磷酸二氢铵对铝粉的爆炸抑制研究

谭迎新，李亚男

（中北大学 化工与环境学院，山西 太原030051）

0 引 言

铝粉是金属粉尘中具有很大爆炸危险性的物质，而且在工业上的应用也十分广泛.铝粉具有遇水反应易燃的特性，铝粉的爆炸压力巨大，爆炸范围又很小，因此在铝粉的制备、运输、储存、应用中都极具危险性.

对于粉尘的防爆抑爆目前有控制点火源、避免粉尘云的形成及采用隔离、泄放、通风等一系列保护措施［1-3］.但是，工业生产中潜在的点火源非常多，有很多不可避免的静电环境和静电效应，消除点火源几乎是不可能的.而在粉体加工时，会有大量的粉尘暴露在空气中形成可引发爆炸的粉尘云，所以要想避免形成粉尘云也非常困难.采取通风、泄放、隔离等一系列保护措施确实能有效减少粉尘爆炸的可能性，但是如果这些保护措施失效，后果将会无法想象［4］.采取惰化抑爆将粉尘的最小点火能有效提高，磷酸二氢铵是一种常见、廉价的物质，在以往的煤粉抑爆实验中抑爆效果优于碳酸钙，所以研究磷酸二氢铵对铝粉的惰化抑爆效果非常必要.

1 测试装置及方法

1.1 测试装置

利用美国MIETA点火能测试仪完成试验测定，MIETA点火能测试仪可以用来评价粉尘云的潜在爆炸危险性.仪器由粉尘扩散装置哈特曼管，能量控制箱和电压图表记录器组成.能量控制箱可提供从2～2 000 mJ的火花能量，调节步长为1 mJ，最大充电电压为15 k V.试验装置如图1所示.

图1 MIE点火能测试装置 Fig.1 Minimum ignition energy test device

粉尘扩散系统是1.2 L的哈特曼装置，管底是一个蘑菇状喷头，用来扩散粉尘，点火电极位于距离管底100 mm处［5］.测试的具体过程为：喷粉后，一定浓度的粉尘在哈特曼管中呈漂浮状态，两个电极击穿空气进行放电，如果点火能量超过了混合粉尘的最小点火能，则混合粉尘就会发生爆炸，并伴有强烈的火焰燃烧；如果能量接近临界点，则只会发生闪燃.混合粉尘是否发生爆炸要以火焰离开电极的距离为准，当火焰离开电极50 mm时，就认为混合粉尘发生爆炸，反之，则没有发生爆炸［6］.

1.2 试验样品

根据试验要求，购买了分析纯级别，含量不少于99%的磷酸二氢铵，并用药品筛筛分出75，90，109μm三种不同的粒径；试验所用铝粉的粒径为45μm.所有样品试验前置于60℃温度下干燥20 h，放在室温下保存，环境湿度不大于30%［7］.

1.3 测试方法

在研究磷酸二氢铵对铝粉抑爆效果试验中，按国家标准固定点火能量，在铝粉的敏感浓度1 000 g／cm3下，添加不同质量分数的磷酸二氢铵，直到使得混合粉尘稳定不再发生爆炸.

测试时要求对每一质量分数的磷酸二氢铵进行反复测试观察，如果有爆炸或火焰现象，则增加质量分数继续进行试验，直到10次重复试验都未有明显现象为止，此时金属粉尘才被完全惰化.

哈特曼管中的两个电极一般间距为2～6 mm，低于2 mm时，电极会受到淬火效应的影响，电极间距受电容充电能量影响，为了保证电极间的放电频率，可适当放大电极间距.电极的放电频率以1次／s为宜，放电频率过快，粉尘可能发生能量叠加的现象，使得在该能级下不能爆炸的粉尘发生爆炸［7］.

