鲁昆仑，陈晓坤，王媛媛，赵腾龙

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.四川轻化工大学 化学与环境工程学院，四川 自贡 634000)

0 引言

在工业生产中，粉尘爆炸会造成严重的人员伤亡与经济损失，并对区域产业的稳定发展造成不良影响。可燃粉尘等均可发生爆炸，例如粮食性粉尘、金属粉尘、煤尘等。玉米淀粉是1种重要的粮食性粉尘，在食品、医药以及饲料等领域有着广泛应用。2010年，河北省秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司发生玉米淀粉爆炸事故[1]。为保证企业生产安全，有必要研究探索玉米淀粉爆炸防控技术。

爆炸抑制是1种重要的防控技术。常见的爆炸抑制剂有无机盐[2-5]、惰性气体[6]、细水雾[7]等。碳酸氢钠(NaHCO3)是1种常见的安全食品添加剂，分解时产生二氧化碳(CO2)，具有蓬松作用。同时，NaHCO3作为抑制剂已有广泛的研究[8-14]。Wang等[8]研究NaHCO3对聚乙烯粉体爆炸的抑制，结果表明当NaHCO3与聚乙烯粉末质量比1:1时，爆炸可以完全被抑制；Jiang等[9-11]研究NaHCO3对生物质粉体、铝粉爆炸的影响，结果表明爆炸火焰速度随着NaHCO3含量的增加而减少，且NaHCO3粒径越小，抑制效果越好；Dounia等[12]研究表明NaHCO3在爆炸火焰前端受热分解，发生化学反应来抑制火焰传播；Chen等[13]研究表明铝粉爆炸火焰结构因添加NaHCO3而发生改变，爆炸强度减弱；高林杰[14]等在3 m3的受限空间内开展玉米淀粉-空气混合物爆炸抑制实验，结果表明NaHCO3对玉米淀粉抑制效果明显。从食品药品安全与爆炸抑制效果角度出发，选择NaHCO3作为玉米淀粉的爆炸抑制剂具有多重优势。

综上，NaHCO3对可燃粉尘爆炸具有一定的抑制作用，但是其抑制过程量化分析还需进一步研究。本文采用20 L球形爆炸装置测试玉米淀粉爆炸特性以及不同抑制比NaHCO3及其对应固态分解产物碳酸钠(Na2CO3)对玉米淀粉爆炸抑制效果，研究结果对淀粉生产及加工企业采取防爆抑爆措施具有一定的指导意义。

1 实验系统及材料

实验采用标准20 L球形爆炸测试系统。该装置由4部分组成：爆炸球体、点火系统、控制系统以及数据采集系统。实验首先需将爆炸球体抽真空至0.06 MPa，然后向储粉罐通入干燥压缩空气，压力达2 MPa时停止。实验中采用2 kJ化学点火头，点火延迟时间为60 ms，数据采集系统记录爆炸过程压力变化。实验时环境温度为15 ℃，湿度为75%。

实验玉米淀粉采用秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司生产的淀粉，NaHCO3与Na2CO3为国药集团生产的分析纯试剂。采用激光粒度分析仪(马尔文Mastersizer2000)测试3种粉尘粒径分布，结果如表1所示。玉米淀粉、NaHCO3与Na2CO3的中粒径分别为14.70，110.72，105.89 μm。为避免水分对玉米淀粉爆炸影响，将玉米淀粉在真空干燥箱(40 ℃)内干燥12 h。

表1 玉米淀粉、NaHCO3与Na2CO3粒径分布Table 1 Particle size distributions of cornstarch dust,NaHCO3 and Na2CO3

2 结果与讨论

2.1 玉米淀粉爆炸特性分析

通过实验得到玉米淀粉浓度分别为200，400，600，800 g/m3时爆炸压力曲线及爆炸参数，如图1所示。从图1(a)可知，随着淀粉浓度增加，爆炸压力峰值逐渐上升，曲线斜率呈现先增大后减少趋势。图1(b)为不同浓度玉米淀粉爆炸参数变化规律。随着淀粉浓度增加，最大爆炸压力从0.45 MPa增加到0.71 MPa。最大爆炸压力上升速率从16.93 MPa/s增加至47.39 MPa/s后减小为39.19 MPa/s。结果表明：当浓度为600 g/m3时，玉米淀粉爆炸最为剧烈。在此浓度下，玉米淀粉与氧气(O2)达到最佳化学反应当量比，反应最为充分。当玉米淀粉浓度增加至800 g/m3时，淀粉浓度过量且O2浓度不足，过量的玉米淀粉会对爆炸反应形成一定的阻尼效应，造成最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率减小，爆炸时间延长。

