CN115032325A - 一种用于研究镁粉自燃的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究镁粉自燃的装置及方法。其中装置包括镁燃烧爆炸反应模块、监测模块、集成信息采集处理控制模块与装置清洁模块；研究镁粉自燃的方法包括步骤：一、设计镁粉自燃实验方案；二、通过所述的镁燃烧爆炸反应模块进行镁自燃实验；三、通过所述的监测模块进行镁粉自燃过程中的参数检测；四、通过所述的集成信息采集处理控制模块与装置清洁模块进行多次不同变量的镁粉自燃实验；五、综合处理所有实验数据，得出镁粉发生自燃的客观变化条件，以及各个因素对镁粉自燃影响。
Description
技术领域
本发明涉及镁粉自燃研究领域，具体涉及一种用于研究镁粉自燃的装置及方法。
背景技术
镁粉是我国镁行业近年最具代表性的镁深加工产品之一，由于镁属于活泼金属，所以其化学性质非常活泼，易与氧化剂反应，并且可以在常温下与空气中的水蒸气发生放热反应，生成氢气。镁粉具有易燃易爆、燃烧时产生高温和耀眼的白光的特征，所以镁粉在军工业和航天工业等科技领域中都有广泛应用。炼钢业及有色金属铸造中，用镁粉做脱硫剂、净化剂，在稀有金属生产中做还原剂。在化学工业中，镁粉可做为喷、涂、防腐行业中用途越来越大，在单晶硅、多晶硅以及冶金粉末压铸方面用量也很大。
镁粉自燃造成的爆炸事故时有发生，给人类带来经济损失，危及人民生命安全。目前关于镁粉自燃火灾爆炸机理方面的基础和实验研究甚少，也没有成系统、成体系的针对镁粉自燃的研究，镁粉自燃的条件尚未明确。镁粉燃烧时产生强烈的白光并放出高热，为爆炸性燃烧，常规的自燃研究装置与方法无法应用与镁粉自燃研究。所以亟需对镁粉自燃进行研究。
为了解决上述问题，本发明提供一种研究镁粉自燃的装置及方法，用于研究镁粉在受限空间内受潮自燃的各项参数(镁粉自燃的条件)，以制定更为精确的镁粉制造、存储、运输与使用的安全标准与安全技术规范。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为获得镁粉自燃的基本条件和各项参数提供一种用于研究镁粉自燃的装置及方法。本发明针对镁粉的燃烧爆炸特性设计了一套研究镁粉自燃的装置及方法，能够准确得出镁粉在不同湿度、温度条件下放置过程中的压力、氢气浓度、温度随时间变化的规律以及镁粉自燃时的层流火焰速度、火焰形貌等各项参数。
一种用于研究镁粉自燃的装置及方法。其中包括镁燃烧爆炸反应模块、监测模块、集成信息采集处理控制模块与装置清洁模块。
所述的镁燃烧爆炸反应模块包括空压机(1)、高压储气罐(2)、电磁阀(3)、样品仓(4)、脉冲喷嘴(5)、燃爆罐(6)与点火电极(16)，空压机(1)与高压储气罐(2)相连，高压储气罐(2)与样品仓(4)之间设有电磁阀(3)，通过信息采集处理控制总成(14)控制电磁阀(3)，样品仓(4)中的镁粉样品通过燃爆罐6底部中央的脉冲喷嘴(5)喷入燃爆罐(6)；
所述的监测模块包括激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)、氢气浓度传感器(9)、压力传感器(10)、温度传感器(11)、防爆玻璃窗口(12)与气、固两相湍流度监测装置(13)，激光器(7)与水蒸气光学探测器(8)设置在燃爆罐(6)罐体中部的同一高度上，激光器(7)发出的激光经过燃爆罐(6)内部射入水蒸气光学探测器(8)，水蒸气光学探测器(8)将信号传输到信息采集处理控制总成(14)得到燃爆罐(6)内的实时水蒸气浓度，氢气浓度传感器(9)设置在燃爆罐(6)的中部，压力传感器(10)与温度传感器(11)分别设置于燃爆罐(6)的顶部，防爆玻璃窗口(12)设置在燃爆罐(6)的中部，气、固两相湍流度监测装置(13)设在正对防爆玻璃窗口(12)位置，激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)、氢气浓度传感器(9)、压力传感器(10)、温度传感器(11)、防爆玻璃窗口(12)与气、固两相湍流度监测装置(13)均通过信息采集处理控制总成(14)控制并输出燃爆罐内的氢气浓度、压力、温度与水蒸气浓度数据；
