面粉爆炸最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)研究

曾靜 曾繁華 何俊燃 王易 趙小雙 李夢蘭

摘 要：目的 實(shí)驗(yàn)研究敏感因素濃度、粒徑對面粉粉塵爆炸最小點(diǎn)火能的影響并分析其最敏感條件。方法 本文利用20L球形爆炸裝置采用單因素變量法對兩種敏感條件濃度（400～2000g/m3）、粒徑（160 ～ 300 目）的面粉最小點(diǎn)火能進(jìn)行測試，揭示粒徑、濃度兩種影響因子與最小點(diǎn)火能之間的影響規(guī)律，在定量分析的基礎(chǔ)上，確定最敏感條件。結(jié)論 面粉濃度對最小點(diǎn)火能呈極值因素影響，面粉爆炸最小點(diǎn)火能隨著面粉濃度的增加先減小后增大，存在最敏感值1201g/m3。當(dāng)面粉濃度為1201g/m3時(shí)，最小點(diǎn)火能最低，為825J;面粉粒徑對最小點(diǎn)火能的影響為單調(diào)因素影響。粉塵云的顆粒越小，越容易被點(diǎn)燃。當(dāng)面粉粒徑為48μm時(shí)，最小點(diǎn)火能為944J。

關(guān)鍵詞：面粉;最小點(diǎn)火能;粉塵濃度;粉塵粒徑

Experimental study on minimum ignition energy of flour explosion

ZENG jing1，ZHAO xiaoshuang1，LI menglan1，WANG yi1，HE junran1，ZENG fanhua1*

（1.College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China）

Abstract：Objective To study the effect of concentration and particle size of sensitive factors on the minimum ignition energy of flour dust explosion and analyze the most sensitive conditions.Methods The minimum ignition energy of flour with two kinds of sensitive concentration（400-2000g/m3）and particle size（160-300 mesh）was measured by single factor variable method in 20 L spherical explosive device.To reveal the influence law between the two factors of particle size and concentration and the minimum ignition energy.On the basis of quantitative analysis，the most sensitive conditions are determined.Conclusion Flour concentration has an extreme effect on the minimum ignition energy.The minimum ignition energy of flour explosion decreases first and then increases with the increase of flour concentration，and the most sensitive value is 1201g/m3.When the flour concentration is 1201g/m3，the minimum ignition energy is 825J.And the effect of flour particle size on the minimum ignition energy is monotonic.The smaller the dust particles are，the easier they are to ignite.When the particle size of flour is 48μm，the minimum ignition energy is 944J.

Key words：flour;minimum ignition energy;dust concentration;dust particle size.

引言

我國從十九世紀(jì)末期使用機(jī)器制造面粉，即機(jī)制面粉，至今已經(jīng)發(fā)展有一百多年，工廠數(shù)也由最初的幾家發(fā)展壯大到今天具規(guī)模的就有上萬家，這些工廠都達(dá)到了每天 50 噸以上的小麥加工處理量[1] 。面粉作為中國北方大部分地區(qū)的主食，在其收獲、儲存、加工和運(yùn)輸過程中，能伴生出0.01%～1%的可燃性粉塵[2] 。面粉廠是典型的粉塵爆炸危險(xiǎn)性場所，而且和人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，近年來面粉企業(yè)粉塵爆炸事故屢見不鮮[3] 。面粉爆炸問題日益突出，面粉粉塵爆炸事故頻發(fā)，已到了觸目驚心的地步。目前國內(nèi)關(guān)于糧食粉塵爆炸特性研究較多[4，5，6]，而糧食粉塵爆炸最小點(diǎn)火能的相關(guān)研究報(bào)道甚少。

面粉粉塵作為一種可燃性粉塵，在國家安全監(jiān)管總局辦公廳下發(fā)的《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄》（2015版）中，將其爆炸危險(xiǎn)性級別列為高級的可燃性粉塵，一旦發(fā)生爆炸使粉塵爆炸極有可能引起整個(gè)工作場所的連鎖爆炸，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，嚴(yán)重的環(huán)境污染，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。本課題通過相關(guān)內(nèi)容的研究，為面粉爆炸最小點(diǎn)火能提供一定的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，并為后續(xù)的深入研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、實(shí)驗(yàn)裝置及樣品

