錳金屬粉塵最小點(diǎn)火能量實(shí)驗(yàn)研究

鄧越洋

摘要：為了研究錳金屬粉塵的最小點(diǎn)火能， 在實(shí)驗(yàn)室濕度為40～60%、溫度為20～32℃的條件下，以粒徑范圍1.13～138um的錳粉為研究對(duì)象，利用1.2L哈特曼實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)錳粉進(jìn)行最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在設(shè)定錳粉質(zhì)量為0.6g，噴涂壓力為100kPa時(shí)，進(jìn)行不同點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)錳粉塵云最小點(diǎn)火能影響實(shí)驗(yàn)，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì);在設(shè)定質(zhì)量濃度為0.836g/L及點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms時(shí)，進(jìn)行不同噴涂壓力對(duì)錳粉塵云最小點(diǎn)火能影響實(shí)驗(yàn)，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能隨著噴涂壓力的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，400kPa為錳粉塵云的最佳分散壓力值;進(jìn)行不同質(zhì)量濃度的錳粉對(duì)錳粉塵云最小點(diǎn)火能影響實(shí)驗(yàn)，設(shè)定噴涂壓力300kPa及點(diǎn)火延遲時(shí)間100ms時(shí)，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，錳粉云燃燒爆炸的最敏感濃度在1～1.25g/L之間。

關(guān)鍵詞：錳粉;最小點(diǎn)火能;最佳分散壓力;最敏感濃度

Abstract： In order to study the minimum ignition energy of manganese metal dust， under the condition of laboratory humidity of 40～60% and temperature of 20～32℃， 1.2L Hartmann experiment device is used to conduct the minimum ignition energy experiment of manganese powder with particle size range of 1.13～138um as the research object. The results show that when the mass of manganese powder is set at 0.6g and the spraying pressure is 100kPa， the influence of different ignition delay times on the minimum ignition energy of manganese dust cloud is tested. The minimum ignition energy of manganese dust cloud decreases first and then increases with the increase of ignition delay time. When the mass concentration is set at 0.836g/L and the ignition delay time is set at 100ms， the influence of different spraying pressures on the minimum ignition energy of manganese dust cloud is tested. The minimum ignition energy of manganese dust cloud first decreases and then increases with the increase of spraying pressure. 400kPa is the best dispersion pressure value for manganese dust cloud. When spraying pressure is set at 300kPa and ignition delay time is set at 100ms， the minimum ignition energy of manganese dust cloud decreases first and then increases with the increase of dust mass concentration. The most sensitive concentration of manganese dust cloud combustion explosion is between 1g/L and 1.25g/L.

0? 引言

錳粉是重要的、必不可少的工業(yè)原材料，被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)藥、不銹鋼冶煉等領(lǐng)域。在錳粉的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生錳金屬粉塵云，一旦與合適的能量接觸，很有可能發(fā)火災(zāi)爆炸，最小點(diǎn)火能是指能夠引起粉塵云燃燒或爆炸的最小火花能量，是判斷粉塵形成粉塵云危險(xiǎn)性的參數(shù)指標(biāo)。在一些特殊條件下，無(wú)論是非金屬粉塵或金屬粉塵在一定能量的作用下，可能就成很嚴(yán)重的后果，如昆山市中榮的鋁金屬粉塵及驪驊淀粉企業(yè)的爆炸事件。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)金屬粉塵最小點(diǎn)火能進(jìn)行了相應(yīng)的研究，文獻(xiàn)[1-2]研究了點(diǎn)火能的敏感程度范及主要影響因素;文獻(xiàn)[3-7] 研究了不同粉塵爆炸測(cè)試裝置對(duì)最小點(diǎn)火能及不同的對(duì)象之間點(diǎn)火能的特征及影響規(guī)律;李恩科等[8]對(duì)糧食粉塵的爆炸過(guò)程、特點(diǎn)及爆炸條件進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的控制措施。在前人的研究基礎(chǔ)上對(duì)錳粉塵的點(diǎn)火能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以圖對(duì)錳金屬粉塵的加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生爆炸事故的預(yù)防提供有參考意義實(shí)驗(yàn)數(shù)值。

