陈成 胡双启 范裕如 陈国防 冯永安

（1.中北大学 化工与环境学院 太原 030051；2.山西兰花集团北岩煤矿有限公司 晋城 048000）

铝粉的爆炸特性研究

陈成1胡双启1范裕如1陈国防2冯永安1

（1.中北大学 化工与环境学院 太原 030051；2.山西兰花集团北岩煤矿有限公司 晋城 048000）

本研究的目的是在哈特曼管中确定纳米铝粉的粒径与其最大爆炸压力，最大上升速率，最小爆炸浓度和最小点火能量的关系。结果表明：35纳米铝粉最大爆炸压力为0.73MPa，粉尘爆炸强度为34.9 MPa·m/s；100纳米铝粉最大爆炸压力为1.25MPa，粉尘爆炸强度为29.6MPa·m/s；40微米铝粉最大爆炸压力为0.59MPa，粉尘爆炸强度为7.7 MPa·m/s.35纳米的粉尘爆炸强度是40微米的4.5倍。35纳米、100纳米、40微米铝粉的爆炸下限分别为40g/m3，50 g/m3，65g/m3.35纳米铝粉，100纳米铝粉的最小点火能都小于1mJ。然而，40微米铝粉的最小点火能为59.7mJ。

纳米粉尘 最大爆炸压力 最大压力上升速率 爆炸下限 最小点火能

在生产过程中，机械研磨仍是大规模生产纳米铝粉的主要技术[1]。这不仅是一种成本相对较低的过程，而且但也容易地缩放的大规模生产。其结果，机械研磨具有更好的可控参数，并能使用于轧机的粉末颗粒下降到30纳米的直径。纳米粉末机床的原理是使用高速的空气，以使粉末相互碰撞。它会导致粉末将在纳米尺度从微米尺度。所有发生粉尘爆炸的工厂的原料中都包含足够多的纳米粉尘[2]。

粉尘爆炸的危险性用最低爆炸性浓度，最大爆炸力、最大压力上升速率、极限氧浓度、点火温度来表示[3]。粉尘的颗粒直径是非常重要的因素，用于评估风险粉尘爆炸。除颗粒的直径外，爆炸特性因素还包括初始压力、氧浓度等[5]。

1 国内外研究现状

粉尘爆炸特性研究大多数都限制于微观尺度[6]。例如：在高的初始压力，高的粉尘温度下爆炸特性（Lázaro and Torrent,2000)；煤尘爆炸火焰传播过程特性研究[7](Cashdollar and Zlochower,2007)；微米铝粉爆炸特性结果如下[8]：最低爆炸浓度分别约为170 g/m3（0-8微米），180 g/m3（8-20微米），200 g/m3（20-37微米），240 g/m3（以上超过37微米）。最小点火能量为8mJ（0-8米），6mJ（8-20微米），14mJ（20-37微米），48mJ（超过37微米）(Nifuku et al., 2007)。纳米钛，铁的最小点火能量小于1mJ（Wu et al.,2009）, 这意味着纳米钛、铁粉尘爆炸具有较高的敏感度[9]。.

2 实验材料与方法

2.1 原料与装置

在此所使用的铝粉规格在表1中列出。从表1中可以看出，粒径越小，比表面积越大。

实验采用1.2L哈特曼管高压点火花放电引起粉尘爆炸。此哈特曼管能提供1mJ，3 mJ，10 mJ,30 mJ,100 mJ,300 mJ,1000 mJ七种电火花能量，延迟时间为120ms。实验中要通过观察来判断粉尘云是否被点燃。哈特曼管结构示意图如图1。

2.2 实验方法

在本实验中，四种爆炸数据需要测定，分别为最大爆炸压力，最大爆炸压力上升速率，爆炸下限，最小点火能量。铝粉有35纳米、100纳米和45微米三种不同粒径。实验温度为30℃，压力为标准大气压。

最大爆炸压力是有管内的大部分物质燃烧放出的能量决定。最大压力上升速率是额定燃料浓度，它被定义为通过压力-时间曲线的上升部分拐点的切线的最大斜率。爆炸下限浓度表示物质多大浓度时爆炸能在空气中以火焰形式传播开来。最小点火能量就是高压电容放出的能点燃可燃性粉尘和空气混合物的最小能量。

3 实验结果与分析

3.1 最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率

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三种铝粉的爆炸实验数据如表2。当35纳米的铝粉浓度达1300g/m3-1800 g/m3时，最大爆炸压力为0.73MPa，当粉尘浓度达1800g/m3，最大爆炸压力上升速率为128.6 MPa/s；当100纳米的铝粉浓度达1500g/m3-2000 g/m3时，最大爆炸压力为1.25MPa，当粉尘浓度达2000g/m3，最大爆炸压力上升速率为109MPa/s；当45微米的铝粉浓度达1250g/m3时，最大爆炸压力为0.59MPa，当粉尘浓度达1750g/m3，最大爆炸压力上升速率为28.2 MPa/s；这三种粒径的铝粉，不同的浓度对应着不同的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率。