图1 不同浓度玉米淀粉爆炸压力曲线及爆炸参数变化趋势Fig.1 Explosion pressure curves and change trends of explosion parameters of cornstarch dust with different concentrations

2.2 NaHCO3及其分解产物Na2CO3抑制效果分析

在抑制实验中玉米淀粉初始浓度为600 g/m3，研究不同抑制比下NaHCO3对玉米淀粉爆炸抑制变化。抑制比定义为NaHCO3与玉米淀粉的质量比，如式(1)所示：

I=mNaHCO3/m淀粉

(1)

式中：I为抑制比；mNaHCO3为NaHCO3质量，g；m淀粉为玉米淀粉质量，g。

在97～270 ℃时，NaHCO3会完全分解为Na2CO3，CO2和水蒸气(H2O)。由于爆炸过程温度高，假设NaHCO3完全分解。根据质量守恒定律，不同抑制比下NaHCO3分解生成固态Na2CO3的质量如表2所示。实验按照表2中NaHCO3与Na2CO3的质量，测试其抑制玉米淀粉爆炸效果。

表2 不同抑制比NaHCO3及其生成Na2CO3的质量Table 2 Mass of NaHCO3 and it product Na2CO3 under different inhibition ratios

不同抑制比下NaHCO3抑制玉米淀粉爆炸压力曲线及爆炸参数变化如图2所示。从图2(a)可知，随着NaHCO3浓度增加，玉米淀粉爆炸压力峰值明显下降，爆炸曲线斜率明显变小。当抑制比为1时，在点火后100 ms内，爆炸压力基本保持不变，随之压力逐渐上升。当抑制比为1.2时，爆炸感应期持续增加，进而粉尘失去爆炸性。图2(b)为不同抑制比下混合物的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸指数以及爆炸时间变化规律。由图2(b)可知，抑制比从0.1增加至1.2时，最大爆炸压力从0.71 MPa下降至0.03 MPa，且呈线性下降趋势。最大爆炸压力上升速率从47.37 MPa/s下降至3.71 MPa/s，爆炸指数从12.86 MPa·m/s下降至1.02 MPa·m/s，均呈现指数下降趋势。不同抑制比下Na2CO3抑制玉米淀粉爆炸压力曲线及爆炸参数变化规律如图3所示。从图3(a)可知，Na2CO3对玉米淀粉爆炸同样具有抑制作用。随着Na2CO3浓度增加，爆炸压力峰值逐渐下降，爆炸曲线斜率逐渐减小，爆炸逐渐减弱。从图3(b)可知，随着Na2CO3浓度增加，最大爆炸压力从0.71 MPa下降至0.47 MPa，压力减小33.81%，最大爆炸压力上升速率从47.37 MPa/s下降至5.66 MPa/s，减小88.05%。

图2 不同抑制比下NaHCO3抑制玉米淀粉爆炸压力曲线及爆炸参数变化趋势Fig.2 Explosion pressure curves and change trends of explosion parameters of cornstarch dust with inhibition of NaHCO3 under different inhibition ratios

图3 不同抑制比下Na2CO3抑制玉米淀粉爆炸压力曲线及爆炸参数变化趋势Fig.3 Explosion pressure curves and change trends of explosion parameters of cornstarch dust with inhibition of Na2CO3 under different inhibition ratios

对比图2与图3可知，当抑制比为1.2时，NaHCO3可以抑制玉米淀粉爆炸，对应质量的Na2CO3不能完全抑制玉米淀粉爆炸，说明NaHCO3的抑制效果优于Na2CO3。相同抑制比下NaHCO3与Na2CO3抑制玉米淀粉爆炸参数对比分析如图4所示。从图4可知，当抑制比从0.3增加至1.2时，NaHCO3作用下最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率均小于Na2CO3抑制后的，说明在同一抑制比下NaHCO3的抑制效果优于Na2CO3，其主要原因为NaHCO3与Na2CO3抑制过程存在差异。

