硬脂酸粉塵爆炸特性試驗(yàn)研究*

肖國(guó)清， 趙夢(mèng)圓， 鄧洪波， 鐘　凱， 李東勝

(1.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0　引言

硬脂酸(CH3(CH2)16COOH)又稱十八酸，在橡膠、塑料、紡織、醫(yī)藥等工業(yè)應(yīng)用廣泛，是一種非常重要的化工原料。工業(yè)生產(chǎn)硬脂酸時(shí)，在造粒切片等工藝流程中，容易產(chǎn)生粉塵大量聚集，使硬脂酸粉發(fā)生爆炸的可能性大大增加。同時(shí)，硬脂酸粉在運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用過(guò)程中也存在火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性[1-2]。2014年4月16日，江蘇省雙馬化工有限公司發(fā)生了硬脂酸粉塵爆炸事故，造成8人死亡，9人受傷，爆炸造成多個(gè)廠房被毀并引發(fā)大火。由此可見，硬脂酸粉的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性不容小覷。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)煤粉、糧食粉塵和金屬粉塵進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)及理論研究[3-6]，而硬脂酸火災(zāi)爆炸方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究很少，現(xiàn)有的硬脂酸粉塵爆炸特性數(shù)據(jù)不完整[1-2]。高偉[1]研究了2種粒徑分布下的硬脂酸燃燒火焰結(jié)構(gòu)，該研究指出硬脂酸粉塵在2種粒徑分布條件下均為可燃?xì)怏w混合物的燃燒，而不是引燃粉塵本身而發(fā)生的燃燒；Ju[2]指出硬脂酸的爆炸下限約為30 g/m3，關(guān)鍵在于粒徑小于60 μm粉塵的質(zhì)量濃度。值得注意的是，以上研究?jī)H提出了2種粒徑分布硬脂酸粉的火焰結(jié)構(gòu)和爆炸下限，且目前國(guó)內(nèi)外尚未利用國(guó)際通用的20 L球形爆炸儀對(duì)硬脂酸粉塵進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的爆炸實(shí)驗(yàn)研究。因此，采用國(guó)際通用的20 L球形爆炸儀對(duì)對(duì)不同粒徑硬脂酸粉塵的爆炸特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析，揭示硬脂酸粉塵的爆炸規(guī)律、爆炸機(jī)理及爆炸危險(xiǎn)性，為預(yù)防和減緩硬脂酸粉塵爆炸事故提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，具有較大的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

1　試驗(yàn)樣品及測(cè)試系統(tǒng)

1.1　試驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)中所用的硬脂酸粉樣品在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)粉碎、篩分、干燥等處理，分別用100目、120目、200目、250目標(biāo)準(zhǔn)金屬篩分粒級(jí)備用。經(jīng)篩分的硬脂酸粉在30℃的烘箱中進(jìn)行干燥48 h，放于室溫下保存。硬脂酸粉粒徑范圍見表1，編號(hào)1～4。由于顆粒形狀和表面狀態(tài)是影響粉塵爆炸的因素，而扁平狀粒子最容易發(fā)生爆炸[7]，因此有必要對(duì)硬脂酸粉塵進(jìn)行掃描電鏡分析。圖1是1號(hào)硬脂酸粉(粒徑范圍120～150 μm)的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)，能觀察到單個(gè)顆粒表面較光滑，形狀不規(guī)則，多為片狀，有小顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。

表1　硬脂酸粉粒徑一覽

圖1　硬脂酸粉塵SEMFig.1　SEM observations of stearic acid dust

1.2　測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際通用的20 L球形爆炸儀為東北大學(xué)工業(yè)爆炸及防護(hù)研究所生產(chǎn)，主要由20 L球形爆炸容器、可編程邏輯控制(programmable logic controller，PLC)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成，爆炸測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。為保證粉塵云的均勻性和實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，鑒于點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵爆炸壓力測(cè)定有十分顯著的影響[8]，因此本次實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用60 ms，符合GB/T16425和EN14034-3的要求。

圖2　20 L球形爆炸裝置示意Fig. 2　Schematic diagram of the 20 L explosion sphere

2　試驗(yàn)方案

2.1　確定點(diǎn)火能量

由于點(diǎn)火能量的不同，粉塵爆炸行為會(huì)受到不同程度的影響。由文獻(xiàn)[9]可知，粉塵爆炸下限測(cè)試結(jié)果會(huì)受到點(diǎn)火能量的影響，過(guò)高的點(diǎn)火能量會(huì)覆蓋粉塵自身的爆炸過(guò)程。已有文獻(xiàn)[10]指出，以10 kJ為點(diǎn)火能量測(cè)試粉塵爆炸特性參數(shù)的結(jié)果過(guò)于保守。綜合分析國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果，本文以5 kJ點(diǎn)火能量對(duì)硬脂酸粉塵的爆炸特性進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)5 kJ點(diǎn)火具進(jìn)行3次以上爆炸壓力平行測(cè)試，測(cè)得5 kJ點(diǎn)火具的升壓為0.057 9 MPa。