2 试验结果及分析

2.1 磷酸二氢铵的质量分数对抑爆效果的影响

试验选用铝粉的粒径为45μm，（NH4）H2PO4的 粒 径 为75μm.铝 粉 浓 度 为1 000 g／cm3，将质量分数分别为5%，10%，15%的磷酸二氢铵分别添加到铝粉中，表1为不同质量分数的磷酸二氢铵对铝粉的抑爆试验结果.

由表1可以看出当混合粉尘中磷酸二氢铵的质量分数为5%时，混合粉尘发生爆炸；而混合粉尘中磷酸二氢铵的质量分数达到10%时，连续点火10次混合粉尘都未燃，说明此时混合粉尘被完全惰化.

表1 不同质量分数的（NH4）H2PO4对铝粉的抑爆效果 Tab.1 Explosion suppression effect of different mass fraction of（NH4）H2PO4on aluminum dust

2.2 磷酸二氢铵粒径对抑爆效果的影响

试验选用铝粉的粒径为45μm，（NH4）H2PO4的粒径为75，90和109μm.铝粉浓度为1 000g／cm3，表2是粒径为90μm的磷酸二氢铵对铝粉的爆炸抑制试验结果.

表2 90μm的磷酸二氢铵对铝粉的爆炸抑制试验 Tab.2 Eexplosion suppression test of（NH4）H2PO4of 90μm to aluminum dust

由表2可以看出，当混合粉尘中磷酸二氢铵的质量分数超过15%时，连续点火10次混合粉尘都不会被引燃，此时混合粉尘被完全惰化.

表3是粒径为109μm的磷酸二氢铵对铝粉的爆炸抑制试验结果.

表3 109μm的磷酸二氢铵对铝粉的爆炸抑制试验 Tab.3 Explosion suppression test of（NH4）H2PO4of 109μm to aluminum dust

由表3可以看出，当混合粉尘中磷酸二氢铵的质量分数超过20%时，连续点火10次混合粉尘都不会被引燃，此时混合粉尘被完全惰化.

从上述试验结果可以看出，3种不同粒度的磷酸二氢铵对铝粉有不同程度的爆炸抑制作用.在铝粉中，加入相同质量分数的磷酸二氢铵，粒径越小，抑爆效果越好.混合粉尘中，75，90，109μm的磷酸二氢铵的质量分数分别达到10%，15%，20%时，混合粉尘无法被引燃，此时代表混合粉尘完全被惰化，说明75μm的磷酸二氢铵具有最佳的爆炸抑制效果，90μm的次之，109μm的再次之.究其原因，是因为磷酸二氢铵分解温度低，分解时从周围的环境中吸收热量分解出氨与磷酸，继而生成P2O5.磷酸二氢铵的分解反应都是吸热的反应，因而具有很好的冷却作用；而分解产物游离氨还能吸收燃烧反应中生成的自由基并与之反应，燃烧反应速率就会因为缺少自由基而大大降低.如果在燃烧过程中游离氨的浓度很高又能与火焰充分接触，那么自由基消耗的速率就会大于燃烧反应产生自由基的速率，链式反应就会因缺乏自由基而终止，火焰就会被熄灭［8-10］.

试验结果还表明，在铝粉被完全惰化之前，加入相同粒度的磷酸二氢铵，质量分数越高，抑爆效果越好.

3 结 论

1）在铝粉中添加粒径分别为75，90，109μm的磷酸二氢铵，要达到金属粉尘完全惰化所需磷酸二氢铵的质量分数分别为10%，15%，20%，试验结果表明：随着铝粉中所添加的磷酸二氢铵粒径不断增大，能使金属粉尘完全惰化所需的质量分数也不断增大.75μm的磷酸二氢铵具有最佳的爆炸抑制效果.

2）在铝粉中添加具有相同粒径的磷酸二氢铵，在铝粉被完全惰化之前，铝粉中所添加的磷酸二氢铵的质量分数越大，对铝粉的抑爆效果越好.

3）添加极少量的磷酸二氢铵，铝粉就可以被完全惰化，说明磷酸二氢铵对铝粉的抑爆效果非常明显.

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