超細二氧化硅粉體對淀粉火焰抑制的實驗研究

黃楚原，陳先鋒，張洪銘，唐文文，陳 曦，張文博，劉晅亞

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070；2.建筑消防工程技術(shù)公安部重點實驗室，天津 300381)

糧食粉塵爆燃是高發(fā)性事故，具有較強破壞性[1]。對糧食粉塵的燃爆機理和抑燃抑爆已進行了一系列的基礎(chǔ)研究。徐文慶等[2]利用20 L爆炸球測試了甘薯粉的爆炸下限，結(jié)果表明甘薯粉粒徑較小時爆炸較猛烈。李剛等[3]對8種取自工業(yè)現(xiàn)場的糧食伴生粉塵進行了粉塵云和粉塵層最低著火溫度測試實驗，結(jié)果表明粉塵粒徑越大、水分含量越高，發(fā)生著火爆炸的危險性越小。高偉等[4]采用高速攝影及帶通濾波片相結(jié)合的方法，研究火焰在2種不同粒徑的硬脂酸粉塵云開放空間中的傳播特性，結(jié)果表明火焰具有連續(xù)和離散2種明顯不同的火焰前鋒結(jié)構(gòu)特征。Proust等[5]利用3 m長的垂直管道模擬淀粉與空氣的預(yù)混燃燒過程，結(jié)果表明預(yù)混燃燒主要是通過熱傳導分解淀粉形成氣體進行的。范寶春等[6]利用水平長管道對碳酸鈣粉體的抑制作用進行了研究，結(jié)果表明僅當碳酸鈣粉體的顆粒濃度大于某一值時，才可能有效抑制爆炸。宮婕等[7]在柱形爆炸容器內(nèi)對爆炸產(chǎn)生的沖擊波荷載分布進行了研究，總結(jié)了爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。Gieras[8]利用1.25 m3爆炸室模擬了玉米淀粉與空氣混合的爆炸過程，結(jié)果表明水霧技術(shù)的抑爆比常用的干粉滅火更有效。郭晶等[9]對比了碳酸鈣和氫氧化鋁對煤粉抑爆效果的差異，結(jié)果表明氫氧化鋁的物理-化學抑爆效果更佳。以上研究一定程度上對糧食粉塵工業(yè)安全起到了指導作用。但以超細粉體為抑制劑，對糧食粉塵進行抑燃抑爆的研究還相對較少。

小麥作為全球主要糧食作物之一，其淀粉類制品用途廣、用量大，在其生產(chǎn)、加工、儲運過程等環(huán)節(jié)中均存在燃爆危險性。本文中，通過豎直燃燒管道系統(tǒng)向小麥淀粉中添加不同粒徑超細二氧化硅粉體，研究不同工況下小麥淀粉粉塵云火焰燃燒特性，并初步對比不同粒徑超細二氧化硅粉體對小麥淀粉粉塵火焰?zhèn)鞑サ囊种瞥潭?，分析抑制機理。

1 實驗研究

1.1 實驗材料及預(yù)處理

實驗選用的二氧化硅粉體粒徑分別為10 μm(微米級二氧化硅)、30 nm(納米級二氧化硅)。選取食用級優(yōu)質(zhì)小麥淀粉為樣品，實驗前分別選取200、300、400、500目的標準分析篩對小麥淀粉進行篩分，如表1所示。預(yù)先將二氧化硅粉體和篩分過的小麥淀粉放置于常壓、50 ℃的干燥箱內(nèi)干燥24 h以上。