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

本文主要采用20L球形爆炸實(shí)驗(yàn)裝置測試面粉粉塵的最小點(diǎn)火能，主要包括20L爆炸球、控制箱、儲粉罐、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等幾個(gè)部分。工作原理是儲粉罐內(nèi)的壓縮空氣將其中的粉塵經(jīng)氣粉兩相閥迅速吹到容器中形成粉塵云，在容器中被化學(xué)點(diǎn)火具（鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇的比例為4：3：3）點(diǎn)燃引爆。

（二）試驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)研究對象為小麥粉塵，用篩子進(jìn)行篩分，選用目數(shù)為160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）的篩子，將篩分后的粉塵放在真空干燥箱中烘干。設(shè)定干燥箱溫度為 80℃，干燥時(shí)間為30min。把烘干的面粉粉塵置于密封的玻璃瓶中冷卻。玻璃瓶也應(yīng)在干燥箱中進(jìn)行干燥處理，以防瓶壁上的水蒸氣被粉塵吸收而使粉塵濕度變大[7] 。

二、實(shí)驗(yàn)方法及步驟

（一）實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)研究2個(gè)因素：面粉粉塵濃度、粒徑。實(shí)驗(yàn)過程中，先選用目數(shù)為250目（粒徑為58μm）的面粉，改變面粉濃度，測試不同濃度條件下面粉粉塵的最小點(diǎn)火能;然后選用面粉濃度為400g/m3，改變面粉粒徑，測試不同粒徑條件下面粉粉塵的最小點(diǎn)火能。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟

1.系統(tǒng)檢查

檢查的項(xiàng)目包括控制系統(tǒng)的線路，采樣系統(tǒng)的線路，氣路系統(tǒng)（噴粉閥控制壓力調(diào)為2.0MPa，將儲粉罐電接點(diǎn)壓力表調(diào)整為2.0MPa，并關(guān)閉所有閥門。），確保連接良好，各個(gè)環(huán)節(jié)不漏氣。

2.打開控制箱的電源，同時(shí)啟動PLC程序控制系統(tǒng)

3.稱量化學(xué)點(diǎn)火具的質(zhì)量（2.4g化學(xué)點(diǎn)火具產(chǎn)生10KJ能量），根據(jù)實(shí)驗(yàn)稱取相應(yīng)質(zhì)量的點(diǎn)火具制作化學(xué)點(diǎn)火裝置，將20升球形爆炸裝置開啟蓋取下，安裝點(diǎn)火裝置，再把相關(guān)的開關(guān)閥門合上，插上電極引線。

4.裝粉

將已經(jīng)處理好的面粉按要求稱取，裝入儲粉罐，將O型圈周圍清掃干凈，隨后把蓋旋緊。

5.抽真空

啟動真空泵抽至負(fù)壓為-0.06MPa，隨后關(guān)閉真空壓力表開關(guān)及連接真空軟管閥門。

6.啟動計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng)，填寫采樣數(shù)據(jù)，并使采樣程序處于等待狀態(tài)。

7.運(yùn)行

將手動/自定按鈕旋轉(zhuǎn)到自動位置，按下運(yùn)行按鈕即完成一次爆炸。

8.數(shù)據(jù)記錄

程序會自動記錄數(shù)據(jù)。

9.清洗

打開20升裝置上出氣閥門，將手動/自動按鈕扭向手動位置，按下進(jìn)氣按鈕，然后按下清洗按鈕，打開裝置上蓋，用吸塵器仔細(xì)清洗。

10.如果獲得點(diǎn)火，則再降低能量水平后再次進(jìn)行測試。如果沒有點(diǎn)火，實(shí)驗(yàn)在相同的條件下重復(fù)10次。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）濃度對面粉粉塵最小點(diǎn)火能的影響

