鋁粉抑爆劑適用性能評(píng)估研究

雷偉剛，畢海普，王凱全

(常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

粉塵爆炸事故在世界范圍內(nèi)廣泛存在[1]，首次有記錄的粉塵爆炸事故是1785年意大利都靈發(fā)生的面包作坊面粉爆炸[2]；2014年8月，我國(guó)江蘇省昆山中榮金屬制造品有限公司發(fā)生鋁粉爆炸，導(dǎo)致146人死亡、114人受傷[3]，此類是經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響重大的鋁粉爆炸事故。傳統(tǒng)上，由于金屬粉塵反應(yīng)強(qiáng)烈，它的爆燃抑制被認(rèn)為難以解決。然而，Going等[4]詳細(xì)描述了抑制爆炸技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)早期的壓力檢測(cè)和更快的抑制劑注入使得抑爆得以實(shí)現(xiàn)，這大大提高了爆炸抑制系統(tǒng)的效率；Taveau等[5]通過(guò)在4.4 m3的容器中利用SBC(碳酸氫鈉)抑爆劑進(jìn)行抑爆試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該抑爆劑主要通過(guò)改變鋁粉爆炸的性能參數(shù)來(lái)大規(guī)模、有效地抑制鋁粉爆炸，以降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近年來(lái)，隨著安全意識(shí)的提高，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)始關(guān)注和研究鋁粉爆炸的危害性，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變鋁粉爆炸的性能參數(shù)，從而防范與控制鋁粉爆炸事故的發(fā)生[6]。如以碳酸鈣為惰性材料，通過(guò)爆炸嚴(yán)重程度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣是防止金屬粉塵點(diǎn)燃的有效方法，且抑爆效果隨著碳酸鈣粒徑的減小而增強(qiáng)[7-9]；抑爆劑碳酸氫鈉可顯著降低火焰強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其惰化抑制作用在微米級(jí)與其粒徑成反比關(guān)系，其粒徑越小，對(duì)鋁粉的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种菩Ч胶肹10]；抑爆劑磷酸二氫銨對(duì)金屬粉塵爆炸的抑制作用比碳酸鈣顯著，且隨著磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)金屬粉塵的抑爆效果越來(lái)越好[11]。通過(guò)將碳酸鈣、碳酸氫鈉、磷酸二氫銨等抑爆劑作為抑爆介質(zhì)，討論其濃度、粒徑及點(diǎn)火能量對(duì)最大爆炸壓力的影響，發(fā)現(xiàn)磷酸二氫銨是最有效的金屬粉塵抑爆劑，碳酸鈣的惰化效果優(yōu)于碳酸氫鈉，而碳酸鈣的抑爆效果次于碳酸氫鈉[12-13]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋁粉爆炸和抑爆劑抑爆效果的試驗(yàn)研究比較成熟，但基于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析鋁粉抑爆劑的適用性能還需要考慮環(huán)境影響等副作用。例如磷酸鹽、鹵化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽都具有一定的抑爆作用[14]，而鹵化物因其對(duì)環(huán)境的危害現(xiàn)已逐步被取代。因此，本文基于層次分析法(AHP)建立了鋁粉抑爆劑適用性能綜合評(píng)估模型和計(jì)算方法，并結(jié)合抑爆劑的環(huán)境毒理影響、處理難度、安全抑爆效果、運(yùn)行成本等幾方面進(jìn)行評(píng)估與分析，為現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中預(yù)防鋁粉爆炸事故提供數(shù)據(jù)支持。

1　鋁粉抑爆劑適用性能綜合評(píng)估方法

1. 1　綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

本文在對(duì)某拋光企業(yè)鋁粉進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究和查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行打分測(cè)評(píng)，并參考鋁粉抑爆劑的環(huán)境毒理影響、鋁粉爆炸及抑爆試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了鋁粉抑爆劑適用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，詳見(jiàn)圖1。

圖1　鋁粉抑爆劑適用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1　　　　Comprehensive evaluation index system of the application of explosion suppressant of aluminum powder

