鈦粉塵的最小引燃溫度

董海佩，程貴海，李曉泉，徐中慧，張勤彬

（1.廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院，廣西南寧 530004； 2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽 621010）

對粉塵最小引燃溫度（Tmin）的研究分為粉塵云最小引燃溫度（Tc，min）和粉塵層最小引燃溫度（Tl，min）2個部分。工業(yè)生產(chǎn)中，處于粉塵云或粉塵層狀態(tài)下的粉塵，若達(dá)到最小引燃溫度，很有可能發(fā)生燃燒，進(jìn)而發(fā)展成火災(zāi)，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。如Monsanto公司由于磨機(jī)內(nèi)部件高溫導(dǎo)致粉塵云著火發(fā)生橡膠摻加劑粉塵爆炸事故[1]。Krause等[2]提出設(shè)備表面溫度過高引起粉塵層著火是德國30%以上的粉塵爆炸事故發(fā)生的原因。關(guān)于粉塵云最小引燃溫度的研究中，Griesche等[3]提出粉塵云在加熱爐內(nèi)滯留時間越長，測得最小引燃溫度越低；Krause等[4]和Conti等[5]提出大部分粉塵云最小引燃溫度隨著粒徑增加而增加；Cassel等[6]、MittaL 等[7]和 Yuan等[8]提出粉塵粒子最小引燃溫度的預(yù)測模型；張俊燕等[9]提出煤粉塵云引燃溫度與質(zhì)量濃度、噴塵壓力的函數(shù)關(guān)系式；張金峰等[10]提出最小引燃溫度隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加先減小后增大；Addai等[11]、Dufaud等[12]對混合粉塵云的引燃溫度進(jìn)行了研究；Janès 等[13]、Addai等[14]提出惰性粉塵使粉塵云的引燃溫度增大。關(guān)于粉塵層最小引燃溫度的研究中，Wu等[15]提出粉塵云引燃溫度隨氧氣摩爾分?jǐn)?shù)增大而減小；Krause等[2]提出了粉塵層在恒溫?zé)岜砻婕訜釙r非穩(wěn)態(tài)著火的邊界條件；張茂增等[16]提出煤粉塵層最小引燃溫度低于粉塵云的最小引燃溫度；Danzi等[17]提出可燃粉塵層與粉塵云的最小引燃溫度會因惰性粉塵的存在而增大，而粉塵層最小引燃溫度增幅更顯著。

鈦粉在粉末冶金等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，研究鈦粉最小引燃溫度，對工業(yè)生產(chǎn)中預(yù)防鈦粉塵爆炸意義重大。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置

粉塵云引燃溫度測試裝置為G-G爐，其結(jié)構(gòu)圖見圖 1。粉塵質(zhì)量分別選取 0.01、0.02、0.03、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1 g，噴塵壓力分別選擇 2、3、5、10、20、30、50 kPa，將不滿足10次未出現(xiàn)著火的最低溫度記為粉塵云引燃溫度，將某一粒徑在不同質(zhì)量濃度下測得的最低值記為粉塵云最小引燃溫度[19]。

圖1 G-G爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch map of godbert-grenwald furnace

粉塵層引燃溫度測試裝置如圖2所示。考慮到在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，堆積的鈦粉塵層通常不會超過5 mm，因此選取厚度為5 mm的金屬環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。記錄試驗(yàn)現(xiàn)象為著火的最小設(shè)定溫度為粉塵層最小引燃溫度。

圖2 粉塵層引燃溫度裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch map of Tl，mintesting apparatus

1.2 原料與環(huán)境

以粒徑分別為 18、25、38、48、74 μm 的球形鈦粉作為實(shí)驗(yàn)樣品。為防止鈦粉氧化、受潮，實(shí)驗(yàn)開始前將鈦粉進(jìn)行真空包裝保存。實(shí)驗(yàn)在濕度為40%～60%、溫度為25～30℃的環(huán)境下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴塵壓力對鈦粉塵云的影響

取中位粒徑為18 μm的鈦粉0.1 g，因加熱爐容積為0.22 L，可求得鈦粉質(zhì)量濃度約為455 g/m3。將噴塵壓力依次設(shè)為 3、5、10、20、30、50 kPa，記錄鈦粉塵云引燃溫度，結(jié)果見表1。