所述的激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)通过吸收光谱原理实时输出燃爆罐(6)内的水蒸气浓度，水蒸气浓度作为常温下镁粉自燃最重要的影响因素需要高精度测量，其测算反演算法如下：
且∫φ(v)dv＝1。由(1)式可得：
其中，I0为水蒸气光学探测器接收光强，I为激光器发射光强，Kv为光强吸收率，L为燃爆罐(6)的直径，P为静压，水蒸气浓度为
吸收谱线线强度S(T)，R为积分吸收比，通过以上反演算法得出水蒸气浓度
所述的气、固两相湍流度监测装置(13)实时监测燃爆罐(6)内的气体、粉尘湍流度，其测算反演算法如下：
其中Tp表示单颗粒脉动的强弱；u″P为单颗粒脉动速度；αk、ρk分别为相k的体积浓度和密度；k＝f、p分别表示流体相和颗粒相；J为Jacob行列式；glm为逆变度量张量；
为相k速度的逆变分量；
为
的扩散系数；
可分别代表1、Uki(i＝1，2，3)、Kf、εf及Tp；Uki为相k速度的协变分量；Kf为流体相湍动能；εf为流体相湍动能耗散率；Tp为颗粒相温度；
为方程源项；
对于Kf方程，其源项
的表达式为：
其中Gk为湍动能产生项；De为因颗粒与流体湍流作用而引起的流体相湍流强度的耗散；
对于εf方程，其源项
的表达式为：
其中C1、C2为经验常数；湍流强度的增加量为：
其中τ为经验系数；CD为两相间阻力系数；u′f、u′P分别为流体和颗粒相脉动速度；通过以上反演算法得出燃爆罐(6)内的气体、粉尘两相湍流度；
所述的集成信息采集处理控制模块包括信息采集处理控制总成(14)、温度控制片(15)与点火电极(16)，温度控制片(15)设置于燃爆罐(6)外壳的内部，温度控制片(15)与点火电极(16)分别均由信息采集处理控制总成(14)控制；
所述的装置清洁模块包括脉冲喷嘴(5)、排气口17与排料口18，排气口17设置在燃爆罐(6)的顶部，排料口18设置在燃爆罐(6)的底部，镁粉在燃爆罐(6)内燃烧爆炸之后，打开排气口(17)与排料口(18)排出废气与废料。
作为优选，脉冲喷嘴(5)底部设有6个均匀分布的半径为1mm的圆孔，用于分散无法自燃的镁粉，通过点火电极(16)将镁粉起爆，清洁燃爆罐(6)，以便下次实验。
作为优选，通过激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)对燃爆罐(6)内的水蒸气浓度进行精确测量，水蒸气浓度作为常温下镁粉自燃最重要的影响因素需要通过应用光谱吸收原理的方法高精度测量。
作为优选，温度是研究镁粉自燃的一个重要因素，温度控制片(15)设置在燃爆罐(6)外壳的内部，通过信息采集处理控制总成(14)控制温度，可以得出变化温度条件下与不同恒温条件下镁粉自燃的时间。
作为优选，气、固两相湍流度监测装置(13)通过信息采集处理控制总成(14)控制，能够在镁粉自燃开始时精确启动以记录镁粉自燃时的火焰发展情况，对研究镁粉自燃具有重要意义。
本发明具有如下有益效果：能够准确得出镁粉在不同湿度、温度条件下放置过程中的压力、氢气浓度、温度随时间变化的规律以及镁粉自燃时的层流火焰速度、火焰发展情况等各项参数，通过本发明的研究方法，可以填补针对镁粉自燃研究的空白，以此制定更为精确的镁粉制造、存储、运输与使用的安全标准与安全技术规范。
附图说明
图1是本发明用于研究镁粉自燃的装置整体布置示意图；
图中：1-空压机；2-高压储气罐；3-电磁阀；4-样品仓；5-脉冲喷嘴；6-燃爆罐；7-激光器；8-水蒸气光学探测器；9-氢气浓度传感器；10-压力传感器；11-温度传感器；12-防爆玻璃窗口；13-气、固两相湍流度监测装置；14-信息采集处理控制总成；15-温度控制片；16；点火电极；17-排气口；18-排料口。
具体实施方式
本发明提供了一种用于研究镁粉自燃的装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于研究镁粉自燃的装置及方法，如图1所示，其中包括镁燃烧爆炸反应模块、监测模块、集成信息采集处理控制模块与装置清洁模块。
