张睿冲 谢承煜 刘磊

(1.广西大学资源环境与材料学院 南宁 530004； 2.湘潭大学环境与资源学院 湖南湘潭 411105)

0 引言

可燃淀粉粉尘不论处在粉尘云或粉尘层状态，在点火源的作用下都有可能发生严重的事故。国内外的学者对粉尘最小引燃温度进行了相应的研究。粉尘最小引燃温度的相关研究主要包括以下三方面：①以粉尘的质量浓度、粒径分布、温度、厚度、水分、压力、加热方式等影响因素为主，研究对象多元化，包括了钛、木质粉、硫化矿尘、硫磺粉尘、面粉、聚酰胺粉尘、兽药粉、聚苯乙烯微球粉体等[1-7]；②粉尘引燃温度惰化方面的研究，可燃粉尘的惰化剂一般包括石灰石、灭火剂、BaCO3、SiO2等 ,同时研究了惰性剂含量、惰性剂粒径、喷吹压力等要素下惰性剂对粉尘层、粉尘云引燃温度的影响[8-10]；③其他方面，XU S等[11]选用Godbert-Greenwald炉试验装置对煤尘/空气混合物的最小着火温度(MIT)进行了测试，结果表明，MIT为560 ～570 ℃。ADDAI E K等[12]在改进的戈德伯特-格林沃尔德炉中进行了一系列试验，研究了混合料的最低着火温度。气体的爆炸极限和最低点火温度随着粉尘的增加而降低，而粉尘本身是不可点燃的，混合料的最小着火温度低于单一物质。粉尘的最小爆炸浓度随气体的加入而降低，而气体本身是不可点燃的。混合料的爆炸极限比单一物质的爆炸极限低。YUAN C M等[13]提出了一种模拟戈德伯特格林沃尔德(GG)炉条件下镁粉云最小点火温度的确定模型。该模型基于金属颗粒的非均相氧化和牛顿运动定律，并将颗粒大小、粉尘浓度和粉尘分散压力与密特-直流相关联。ADDAI E K等[14]在改进的戈德伯特-格林沃尔德(GG)加热炉中，对可燃粉尘、气体和蒸汽三组分混合物的最小点火温度(MIT)和爆炸下限/最小爆炸浓度(LEL/MEC)进行了实验研究。结果表明，当可燃粉尘的浓度低于单粉尘的MEC时，气体和溶剂蒸汽的最大分子物质(MITs)显著降低。如果气体/蒸汽气氛与分散的可燃粉尘混合，在给定的温度下不能单独在GG炉中点燃，则可显著降低MIT。

木薯淀粉在许多领域中应用十分广泛，木薯淀粉是除了玉米淀粉外生产、使用量第二大淀粉类，生产过程中发生火灾爆炸的风险较大。目前，针对木薯淀粉爆炸特性的研究鲜见报道，所以研究木薯淀粉的最小引燃温度，对在木薯淀粉生产经营的各环节预防粉尘火灾爆炸具有现实的借鉴意义。

1 实验过程

1.1 方法及装置

粉尘云引燃温度测试装置为G-G炉，粉尘的质量为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1 g，喷尘压力分别为5、10、20、30、40、50、60 kPa，将不满足10次未出现着火的最低温度记为粉尘云引燃温度，将某一粒径在不同质量浓度下测得的最低值记为粉尘云最小引燃温度。

粉尘层引燃温度测试装置为吉林市宏源科学仪器有限公司生产的G-G炉。选取厚度为5、12.5、15、20 mm的金属环进行实验。记录试验现象为着火的最小设定温度为粉尘层最小引燃温度。

1.2 原料与环境条件

以木薯淀粉原粉作为实验样品。由广西某生化公司提供，样品的粒径分布如图1。

图1 木薯原淀粉的粒径分布

在实验室湿度为40%～60%、温度为20～32 ℃的情况下进行试验，木薯淀粉在实验前进烘箱60 ℃干燥24 h。

2 结果与分析

2.1 喷尘压力对木薯粉尘云的影响

取木薯淀粉0.4 g，由加热炉容积为0.22 L可求得木薯淀粉质量浓度约为455 g/m3，将喷尘压力依次设为5、10、20、30、40、50、60 kPa，记录木薯粉尘云引燃温度，结果如图2所示。