1? 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置、方法

1.1.1 粉塵云最小點(diǎn)火能試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用裝置為1.2L哈特曼管裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

1.1.2 供氣設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用的供氣設(shè)備采用直連式空氣壓縮機(jī)如圖2所示。設(shè)備為實(shí)驗(yàn)提供壓縮空氣。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)原理及方法

最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)方法是選定的點(diǎn)火能點(diǎn)燃錳粉若火焰離開(kāi)火花位置傳播大于60mm則認(rèn)為著火，然后用減半的逐步逼近法降低點(diǎn)火能直到連續(xù)10次未點(diǎn)火的點(diǎn)火能E1和連續(xù)10次著火的點(diǎn)火能E2。錳粉的最小點(diǎn)火能Emin介于E1和E2之間。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

①樣品的選取。用電子秤稱量實(shí)驗(yàn)需要用到的錳粉，因?yàn)椴恢蟾哦嗌?，所以隨機(jī)選取樣品質(zhì)量，但必須保證設(shè)備安全，于是選取3.6g質(zhì)量做一次實(shí)驗(yàn)。開(kāi)啟空壓機(jī)，準(zhǔn)備好噴涂所需要的氣源。

②將之前稱好的錳粉用藥勺將其放入裝載粉塵的圓筒擴(kuò)散器的邊緣并將其縫隙密封。

③安裝哈特曼管于底座上，并調(diào)整好電極的間距和位置，保證電極在管中的位置滿足實(shí)驗(yàn)要求。

④啟動(dòng)電源，設(shè)定噴涂壓力為200kPa，錳粉的最小點(diǎn)火能設(shè)置80mJ，點(diǎn)火延遲時(shí)間100ms進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)有無(wú)著火現(xiàn)象。

⑤第一次實(shí)驗(yàn)并未著火，于是增大噴涂壓力，設(shè)置噴涂壓力為300kPa，控制其他參數(shù)不變，然后重復(fù)操作，實(shí)驗(yàn)最終確定0.6g錳粉質(zhì)量為最佳的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，反應(yīng)的煙霧小，產(chǎn)物易于清理，數(shù)據(jù)方便計(jì)算。

⑥如果實(shí)驗(yàn)沒(méi)著火，則每次增大點(diǎn)火能20mJ直到著火及連續(xù)10次實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)著火。

⑦如果著火，則逐漸降低點(diǎn)火能，每次降10mJ，找到連續(xù)10次實(shí)驗(yàn)均不著火時(shí)對(duì)應(yīng)的能量。

⑧E1（連續(xù)10次實(shí)驗(yàn)均未著火的最大點(diǎn)火能）和E2（連續(xù)10次實(shí)驗(yàn)均著火的最小點(diǎn)火能）之間的值為最小點(diǎn)火能Emin，即E1

⑨重復(fù)②～⑥的實(shí)驗(yàn)操作步驟，并且改變點(diǎn)火延遲時(shí)間，點(diǎn)火延遲時(shí)間分別設(shè)定為為20ms、50ms、80ms、110ms、140ms、170ms測(cè)定該粒徑錳粉相對(duì)應(yīng)條下的最小點(diǎn)火能。

⑩重復(fù)②～⑥的實(shí)驗(yàn)操作步驟，設(shè)定點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms，錳粉質(zhì)量為0.6g，改變噴涂壓力，噴涂壓力分別設(shè)定為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa時(shí)測(cè)定該粒徑錳粉相對(duì)應(yīng)條件下的最小點(diǎn)火能。

