥角与水压正相关,但是当 赢径tam r图4不同水压时旋芯直径对雾滴速度的影响 幽 水压为1.2 MPa时,雾锥角减小。 2)当水压大于0.9 MPa时,所形成的雾滴中位直 径均小于100 m,说明改进的旋芯喷嘴在水压较小 时能满足雾化特性要求。 Fig.4 Effect of screw core size on droplet velocity at different water pressures 图5所示为不同水压时旋芯直径对雾锥角的影 响。可以看出,不同水压时雾锥角随旋芯直径的变化 参考文献(Riferences): [1]杨友胜,张建平,聂松林.水射流喷嘴能量损失研究[J].机械工程 学报,2013,49(2):139—145. 规律相似.原因是较大的旋芯直径会使液滴获得更大 的离心力。增大了径向分速度和扩散角度。水压为 O-3~0.9 MPa时,雾锥角随着水压的增大而增大;当水 压为1.2 MPa时,雾锥角反而减小,这是由雾锥坍塌 [2]刘巍然,葛宝臻,张晓辉,等.工业喷嘴喷雾角度测量系统的研究 [J].中国粉体技术,2001,7(4):15—17. 『3]杨军瑞,胥海伦,陈海焱.新型环形复合喷嘴的数值模拟分析与研 究[J].中国粉体技术,2009,15(4):11-14. 收缩所致。压力增大使得喷嘴射流得到的雾滴粒度较 小,雾滴在扩散的过程中,与卷吸空气进行剧烈的能 量交换,细小的雾滴难以得到有效的飘逸。结合对图3 [4]周华,朱畅,范明豪,等.高压旋芯喷嘴的雾化特性[J].农业机械 学报,2006,37(1):63—66. [5]LIU Junxiang,YU Qingbo,GU0 Qiang.Experimental investigation 的分析可知,要使雾滴得到有效的雾锥角,仅追求径 向速度是不够的,还要兼顾到粒度,根据实验效果,粒 径为30~80 m较适宜。 of liquid disintegration by rotary cups[J].Chemical Engineering Science,2012,73:44—50. [6]周华,范明豪,杨华勇.旋芯喷嘴高效雾化特性测量研究[J].机械 工程学报,2004,40(8):110一l14. (上接第99页) [IO】张培红.防火防爆[M】.沈阳:东北大学出版社,2011. [11]甘媛,蒯念生,刘龙,等.碳酸钙对粉尘爆炸抑制效力的实验研究 [J].消防科学与技术,2014,33(2):128—131. Ⅲ.中全科学学报,2011,21(6):72—77. f14]李亚男,焦枫嫒,闻利群.碳酸钙对金属粉尘最小点火能的影响研 究[J].中北大学学报:自然科学版,2014,35(5):594—598. [15]蒯念生,李建明,陈志.基于本质安全原理的镁粉爆炸风险控制 研究 .消防科学与技术,2010,29(5):369—372. 『16]左前明,程卫民,汤家轩.粉体抑爆剂在煤矿应用研究的现状与展 望 .煤炭技术,2010,29(11):78—80. [12]蒯念生,李建明,陈志,等.镁粉爆炸特性和惰化抑爆的实验研究 [J].工业安全与环保,2011,37(3):53—55. [13]曾瑜,陈志,蒯念生,等.基于缓和原则的粉尘爆炸风险控制研究