表1 不同噴塵壓力的鈦粉塵云引燃溫度Tab.1 Tcfor titanium powder of different spray pressure

由表可知，在鈦粉粒徑和質(zhì)量濃度固定的情況下，粉塵云引燃溫度隨著噴塵壓力的增加無明顯變化。這是由于一方面隨著噴塵壓力增加，會帶入更多氧氣，使加熱爐內(nèi)氧氣含量增加，鈦粉顆粒更容易被點(diǎn)燃，引燃溫度應(yīng)當(dāng)降低；另一方面，隨著噴塵壓力增加，也會帶入更多冷空氣，使加熱爐內(nèi)的溫度下降到低于設(shè)定溫度的值。除此之外，鈦粉顆粒因受到更強(qiáng)的吹力，運(yùn)動速率上升，在加熱爐內(nèi)停留時間縮短，更加不易被引燃，故引燃溫度應(yīng)當(dāng)升高。在2個方面原因的共同影響下，噴塵壓力對鈦粉塵云引燃溫度影響不大。

為證實(shí)上述結(jié)論，取中位粒徑為74 μm的鈦粉1 g，質(zhì)量濃度為4 545 g/m3，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同噴塵壓力的鈦粉塵云引燃溫度Tab.2 Tcfor titanium powder of different spray pressure

由表可知，鈦粉塵云引燃溫度并未隨噴塵壓力增加發(fā)生明顯增加或規(guī)律性變化，證實(shí)了“噴塵壓力對鈦粉塵云引燃溫度影響不大”這一結(jié)論，因此，在后續(xù)試驗(yàn)中，可將噴塵壓力固定為10 kPa，探究鈦粉粒徑和質(zhì)量濃度對太粉塵云引燃溫度的影響。

2.2 質(zhì)量濃度對鈦粉塵云影響

固定鈦粉粒徑，將噴塵壓力設(shè)為10 kPa，按照國標(biāo)要求調(diào)整鈦粉質(zhì)量，即不同的鈦粉質(zhì)量濃度。更換5種鈦粉粒徑重復(fù)試驗(yàn)。下劃線數(shù)據(jù)為鈦粉質(zhì)量濃度敏感值及其對應(yīng)的鈦粉塵云最小引燃溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 質(zhì)量濃度對鈦粉塵云引燃溫度的影響Tab.3 Effect of mass concentration on Tcfor titanium powder

由圖可知，當(dāng)噴塵壓力固定為10 kPa時，隨著鈦粉質(zhì)量濃度的增大，鈦粉塵云引燃溫度先減小后增大。這是由于鈦粉質(zhì)量濃度較低時，鈦粉顆粒間距大，顆粒間傳熱需要較高的熱量。增大鈦粉質(zhì)量濃度使得單位體積內(nèi)參與反應(yīng)的鈦粉顆粒增大，顆粒間距減小，傳熱路徑縮短，導(dǎo)致反應(yīng)速率加快，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步傳遞給未著火的鈦粉顆粒，增大了火焰?zhèn)鞑サ乃俾剩虼蒜伔蹓m云引燃溫度減小；然而，當(dāng)質(zhì)量濃度大于敏感質(zhì)量濃度時，繼續(xù)增大鈦粉質(zhì)量濃度使氧氣含量相對不足，參與反應(yīng)的鈦粉顆粒反而減少。另一方面，過多的鈦粉顆粒易產(chǎn)生團(tuán)聚，從而降低比表面積，導(dǎo)致鈦粉塵云引燃溫度增大。

對圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。由表可知，點(diǎn)火能下限隨鈦粉質(zhì)量濃度的增加以二次函數(shù)的形式先增后減，擬合度R2＞90%，說明擬合效果很好。

表3 鈦粉塵云引燃溫度關(guān)于質(zhì)量濃度的擬合Tab.3 Fitting results of Tcfor titanium powder on concentration

2.3 鈦粉粒徑對粉塵云的影響

當(dāng)噴塵壓力取10 kPa時，鈦粉的質(zhì)量濃度敏感值和點(diǎn)火能下限隨鈦粉粒徑增加的變化規(guī)律如表4所示。

表4 不同粒徑下的鈦粉塵云最小引燃溫度Tab.4 Tc，minfor titanium powder of different particle sizes

由表可知，鈦粉塵云最小點(diǎn)燃溫度隨粒徑的增大以二次函數(shù)的形式增大。這是由于粒徑小的鈦粉顆粒比表面積較大，和氧氣接觸面積偏大，反應(yīng)速率更快，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步傳遞給未著火的鈦粉顆粒，增大了火焰?zhèn)鞑サ乃俾剩虼朔蹓m云最小引燃溫度較小。隨著鈦粉粒徑的增大，比表面積越來越小，和氧氣接觸的相對面積減小，反應(yīng)速率變慢，所需的最小引燃溫度隨之增大。