{11}重復(fù)②～⑥的實(shí)驗(yàn)操作步驟，設(shè)定噴涂壓力為300kPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms，改變粉塵的質(zhì)量濃度，稱取錳粉質(zhì)量分別為0.30g、0.60g、0.90g、1.20g、1.50g、1.80g對(duì)應(yīng)1.2L哈特曼管的濃度分別為0.250g/L、0.500g/L、0.750g/L、1.000g/L、1.500g/L。測(cè)定該粒徑錳粉相對(duì)應(yīng)條件下的最小點(diǎn)火能。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品與環(huán)境條件

錳粉實(shí)驗(yàn)樣品，購(gòu)買于山東省錳粉零售商，錳粉純度99%，粒徑范圍為1.13～186um，在實(shí)驗(yàn)室濕度為40～60%、溫度為20～32℃的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，錳粉在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)烘箱60℃干燥24h。

2? 結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)錳粉最小點(diǎn)火能的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定錳粉質(zhì)量恒定為0.6g，噴涂壓力恒定為100kPa，分別設(shè)定點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)錳粉最小點(diǎn)火能的影響，點(diǎn)火延遲時(shí)間分別設(shè)定為20ms、50ms、80ms、110ms、140ms、170ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

將表1繪制直線圖方便觀察它們之間的關(guān)系。如圖5所示。

由圖5趨勢(shì)圖可知在同等條件下，隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的增大，錳粉的最小點(diǎn)火能先減少再增大，但是變化的幅度基本不大。在20～170ms點(diǎn)火延遲時(shí)間內(nèi)，錳粉的最小點(diǎn)火能呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但是波動(dòng)的幅度基本在70mJ和85J之間，只要錳粉最小點(diǎn)火能大于85mJ，在100kPa噴涂壓力和0.6g質(zhì)量的前提之下，錳粉都會(huì)成功著火。

2.2 噴涂壓力對(duì)錳粉最小點(diǎn)火能的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別采用不同的噴涂壓力研究對(duì)錳粉最小點(diǎn)火能的影響，噴涂壓力分別設(shè)定為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，固定錳粉的質(zhì)量濃度為0.836g/L，即1.00g質(zhì)量的錳粉，及點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由圖6可知在同等的條件下，錳粉的最小點(diǎn)火能隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間先減小后增大，但是變化的幅度不是很大，在分散壓力為100kPa時(shí)，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能最大，最大為82.1J，在以100kPa增加的基礎(chǔ)上，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能開(kāi)始逐漸遞減，當(dāng)噴涂壓力為400Pa時(shí)，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能最低，數(shù)值為47.5mJ左右。當(dāng)分散壓力達(dá)到500kPa時(shí)最小點(diǎn)火能又開(kāi)始升高，數(shù)值為57.5mJ。由此可見(jiàn)，400kPa為錳粉塵云的最佳分散壓力值。

由此可知，400kPa是錳粉塵云的最佳分散壓力值，此時(shí)的粉塵分布相對(duì)均勻，密度最大，所需的點(diǎn)火能最小。粉塵依靠壓縮空氣擴(kuò)散形成粉塵云，哈特曼管中的粉塵云濃度的性成分與噴涂壓力具有一定的聯(lián)系。當(dāng)噴涂壓力小于400kPa時(shí)，粉塵云的湍流度隨著噴涂壓力的增加而提高，粉塵擴(kuò)散越均勻，分布在電極周圍的粉塵云濃度越來(lái)越大，所以粉塵云更容易被點(diǎn)燃，即所需點(diǎn)火能不斷降低。當(dāng)噴涂壓力大于400kPa時(shí)，粉塵云的湍流度隨著噴涂壓力的增加而增加，錳粉顆粒流快速地將一部分能量帶離粉塵云燃燒區(qū)域電極，減少燃燒的熱量，同時(shí)由于風(fēng)速大就成錳粉顆粒距離增大，火焰、能量傳播難度加大，導(dǎo)致錳粉點(diǎn)火能增加。