本實(shí)驗(yàn)先選用目數(shù)為250目（粒徑為58μm）的面粉，改變面粉濃度分別為400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3、2000g/m3進(jìn)行試驗(yàn)，測試不同濃度條件下面粉粉塵的最小點(diǎn)火能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

面粉濃度對最小點(diǎn)火能呈極值因素影響，面粉爆炸最小點(diǎn)火能隨著面粉濃度的增加先減小后增大，存在最敏感值1201g/m3。當(dāng)面粉濃度為1201g/m3時(shí)，最小點(diǎn)火能最低，為825J。

當(dāng)面粉濃度小于1201g/m3時(shí)，隨著面粉濃度的增加，懸浮于空氣中的面粉顆粒增加，顆粒間距相對減小，能更有效地將能量傳播開來，于是最小點(diǎn)火能逐漸變小;當(dāng)面粉濃度大于1201g/m3時(shí)，隨著面粉濃度的增加，懸浮于空氣中的面粉顆粒增加，導(dǎo)致能量供應(yīng)不足，面粉顆粒不能完全被點(diǎn)燃，于是最小點(diǎn)火能逐漸增大。秦澗[8] 利用哈特曼以靜電點(diǎn)火的方式對小麥淀粉最小點(diǎn)火能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究表明小麥淀粉最小點(diǎn)火能隨濃度增大先減小后增大，敏感濃度為1200g/m3，與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎一致。

（二）粒徑對面粉粉塵最小點(diǎn)火能的影響

本實(shí)驗(yàn)選用面粉濃度為400g/m3，改變面粉粒徑分別為160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試不同粒徑條件下面粉粉塵的最小點(diǎn)火能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

當(dāng)面粉粒徑為96μm時(shí)，最小點(diǎn)火能為1272J;當(dāng)面粉粒徑為75μm時(shí)，最小點(diǎn)火能為1208J;當(dāng)面粉粒徑為58μm時(shí)，最小點(diǎn)火能為1092J;當(dāng)面粉粒徑為48μm時(shí)，最小點(diǎn)火能為944J。

面粉粒徑對最小點(diǎn)火能的影響為單調(diào)因素影響。粉塵云的顆粒越小，越容易被點(diǎn)燃。由于面粉粉塵在質(zhì)量相同的情況下，粒徑越小，粉塵顆粒數(shù)目越大，總比表面積也隨著增大，粉塵顆粒與氧接觸的機(jī)會越多，粉塵云也越容易爆炸。陳金健[9] 、陳成[10] 和任純力[11] 分別對鈦粉、鋁粉及TNT粉塵等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)粉塵的最小點(diǎn)火能隨粉塵粒度增大而增大，與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

四、結(jié)論

最小點(diǎn)火能作為粉塵爆炸較為重要的一個(gè)特性參數(shù)，它具有評估粉塵爆炸危險(xiǎn)性及從源頭上預(yù)防粉塵爆炸的重要意義。將點(diǎn)火源的能量控制到小于最小點(diǎn)火能，即能安全有效地避免造成財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至災(zāi)難性后果的粉塵爆炸事故的發(fā)生。本文采用20L球形爆炸裝置爆測試兩種不同敏感條件（濃度、粒徑）對面粉爆炸最小點(diǎn)火能的變化;揭示粒徑、濃度兩種影響因子與最小點(diǎn)火能之間的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）面粉濃度對最小點(diǎn)火能呈極值因素影響，面粉爆炸最小點(diǎn)火能隨著面粉濃度的增加先減小后增大，存在最敏感值1201g/m3。當(dāng)面粉濃度為1201g/m3時(shí)，最小點(diǎn)火能最低，為825J。

（2）面粉粒徑對最小點(diǎn)火能的影響為單調(diào)因素影響。粉塵云的顆粒越小，越容易被點(diǎn)燃。當(dāng)面粉粒徑為48μm時(shí)，最小點(diǎn)火能為944J。

基金項(xiàng)目：重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（YKJCX17 20707）。

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作者簡介：

曾靜（1993-），女，碩士研究生;通訊作者：曾繁華（1970-），女，副教授。

（作者單位：重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院）