所述的镁燃烧爆炸反应模块包括空压机(1)、高压储气罐(2)、电磁阀(3)、样品仓(4)、脉冲喷嘴(5)、燃爆罐(6)与点火电极(16)。空压机(1)与高压储气罐(2)相连，高压储气罐(2)与样品仓(4)之间设有电磁阀(3)，通过信息采集处理控制总成(14)控制电磁阀(3)，样品仓(4)中的镁粉样品通过燃爆罐(6)底部中央的脉冲喷嘴(5)喷入燃爆罐(6)。
所述的监测模块包括激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)、氢气浓度传感器(9)、压力传感器(10)、温度传感器(11)、防爆玻璃窗口(12)与气、固两相湍流度监测装置(13)，激光器(7)与水蒸气光学探测器(8)设置在燃爆罐(6)罐体中部的同一高度上，激光器(7)发出的激光经过燃爆罐(6)内部射入水蒸气光学探测器(8)，水蒸气光学探测器(8)将信号传输到信息采集处理控制总成(14)得到燃爆罐(6)内的实时水蒸气浓度，氢气浓度传感器(9)设置在燃爆罐(6)的中部，压力传感器(10)与温度传感器(11)分别设置于燃爆罐(6)的顶部，防爆玻璃窗口(12)设置在燃爆罐(6)的中部，气、固两相湍流度监测装置(13)设在正对防爆玻璃窗口(12)位置，激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)、氢气浓度传感器(9)、压力传感器(10)、温度传感器(11)、防爆玻璃窗口(12)与气、固两相湍流度监测装置(13)均通过信息采集处理控制总成(14)控制并输出燃爆罐内的氢气浓度、压力、温度与水蒸气浓度数据；
所述的激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)通过吸收光谱原理实时输出燃爆罐(6)内的水蒸气浓度，水蒸气浓度作为常温下镁粉自燃最重要的影响因素需要高精度测量，其测算反演算法如下：
且∫φ(v)dv＝1。由(1)式可得：
其中，I0为水蒸气光学探测器接收光强，I为激光器发射光强，Kv为光强吸收率，L为燃爆罐(6)的直径，P为静压，水蒸气浓度为
吸收谱线线强度S(T)，R为积分吸收比，通过以上反演算法得出水蒸气浓度
水蒸气浓度实时输出，经实验计算其精度大于98％。
所述的气、固两相湍流度监测装置(13)实时监测燃爆罐(6)内的气体、粉尘湍流度，其测算反演算法如下：
其中Tp表示单颗粒脉动的强弱；u″P为单颗粒脉动速度；αk、ρk分别为相k的体积浓度和密度；k＝f、p分别表示流体相和颗粒相；J为Jacob行列式；glm为逆变度量张量；
为相k速度的逆变分量；
为
的扩散系数；
可分别代表1、Uki(i＝1，2，3)、Kf、εf及Tp；Uki为相k速度的协变分量；Kf为流体相湍动能；εf为流体相湍动能耗散率；Tp为颗粒相温度；
为方程源项；
对于Kf方程，其源项
的表达式为：
其中Gk为湍动能产生项；De为因颗粒与流体湍流作用而引起的流体相湍流强度的耗散；
对于εf方程，其源项
的表达式为：
其中C1、C2为经验常数；湍流强度的增加量为：
其中τ为经验系数；CD为两相间阻力系数；u′f、u′P分别为流体和颗粒相脉动速度；通过以上反演算法得出燃爆罐(6)内的气体、粉尘两相湍流度；
所述的集成信息采集处理控制模块包括信息采集处理控制总成(14)、温度控制片(15)与点火电极(16)，温度控制片(15)设置于燃爆罐(6)外壳的内部，温度控制片(15)与点火电极(16)分别均由信息采集处理控制总成(14)控制；
所述的装置清洁模块包括脉冲喷嘴(5)、排气口17与排料口18，排气口17设置在燃爆罐(6)的顶部，排料口18设置在燃爆罐(6)的底部，镁粉在燃爆罐(6)内燃烧爆炸之后，打开排气口(17)与排料口(18)排出废气与废料。
使用时，首先将镁粉样品置于样品仓(4)内，通过空压机(1)把高压气体充入高压储气罐(2)内，当高压储气罐(2)内的压力达到信息采集处理控制总成(14)的预设值时，信息采集处理控制总成(14)打开电磁阀(3)，镁粉样品经高压气流作用通过脉冲喷嘴(5)散布于燃爆罐(6)内，静置等待镁粉自燃。
