史兆伟 李珍宝 赵利民 赵阳

摘  要：玉米淀粉是一種可燃性的有机大分子粉尘，其在生产、加工和使用过程中容易发生粉尘爆炸事故。为探究无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉燃烧和爆炸危险性的不同，利用热重分析探究燃烧过程特征温度和质量损失变化，采用20 L球型爆炸实验研究二者爆炸特性参数。结果表明：无色玉米淀粉在氧化过程的挥发分燃烧阶段质量损失率较大，释放的能量更多。在400～600 g/m3粉尘浓度范围内，粒径对爆炸压力的影响较大，粒径较小的彩色玉米淀粉的最大爆炸压力高于无色玉米淀粉。在600～1 000 g/m3浓度范围内，粉尘颗粒所含碳元素含量以及碳氮比占主导地位，碳氮比更高的无色玉米淀粉的最大爆炸压力高于彩色玉米淀粉。无色玉米淀粉粉尘爆炸燃烧时间普遍小于彩色玉米淀粉，爆炸指数更高，与氧气反应速率更快，爆炸危险性更高。

关键词：玉米淀粉  热重曲线  特性参数  燃烧时间

中图分类号：X932   文献标识码：A

Research on the Combustion and Explosion Characteristics of Different Cornstarch DustsSHI Zhaowei1  LI Zhenbao2  ZHAO Limin1  ZHAO Yang1

（1.School of Emergency Management， Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University， Lanzhou， Gansu Province， 730021 China; 2.School of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu Province， 730050  China）

Abstract： Cornstarch is a kind of combustible organic macromolecular dust， and it is prone to dust explosion accidents in the process of production， processing and use. In order to explore the difference in combustion and explosion hazards between colorless cornstarch and colored cornstarch， thermo-gravimetric analysis is used to explore the changes of characteristic temperature and mass loss in the combustion process， and the 20 L spherical explosion test is used to study the explosion characteristics parameters of the two. Results show that colorless cornstarch has a higher mass loss rate and more energy release in the volatile combustion stage of the oxidation process， that in the range of 400～600 g/m3 dust concentration， the particle size had a greater influence on the explosion pressure， and the maximum explosion pressure of colored cornstarch with smaller particle sizes is higher than that of colorless cornstarch， that in the range of 600～1000 g/m3 concentration， the carbon content and carbon-nitrogen ratio of dust particles are dominant， and the maximum explosion pressure of colorless cornstarch with a higher carbon-nitrogen ratio is higher than that of colored cornstarch， and that the combustion time of colorless cornstarch dust explosion is generally shorter than that of colored cornstarch， and has the higher explosion index，the faster reaction rate with oxygen and the higher explosion risk.

Key Words： Corn starch; Thermo-gravimetric curve; Characteristic parameters; Burning time

近年来，彩虹跑活动在节日和大型人员聚集活动中被广泛开展。彩虹跑活动所采用的粉体主要是彩色玉米淀粉，其主要由天然玉米淀粉和食用色素构成。玉米淀粉本身是一种具有可燃性的有机粉尘，其在生产、加工过程中容易使粉体悬浮在空气中而形成粉尘云，容易造成粉尘燃烧或者爆炸事故的发生[1]。2015年6月27日，我国台北八仙水上乐园舞台，在举办彩虹跑活动派对时，舞台灯放热高温点引燃彩色玉米粉发生燃烧爆炸事故，造成524人伤亡[2]。国内外学者对玉米淀粉和彩色玉米淀粉的燃烧与爆炸特性开展了相关实验研究。CHEN H等[3]在11.5 L的爆炸容器内研究了玉米淀粉粉尘爆炸过程超压与时间相关性模型。陈默等[4]利用大型长直水平管道研究玉米淀粉空气两相流的爆炸过程，探究了不同浓度时混合物的燃爆情况。李刚等[5]搭建了DN200长直管道和DN200～DN100的变径管道，研究了玉米淀粉在管道中爆炸后的火焰传播速度、超压峰值、火焰传播距离的变化规律。鲁昆仑等[6]分析了NaHCO3抑制淀粉爆炸过程最大爆炸压力、压力上升速率与爆炸指数等参数变化规律。

无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉燃烧爆炸危险性不同，在不同条件下其燃烧爆炸特性参数变化较大。本文对二者开展粒度分析、工业分析和元素分析，得到其主要构成的差异，采用利用热重分析仪探究两者燃烧过程特征温度和质量损失率的变化。采用20 L球型爆炸实验对比二者爆炸特性参数差异，为生产、加工以及使用过程中玉米淀粉阻燃防爆技术的开发提供理论依据和数据支持。

