中密度纖維板中生產(chǎn)粉塵的最小點火能

郭 露，胡濤平，喻 孜，周 健，曾國良，徐長妍

（1.南京林業(yè)大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.理學(xué)院，江蘇南京 210037；2.上海化工研究院有限公司，上海 200062）

木質(zhì)粉塵指木材加工場所產(chǎn)生的伴生粉塵，產(chǎn)生于鋸切、銑削、刨削、涂飾、磨削等生產(chǎn)工序[1]。木質(zhì)粉塵由于其質(zhì)量輕、差異性大、且屬于非均勻分散顆粒，是纖維類粉塵中發(fā)生事故最多的一種可燃性粉塵[2]。據(jù)統(tǒng)計，在1785—2012年期間，在全世界共發(fā)生的所有粉塵爆炸事故中，木材加工企業(yè)粉塵爆炸事故的比例為17%，僅次于食品加工企業(yè)[3]。我國木材加工企業(yè)每年發(fā)生的粉塵爆炸事故達(dá)數(shù)十起，甚至近百起[4]。2015年1月31日，內(nèi)蒙古自治區(qū)根河市金河興安人造板有限公司發(fā)生粉塵爆炸事故，造成6人死亡、3人受傷，廠房受損嚴(yán)重。據(jù)初步調(diào)查分析，事故是由于打磨除塵系統(tǒng)中的木屑倉發(fā)生爆炸，導(dǎo)致砂光車間木粉二次爆炸，導(dǎo)致車間、倉庫發(fā)生火災(zāi)[5]。

工業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，引起粉塵爆炸事故的點火源情況很多。統(tǒng)計資料顯示[6-7]，粉塵加工業(yè)爆炸事故與靜電密切相關(guān)。德國的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)[8]，發(fā)生的粉塵爆炸事故10%是由電火花引起的，且很多不明原因粉塵爆炸也有可能是靜電火花引起的。粉塵云最小點火能（Emin）是指剛好能夠點燃最敏感條件下粉塵云所需要的最低能量，是評價粉塵云在一定條件下可能發(fā)生燃燒或爆炸危險性的重要物理量，也是靜電安全的重要技術(shù)參數(shù)[9]。Amyotte等[10]研究了木纖維、聚乙烯樣品和兩者混合時的爆炸特性，結(jié)果表明粉塵粒徑越小，發(fā)生爆炸可能性越大，產(chǎn)生的爆炸后果越嚴(yán)重，當(dāng)木纖維和聚烯混合時，產(chǎn)生的爆炸威力更大。Hosseinzadeh等[11]研究了小麥粉、淀粉、蛋白質(zhì)、聚乙烯、橡木等最小點火能，得到橡木的最小點火能為30～100 mJ。加拿大新斯科舍省生產(chǎn)的木質(zhì)粉塵的最小點火能為17 mJ，而美國生產(chǎn)的南方黃松粉塵顆粒的最小點火能為20 mJ[12]。陳國華等[1]研究了紅木粉的最小點火能隨粉塵濃度和粉塵粒徑的變化關(guān)系，表明最小點火能隨著粉塵濃度增加先減小后增大，隨著粒徑的增大而升高。還有研究表明，鋸削、砂光木粉、干纖維類碎料粉塵云的著火溫度對應(yīng)的最小點火能為4.2～20.0 mJ[13]。

由此可見，有關(guān)木質(zhì)粉塵最小點火能的研究還是比較零散的，缺乏系統(tǒng)性，其中有關(guān)中密度纖維板生產(chǎn)粉塵的最小點火能的研究更少。鑒于此，本文中選取中密度纖維板生產(chǎn)線上的砂光粉，及纖維板常用原料楊木、馬尾松和香樟粉塵作為實驗對象，研究不同本質(zhì)粉塵粒徑分布對最小點火能的影響。通過對木質(zhì)粉塵的粒徑分析、形貌分析和元素分析來探索木質(zhì)粉塵的種類和粉塵粒徑分布對最小點火能的影響機理，并使用方差分析法來探索這2個因素對最小點火能影響的顯著性。

1 實驗

1.1 材料

本實驗所采用的木質(zhì)粉塵為纖維板砂光木粉塵、楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵。砂光粉塵來自于大亞人造板集團(tuán)有限公司（江蘇）的中密度生產(chǎn)線，即實際生產(chǎn)用速生楊、馬尾松、南方硬雜木的混合粉塵，質(zhì)量比約為1∶1∶1；楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵均由該中密度生產(chǎn)線所用原材料經(jīng)機械研磨機（TPD-2型，奎特上海機電科技有限公司）制得。

1.2 方案

本實驗首先對4種木質(zhì)粉塵進(jìn)行元素分析和形貌分析，然后研究了不同種類木質(zhì)粉塵在4種不同粒徑范圍下的最小點火能，實驗屬于雙因素實驗，由于實驗過程中僅對每個點火能進(jìn)行了1次實驗，因此對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行無重復(fù)雙因素方差分析[14]。對2個因素的各水平的每對組合做實驗，組成16個實驗。