镁粉样品在燃爆罐(6)内会与空气中的水蒸气发生放热反应，产生氢气。随着反应的进行，燃爆罐(6)内的温度、压力以及水蒸气浓度随之变化。通过激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)、氢气浓度传感器(9)、压力传感器(10)、温度传感器(11)、气、固两相湍流度监测装置(13)与信息采集处理控制总成(14)对燃爆罐(6)内的各项数据进行收集处理，得出各项参数随时间变化的规律曲线，并且准确得出镁粉发生自燃时的各项参数。
当镁粉静置后无法达到自燃条件时，此时镁粉在空气中暴露受潮产生氢气，无法直接对燃爆罐(5)内样品进行清洁处理，信息采集处理控制总成(14)会重复进样过程，通过脉冲喷嘴(5)将燃爆罐(6)底部的镁粉扬起，经过一定的点火延时后启动点火电极(16)点燃镁粉。
镁粉在燃爆罐(6)内燃烧爆炸之后，打开排气口(17)与排料口(18)排出废气与废料，同时信息采集处理控制总成(14)控制电磁阀(4)通过脉冲喷嘴(5)对燃爆罐(6)进行多次高压气体脉冲彻底清洁燃爆罐(6)以便开始下次实验。
本发明还提供了一种研究镁粉自燃的方法，其包括以下步骤：其包括以下步骤：
步骤一，设计镁粉实验方案，包括镁粉用量，空气湿度、水的用量、燃爆罐(6)内温度设置，通过控制不同的变量得出影响镁粉自燃以及镁粉自燃时的精确指标。
步骤二，首先将镁粉样品置于样品仓(4)内，通过空压机(1)把高压气体充入高压储气罐(2)内，当高压储气罐(2)内的压力达到信息采集处理控制总成14的预设值时，信息采集处理控制总成(14)打开电磁阀(3)，镁粉样品经高压气流作用通过脉冲喷嘴(5)散布于燃爆罐(6)内，静置等待镁粉自燃。
步骤三，镁粉样品在燃爆罐(6)内会与空气中的水蒸气发生放热反应，产生氢气。随着反应的进行，燃爆罐(6)内的温度、压力以及水蒸气浓度随之变化。通过激光器(7)、水蒸气光学探测器(8)、氢气浓度传感器(9)、压力传感器(10)、温度传感器(11)与信息采集处理控制总成(14)对燃爆罐(6)内的各项数据进行收集处理，绘制各项参数随时间变化的规律曲线，并且准确得出镁粉发生自燃时的各项参数。
步骤四，通过信息采集处理控制总成(14)控制加热片(15)的温度、高压储气罐(2)的压力与样品仓(4)内的水量等各个变量得出不同指标对镁粉自燃的影响。
步骤五，综合处理所有实验数据，得出镁粉发生自燃的客观变化条件，以及各个因素对镁粉自燃影响，最终得出镁粉处于不同环境条件下时发生自燃的规律，以此制定更为精确的镁粉制造、存储、运输与使用的安全标准与安全技术规范。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.本发明的目的是为获得镁粉自燃的基本条件和各项参数提供一种用于研究镁粉自燃的装置及方法，其中包括镁燃烧爆炸反应模块、监测模块、集成信息采集处理控制模块与装置清洁模块；
所述的镁燃烧爆炸反应模块包括空压机1、高压储气罐2、电磁阀3、样品仓4、脉冲喷嘴5、燃爆罐6与点火电极16，空压机1与高压储气罐2相连，高压储气罐2与样品仓4之间设有电磁阀3，通过信息采集处理控制总成14控制电磁阀3，样品仓4中的镁粉样品通过燃爆罐6底部中央的脉冲喷嘴5喷入燃爆罐6；
所述的监测模块包括激光器7、水蒸气光学探测器8、氢气浓度传感器9、压力传感器10、温度传感器11、防爆玻璃窗口12与气、固两相湍流度监测装置13，激光器7与水蒸气光学探测器8设置在燃爆罐6罐体中部的同一高度上，激光器7发出的激光经过燃爆罐6内部射入水蒸气光学探测器8，水蒸气光学探测器8将信号传输到信息采集处理控制总成14得到燃爆罐6内的实时水蒸气浓度，氢气浓度传感器9设置在燃爆罐6的中部，压力传感器10与温度传感器11分别设置于燃爆罐6的顶部，防爆玻璃窗口12设置在燃爆罐6的中部，气、固两相湍流度监测装置13设在正对防爆玻璃窗口12位置，激光器7、水蒸气光学探测器8、氢气浓度传感器9、压力传感器10、温度传感器11、防爆玻璃窗口12与气、固两相湍流度监测装置13均通过信息采集处理控制总成14控制并输出燃爆罐内的氢气浓度、压力、温度与水蒸气浓度数据；