表1 小麥樣品篩出粒徑Table 1 Particle size of the wheat sample screened

1.2 實驗裝置

實驗裝置(見圖1)從功能上可分為粉塵燃燒管道系統(tǒng)、高圧點火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。豎直燃燒管道系統(tǒng)主體為一底部封閉、上部帶泄壓口的長方體管道，管道橫截面為80 mm×80 mm的正方形，高度為1 000 mm，由兩段長500 mm的短管道連接而成，左右兩側(cè)為20 mm厚的不銹鋼板，前后兩側(cè)為觀察窗，選用透光性好、耐高溫、可拆卸清洗的石英玻璃。噴粉裝置位于管道底部，由反射器和盛粉槽組成。反射器為圓錐狀，氣體通過8個均勻分布在其底部、直徑為2 mm的圓孔將盛粉槽內(nèi)的試樣揚起，在管道內(nèi)形成粉塵云。盛粉槽為半球形，高度為100 mm，最低點距反射器底部18 mm。點火電極為直徑0.4 mm的2支鎢絲，尖端間隔5 mm，對稱安裝在距管道底端80 mm處，用高壓放電產(chǎn)生的能量點燃粉塵云。熱電偶選用直徑100 μm的自制鉑/鉑銠合金R型熱電偶，安裝在距管道底端650 mm處，用于采集記錄粉塵云燃燒過程中的火焰溫度變化情況。

1.3 實驗過程

將實驗各系統(tǒng)裝置按圖1所示連接，保證各系統(tǒng)處在正常工作狀態(tài)。將預(yù)先稱量好的小麥淀粉和二氧化硅粉體混合均勻后加入盛粉槽，對噴粉系統(tǒng)配氣后啟動電源，通過點火電極在尖端產(chǎn)生電火花點燃已吹起的粉塵云，利用高速攝影和熱電偶分別對火焰?zhèn)鞑ミ^程中的圖像、溫度進行采集。數(shù)據(jù)采集儀、高速攝影儀、高壓點火器的觸發(fā)時間均由可編程同步控制器按要求設(shè)定。

實驗中先持續(xù)0.1 s噴出氣壓為0.13 MPa的壓縮空氣，然后延遲0.1 s，點火電極處產(chǎn)生14 kV的高壓，高速攝影記錄頻率設(shè)置為1 000 s-1。表2中給出了各工況的實驗條件。

表2 實驗工況Table 2 Experimental condition

2 結(jié)果分析

2.1 二氧化硅對小麥淀粉粉塵火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

圖2為通過高速攝影儀記錄的濃度為0.43 kg/m3的小麥淀粉粉塵云的火焰?zhèn)鞑ミ^程，圖像中間部分的小塊矩形黑影為管道連接處遮擋所致。從圖2可以看出，粉塵云火焰?zhèn)鞑ペ厔菡w上較一致：電火花點火后，在點火電極周圍形成球團狀的黃色火焰；隨后，火焰不斷擴大并向四周傳播，在接觸到管道壁面，由于受到壁面冷卻和摩擦作用，火焰有所變形；之后火焰開始加速向上傳播。對比圖2(b)與圖2(a)后發(fā)現(xiàn)，加入微米級二氧化硅后，火焰亮度有所下降、粉塵云的點燃開始時間出現(xiàn)滯后，總?cè)紵龝r間變長，這主要是由于微米級二氧化硅起到了物理抑制作用，降低了燃燒反應(yīng)的強度和速度。對比圖2(c)與圖2(a)、(b)可發(fā)現(xiàn)，加入納米級二氧化硅后火焰亮度明顯下降，粉塵云點燃的開始時間大幅滯后，總?cè)紵龝r間顯著變長粉塵云管道下方火焰分布不均勻。這說明納米級二氧化硅較微米級二氧化硅有更強的物理抑制作用，還因納米二氧化硅自身的高孔隙率、小尺寸效應(yīng)而擁有更好的消光作用[10]，同時由于納米粉體容易相互吸附團聚，使粒子聚集成大顆粒[11-12]，相對不易被揚起，從而使管道下方的納米級二氧化硅含量較高對粉塵云火焰抑制效應(yīng)更強。

2.2 二氧化硅對小麥粉塵火焰溫度的影響

實驗中，采用的自制鉑/鉑銠合金R型熱電偶，溫度采集范圍為0～1 300 ℃。由于熱電偶在實際工況中參比端溫度不恒定，影響溫度采集的準確性，為提高實驗可靠度，需要通過溫度補償公式[13]對結(jié)果進行校正：

T=Tm+τdTm/dt

(1)

式中：T為校正溫度，Tm為熱電偶測試溫度，τ為關(guān)于熱電偶的時間常數(shù)，可以通過下式計算得出：

τ=ρcpd2/(6Nuλg)