對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為Tc，min=0.025 93 d2+0.577 2 d+462.6，擬合度 R2=0.979 5＞90%，擬合結(jié)果很好。

2.4 粒徑和質(zhì)量濃度對鈦粉塵云的綜合影響

噴塵壓力為實(shí)驗(yàn)室自變量，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中并不存在，且對鈦粉塵云引燃溫度無明顯影響。而鈦粉的粒徑范圍、質(zhì)量濃度在工業(yè)生產(chǎn)中是可測、可控的。因此，本文對圖3中的25組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)為

擬合度為R2=0.995 3＞90%，擬合效果很好，擬合函數(shù)圖如圖4所示。

圖4 鈦粉粒徑、質(zhì)量濃度對鈦粉塵云點(diǎn)燃溫度的影響Fig.4 Effect of particle size and concentration on Tcfor titanium powder

2.5 粒徑對鈦粉塵層的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同粒徑的鈦粉塵層在厚度為5 mm時最小引燃溫度如表5所示。

表5 不同粒徑下的鈦粉塵層最小引燃溫度Tab.5 Tl，minfor titanium powder of different particle sizes

對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)為Tl，min=488.3-exp（d/-27.26）×115.3，其擬合度 R2=0.953 9＞90%，擬合效果很好。

鈦粉塵云與粉塵層的最小引燃溫度隨粒徑而變化的趨勢如圖5所示。由圖可以看出，相同粒徑的鈦粉塵層比鈦粉塵云的最小引燃溫度較低。這是由于粉塵層最小引燃溫度測試裝置的加熱板在到達(dá)設(shè)定溫度、充填鈦粉后持續(xù)加熱以保持恒溫，30 min或更長時間后無明顯自熱現(xiàn)象或粉塵層溫度已降至低于加熱板的溫度方可判定未引燃，鈦粉顆粒受熱時間較長，因此所需引燃溫度較低。而在粉塵云最小引燃溫度測試裝置中，鈦粉塵云在加熱爐內(nèi)停留時間極短，鈦粉顆粒受熱時間較短，因此所需引燃溫度較高。同時，鈦粉塵層最小引燃溫度隨其粒徑的增大而增大，然而其增幅相對于鈦粉塵云明顯減小。這是由于鈦粉的燃燒爆炸性受單位質(zhì)量鈦粉與氧氣接觸面積的影響，單位質(zhì)量的鈦粉顆粒云狀鈦粉顆粒與氧氣接觸的面積取決于顆粒比表面積，而鈦粉粒徑是其比表面積的重要影響因素，因此鈦粉塵云最小引燃溫度隨鈦粉粒徑的增大增幅較大。層狀鈦粉與氧氣的接觸面積依然受顆粒比表面積影響，但其影響程度遠(yuǎn)小于對云狀鈦粉的影響，因此粉塵層最小引燃溫度隨其粒徑的增大而增大，但其增幅較小。

圖5 鈦粉粒徑對最小引燃溫度的影響Fig.5 Effect of particle size on Tminfor titanium powder

3 結(jié)論

1） 中位粒徑分別為 18、25、38、48、74 μm 的球形鈦粉對應(yīng)的粉塵云最小引燃溫度分別為482、498、530、567、647℃，對應(yīng)的粉塵層最小引燃溫度分別為430、440、460、470、480 ℃。

2）鈦粉塵云最小引燃溫度隨噴塵壓力的增大無顯著變化，隨鈦粉質(zhì)量濃度的增大以二次函數(shù)的形式先減小后增大，隨鈦粉粒徑的增大以二次函數(shù)的形式增大。

3）相同粒徑下，鈦粉塵層最小引燃溫度低于鈦粉塵云最小引燃溫度。鈦粉塵層最小引燃溫度隨鈦粉粒徑的增大以指數(shù)函數(shù)的形式增大，但增幅遠(yuǎn)小于鈦粉塵云最小引燃溫度。