铝粉遇水燃烧爆炸危险性的实验研究

邢 婧， 毕 跃， 崔 瀚

(1.沈阳工学院 能源与水利学院， 辽宁 抚顺 113122；2.沈阳铝镁设计研究院有限公司 公用工程室， 沈阳 110000)

0 引 言

铝粉遇水潮湿易发生火灾爆炸事故。近年来，铝粉企业事故频发。2014年8月2日7时34分，位于江苏省苏州市昆山市昆山经济技术开发区的昆山中荣金属制品有限公司抛光二车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故，当天造成75人死亡、185人受伤。事故直接原因为除尘器集尘桶锈蚀破损，桶内铝粉受潮，发生氧化放热反应，达到粉尘云的引燃温度，引发除尘系统及车间的系列爆炸[1]。2015年3月20日，辽宁省大石桥市永安镇的周建良炼铝厂发生了火灾和爆炸事故。事故的直接原因也是铝粉自燃，后引发火灾，在消防员救火的过程中发生粉尘爆炸，造成消防员1死7伤[2]。诸如此类铝粉遇水后产生的火灾爆炸事故还有很多，此类事故由于不能使用水、二氧化碳等常用灭火器灭火，增加了灭火工作的难度。因此，研究铝粉遇水后的燃烧规律，实现有效预防具有重要意义。

国内外学者对铝粉遇水的反应机理进行了比较深入的研究。Deng等[3-4]提出的铝水反应模型认为，金属Al表面有一层致密的氧化物膜，使得内部的Al不能与水直接反应。当Al颗粒与水接触时，其表面氧化物层首先将发生水合反应。上海大学盖伟卓[5]研究了纯度较高的铝粉在常温常压的条件下和去离子水反应产生氢气的特性。上海出入境检验检疫局的赵颐晴[6]研究了铝粉遇水放气的危险性，得出铝粉与常温水不反应，当水温大于70 ℃时发生反应，温度不同，反应过程也不相同。南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心的刘冠鹏等应用纳米铝粉与水反应制备燃料。

目前对常温铝粉与水反应机理或燃爆特性研究较多，对于高温铝粉与水反应以及作为冶金、化工、建筑、军事等方面常见原料的铝镁合金粉与水反应的研究几乎为空白。为了揭示铝粉遇水后火灾爆炸的危险性及规律，为铝粉遇水后的火灾爆炸事故的预警、探测以及控制系统的研制提供理论依据，笔者将在常压、密闭的实验条件下，研究粉尘粒径、温度对铝粉和合金铝粉与水反应程度的影响。

1 实 验

1.1 实验装置

本实验采用的装置如图1所示。该装置具有良好的密封性，以玻璃罩形成密闭空间模拟企业厂房或仓库。玻璃罩尺寸为450 mm×450 mm×520 mm，容积为105 L，结构为五面无底玻璃罩。玻璃罩中除去实验装置剩余容积约为100 L。实验采用收集气体的方式测得某位置的氢气浓度，根据该值计算反应产生氢气速度。由于铝水反应只产生氢气，因此，铝水反应的进展可以由产生的氢气量来表征。在氢气散播均匀的前提下，测得一点的数据，来近似代替整个密闭空间的氢气体积分数。通过氢气检测仪测得氢气体积分数，在已知容积的前提下，便可以算出产生氢气的总量。本实验可以控制进物料量和进水量，做到定量达到实验要求。

图1 实验装置Fig. 1 Experimental apparatus

1.2 实验方法

本实验是在常压条件下进行的，故不设置泄压孔。玻璃罩左端连接进水管，进水端含有两个阀门，阀门1控制水进入或停止，阀门2控制水流速。玻璃罩内部放置长350 mm、高280 mm的不锈钢架子。架子上放置投料装置，以圆盘圆心为中心被平均分为8个45°的扇形，其中一个扇形可以漏料，匀速转动铁杆，可达到均匀进料的效果。

实验容器为容量2 L的烧杯。烧杯底部使用加热器控制加热平台温度，以达到实验要求。烧杯内使用氢气检测仪测定集气罩内各位置的氢气浓度。实验原材料为5瓶铝粉，分别为铝镁合金粉﹑片状铝粉﹑氮冲铝粉﹑113～180 μm铝粉﹑113 μm铝粉。