1.3 方法

1.3.1 木質(zhì)粉塵試樣準(zhǔn)備及粒徑分析

4種木質(zhì)粉塵分別通過振動篩分儀（ANALYSETTE 3 SPARTAN，北京飛馳科學(xué)儀器有限公司）進(jìn)行篩分，得到4組具有不同粒徑分布的粉塵：0～63、＞63～125、＞125～250、＞250～500 μm。使用烘箱（UN30型，合測實業(yè)上海有限公司）將實驗樣品的水分控制在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%以下，并使用激光粒度儀（Mastersizer2000型，上?？茖W(xué)儀器有限公司）對其進(jìn)行粒徑測試。

1.3.2 木質(zhì)粉塵的元素分析

使用元素分析儀（2400 II型，美國PE公司）對4種木質(zhì)粉塵進(jìn)行碳、氫、氮、硫的元素測定。在純氧環(huán)境下將待測物質(zhì)用錫舟包裹，利用重力原理注入氧氣，使樣品在助燃劑中完全燃燒，經(jīng)還原處理后，生成的 CO2、H2O、N2和 SO2混合氣體在氦氣的傳送分離后，再利用熱導(dǎo)檢測器分別測定其含量。

1.3.3 木質(zhì)粉塵的形貌分析

采用環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quanta 200型，荷蘭FEI公司）對4種木質(zhì)粉塵進(jìn)行形貌測試。首先取少量木粉粘在銅托的導(dǎo)電膠帶上，用無毛紙輕壓，使樣品顆粒牢牢粘??；對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，當(dāng)系統(tǒng)真空達(dá)到要求（＜5.33×10-2Pa）時，裝入樣品進(jìn)行測試，所有樣品放大倍數(shù)均為200倍。

1.3.4 木質(zhì)粉塵的最低點火能測試

采用圖1所示的最小點火能測試設(shè)備（MIKE 3型，瑞士Kühner公司），參照標(biāo)準(zhǔn)BS EN 13821—2002（Potentially explosive atmospheres — Explosion prevention and protection—Determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures）中定義的方法進(jìn)行測試。測試環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫。

容積為1.2 L的玻璃管是燃燒室，下端設(shè)有蘑菇狀的粉塵分散系統(tǒng)。在0.7×106Pa的壓縮空氣作用下產(chǎn)生電火花，其電極間隙為6 mm。電感為1 mH，點火延時為120 ms。該設(shè)備可以釋放的電火花能量值為1 000、300、100、30、10、3、1 mJ。粉塵在玻璃管中噴起，形成粉塵云，然后以不同能量的電火花引爆粉塵云，當(dāng)有火焰產(chǎn)生并傳播至玻璃管頂部時，即視為發(fā)生著火。Emin介于發(fā)生著火的最低能量值（E2）和至少10次連續(xù)實驗中未發(fā)生著火的能量（E1）之間，即 E1＜Emin＜E2。

圖1 MIKE3型最小點火能測試裝置Fig.1 Minimum ignition energy test device MIKE3

2 結(jié)果與討論

2.1 粉塵的物化特性

木質(zhì)粉塵粒徑是影響粉塵最小點火能的重要指標(biāo)之一。表1—2分別列出了4種木質(zhì)粉塵不同粒徑分布下的中位徑和比表面積?？梢钥闯?，隨著粒徑的增大，所選取的木質(zhì)粉塵的中位徑增大，而其比表面積減小。值得注意的是，砂光粉塵隨著粉塵粒徑的增加，其比表面積降低的幅度明顯小于其他3種粉塵，尤其表現(xiàn)在粒徑分布為＞125～250、＞250～500 μm，其原因這可能是砂光粉塵的質(zhì)量明顯小于其他3種實木粉塵。

圖2為4種不同木質(zhì)粉塵的SEM圖像，從圖中可以看出，木質(zhì)粉塵的形狀均為長纖維狀。砂光粉的纖維較短且粗；楊木粉的長徑比相比于其他3種粉塵較大；松木粉的形狀為主干纖維的周邊帶有細(xì)小的分支；而香樟粉的形狀為分散的絲狀，整體為長纖維狀。

表1 不同粒徑分布的木粉的中位徑Tab.1 Median diameter of wood dust with different particle size distribution μm

表2 不同粒徑分布的木粉的比表面積Tab.2 Specific surface area of wood dust with different particle size distribution m2/g