鋁粉抑爆劑適用性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(即評(píng)估模型)包含5個(gè)一級(jí)指標(biāo)，分別為：環(huán)境毒理影響(即對(duì)環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)可能的影響)、后處理難度、前處理難度、安全抑爆效果和運(yùn)行成本。其中抑爆劑的環(huán)境毒理影響是指抑爆劑本身的理化性質(zhì)，包括污染性、毒害性、腐蝕性和水溶性；抑爆劑的后處理難度是指生產(chǎn)中集塵管道加入抑爆劑后的清掃及處理難度，包括集塵桶清潔難度、粉塵排出難度、粉塵清除確認(rèn)難度、管道清潔難度和內(nèi)部清掃難度；抑爆劑的前處理難度是指抑爆劑在現(xiàn)實(shí)中獲取的難度以及與粉塵惰化過(guò)程中的預(yù)處理難度，包括抑爆劑的獲得難度、預(yù)處理難度、噴粉難度和與爆炸粉塵混合度；抑爆劑的安全抑爆效果是指工業(yè)粉塵惰化后的爆炸性能參數(shù)，包括最小點(diǎn)火能、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數(shù)；抑爆劑的運(yùn)行成本是指制作抑爆系統(tǒng)的成本以及后期運(yùn)行和管理成本，包括抑爆劑成本、噴粉系統(tǒng)成本、噴粉設(shè)備維護(hù)成本和管理成本。

1. 2　評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

本文應(yīng)用層次分析法的基本原理及步驟計(jì)算相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。層次分析法的基本步驟包括：將具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)各影響因素的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩對(duì)比評(píng)估打分，構(gòu)造判斷矩陣；根據(jù)判斷矩陣計(jì)算得到的相對(duì)權(quán)重進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)；計(jì)算不同層次各指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)目標(biāo)的權(quán)重[15-16]?；趯＜掖蚍值玫降臉?biāo)度判斷矩陣，計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重、最大特征值(λmax)及一致性檢驗(yàn)指標(biāo)(CR)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　各層指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)Table 1　　　　Weight of indicators of each layer and consistency test

目標(biāo)層的最大特征值λmax為5.000，一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CR=0.000 1<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。在一級(jí)指標(biāo)中，權(quán)重最大的兩個(gè)指標(biāo)為安全抑爆效果(0.436 4)和環(huán)境毒理影響(0.327 3)，其次依次為運(yùn)行成本(0.109 1)、前處理難度(0.072 7)、后處理難度(0.054 5)，其中環(huán)境毒理影響、前處理難度和后處理難度均屬于環(huán)境影響類，指標(biāo)權(quán)重之和達(dá)0.454 5，高于安全抑爆效果，此外工業(yè)應(yīng)用中還需考慮運(yùn)行成本。

在二級(jí)指標(biāo)中，B1的4個(gè)指標(biāo)因素中毒害性的權(quán)重最大，占主要影響，其次是腐蝕性、水溶性和污染性；B2的5個(gè)指標(biāo)因素中管道清潔難度和內(nèi)部清掃難度的權(quán)重最大，其次是集塵桶清潔難度、粉塵排出難度和粉塵清除確認(rèn)難度；B3的4個(gè)指標(biāo)因素中權(quán)重大小依次是抑爆劑獲得難度、預(yù)處理難度、與爆炸粉塵混合度和噴粉難度；B4的4個(gè)指標(biāo)因素中最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)的權(quán)重最大，其他依次是最大爆炸壓力上升速率和最小點(diǎn)火能；B5的4個(gè)指標(biāo)因素中抑爆劑成本的權(quán)重最大，占主要影響，其他依次是噴粉系統(tǒng)成本、管理成本和噴粉設(shè)備維護(hù)成本。

2　3種典型鋁粉抑爆劑的應(yīng)用分析

2. 1　基于試驗(yàn)的指標(biāo)賦值與分析

抑爆劑主要是在爆炸初期使用，最早使用于煤礦行業(yè)，后來(lái)逐漸應(yīng)用于其他行業(yè)，在選取抑爆劑時(shí)主要考慮的是抑爆性能、實(shí)用性和危害性。碳酸鈣(CaCO3)、磷酸二氫銨(NH4H2PO4)和碳酸氫鈉(NaHCO3)是目前國(guó)內(nèi)外研究最多的典型抑爆劑，而且在市場(chǎng)上的應(yīng)用也比較廣泛，其污染性小，幾乎無(wú)毒害性，且抑爆性能相對(duì)其他抑爆劑較好，所以本文選取這三種典型鋁粉抑爆劑進(jìn)行了20 L爆炸球試驗(yàn)，測(cè)試其抑爆性能。