2.2　硬脂酸粉塵爆炸下限質(zhì)量濃度測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 16425—1996制定爆炸下限測(cè)試方案。測(cè)試爆炸下限時(shí)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不同，其測(cè)試結(jié)果不同，爆炸判據(jù)也不同。本文選擇EN 14034-3、IEC 31H13和GB/T16425-1996共同推薦的1.3≤Pr作為爆炸判據(jù)。Pr=(Pmax+Pi-Pig)/Pi，Pr為比壓力，Pmax為最大爆炸壓力，Pig為點(diǎn)火具升壓，Pi為初始?jí)毫Γ琍i=0.1 MPa。

2.3　硬脂酸粉塵最大爆炸壓力和最大升壓速率測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 16426—1996和ISO6184-1制定試驗(yàn)方案，測(cè)試不同粒徑硬脂酸粉塵在不同質(zhì)量濃度范圍下的最大爆炸壓力和最大升壓速率，以此分析粉塵粒徑和濃度對(duì)其爆炸規(guī)律的影響。其中最大爆炸壓力Pmax為典型的熱力學(xué)特性，表征爆炸釋放的總能量；最大升壓速率(dp/dt)max為動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，表征能量釋放的快慢，即燃燒速率[11]。

3　爆炸機(jī)理及實(shí)驗(yàn)分析

3.1　硬脂酸粉爆炸機(jī)理分析

粉塵自身熱分解的難易和烴類氣體產(chǎn)生的速度會(huì)影響其爆炸特性，因此粉塵熱分解特性會(huì)對(duì)其爆炸行為產(chǎn)生影響。為了解硬脂酸粉在燃燒時(shí)的熱分解過(guò)程及其爆炸機(jī)理，分別在空氣和氬氣氛圍下對(duì)4號(hào)硬脂酸粉進(jìn)行熱重分析(TGA)，溫度區(qū)間40～600℃，升溫速率10℃/min，其結(jié)果如圖3所示。

由于硬脂酸粉在純氬氣的惰性氣氛下僅有揮發(fā)和分解，不會(huì)產(chǎn)生氧化促進(jìn)分解失重的行為，于是可用該實(shí)驗(yàn)來(lái)表征硬脂酸粉升溫失重情況。由圖3可知，硬脂酸粉在氬氣氛圍下自230℃起顯著失重，因此硬脂酸粉高達(dá)97%的失重可歸因于硬脂酸高溫下的裂解行為，為小分子碳化物的揮發(fā)行為造成失重。而熱解產(chǎn)物的組成是由熱解時(shí)間的長(zhǎng)短和溫度的高低決定的[12]。由于粉塵爆炸具有火焰?zhèn)鞑タ旌蜔峤鈺r(shí)間極短的特點(diǎn)，因此低碳小分子的烷烴、烯烴和芳香族化合物為熱解的產(chǎn)物的主要組成部分。

硬脂酸粉在空氣下的TGA曲線與氬氣下的曲線存在明顯區(qū)別，這說(shuō)明硬脂酸粉與空氣中的氧氣發(fā)生了反應(yīng)，氧化反應(yīng)促進(jìn)了硬脂酸粉的分解失重行為。此時(shí)硬脂酸粉自160℃起顯著失重，熱解開始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度明顯提前，這說(shuō)明氧氣的存在會(huì)造成硬脂酸粉的氧化，無(wú)惰性氣體保護(hù)下的硬脂酸粉更易受熱分解，穩(wěn)定性更差。同時(shí)，樣品在空氣下加熱完成后幾乎沒有剩余的質(zhì)量。

對(duì)硬脂酸粉進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，其熱解過(guò)程中有大量的可燃性氣體析出，由此可以推斷硬脂酸粉在燃燒爆炸的高溫環(huán)境下將表現(xiàn)出氣相燃燒行為。綜上所述，硬脂酸粉塵的燃燒機(jī)理為氣相燃燒，即粉塵顆粒受熱產(chǎn)生的可燃?xì)怏w與空氣混合后的發(fā)火燃燒。

