微米鋁粉在氫氣/水蒸氣氛圍下燃燒機制研究

前言

2014 年 8 月 2 日，昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故，共造成 97 人死亡、163人受傷，直接經(jīng)濟損失3. 51億元。

事故原因暴露出鋁粉在與氫氣、水蒸氣共存的環(huán)境中蘊含著巨大的爆炸危險，且一旦發(fā)生爆炸將會導(dǎo)致嚴重的后果。研究微米鋁粉在氫氣/水蒸氣氛圍下的燃燒機制及燃燒反應(yīng)路徑，對預(yù)以及減少鋁粉塵爆炸事故具有重要意義。

為探究鋁制品在生產(chǎn)加工過程中蘊含的氣粉兩相體系爆炸風(fēng)險，揭示鋁粉在潮濕環(huán)境下燃燒機制，基于軟件模擬微米鋁粉在氫氣/水蒸氣氛圍下微觀反應(yīng)進程。

通過改變水蒸氣與空氣的摩爾比，分析水蒸氣含量對燃燒溫度敏感性的影響，以及對關(guān)鍵自由基的摩爾分數(shù)和最大生成速率的影響。結(jié)果表明: 基于溫度敏感性分析，發(fā)現(xiàn)水蒸氣含量的增加會降低微米鋁粉平衡時的燃燒溫度。

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型構(gòu)建

鋁粉燃燒過程中的許多重要問題依賴于對其中化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的理解，如火焰溫度的變化、關(guān)鍵自由基摩爾分數(shù)及生成速率的變化等。因此，需要建立微米鋁粉在氫氣/水蒸氣氛圍下燃燒的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型。

氣相燃燒模型假設(shè)

微米鋁粉( μAl) 氣相燃燒模擬均利用 Chemkin軟件中的零維封閉全混同性反應(yīng)器實現(xiàn)。該反應(yīng)器可忽略其他因素帶來的熱量損失，使得產(chǎn)生的熱量全部集中于生成燃燒產(chǎn)物上。利用該反應(yīng)器模擬計算 μAl 在氫氣/水蒸氣氛圍下氣相燃燒過程，運用敏感性分析法研究水蒸氣含量對 μAl 燃燒溫度的影響; 運用生成速率分析法研究水蒸氣含量對 μAl 關(guān)鍵自由基摩爾分數(shù)的影響。

對于直徑在 10 μm 以下的鋁粉顆粒，其燃燒時間在0. 032 s以下，可認為是瞬間燃燒，即其燃燒時間遠小于其氧化膜形成的時間，可認為μAl氣化的相變反應(yīng) Al( s) →Al( g) 為一步反應(yīng)，所以只考慮 Al( g) 與水蒸氣、氫氣、氧氣的反應(yīng)。

將化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型應(yīng)用于研究 μAl 在氫氣/水蒸氣氛圍下氣相燃燒的微觀反應(yīng)進程前，需驗證其有效性由于涉及 μAl 在氫氣/水蒸氣氛圍下燃燒的計算模型結(jié)果較為匱乏，因此，選用HUANG Ying，ＲISHA G A，YANG V，et al． Analysis of nano-aluminum particle dust cloud combustion in different oxidizer environments［C］． 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2005: DOI: 10. 2514 /6. 2005－738的研究結(jié)果進行對比。

從圖1可以看出，模型計算結(jié)果與預(yù)測結(jié)果總體上一致性較好，其中，主要組分摩爾分數(shù)預(yù)測結(jié)果的差異是由于使用的熱力學(xué) 數(shù)據(jù)不同所導(dǎo)致。說明建立的模型可用于 μAl 在氫氣/水蒸氣氛圍下氣相燃燒的計算模擬。

燃燒溫度分析

水蒸氣含量對 μAl 燃燒溫度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，當水蒸氣與空氣的摩爾比為 1 ∶ 10、2 ∶ 10、3 ∶ 10、4 ∶ 10、5 ∶ 10 時，燃燒溫度達平衡狀態(tài)時分別為 3 340、3 320、3 300、3 290、3 270 K，呈現(xiàn)下降的趨勢。這是由于 μAl 會同時與氧氣、水蒸氣反應(yīng)，隨著水蒸氣含量的增加，氧氣的含量相對減少，從而導(dǎo)致 μAl 和氧氣的碰撞概率下降; 而 μAl 與氧氣燃燒反應(yīng)所放出的熱量多于 μAl 與水蒸氣燃燒反應(yīng)所放出的熱量，且燃燒更加劇烈。因此，導(dǎo)致平衡時燃燒溫度隨著水蒸氣含量增加而下降。

溫度敏感性分析

敏感性系數(shù)是溫度敏感性的重要指標，敏感性系數(shù)為正表示基元反應(yīng)促進升溫，反之，基元反應(yīng)抑制升溫。在水蒸氣與空氣摩爾比為 1 ∶ 10、3 ∶ 10、 5 ∶ 10的組分下，μAl 燃燒溫度的敏感性分析如圖3所示。由圖3可知: 影響 μAl 燃燒溫度的關(guān)鍵基元反應(yīng)為R23和 R32.