20 L球形爆炸測(cè)試裝置由容積為20 L的不銹鋼球形罐、壓力檢測(cè)系統(tǒng)、分散系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。球形罐的底部安有粉塵擴(kuò)散器，儲(chǔ)塵罐的容積為0.6 L，可承受2.5 MPa的壓力；球形罐的側(cè)面設(shè)置有觀察窗，通過(guò)觀察窗可觀察到罐內(nèi)爆炸時(shí)產(chǎn)生的火光。20 L爆炸球試驗(yàn)主要用于測(cè)試粉塵云的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、最小點(diǎn)火能和爆炸指數(shù)等參數(shù)。鋁粉的平均粒徑為40～52 μm，進(jìn)行試驗(yàn)前期在烘干箱60℃烘干6 h。

基于物質(zhì)的物理屬性和試驗(yàn)測(cè)定的抑爆劑的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合專家打分對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值，賦值規(guī)則采用5分制，5分表示得分最高，相應(yīng)鋁粉抑爆劑適用性貢獻(xiàn)度最優(yōu)，其賦值結(jié)果如下：

(1) 環(huán)境毒理影響：結(jié)合3種抑爆劑環(huán)境毒理性質(zhì)(見(jiàn)表2)對(duì)指標(biāo)賦值。其中，污染性由于3種抑爆劑污染性幾乎不計(jì)，所以賦值為4；毒害性由于碳酸鈣和磷酸二氫銨是無(wú)毒的，所以賦值為5，碳酸氫鈉具有微毒性，所以賦值為4；腐蝕性由于三者都無(wú)腐蝕性，因此賦值為5；水溶性由于碳酸氫鈉易溶于水，所以賦值為0，磷酸二氫銨溶于水，賦值為1，碳酸鈣不溶于水但易潮解，因此賦值為4。

(2) 后處理難度： 結(jié)合3種抑爆劑在20 L爆炸球試驗(yàn)后的狀態(tài)(見(jiàn)圖2)對(duì)指標(biāo)賦值。其中，集塵桶清潔難度由于在工業(yè)生產(chǎn)中屬于爆炸和抑爆混合粉塵，比較容易清理，所以三者都賦值為4；粉塵排出難度由于生產(chǎn)中磷酸二氫銨呈結(jié)晶體狀態(tài)，因此其排出難度要高于碳酸鈣和碳酸氫鈉，所以磷酸二氫銨賦值為3，碳酸鈣和碳酸氫鈉賦值為4；粉塵清除確認(rèn)難度由于在生產(chǎn)中屬于全自動(dòng)化掃描確認(rèn)，結(jié)合該試驗(yàn)后的狀態(tài)(見(jiàn)圖2)發(fā)現(xiàn)三者都屬于比較容易確認(rèn)清除的，因此三者均賦值為3；管道清潔難度由于碳酸鈣、碳酸氫鈉和磷酸二氫銨都屬于易潮解的，即易呈塊狀集結(jié)在管道內(nèi)部，結(jié)合該試驗(yàn)后的狀態(tài)(見(jiàn)圖2)發(fā)現(xiàn)磷酸二氫銨(抑爆后呈結(jié)晶體)屬于比較難清理的，因?yàn)樵谝直^(guò)程中與鋁粉結(jié)合成塊狀物質(zhì)附著在管道壁面，所以賦值為2，而碳酸鈣和碳酸氫鈉(抑爆后呈粉末狀)在試驗(yàn)過(guò)程中比較好清理，因此賦值為3；內(nèi)部清掃難度包括噴粉裝置表面清掃和抑爆裝置表面清掃等，磷酸二氫銨賦值為2，碳酸鈣和碳酸氫鈉均賦值為3。

表2　3種抑爆劑的環(huán)境毒理性質(zhì)Table 2　Properties of three kinds of explosion suppressants