图2 喷吹压力对木薯粉尘云引燃温度的影响

由图2可知，在木薯粉粒径和质量浓度固定的情况下，在5 kPa到30 kPa这个阶段，随着喷尘压力的增加，会把粉尘发散成更加容易燃烧的粉尘云，同时被发散的程度越大粉尘云团越蓬松，蓬松粉尘云团产生上浮力越大，粉尘云团通过炉膛的时间变长，木薯粉颗粒更容易被点燃，引燃温度应当降低；而在40 kPa到60 kPa这个阶段，随着喷尘压力的增加，有部分粉尘直接沿筒壁被吹出，导致有效发散的粉尘减少，有效燃烧的粉尘云减少，此外，因为木薯淀粉的质量固定时，当喷吹压力增大时，粉尘的初始加速度增大，同时加热炉膛长度是定值，粉尘通过炉膛的时间变短即粉尘云受热时间变短，木薯粉尘的引燃温度变高。

木薯粉尘云引燃温度随喷尘压力先减少后增加，但增和减幅度都不大。在30 kPa时，木薯粉尘云引燃温度最小为458.5 ℃。

2.2 浓度对粉尘云影响

实验时，设定喷粉压力为30 kPa，分别对质量为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g的木薯淀粉尘进行最小引燃温度实验。由于加热炉容积为0.22 L可求得各木薯淀粉质量浓度分别约为910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3， 经多次实验，得到相同条件下粉尘云最小引燃温度。实验数据如图3所示。

由图3可知，当木薯粉尘的质量由0.2 g增加到0.4 g 时，木薯粉尘云的着火温度由466.5 ℃降到458.5 ℃；而当木薯粉尘的质量由0.4 g增加到0.6 g 时，木薯粉尘云的着火温度由458.5 ℃增加到467.2 ℃。总体情况是：随着木薯淀粉浓度的增大，木薯粉尘云引燃温度先减小后增大。因为喷吹压力是定值，随着质量的增加，粉尘初始加速度由大变小，在粉尘质量小、浓度较低时，通过加热炉膛的时间很快，即加热时间短，同时也可能过大的初始加速度，使木薯粉尘来不及发散被打到对面的壁面上，没发散的粉尘沿着壁面下落；最小引燃温度时的情况是粉尘被最充分发散(成颗粒的自然粒径状态)，打在对面的壁面上非常少可以忽略不计，形成的粉尘云团较蓬松，粉尘云团所受阻力较大(包括热流的上浮力和粉尘云团的沿程阻力、局部阻力)通过加热炉膛的时间较长即粉尘被加热的时间较长；当粉尘质量大于0.4 g后，并非所有的粉尘有效被充分发散，有一部分粉尘出现以下两种情况：①打到壁面上然后沿着壁面下落，在下落的同时吸收热量降低有效加热粉尘云的温度；②没充分发散的较大颗粒在加热炉膛中落下，也吸收部分热量，所以会造成木薯淀粉尘云着火温度变大。

图3 质量浓度对木薯粉尘云引燃温度的影响

2.3 木薯淀粉粒径对粉尘云的影响

当喷吹压力取30 kPa时，木薯粉质量浓度敏感值和点火温度下限随木薯粉粒径增加的变化规律如表1所示。

表1 不同粒径下的木薯粉尘云最小引燃温度

由表1可知，木薯粉尘云最小点燃温度随粒径的增大而增大。颗粒粒径较小时在相同的喷吹压力作用下，发散成粉尘云会更充分，颗粒的粒径小在相同温度下进行热分解所需要的热量小及时间少，故引燃温度较低；而大颗粒的粉尘云在相同温度下进行热分解所需要的热量多及时间长，故引燃温度较高。

2.4 温度对木薯原淀粉粉尘层的影响

木薯淀粉在加热平台导热、热传递及热辐射作用下，粉尘颗粒中水分受热蒸发，粉尘颗粒收缩，带缝隙的淀粉颗粒层接受氧气的能量增强，在一定的温度下被氧化放出热量增多，热量增多使粉尘层的温度增大，此时又促进粉尘的氧化。由于加热板持续给粉尘层下层加热，粉尘的上层因接触空气不断地失去热量，所以粉尘层的下层会比上层的温度高，当内部积累的热量不断增加时，粉尘层的温度也会增加，这过程是木薯淀粉逐步碳化的过程，当粉尘层内部热量积累到一定程度，粉尘被热解，热解出的可燃气体达到两个条件：①粉尘层内部温度达到可燃气体点燃温度；②可燃气体达到一定的浓度时就发生燃烧，两者缺一不可。但木薯淀粉的实验过程没出现明火，只出现冒烟的阴燃，说明：①存在临界温度t临界，加热板的温度大于t临界，同时可燃气体浓度不足；②粉尘层的阴燃是燃烧碳化层。