1 实验仪器及材料

1.1 实验仪器

采用20 L球形爆炸实验系统测定不同喷射参数粉尘的爆炸压力、爆炸压力升压速率等特性参数。如图1所示，该实验装置系统包括20 L爆炸球形容器、数据采集与控制系统、控制箱包括点火信号发生器、可编程控制器、压力采集接线端子板、触控屏等。高精度压力传感器将采集到的容器内的压力动态变化参量，传输至数据采集软件并存储于计算机中。该文点火能量设置为5 kJ。粉尘点火延迟时间设置为60 ms，进气压力2.0 MPa。为保证实验结果的准确可靠性，每组相同参数的实验进行3次平行测试，取三组平均值为该组的最终检测结果。

1.2 实验材料

实验前将无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉在干燥温度为50 oC的条件下，真空干燥12 h。两者粒度分析结果如图2所示，可以看到，无色玉米淀粉的粒径主要分布在4.58～111 μm范圍内，其中位粒径为17.1 μm，比表面积为383 m?/kg；彩色玉米淀粉的粒径主要分布在5.01～45.71 μm范围内，中位粒径为14.91 μm，比表面积为699 m?/kg。

无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉的工业分析与元素分析如表1所示，元素分析实验可测定C、H和N元素的含量，O元素的含量由差减法计算得到。可以看到，其内部所含主要元素为C元素和O元素，主要成分为挥发分。

2 结果和讨论

2.1 不同玉米淀粉粉尘物化参数分析

可燃性粉尘的物理化学参数是用来表征粉尘燃烧爆炸危险程度的重要指标。对比图1可知，彩色玉米淀粉的平均粒径小于无色玉米淀粉，且比表面积高于无色玉米淀粉82.5%，说明彩色玉米淀粉颗粒更小，且与空气的接触面积更大。对于玉米淀粉这类有机粉体，其爆炸过程主要是挥发分燃烧，彩色玉米淀粉内所含挥发分略高于无色玉米淀粉，氧化过程能够释放更多的多组分混合可燃气体。文虎等人[7]指出，可燃粉尘中的碳元素和碳氮比越高，其引燃温度越低，发生燃烧爆炸的危险性越高。根据计算可得，无色玉米淀粉的碳氮比为346，高于彩色玉米淀粉碳氮比的16.9%，碳元素含量略高于彩色玉米淀粉，说明无色玉米淀粉更容易被引燃，并且其所蕴含的能量越大。

2.2 不同玉米淀粉粉尘燃烧特性分析

热分析学手段可直观分析不同玉米淀粉的热稳定性以及燃烧爆炸危险性。利用热重分析仪研究了无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉在空气氛围下的热失重曲线（TG），对热重曲线求导可得微商热重曲线（DTG）。将两种玉米淀粉从室温（约30 oC）加热至650 oC，升温速率设置为10 oC/min，空气流量为20 mL/min，得到的结果如图3所示。

（a）无色玉米淀粉                       （b）彩色玉米淀粉

图3 无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉TG-DTG曲线

根据图像呈现的信息可得，玉米淀粉在燃烧过程中主要包含三个阶段：水分蒸发阶段、挥发分燃烧阶段以及焦炭燃烧阶段。在水分蒸发阶段，无色玉米淀粉质量损失率高于彩色玉米淀粉2.6%，其起始分解温度T5%，较彩色玉米淀粉提前20.2 oC。说明无色玉米淀粉热稳定性较差，且内部所含水分高于彩色玉米淀粉。

挥发分燃烧阶段是玉米淀粉整个氧化失重过程质量损失最大的阶段，玉米淀粉在该阶段能够产生大量的可燃气体，释放大量能量。彩色玉米淀粉在挥发分燃烧阶段质量损失率约70.5%，较无色玉米淀粉减少2.1%。其最大失重速率处的温度Tmax约为310.4 oC，相较于无色玉米淀粉提前21.6 oC，推测在挥发分燃烧阶段粒径较小的彩色玉米淀粉挥发分析出速率更快，但总消耗量较小。在焦炭燃烧阶段，彩色玉米淀粉的质量损失率高于无色玉米淀粉质量损失率1.7%，说明在高温阶段彩色玉米淀粉的氧化速率快于无色玉米淀粉。燃烧反应结束后，彩色玉米淀粉的质量残存率约为2.9%，相较于无色玉米淀粉残留率提高了10倍，说明彩色玉米淀粉难燃物更多，热稳定性较好。

综上所述，无色玉米淀粉在氧化过程的挥发分燃烧阶段质量损失率较大，释放的能量更多。彩色玉米淀粉在焦炭燃烧阶段的氧化速率更快，但质量残存率更高，其内部所含难燃物较多，相较于无色玉米淀粉热稳定性更高。

2.3 不同玉米淀粉粉尘爆炸特性参数分析

爆炸特性参数是直观反映粉尘爆炸难易程度及猛烈程度的重要参数，其主要包括最大爆炸压力、最大爆炸压力升压速率和爆炸指数等。选取粉尘云浓度为400 g/m3、600 g/m3和1 000 g/m3的无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉进行爆炸特性参数测定，得到最大爆炸压力和最大爆炸压力升压速率如图4所示。