35纳米、100纳米、45微米铝粉的爆炸强度分别为34.9 MPa·m/s,29.6 MPa·m/s,7.7 MPa·m/s，如表3。从图中粉尘爆炸分类等级可以看出，35纳米铝粉的爆炸强度很大，属于三级；100纳米铝粉的爆炸强度稍小，属于二级，45微米铝粉爆炸强度比较微弱，属于一级。可以看出，粒径越小的粉尘，爆炸压力和爆炸强度越大。

3.2 爆炸下限

实验结果为，35纳米、100纳米、45微米铝粉所对应的爆炸下限，分别为40 g/m3、50 g/m3、65 g/m3。从微观角度来说，三种粒径的铝粉爆炸下限显然不同。粉尘粒径越小，比表面积越大，更容易爆炸，所对应的爆炸下限越低。

3.3 最小点火能

实验结果为，35纳米、100纳米的铝粉最小点火能都小于1mJ，40微米铝粉最小点火能为59.7mJ。由于能量装置最小放电能量为1mJ，在mJ能量下，35纳米、100纳米的铝粉都爆炸了，由此说明35纳米、100纳米铝粉最小点火能小于1mJ。实验表明，由于纳米级铝粉的比表面积更大，更容易获得能量将爆炸传播下去，所以纳米级的铝粉最小点火能远小于微米级铝粉的最小点火能。

4 结论

本文通过实验，研究了三种不同粒径铝粉在1.2L哈特曼管中的爆炸特性，并对其最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸强度、爆炸下限、最小点火能进行了测定。对铝粉爆炸特性有了进一步的认识，并得到以下结论。

（1）35纳米铝粉的最大爆炸压力为0.73MPa，其最大爆炸强度为34.9 MPa·m/s；100纳米铝粉的最大爆炸压力为1.25MPa，其最大爆炸强度为29.6 MPa·m/s；45微米铝粉的最大爆炸压力为0.59MPa，起最大爆炸强度为7.7 MPa·m/s；35纳米铝粉的爆炸强度是45微米铝粉爆炸强度的4.5倍。

（2）35纳米、100纳米、45微米铝粉的爆炸下限分别为40 g/m3、50 g/m3、65 g/m3；爆炸下限随粒径的增大而逐渐增大。

（3）35纳米、100纳米铝粉的最小点火能都小于1 mJ；40微米铝粉的最小点火能为59.7 mJ；最小点火能随粉尘粒径减小而减小，从整体趋势来看，铝粉粒径小于10微米时，最小点火能小于1 mJ。

由实验可知铝粉爆炸压力之大、程度之强，反应比较敏感，尤其是纳米级铝粉。为预防生产研磨纳米铝粉时的事故提供了一些理论依据。

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[1]胡双启,张景林.燃烧与爆炸[M].北京:兵器工业出版社,1992:13-15.

[2]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

[3]谭迎新,霍晓东,尉存娟.不同粒度铝粉在水平管道内的爆炸压力测定[J].中国安全科学学报,2008.12(18):80-83.

[4]丁小勇,谭迎新.垂直哈特曼管与水平管道中铝粉爆炸特性[J].消防理论研究.2012.6(31):561-563.

[5]李新光,董洪光.粉尘云最小点火能测试方法的比较与分析[J].东北大学学报.2004.1(25):44-47.

[6]李新光,董洪光. 哈特曼装置上粉尘浓度的测量[J].东北大学学报.2007.4.(28):493-496.

[7]张景林.气体粉尘爆炸灾害及其安全技术[J].中国安全科学学报.2002.12(5):9-14.

[8]李文霞,林柏泉,魏吴晋.纳米级别铝粉粉尘爆炸的实验研究[J].中国矿业大学学报.2010.39(4):475-479.

[9]秦涧,谭迎新.水平管道内铝粉爆炸特性的试验研究[J].中国安全科学学报.2011.21(4):66-70.

Study of Aluminum powder explosion characteristics

Chen Cheng1Hu Shuang-Qi1Fan Yu-Ru1Chen Guo-Fang2Feng Yong-An1
(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051;2.Shanxi Lanhua Group Beiyan Coal Mine Co., Ltd.Jincheng 048000)

This research was aimed at determining the relationships between the particle diameter of an aluminum nanopower and its maximum explosion pressure (Pmax), maximum rate of pressure rise ((dP/dt)max), minimum explosion concentration(MEC), and minimum ignition energy (MIE) by 1.2L Hartmann apparatus. The results revealed that 35-nm aluminum powder has a Pmax of 0.73MPa and deflagaration index (KSt) of 34.9MPa m/s, in 100-nm aluminum powder, Pmax of 1.25MPa and KSt of 29.6 MPa m/s and 40-μm aluminum powder, Pmax of 0.59MPa and KSt of 7.7MPa m/s. The value of (dP/dt)max for the 35-nm aluminum powder is 4.5 times that for the 40-μm aluminum powder. The 35-nm, 100-nm, and 40-μm powders have MEC values of 40, 50, and 65 g/m3, respectively. The 35-nm and 100-nm powders both have MIEs less than 1mJ. while the 40-μm powder has an MIE of 59.7mJ.

nanopower; maximum explosion pressure; maximum rate of pressure rise; minimum explosion concentration;minimum ignition energy.

TF821

A

T1672-8114(2013)01-0036-03

陈成，中北大学 化工与环境学院

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