圖3　硬脂酸粉的TGA曲線Fig. 3　TGA curves of stearic acid dust

3.2　質(zhì)量濃度對(duì)硬脂酸粉塵爆炸特性的影響研究

在室溫條件下，在50～1 250 g/m3質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對(duì)4號(hào)硬脂酸粉塵(粒徑范圍≤58 μm)進(jìn)行爆炸特性測(cè)試試驗(yàn)。

如圖4所示，增加硬脂酸粉塵質(zhì)量濃度，其最大爆炸壓力由0.23 MPa開始逐漸上升，當(dāng)質(zhì)量濃度為500 g/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力達(dá)到峰值，為1.18 MPa。值得注意的是，繼續(xù)增加粉塵質(zhì)量濃度，最大爆炸壓力開始減小。當(dāng)質(zhì)量濃度為750 g/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力下降到0.92 MPa，僅是最嚴(yán)重情況下最大爆炸壓力的78%。

如圖5所示，硬脂酸最大升壓速率曲線隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加呈逐漸上升的趨勢(shì)，質(zhì)量濃度大于500 g/m3后，最大升壓速率開始下降最終趨于穩(wěn)定。因此，質(zhì)量濃度為500 g/m3時(shí)有最大升壓速率142.00 MPa/s。

呈現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是球形爆炸容器內(nèi)的可燃物質(zhì)受制于粉塵質(zhì)量濃度。在一定濃度范圍內(nèi)，粉塵濃度的高低影響可燃物質(zhì)的產(chǎn)生，此時(shí)所測(cè)爆炸猛烈度隨濃度增加而增大。當(dāng)粉塵增加到一定濃度后，容器內(nèi)沒有足夠的氧氣與過(guò)量的粉塵反應(yīng)，使得單位體積內(nèi)發(fā)生爆炸的有效粉塵減少，從而釋放的能量下降；同時(shí)較低效的熱量傳遞效率不能充分引燃高濃度粉塵，且過(guò)量的粉塵會(huì)吸收爆炸產(chǎn)生的熱量，抑制反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，從而導(dǎo)致粉塵的爆炸壓力和升壓速率隨之降低[13]。

圖4　質(zhì)量濃度對(duì)硬脂酸粉最大爆炸壓力的影響Fig.4　Evolutions of Pmax with dust concentration for stearic acid dust

圖5　質(zhì)量濃度對(duì)硬脂酸粉最大升壓速率的影響Fig.5　Evolutions of (dp/dt)max with dust concentration for stearic acid dust

3.3　粒徑對(duì)硬脂酸粉塵爆炸特性的影響研究

3.3.1爆炸敏感度(爆炸下限質(zhì)量濃度)

在室溫條件下，對(duì)1～4號(hào)粉塵進(jìn)行爆炸下限測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，減小粉塵粒徑，硬脂酸粉塵爆炸下限總體下降，爆炸的可能性越大。同時(shí)，當(dāng)硬脂酸粉塵粒徑小到一定程度時(shí)，爆炸下限不再降低?？赡苁怯捎诹叫〉揭欢ǔ潭群蟮挠仓岱蹓m分散性降低，同時(shí)靜電作用使粉塵顆粒相互吸附粘結(jié)，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象形成了較大的顆粒，導(dǎo)致硬脂酸粉塵粒徑在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)增大。在圖1的掃描電鏡圖像中發(fā)現(xiàn)硬脂酸粉的確存在小顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。由表2可知，1，2號(hào)硬脂酸粉塵粒徑較大，粒徑小于60 μm粉塵的質(zhì)量濃度很低，爆炸下限較高；而3，4號(hào)硬脂酸粉塵粒徑較小，其中大部分甚至所有粉塵的粒徑均小于60 μm，其爆炸下限較低并穩(wěn)定在一個(gè)范圍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[2]爆炸下限存在一定的差異，原因在于文獻(xiàn)[2]研究采用的是針對(duì)火焰結(jié)構(gòu)研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)是采用國(guó)際通用的20 L球形爆炸測(cè)試裝置，因此實(shí)驗(yàn)裝置和外部條件對(duì)爆炸下限測(cè)試結(jié)果有一定影響[14]。

表2　不同粒徑硬脂酸粉塵爆炸下限

3.3.2爆炸猛烈度(最大爆炸壓力和最大升壓速率)

在室溫條件下，在50～1 250 g/m3質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對(duì)1～4號(hào)硬脂酸粉塵進(jìn)行爆炸特性試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖6～7所示。