(2)

式中：ρ、cp分別為鉑銠合金的密度和定容比熱，d是熱電偶直徑，λg為所處環(huán)境的空氣導熱系數(shù)，Nu為Nusselt數(shù)。Nu可由下式計算得出：

Nu=2.0+0.60Re1/2+Pr1/3

(3)

式中：Re是Reynolds數(shù)，Pr是Prandtl數(shù)，在一般情況下，可以用Nu≈2.0替代計算值。

如圖3所示為相同濃度、不同粒徑的小麥淀粉無抑制劑和分別加入微米級二氧化硅和納米級二氧化硅抑制劑后粉塵云火焰溫度的變化情況。由圖3可以看出，3種情況下，小麥淀粉粉塵云火焰最高溫度隨粒徑的增大先增大后減小，都是在38～48 μm的粒徑時達到最大值，分別為957、632、594 ℃。小麥淀粉粒徑小于25 μm時，加入微米級和納米級二氧化硅的溫度降幅分別達到34.34%和38.07%。

在加入二氧化硅抑制劑后，粉塵火焰溫度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，主要是因為：(1)加入二氧化硅粉體后對小麥淀粉粉塵云濃度起到了沖淡和稀釋的作用，同時也降低了單位體積內(nèi)氧氣含量；(2)二氧化硅熔點為(1 650±50) ℃，可以隔離小麥淀粉微粒間的熱傳導，降低熱輻射率；(3)二氧化硅通過吸收部分燃燒反應(yīng)放熱，起到制冷效果，降低反應(yīng)速率和強度；(4)小麥淀粉燃爆過程中產(chǎn)生的部分自由基與二氧化硅顆粒表面碰撞而消耗，降低了參與鏈式反應(yīng)的自由基，中斷部分鏈式反應(yīng)。

圖4為加入抑制劑后小麥淀粉粉塵云溫度變化。從圖4(a)可以看出，加入微米級二氧化硅溫度下降走勢與不加抑制劑時基本一致，這是因為微米級二氧化硅粉體起物理抑制作用，本身并不參與燃爆反應(yīng)。而小麥淀粉粉塵云燃燒溫度下降百分比隨小麥淀粉粒徑的增大而減小，一方面是由于本次實驗所使用的微米級二氧化硅粒徑為10 μm，當小麥淀粉粒徑越小時，越易被抑制劑包圍，抑制劑對其包圍作用就越強，隔絕了顆粒與氧氣的接觸，增加燃燒發(fā)生和火焰?zhèn)鞑サ碾y度。另一方面隨著淀粉自身粒徑的增大，其有效傳熱系數(shù)會降低[14]，不利于將熱量傳導至抑制劑。從圖4(a)可以看出：加入納米級二氧化硅后，淀粉粉塵云火焰溫度的下降絕對值和幅度較微米二氧化硅時又有了進一步的降低。這是因為納米二氧化硅除具備大粒徑二氧化硅的抑燃性外，還有以下抑制特性：(1)納米二氧化硅在小尺寸作用下比表面積大、吸附性強、孔隙率高，吸熱能力較一般材料有所增強；(2)納米二氧化硅具有表面效應(yīng)，使得其微觀上粒子表面原子數(shù)增多、表面能增加，宏觀上體現(xiàn)在納米材料的熔點和燒結(jié)溫度都大大降低[15]：在25～38 μm、38～48 μm小麥淀粉燃燒時，納米級二氧化硅的降溫百分比斜率遠小于微米級二氧化硅，有可能因為這兩個粒徑的小麥淀粉粉塵云燃燒溫度較高，使部分納米級二氧化硅開始受熱分解；(3)納米二氧化硅的界面效應(yīng)使得其晶界有“類氣體”的結(jié)構(gòu)[16]，具有很高的活性和可移動性，直接表現(xiàn)為納米二氧化硅粉體分散性、懸浮性較好，在管道內(nèi)容易充分、均勻擴散，抑制效果更好。