可以看出，随着粉尘云浓度的增加，无色玉米淀粉的最大爆炸压力、最大爆炸压力升压速率呈现不断上升的趋势。对于彩色玉米淀粉而言，当粉尘云浓度在400～600 g/m3范围内，其最大爆炸压力、最大爆炸压力升压速率随着浓度的增加而增加，而在600～1 000 g/m3范围内，其最大爆炸压力、最大爆炸压力升压速率随着浓度的增加而减小，彩色玉米淀粉在粉尘云浓度为600 g/m3附近达到了最佳爆炸浓度。

对比无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉粉尘云的爆炸特性参数可知，在400～600 g/m3浓度范围内，彩色玉米淀粉的最大爆炸压力高于无色玉米淀粉，当粉尘云浓度为600 g/m3时，其最大爆炸压力相较于无色玉米淀粉提高80.8%，最大爆炸压力升压速率提高61.4%。推测在低浓度范围内，粉尘粒径对爆炸压力的影响较大，粒径越小，粉尘颗粒与氧气接触的面积越大，氧气容易扩散到粉尘颗粒内部，产生的爆炸压力越大。在600～1 000 g/m3浓度范围内，无色玉米淀粉的最大爆炸压力以及最大爆炸压力升压速率高于彩色玉米淀粉。推测在高浓度范围内，粉尘所含碳元素含量以及碳氮比占主导地位，随着粉尘云浓度的增大，反应空间内的氧气不足以支持玉米淀粉完全燃烧，而具有更高碳氮比的粉尘更容易引燃，因而在该浓度范围内无色玉米淀粉的最大爆炸压力以及最大爆炸压力升压速率高于彩色玉米淀粉。粉尘爆炸指数Kst由公式（1）计算得到：

表2给出了不同浓度条件下，无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉的爆炸指数。根据计算结果可知，无色玉米淀粉的爆炸指数随着粉尘云浓度的增加而增大，而彩色玉米淀粉的爆炸指数随着粉尘云浓度的增加先增大后减小。在400～1 000 g/m3浓度范围内，无色玉米淀粉爆炸指数最高达到9.22 MPa·m/s，高于彩色玉米淀粉爆炸指数51.3%，说明无色玉米淀粉具有更高的爆炸危险性。

2.3 不同玉米淀粉粉尘爆炸燃烧时间分析

粉尘爆炸燃烧时间定义为从点火时刻到达到最大爆炸压力的时刻的時间间隔，研究粉尘爆炸燃烧时间有助于在工业生产防爆过程中确定抑爆装置的安装位置。图5给出了无色玉米淀粉和彩色玉米淀粉在不同粉尘云浓度下爆炸燃烧时间。可以看出，两类玉米淀粉爆炸燃烧时间与粉尘最大爆炸压力成反比关系，即最大爆炸压力越大，玉米淀粉爆炸燃烧时间越短。粉尘爆炸燃烧时间主要用来表征可燃性粉尘与氧气发生氧化反应的速率快慢，粉尘爆炸燃烧时间越短，粉尘与空气中的氧气发生氧化反应的速率越快[8]。除粉尘云质量浓度为600 g/m3以外，同一粉尘云浓度条件下，无色玉米淀粉粉尘爆炸燃烧时间小于彩色玉米淀粉，能够更快达到最大爆炸压力点，说明无色玉米淀粉与氧气的氧化速率更快，在较短的时间能释放大量的能量。在粉尘云质量浓度600 g/m3时，彩色玉米淀粉爆炸燃烧时间小于无色玉米淀粉，该质量浓度彩色玉米淀粉粉尘达到了最佳爆炸浓度。

3 结论

（1）彩色玉米淀粉的平均粒径小于无色玉米淀粉，具有较大的比表面积。无色玉米淀粉的碳氮比为346，高于彩色玉米淀粉碳氮比的16.9%，无色玉米淀粉更容易被引燃，并且其所蕴含的能量更大。

（2）无色玉米淀粉在燃烧过程的挥发分燃烧阶段质量损失率较大，释放的能量更多。彩色玉米淀粉在焦炭燃烧阶段的氧化速率更快，但质量残存率更高，其内部所含难燃物较多，相较于无色玉米淀粉热稳定性更高。

（3）在400～600 g/m3浓度范围内，彩色玉米淀粉的最大爆炸压力高于无色玉米淀粉；在600～1 000 g/m3浓度范围内，无色玉米淀粉的爆炸压力高于彩色玉米淀粉。无色玉米淀粉粉尘爆炸燃烧时间普遍小于彩色玉米淀粉，爆炸指数更高，与氧气的反应速率更快，爆炸危险性更高。

参考文献[1] 覃小玲，李晓泉.粮食粉尘爆炸事故统计分析[J].工业安全与环保，2020，46（5）：78-82.