图4 不同抑制比下NaHCO3与Na2CO3抑制玉米淀粉爆炸参数对比分析Fig.4 Comparison on explosion parameters of cornstarch dust with inhibition of NaHCO3 and Na2CO3 under different inhibition ratios

2.3 NaHCO3抑制玉米淀粉爆炸过程分析

玉米淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的多糖类物质，淀粉颗粒在高温下进行快速热解后产生甲烷、烯烃等可燃气体，可燃气体迅速燃烧，进而爆炸[15]。玉米淀粉抑爆后的产物表面形貌如图5所示。从图5可知，玉米淀粉爆炸后粉尘颗粒球体破碎，形成不规则碎片化产物。加入NaHCO3及Na2CO3后，产物中可以观察到部分玉米淀粉颗粒，说明NaHCO3及Na2CO3阻止了部分玉米淀粉颗粒发生爆炸。

图5 抑制爆炸产物表面形貌及电子能谱图Fig.5 Surface morphology and electronic energy spectrum of explosion inhibition products

NaHCO3抑制过程包含物理抑制及化学抑制。物理抑制包含分解吸热、降低活性分子间碰撞频率以及稀释空间氧气浓度。NaHCO3在97～270 ℃完全分解成为Na2CO3，CO2和H2O，并且吸收一定的热量。生成的CO2与H2O会稀释密闭空间内O2的浓度，降低淀粉颗粒与活性O2的碰撞频率，从而达到物理抑制效果。NaHCO3分解后形成的Na2CO3在850 ℃高温下产生氧化钠(Na2O)与CO2。NaHCO3在2级分解过程中会形成Na·，Na2O等中间产物，这些产物具有较高的反应活性，能够与淀粉爆炸过程中关键自由基·H和·OH等中间体结合[15]，降低淀粉爆炸过程中·H和·OH自由基的浓度，导致爆炸链式反应终止，进而实现对玉米淀粉爆炸的化学抑制作用。

根据上述分析，近似认为Na2CO3抑制过程中以化学抑制为主。NaHCO3抑制过程包含物理抑制与化学抑制。在NaHCO3与其分解产物Na2CO3抑制下，玉米淀粉最大爆炸压力减小量如图6所示。由图6可知，随着抑制比增加，Na2CO3作用下淀粉爆炸的最大爆炸压力减小量基本保持不变，说明抑制过程中化学抑制效果不变，主要因为密闭空间内自由基浓度有限，随着Na2CO3浓度增加，化学抑制效果会达到峰值，并不随抑制剂浓度增加而持续增加。从图6可得，NaHCO3作用下玉米淀粉的最大爆炸压力减小量逐渐增大，说明NaHCO3抑制效果逐渐增加。由于NaHCO3的化学抑制效果有限，其抑制效果增加主要是因为物理抑制效果不断增加。同时结果显示，当抑制比为0.1到0.5时，此时NaHCO3添加浓度较低，抑制过程中主要以化学抑制为主，物理抑制为辅。当抑制比为0.8和1.2时，此时主要以物理抑制为主，化学抑制为辅。当抑制比为1.2时，玉米淀粉完全被抑制，此时物理抑制效果占比约为64.71%，化学抑制效果占比约为35.29%。

图6 不同抑制比下最大爆炸压力减小量Fig.6 Reduction of maximum explosion pressure under different inhibition ratios

3 结论

1)在同一抑制比下，NaHCO3的抑制效果优于Na2CO3的抑制效果。混合粉尘的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率与爆炸指数随抑制比增大而逐渐减小，爆炸时间随抑制比增大而逐渐延长。抑制比为1.2时，NaHCO3可以完全抑制玉米淀粉爆炸，爆炸压力峰消失。

2)NaHCO3对玉米淀粉抑制包含物理抑制和化学抑制，Na2CO3以化学抑制为主。密闭空间内自由基浓度有限，随着Na2CO3浓度增加，化学抑制效果会达到峰值，并不会持续增加。随着NaHCO3浓度增加，物理抑制效果越来越突出，化学抑制效果基本保持不变。

3)当NaHCO3浓度不同时，抑制主导过程不同。在抑制比为0.1～0.5时，NaHCO3抑制效果以化学抑制为主，物理抑制为辅。抑制比为0.8和1.2时，此时NaHCO3抑制效果以物理抑制为主，化学抑制为辅。玉米淀粉完全被抑制时，物理抑制起主要作用。