圖2　3種鋁粉抑爆劑在20 L爆炸球試驗(yàn)后的狀態(tài)圖Fig.2　　　　State diagram of three kinds of explosion supp- ressants after the experiment in 20 L blast ball

(3) 前處理難度：抑爆劑的獲得難度由于碳酸鈣和碳酸氫鈉都易獲得，所以賦值為5，磷酸二氫銨屬于稍微易獲得，因此賦值為4；抑爆劑的預(yù)處理難度由于碳酸鈣在試驗(yàn)中預(yù)處理最簡(jiǎn)單，只需烘干，所以賦值為4，碳酸氫鈉在試驗(yàn)中易結(jié)塊，在實(shí)驗(yàn)室還需要輕微研磨且用粉體篩篩選，因此賦值為3，磷酸二氫銨在試驗(yàn)中需要研磨且用粉體篩篩選，因此賦值為2.5；抑爆劑的噴粉難度由于三者在試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)預(yù)處理后噴粉難度是一樣的，但結(jié)合現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中磷酸二氫銨噴粉難于碳酸鈣和碳酸氫鈉，所以磷酸二氫銨賦值為4，碳酸氫鈉和碳酸鈣賦值為5；抑爆劑與爆炸粉塵的混合度由于三者混合難易度相同，因此均賦值為3(0代表不混合，5代表完全混合)。

(4) 安全抑爆效果：結(jié)合不同濃度3種抑爆劑對(duì)鋁粉的抑爆效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3、表4和表5)對(duì)指標(biāo)賦值,“0”表示20 L爆炸球內(nèi)沒(méi)有發(fā)生爆炸，“1”表示20 L爆炸球內(nèi)發(fā)生爆炸。其中，最小點(diǎn)火能由于磷酸二氫銨抑爆所需最小點(diǎn)火能最大，所以賦值為4，碳酸鈣次之，賦值為2，碳酸氫鈉賦值為1；最大爆炸壓力由于在試驗(yàn)過(guò)程中爆炸壓力降低定值需加入10%的磷酸二氫銨，而碳酸鈣需加至40%，碳酸氫鈉需加至80%，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為1，碳酸氫鈉賦值為0.5；最大爆炸壓力上升速率由于試驗(yàn)過(guò)程中分別加入等量的磷酸二氫銨、碳酸鈣和碳酸氫鈉，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示磷酸二氫銨的最大爆炸壓力上升速率最小(鋁粉濃度為500 g/m3爆炸時(shí)最大爆炸壓力上升速率為24.9 MPa/s，加入磷酸二氫銨后其減小為4.98 MPa/s)，碳酸鈣和碳酸氫鈉的最大爆炸壓力上升速率相近但大于磷酸二氫銨(碳酸鈣為10.86 MPa/s，碳酸氫鈉為13.58 MPa/s)，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為2，碳酸氫鈉賦值為2；爆炸指數(shù)與最大爆炸壓力上升速率呈正比關(guān)系，因此磷酸二氫銨賦值為4，碳酸鈣賦值為2，碳酸氫鈉賦值為2。

表3　不同濃度的磷酸二氫銨對(duì)鋁粉的抑爆效果Table 3　　　　Effect of different concentration of ammonium dihydrogen phosphate on the explosion suppression of aluminum powder

表4　不同濃度的碳酸鈣對(duì)鋁粉的抑爆效果Table 4　　　　Effect of different concentration of calcium carbonate on the explosion suppression of aluminum powder

表5　不同濃度的碳酸氫鈉對(duì)鋁粉的抑爆效果Table 5　　　　Effect of different concentration of sodium bicarbonate on the explosion suppression of aluminum powder

(5) 運(yùn)行成本：抑爆劑成本由于碳酸鈣和碳酸氫鈉屬于同等價(jià)格，價(jià)格低廉，價(jià)格為30元/kg左右，所以兩者賦值為3，而磷酸二氫銨價(jià)格為40元/kg，所以賦值為2.25；噴粉系統(tǒng)成本由于磷酸二氫銨和碳酸氫鈉都具有水溶性，所以在噴粉系統(tǒng)中要維持干燥，而磷酸二氫銨后期難清理，碳酸氫鈉在高于50℃時(shí)開(kāi)始分解，因此要保持噴粉系統(tǒng)溫度低于50℃，所以碳酸氫鈉和磷酸二氫銨均賦值為2，碳酸鈣賦值為3；噴粉設(shè)備維護(hù)成本賦值同上，磷酸二氫銨賦值為2，碳酸鈣賦值為3；管理成本結(jié)合上述得出，碳酸鈣管理最簡(jiǎn)單，所以賦值為3，碳酸氫鈉和磷酸二氫銨管理成本類似，均賦值為2。