2.3 二氧化硅對小麥粉塵火焰速度的影響

通過在高速攝影所拍攝的火焰場景里引入標尺，并根據(jù)不同時刻火焰鋒面在標尺上的位置計算火蔓延速率[17]。利用繪圖軟件對實驗數(shù)據(jù)處理，圖5為小麥淀粉粒徑在25～38 μm范圍時的火焰前鋒速度變化曲線。從圖5中可以看出，粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣仁遣缓愣ǖ?，整體上呈現(xiàn)加速趨勢[18-19]。這是因為粉塵云燃燒與預(yù)混氣體燃燒不同，粉塵云可以依靠慣性力產(chǎn)生具有一定濃度梯度的可燃粉塵，使其反應(yīng)區(qū)逐步增大從而加速粉塵顆粒之間的傳熱；另一方面，燃燒區(qū)的熱輻射可以將熱量顯著向未燃燒區(qū)的粒子轉(zhuǎn)移，隨著發(fā)光火焰接近氣相燃燒區(qū)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M一步加快[20]。

圖6為利用圖像法計算得到的火焰在管道中傳播的最大速度和平均速度，從圖6可以看出：(1)火焰在管道中傳播的最大速度和平均速度都隨著小麥淀粉的粒徑增大而下降，且差距較大。在無抑制劑時，粒徑小于25 μm的小麥淀粉粉塵云燃爆的最大速度和平均速度分別為16.17、9.05 m/s，粒徑為48～75 μm的小麥淀粉粉塵云則為11.55、5.67 m/s，分別下降了28.57%、37.32%。這是因為小麥淀粉燃燒屬于氣相燃燒，主要分為粉塵熱解、氣化和燃燒階段。當粉塵粒徑較小時，其比表面積大，吸熱多、傳熱快，在相同熱量條件下，熱解速率快，所以其火焰?zhèn)鞑ニ俣纫部欤?2)在加入二氧化硅抑制劑后，各個粒徑的小麥淀粉粉塵云火焰最大速度和平均速度都有所下降，整個下降趨勢也與無抑制劑時基本一致；下降幅度上納米級二氧化硅抑制劑要優(yōu)于級微米級二氧化硅，小麥淀粉粒徑小于25 μm時最為明顯，加入微米級二氧化硅后火焰最大速度和平均速度分別為12.012和5.078 m/s，較無抑制劑時分別下降了25.71%、37.22%；加入納米級二氧化硅后火焰最大速度和平均速度分別為9.34和3.11 m/s，較無抑制劑時分別下降了42.25%、65.59%。最高速度的下降原因與溫度下降的原因基本一致，而平均速度的大幅下降是由加入二氧化硅粉體后燃燒持續(xù)時間的明顯增長所致。

3 結(jié) 論

實驗在豎直管道平臺上，利用超細二氧化硅粉體對小麥淀粉粉塵云燃爆火焰進行抑制實驗研究。通過對實驗所得圖像、數(shù)據(jù)的整理和分析，得出以下結(jié)論：

(1)超細二氧化硅粉體對小麥淀粉的燃燒有明顯的抑制作用：降低小麥淀粉燃燒的反應(yīng)強度、火焰亮度，遲滯粉塵云燃燒開始時間，增長燃燒反應(yīng)總時間；

(2)從抑制效果上看，納米二氧化硅粉體優(yōu)于微米二氧化硅粉體，在質(zhì)量濃度同為0.43 kg/m3時，微米級二氧化硅和納米級二氧化硅分別使粒徑小于25 nm的小麥淀粉粉塵云燃燒火焰溫度下降34.34%、 38.07%，最大速度分別下降25.71%、42.25%，平均速度分別下降37.22%、65.59%；

(3)超細二氧化硅對小麥淀粉燃爆的抑制機理主要是物理抑制，加入超細二氧化硅粉體后粉塵云火焰溫度、速度與小麥粉塵粒徑的關(guān)系趨勢與無抑制劑時基本一致，但對小粒徑的小麥粉塵在溫度和速度上的抑制效果更顯著，本次實驗中當小麥淀粉粒徑小于25 μm時，加入超細二氧化硅后的小麥淀粉粉塵云的燃燒最高溫度、最大速度和平均速度下降幅度較為明顯。

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