2.4.1 木薯原淀粉黄化、碳化临界温度测定

使用粉尘层引燃装置对木薯原淀粉进行黄化、碳化临界温度测定。

(1)临界温度的实验测试方法：①启动粉尘层实验装置；②进入设定界面，设定加热板的表面温度，设定恒温时间为300 s；③加热板温度分别设定为：260、265、270、275、280、290 ℃；④当加热板温度达到所设定温度时，恒温300 s；⑤进入恒定诱导温度时，取淀粉，分别放到加热台上5、12.5、15 mm厚度的标准钢圈里，加热10 min，观察木薯淀粉的反应；⑥退出加热状态，重新设定下一个恒温加热温度；⑦重复步骤(2)—(5)，直到测试完6个温度；⑧记录每个温度下木薯淀粉受热反应现象。

(2)临界温度的实验测试的结果，见表2。

表2 不同温度下的受热木薯淀粉的变化

2.4.2 木薯原淀粉热重分析

对木薯原淀粉进行热重分析实验的结果如图4所示。28.6～500 ℃温度范围内，TG曲线明显分为3个区域，质量的总损失约为82.1%。在28.6～118 ℃温度范围内，质量的损失约占总重量的9.97%，这归因于木薯淀粉中水的蒸发；第2次失重(约61.8%)可在283～333 ℃的温度范围内观察到，可能与木薯淀粉中的化学结合水的蒸发及木薯原淀粉的热分解有关；在338～497.4 ℃范围内发生第3个重量损失，损失的重量约为9.2%；这明显由木薯淀粉碳化后的碳颗粒上浮或碳被氧化成二氧化碳导致的。

图4 木薯原淀粉的TG-DSC曲线

在 283～333 ℃，木薯淀粉失重出现断崖式的下降。由2.4.1及2.4.2的实验可知，木薯淀粉的热分解温度大概在270～285 ℃，在氧气(空气)环境中热解温度相对较低；而热重分析在纯氮气环境中测定热解温度相对较高一些。

2.5 粉尘厚度对木薯淀粉粉尘层的影响

不同的粉尘层厚度(以5、12.5、15、20 mm为例)来研究粉尘的最小着火温度。结果如图5所示。

图5 不同厚度木薯淀粉尘层最小引燃温度

由图5可知，粉尘层厚度为 5 mm 时，粉层最低着火温度最高420 ℃，在高温下阴燃，没有恒温加热时无法继续燃烧，主要是粉尘层厚度较小时散热较快，热量无法积累，故无法保持继续燃烧，另外一个原因是木薯淀粉原粉接触高温加热板时会碳化，产生孔隙较大、泡状、蓬松的碳化层，这碳化层起到隔热的作用，阻止加热板继续给粉尘层传递热，如图6。

图6 木薯淀粉原粉碳化层

一定范围内的粉尘厚度的增加导致粉尘层最小着火温度的降低。最小着火温度从粉尘层厚度5 mm时的420 ℃降低到12.5 mm的300 ℃。当粉尘厚度超过某一厚度时，粉尘层最小着火温度就不再变化，木薯淀粉的厚度超过15 mm后，其粉尘层最小点火温度一直保持在290 ℃，随着粉尘层厚度的增加，在重力作用下，下层的粉尘致密度增加，致密度增加的后果：粉尘氧化的热量得到有效保留容易达到最大值，同时在压力作用下与加热板接触的粉尘颗粒之间的距离减少有利燃烧。在一定厚度下粉尘氧化的热量得到有效封留，并在封存区域的温度达到或超过粉尘燃烧的临界温度时，有效燃烧后粉尘的最小着火温度和厚度无关。区域空间里的粉尘层厚度越大，在外界因素作用下越可能形成带来灾难后果的粉尘云爆炸，粉尘层中的不管是明燃或阴燃，都可能是点燃粉尘云的点火源。所以木薯淀粉粉尘层的火灾危害性非常大。

3 结论

(1)在固定质量浓度的条件下改变喷尘压力或在固定喷吹压力的条件下改变质量浓度，对木薯粉尘云最小引燃温度都有影响，而本质则是某一环境条件下，具体的多因素耦合的粉尘云最小引燃温度与最理想条件下多因素耦合的粉尘云最小引燃温度的偏差。

(2)木薯原淀粉粉尘云的最小引燃温度为458.5 ℃，木薯淀粉粉尘层的最小温度290 ℃。

(3)木薯原淀粉的粉尘层燃烧的实质是粉尘热解碳化过程可燃气体不足的碳化层阴燃，碳化层的隔热作用阻止加热板继续给粉尘层传递热。