2 结果分析

2.1 起始温度分析

在实验装置中加入400 mL的25 ℃常温水，然后投入113 μm铝粉，采用水浴加热的方式，测试113 μm铝粉与水反应起始温度。

在实验过程中，氢气检测仪的数值一直为0，证明没有氢气产生。当烧杯内的温度达到79 ℃时，氢气检测仪出现数值，立即降低平台温度，尽量保持烧杯内温度基本不变，观察实验现象。由于氢气检测仪是吸收气体后测试氢气的体积分数，需要约20 s的反应时间。在热流数据采集仪上查出对应时间所在温度，其温度大约为73 ℃，故推算113 μm铝粉与73 ℃的水开始发生反应。在1 067 s后，反应基本停止，氢气检测仪最大值为837.6×10-6，远远没有达到氢气的爆炸下限，说明氢气体积分数不高，没有爆炸危险，可被人们接受。在实际生产储存铝粉过程中，应设置温度监控装置，当高温水喷射到铝表面时，应停止高温水泄露或采用迅速冷却铝粉，使得氢气产生的速度下降，防控火灾事故发生。

2.2 常温铝粉与75 ℃水反应

通过实验模拟常温情况下，不同类型铝粉受潮导致燃烧爆炸反应情况。

将10 g 113 μm铝粉、10 g氮冲铝粉、10 g 113～180 μm铝粉、铝镁合金粉通过进料端分别加入到75 ℃的400 mL水中，热电偶分别接触加热平台和烧杯，观察烧杯内反应现象并记录氢气检测仪的数据。

4种铝粉与75 ℃水反应产生氢气情况的实验数据对比情况，如图2所示。

图2 4种铝粉与75 ℃水反应产生的氢气曲线Fig. 2 Hydrogen curves generated by reaction of 4 kinds of aluminum powder with water at 75 ℃

通过观察氢气检测仪发现氮冲铝粉反应速度最快，在187 s氢气体积分数达到1 000×10-6，同时反应没有下降的趋势，氢气体积分数很有可能达到4 000×10-6，在这种状态下，不能被人们接受。与氮冲铝粉对比，铝镁合金粉总体反应速度很快，但是当氢气体积分数达到1 000×10-6后速度有下降趋势。113～180 μm铝粉与113 μm铝粉与水反应速度都较慢，氢气检测仪没有发生爆表现象。这说明铝粉与水反应的速度与铝粉粒径大小有关，粒径越小、比表面积更大，反应更剧烈，更应该在生产储存过程中给与关注。

2.3 高温铝粉与常温水反应

通过实验模拟铝粉燃烧时，用水灭火使燃烧爆炸进一步扩大的情况。

将10 g 113 μm铝粉、10 g氮冲铝粉、10 g 113～180 μm铝粉、铝镁合金粉分别加入烧杯后通过加热平台加热，将烧杯温度升高至150 ℃，然后加入400 mL的常温水，观察烧杯内反应现象并记录氢气检测仪的数据。

通过这4组实验得到4种高温铝粉与常温水反应产生氢气情况的数据如图3所示。

图3 4种高温铝粉与水反应产生的氢气曲线Fig. 3 Curves of hydrogen produced by reaction of four high-temperature aluminum powders with water

4组150 ℃铝粉与水反应过程中氢气检测仪全部爆表，氢气体积分数达到1 000×10-6，说明铝粉在加热后活性大大提高。氮冲铝粉由于较113 μm铝粉和113～180 μm铝粉相比粒径小，活性最高，最先爆表。同时在生产过程中是用氮气吹出，氧化程度低，而113～180 μm和113 μm铝粉是空气吹出，氧化程度高，氮冲铝粉更容易与水反应。铝镁合金粉前期反应速度最慢，最后爆表，在反应前期水面形成银白色物质，在反应中期向上形成巨大凸起薄层，可见铝镁形成的氧化膜更加致密，在反应后期薄层逐个破裂，反应速度加快，氢气量迅速增加，在薄层破裂后，氢气产生量的速度迅速增加。分析原因主要是铝镁合金粉与水反应时，生成的氢氧化镁和氢氧化铝能进一步反应生成溶于水的偏铝酸盐，使得镁铝粉不断地与水发生剧烈反应，产生氢气和大量的热。因此，铝镁合金粉的生产、储存存在更大的安全隐患。当高温铝粉与水反应时，反应时间持久，氢气产生的速度快，具有危险性，在铝粉发生火灾爆炸事故的时候，严禁用水灭火。

3 结 论

(1)73 ℃为113 μm铝粉与水反应的初始温度。在常低温状态下，铝粉与水不发生反应。

(2)铝粉粒径越小，比表面积越大，反应更加剧烈。

(3)铝镁合金粉与水反应是先慢后快，当氢气冲破铝镁合金粉氧化膜后，反应速度极快，因此铝镁合金粉的生产、储存存在更大的安全隐患。

(4)当铝粉被加热后与常温水反应危险性高于常温铝粉与高温水反应，且氢气产生量易达到氢气的爆炸下限，从而发生爆炸事故。