圖2 不同的木質(zhì)粉塵的SEM圖像Fig.2 SEM images of four wood dust

表3為木質(zhì)粉塵的元素分析。4種木質(zhì)粉塵 的C、H和S的含量基本處于同一數(shù)量級，且含量相近，砂光粉的氮元素含量明顯大于其他3種木質(zhì)粉塵。這主要是因為中密度纖維板生產(chǎn)過程中的砂光粉中含有大量的脲醛樹脂膠，從而導(dǎo)致其含氮量極高，遠(yuǎn)超過一般木質(zhì)燃料中氮的含量[15]。

表3 木質(zhì)粉塵的元素組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.3 Elemental composition of wood dust %

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

2.2.1 直觀分析

圖3為中密度纖維板砂光粉的粉塵濃度與點火能之間的函數(shù)關(guān)系。

實心方框表示在某濃度某能量下發(fā)生著火，空心方框表示在某濃度某能量下未發(fā)生著火。實際測出的最小點火能如表4所示，實際的最小點火能為一段能量范圍。

圖3 砂光粉的最小點火能測試結(jié)果Fig.3 Results of Eminof sanding dust

表4 不同粒徑分布的木質(zhì)粉塵的最小點火能Tab.4 Eminof wood dust with different particle size distribution mJ

從表中可以看出，只有香樟粉的最小點火能的能量范圍隨著粒徑的增大而增大，砂光粉在＞63～125、＞125～250 μm時其最小點火能范圍是相同的，而楊木粉和馬尾松粉在 0～63、＞63～125 μm 時其最小點火能范圍是相同的。

為了更清楚地比較不同木質(zhì)粉塵的最小點火能，根據(jù)BS EN 13821—2002，將測定的點火能換算成統(tǒng)計數(shù)值Es：

式中：IE2為點火能為E2時點火成功的次數(shù)；（NI+I）E2為點火能為E2時點火總次數(shù)。

圖4為木質(zhì)粉塵的Es值與粒徑之間的關(guān)系?？梢?，隨著粒徑增大，粉塵的Es值增大。隨著粉塵粒徑的增大，其比表面積減小，與氧氣的接觸面積減少，導(dǎo)致參與反應(yīng)的粉塵在管中不充分燃燒，以至于粉塵參加反應(yīng)所需要的能量升高。對于不同種類的粉塵而言，砂光粉的最小點火能明顯低于其他3種木質(zhì)粉塵，可能由于纖維板生產(chǎn)線中砂光粉質(zhì)量輕，其表面積較大，且其含氮量較大。除此之外，當(dāng)粉塵的粒徑分布為0～63、＞63～125 μm 時，4 種粉塵的 Es值相近，但對具有較大粒徑的粉塵，其Es值相差較大。當(dāng)木質(zhì)粉塵的粒徑小于在63 μm，粉塵種類對于其最小點火能的影響較小。

圖4 木質(zhì)粉塵的Es與粒徑之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between Es and particle size of wood dust

2.2.2 方差分析

對2個因素的各水平的每對組合做實驗，組成16個實驗，得到的Es值見表5。表中，A代表木質(zhì)粉塵粉種類，A1為砂光粉，A2為楊木粉，A3為馬尾松粉，A4為香樟；B 代表粒徑分布，B1為 0～63 μm，B2為＞63～125 μm，B3為＞125～250 μm，B4＞為 250～500 μm。

表5 不同木質(zhì)粉塵不同粒徑分布的Es值Tab.5 Esof different wood dust with different particle size distribution mJ

取顯著性水平α=0.05和α=0.01，運用雙因素?zé)o重復(fù)實驗的方差分析法，分析粉塵種類和粒徑大小對最小點火能影響的顯著性。列出雙因素?zé)o重復(fù)實驗方差分析表6。

表6 雙因素?zé)o重復(fù)實驗方差分析表Tab.6 Analysis of variance without repeatedexperiments for two factors

由F分布表查得臨界值：

由于FA=3.194＜3.86=F0.05（3.9），因此認(rèn)為因素A對于實驗結(jié)果的影響不顯著，即粉塵種類對于最小點火能的影響不顯著。由于FB=11.039＞6.99=F0.01（3.9），因此認(rèn)為因素B對于實驗結(jié)果有高度顯著性影響，即粒徑大小對于最小點火能有高度顯著影響。

3 結(jié)論

1）中密度纖維板生產(chǎn)線中的砂光粉在粒徑為＞125～250、＞250～500 μm 內(nèi)其比表面積明顯高于楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵；4種木質(zhì)粉塵的形貌均屬于長纖維狀；含有脲醛樹脂膠的砂光粉的氮含量明顯高于其余3種木質(zhì)粉塵。

2）中密度纖維板生產(chǎn)線中的砂光粉、楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵的最小點火能隨著粒徑的增大而增大；纖維板生產(chǎn)線中的砂光粉的最小點火能明顯低于其他3種木質(zhì)粉塵。

3）無重復(fù)雙因素方差分析表明，木質(zhì)粉塵粒徑分布對其最小點火能影響較為顯著，而粉塵種類對最小點火能的影響不顯著。