2. 2　鋁粉抑爆劑適用性能指標(biāo)的計(jì)算與評(píng)估

基于層次模型中各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)給各個(gè)指標(biāo)賦值并進(jìn)行適用性能計(jì)算，得到3種鋁粉抑爆劑適用性能一級(jí)指標(biāo)(B1～B5)值和綜合指標(biāo)值的對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)圖3。

圖3　3種鋁粉抑爆劑適用性能指標(biāo)的對(duì)比Fig.3　　　　Comparison of performance of three kinds of explosion suppressants

為了便于橫向?qū)Ρ?，?duì)3種鋁粉抑爆劑適用性能一級(jí)指標(biāo)按下式進(jìn)行計(jì)算[17]:

(1)

式中：ζ為性能指標(biāo)比對(duì)值(%)；A為一種鋁粉抑爆劑的性能指標(biāo)值；B為另一種鋁粉抑爆劑的性能指標(biāo)值。

由圖3，并結(jié)合公式(1)的計(jì)算結(jié)果可知，在環(huán)境毒理影響方面，碳酸鈣性能指標(biāo)值略高于磷酸二氫銨(高15.1%)，碳酸氫鈉性能指標(biāo)值最??；在后處理難度方面，碳酸鈣和碳酸氫鈉的性能指標(biāo)值最小(低22.4%)；在抑爆劑前處理難度方面，碳酸鈣性能指標(biāo)值略高于碳酸氫鈉和磷酸二氫銨，說(shuō)明在抑爆劑的獲取方面碳酸鈣比后兩者易獲取(高碳酸氫鈉7.0%，高磷酸二氫銨29.0%)；在安全抑爆效果方面，碳酸鈣和碳酸氫鈉的性能指標(biāo)值遠(yuǎn)低于磷酸二氫銨(碳酸鈣低61.7%，碳酸氫鈉低70.0%)，說(shuō)明前者的安全抑爆效果優(yōu)于后兩者；在運(yùn)行成本方面，碳酸鈣運(yùn)行成本最低(低磷酸二氫銨29.6%)。綜合3種鋁粉抑爆劑適用性能綜合評(píng)估結(jié)果表明，磷酸二氫銨的適用性能高于碳酸鈣和碳酸氫鈉(鋁粉抑爆劑適用性能綜合指標(biāo)值分別為3.680、3.011、2.413)。

3　結(jié)　論

本文綜合考慮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、安全抑爆效果和運(yùn)行成本，建立了鋁粉抑爆劑適用性能評(píng)估模型，并以典型的3種鋁粉抑爆劑為例進(jìn)行了應(yīng)用分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 基于專家打分計(jì)算得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重顯示，一級(jí)指標(biāo)層5個(gè)指標(biāo)因素中安全抑爆效果占主要影響作用，其次是環(huán)境毒理影響、運(yùn)行成本、前處理難度和后處理難度；通過(guò)對(duì)比二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重大小可知，最大爆炸壓力最重要，其次是爆炸指數(shù)和毒害性，粉塵清除確認(rèn)難度和預(yù)處理難度的影響最小。

(2) 綜合考慮3種鋁粉抑爆劑的適用性能指標(biāo)可以得出，在工業(yè)生產(chǎn)中鋁粉抑爆劑磷酸二氫銨的適用性能高于碳酸鈣和碳酸氫鈉(鋁粉塵抑爆劑適用性能指標(biāo)綜合值分別為3.680、3.011、2.413)。

(3) 基于行業(yè)專家打分，計(jì)算不同的標(biāo)度矩陣及指標(biāo)權(quán)重，本模型也適用于其他涉粉行業(yè)抑爆劑的評(píng)估與選取。

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