所述的激光器7、水蒸气光学探测器8通过吸收光谱原理实时输出燃爆罐6内的水蒸气浓度，水蒸气浓度作为常温下镁粉自燃最重要的影响因素需要高精度测量，其测算反演算法如下：
且∫φ(v)dv＝1。由(1)式可得：
其中，I0为水蒸气光学探测器接收光强，I为激光器发射光强，Kv为光强吸收率，L为燃爆罐6的直径，P为静压，水蒸气浓度为
吸收谱线线强度S(T)，R为积分吸收比，通过以上反演算法得出水蒸气浓度
所述的气、固两相湍流度监测装置13实时监测燃爆罐6内的气体、粉尘湍流度，其测算反演算法如下：
其中Tp表示单颗粒脉动的强弱；u″P为单颗粒脉动速度；αk、ρk分别为相k的体积浓度和密度；k＝f、p分别表示流体相和颗粒相；J为Jacob行列式；glm为逆变度量张量；
为相k速度的逆变分量；
为
的扩散系数；
可分别代表1、Uki(i＝1，2，3)、Kf、εf及Tp；Uki为相k速度的协变分量；Ky为流体相湍动能；εf为流体相湍动能耗散率；Tp为颗粒相温度；
为方程源项；
对于Kf方程，其源项
的表达式为：
其中Gk为湍动能产生项；De为因颗粒与流体湍流作用而引起的流体相湍流强度的耗散；
对于εf方程，其源项
的表达式为：
其中C1、C2为经验常数；湍流强度的增加量为：
其中τ为经验系数；CD为两相间阻力系数；u′fu′p分别为流体和颗粒相脉动速度；通过以上反演算法得出燃爆罐6内的气体、粉尘两相湍流度；
所述的集成信息采集处理控制模块包括信息采集处理控制总成14、温度控制片15与点火电极16，温度控制片15设置于燃爆罐6外壳的内部，温度控制片15与点火电极16分别均由信息采集处理控制总成14控制；
所述的装置清洁模块包括脉冲喷嘴5、排气口17与排料口18，排气口17设置在燃爆罐6的顶部，排料口18设置在燃爆罐6的底部。
2.按照权利要求1所述的一种用于研究镁粉自燃的装置及方法，其特征在于：脉冲喷嘴5底部设有6个均匀分布的半径为1mm的圆孔，用于分散无法自燃的镁粉，通过点火电极16将镁粉起爆，清洁燃爆罐6，以便下次实验。
3.按照权利要求1所述的一种用于研究镁粉自燃的装置及方法，其特征在于：温度是研究镁粉自燃的一个重要因素，温度控制片15设置在燃爆罐6外壳的内部，通过信息采集处理控制总成14控制温度，可以得出变化温度条件下与不同恒温条件下镁粉自燃的时间。
4.本发明提供了一种用于研究镁粉自燃的装置及方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，设计镁粉实验方案，包括镁粉用量，空气湿度、水的用量、燃爆罐6内温度设置，通过控制不同的变量得出影响镁粉自燃以及镁粉自燃时的精确指标；
步骤二，通过所述的镁燃烧爆炸反应模块进行镁自燃实验，首先将镁粉样品置于样品仓4内，通过空压机1把高压气体充入高压储气罐2内，当高压储气罐2内的压力达到信息采集处理控制总成14的预设值时，信息采集处理控制总成14打开电磁阀3，镁粉样品经高压气流作用通过脉冲喷嘴5散布于燃爆罐6内，静置等待镁粉自燃；
步骤三，通过所述的监测模块进行镁粉自燃过程中的参数检测，镁粉样品在燃爆罐6内会与空气中的水蒸气发生放热反应，产生氢气，随着反应的进行，燃爆罐6内的温度、压力以及水蒸气浓度随之变化，通过激光器7、水蒸气光学探测器8、氢气浓度传感器9、压力传感器10、温度传感器11、气、固两相湍流度监测装置13与信息采集处理控制总成14对燃爆罐6内的各项数据进行收集处理，绘制各项参数随时间变化的规律曲线，并且准确得出镁粉发生自燃时的各项参数；
步骤四，通过所述的集成信息采集处理控制模块与装置清洁模块进行多次不同变量的镁粉自燃实验，通过信息采集处理控制总成14控制加热片15的温度、高压储气罐2的压力与样品仓4内的水量等各个变量得出不同指标对镁粉自燃的影响；
步骤五，综合处理所有实验数据，得出镁粉发生自燃的客观变化条件，以及各个因素对镁粉自燃影响，最终得出镁粉处于不同环境条件下时发生自燃的规律，以此制定更为精确的镁粉制造、存储、运输与使用的安全标准与安全技术规范。
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