2.3 質(zhì)量濃度對(duì)錳粉最小點(diǎn)火能的影響

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定噴涂壓力為300kPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms，粉塵質(zhì)量濃度分別設(shè)定為0.250g/L、0.500g/L、0.750g/L、1.000g/L、1.250g/L、1.500g/L對(duì)粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在設(shè)定的條件下，錳粉的敏感濃度介于1～1.25g/L之間，即1.2～1.5g錳粉之間。在錳粉的濃度為0.25g/L時(shí)反應(yīng)現(xiàn)象不太明顯，反應(yīng)所需的最小點(diǎn)火能最高，甚至達(dá)到123mJ左右，由此可推測(cè)原因是管內(nèi)形成的粉塵云太小，點(diǎn)火能量過(guò)低不足以使粉塵云點(diǎn)燃發(fā)生爆炸，而當(dāng)粉塵濃度達(dá)到1g/L時(shí)，粉塵云在管內(nèi)剛好達(dá)到飽和，此時(shí)，粉塵云所需要的能量相應(yīng)降低，但隨著粉塵質(zhì)量增加，1.2L管內(nèi)質(zhì)量達(dá)到過(guò)余，粉塵過(guò)多對(duì)粉塵的最小點(diǎn)能的影響也越來(lái)越小，最小點(diǎn)火能趨于一個(gè)恒定的常數(shù)。

3? 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室濕度為40～60%、溫度為20～32℃，粒徑范圍為1.13～138um的條件下，利用1.2L哈特曼實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)錳粉進(jìn)行最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

①在設(shè)定錳粉質(zhì)量恒定為0.6g，噴涂壓力為100kPa的前提下，在進(jìn)行不同點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)錳粉塵云最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)中，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì);

②在設(shè)定質(zhì)量濃度為0.836g/L及點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms的前提下，在進(jìn)行不同噴涂壓力對(duì)錳粉塵云最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)中，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能隨著噴涂壓力的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，400kPa為錳粉塵云的最佳分散壓力值;

③在進(jìn)行不同質(zhì)量濃度的錳粉對(duì)錳粉塵云最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)中，在設(shè)定噴涂壓力300kPa及點(diǎn)火延遲時(shí)間100ms的前提下，錳粉塵云的最小點(diǎn)火能隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，錳粉云燃燒爆炸的最敏感濃度在1～1.25g/L之間。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rolf K.Eckhoff， Eelend Randeberg.Electrostatic spark ignition of sensitive dust clouds of MIE<1mJ[J]. Loss Prevention in the Process Industries， 2007， 20（3）： 396-401.

[2]劉鐳.粉塵最小點(diǎn)火能測(cè)試方法及影響因素研究[D].太原：中北大學(xué)，2007.

[3]黃麗媛，曹衛(wèi)國(guó)，徐森，等.石 松 子 粉 最 小 點(diǎn) 火 能 試 驗(yàn) 研究[J].爆破器材，2012（5）：9-16.

[4]畢明樹(shù)，王洪雨.甲烷-煤塵復(fù)合爆炸威力實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008（7）：784-788.

[5]李新光，董洪光，RADANDT S，等.粉塵云最小點(diǎn)火能測(cè)試方法的比較與分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，25（1）： 44-47.

[6]PROUST C，ACCORSI A，DUPONT L. Measuring the violence of dust explosions with the "20 L Sphere" and withthe standard "ISO 1m3Vessel" systematic comparisonand analysis of the discrepancie[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2007， 20（4/6） ： 599 -606.

[7]PROUST C. A few Fundamental aspects about ignition andflame propagation in dust clouds [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2006， 19（2/3）： 104-120.

[8]李恩科，石焱.糧食粉塵爆炸及防治技術(shù)的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2007，32（4）：92-95.

[9]中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì).GB/T 16428—1996，粉塵云最低著火溫度測(cè)定方法[S].1996.