如圖6所示，不同粒徑硬脂酸粉塵達(dá)到最大爆炸壓力所對(duì)應(yīng)的濃度不同：1號(hào)粉塵在1 000 g/m3時(shí)達(dá)到峰值0.99 MPa；2號(hào)粉塵在500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值0.86 MPa；3號(hào)粉塵在500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值0.81 MPa；4號(hào)粉塵在500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值1.12 MPa。隨粉塵粒徑的增大，達(dá)到最大爆炸壓力的最佳爆炸質(zhì)量濃度越高。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)粉塵在低濃度時(shí)最大爆炸壓力與粒徑大小無(wú)關(guān)。當(dāng)超過(guò)125 g/m3時(shí)，最大爆炸壓力隨粒徑的增大顯著減小。考慮到最大爆炸壓力是熱力學(xué)特性，最大爆炸壓力的下降意味著整個(gè)燃燒爆炸過(guò)程中釋放的熱量在減少。小粒徑粉塵釋放更多的能量是因?yàn)樵邳c(diǎn)火階段熱量損失很少，而少量的熱量損失與極短的燃燒持續(xù)時(shí)間有關(guān)，可以說(shuō)明隨著粉塵粒徑的減小，火焰增殖更絕熱和高效。值得注意的是2號(hào)和3號(hào)粉塵的爆炸壓力變化曲線十分接近，當(dāng)粒徑小到一定程度的時(shí)候，最大爆炸壓力得到了顯著的提升。由此可知影響硬脂酸粉塵爆炸的關(guān)鍵粒徑是58 μm。

如圖7所示，不同粒徑粉塵達(dá)到最大升壓速率所對(duì)應(yīng)的濃度不同：1號(hào)粉塵在1 000 g/m3時(shí)達(dá)到峰值91.33 MPa/s；2號(hào)粉塵在750 g/m3時(shí)達(dá)到峰值77.24 MPa/s；3號(hào)粉塵在500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值80.43 MPa/s；4號(hào)粉塵在500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值142.00 MPa/s。最大升壓速率隨粒徑增大而總體呈下降趨勢(shì)，原因是粒徑增大導(dǎo)致比表面積顯著減小，表面活性減小，影響其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致燃燒速率下降。

研究表明在其他因素和外部條件相同的條件下，粉塵粒徑越小，爆炸猛烈度就越強(qiáng)。原因是粉塵粒徑的減小會(huì)增大顆粒的比表面積，使得相同質(zhì)量濃度內(nèi)粉塵顆粒的總面積增加，加速氧氣與粉塵反應(yīng)[15]；同時(shí)，反應(yīng)中熱量釋放速度加快，產(chǎn)生更多的熱量。

粉塵粒徑對(duì)大多數(shù)粉塵爆炸特性參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生影響，但不同粉塵爆炸特性受到粒徑影響的程度不同。因此，對(duì)于特定粉塵需根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷粒徑對(duì)其產(chǎn)生的影響。本次實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硬脂酸粉爆炸敏感度和猛烈度隨粒徑的變化趨勢(shì)與多數(shù)粉塵爆炸規(guī)律類似；而硬脂酸粉存在關(guān)鍵粒徑58 μm，當(dāng)粒徑小于58 μm后，爆炸猛烈度得到顯著加強(qiáng)。

圖6　粒徑對(duì)硬脂酸粉最大爆炸壓力的影響Fig.6　Evolutions of Pmax with particle size for stearic acid dust

圖7　粒徑對(duì)硬脂酸粉最大升壓速率的影響Fig.7　Evolutions of (dp/dt)max with particle size for stearic acid dust

4　結(jié)論

1)在50～1 250 g/m3濃度范圍內(nèi)，提高粉塵質(zhì)量濃度，硬脂酸粉塵的最大爆炸壓力和最大升壓速率呈先上升后下降的趨勢(shì)。

2)對(duì)比4個(gè)粒徑范圍硬脂酸粉塵的爆炸特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的減小，硬脂酸粉塵爆炸下限由20～30 g/m3降低到10～20 g/m3；最大爆炸壓力由0.81 MPa增大到1.12 MPa；最大升壓速率由77.24 MPa/s增大到142.00 MPa/s。同時(shí)，粒徑減小到58 μm時(shí)，最大爆炸壓力得到了顯著的提升，可知影響硬脂酸粉塵爆炸行為的關(guān)鍵粒徑是58 μm。

3)4號(hào)硬脂酸粉塵(粒徑≤58 μm)的爆炸下限為10～20 g/m3；在質(zhì)量濃度為500 g/m3，粉塵有最大爆炸壓力1.12 MPa和最大升壓速率142.00 MPa/s。因此，4號(hào)硬脂酸粉塵爆炸敏感度和爆炸猛烈度最大。

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