惰性粉體對(duì)蔗糖粉塵最小點(diǎn)火能的影響研究

覃小玲，李曉泉

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，粉塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，輕則破壞建筑和設(shè)備，重則造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近些年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于各類粉塵爆炸抑制方面進(jìn)行了大量的研究。李亞男、譚迎新等[1-2]利用最小點(diǎn)火能裝置研究了CaCO3和NH4H2PO4對(duì)金屬粉塵爆炸的惰化作用，結(jié)果表明添加惰性粉體會(huì)增大金屬粉塵的最小點(diǎn)火能，粒徑越小抑制效果越明顯；裴鳳娟等[3]研究了NH4H2PO4，CaCO3，SiO23種阻燃劑對(duì)鈦粉粉塵云著火溫度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NH4H2PO4的抑制作用最明顯；黃子超等[4]通過20 L 球形爆炸試驗(yàn)裝置對(duì)多種不同抑爆粉劑濃度及粒度條件下的瓦斯爆炸特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，研究表明：抑爆劑濃度的變化會(huì)增大瓦斯的最大爆炸壓力；覃欣欣和文虎等[5-6]研究了ABC粉體對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果，發(fā)現(xiàn)惰性粉塵濃度和爆炸性混合氣體中的甲烷濃度對(duì)抑制效果有一定影響，當(dāng)惰性粉體達(dá)到一定濃度時(shí)，瓦斯爆炸火焰被完全抑制，點(diǎn)火延遲時(shí)間越長(zhǎng)，惰性粉體的抑爆效果越差；Jiang等[7-8]利用20 L球形爆炸測(cè)試裝置分別研究了ABC粉末和NaHCO3對(duì)鋁粉爆炸抑制的影響，結(jié)果表明ABC粉末對(duì)鋁粉的抑制效果較好；王玉杰等[9-10]則研究了NaHCO3粒徑的變化對(duì)鋁粉火焰結(jié)構(gòu)變化和火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，結(jié)果表明碳酸氫鈉粉體能顯著降低火焰強(qiáng)度，鈍化火焰前端，其粒徑越小，對(duì)鋁粉火焰最大傳播速度的抑制效果越好；Kordylewski[11]對(duì)NaHCO3和NH4H2PO4的惰化抑制功效進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)NH4H2PO4粉末在惰化方面的效果優(yōu)于NaHCO3，而在抑制爆炸方面則NaHCO3更有效;Enrico等[12]利用G-G爐測(cè)定面粉，乳糖，蔗糖，硫磺4種可燃粉塵添加石灰?guī)r、干粉滅火劑混合物的最低著火溫度和2種不同易燃粉塵混合物的最低著火溫度，得出粉塵最低著火溫度都隨惰性物質(zhì)的量增加而升高的結(jié)論。

蔗糖粉塵是蔗糖在生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的伴生性粉塵，屬于可燃性有機(jī)粉塵，當(dāng)在受限空間內(nèi)空氣中懸浮的蔗糖粉塵達(dá)到一定濃度時(shí)，如果遇到足夠能量的點(diǎn)火源，就會(huì)發(fā)生蔗糖粉塵爆炸事故，如2008年美國(guó)皇家糖廠發(fā)生了震驚世界的蔗糖粉塵爆炸事故，造成了大量的人員傷亡[13]，這突顯了蔗糖粉塵爆炸抑制研究的重要性。NH4H2PO4作為ABC滅火器的主要成分之一，經(jīng)過大量研究人員的研究發(fā)現(xiàn)，NH4H2PO4對(duì)于金屬粉塵有顯著的抑制效果，Al(OH)3作為無機(jī)阻燃添加劑不僅能阻燃，而且可以防止發(fā)煙、不產(chǎn)生滴下物和有毒氣體，但二者對(duì)于蔗糖粉塵的抑制效果如何還未有相關(guān)的研究，此外，二者價(jià)格便宜、容易獲取，因此研究NH4H2PO4和Al(OH)3對(duì)蔗糖粉塵的爆炸抑制影響將對(duì)蔗糖生產(chǎn)企業(yè)采取合理的防爆措施有一定的參考意義。

1 試樣、測(cè)試裝置和方法

1.1 樣品處理

根據(jù)試驗(yàn)要求，購買了分析純級(jí)別、含量不少于99%的Al(OH)3和NH4H2PO4，利用75～25 μm標(biāo)準(zhǔn)分樣篩分別篩出25～37，38～47，48～74 μm 3種不同的粒徑,蔗糖粉塵粒徑為48 ～74 μm。所有樣品在試驗(yàn)前均放入60 ℃的恒溫干燥箱中干燥12 h，分別裝入干燥瓶中保存。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用HY16428A粉塵云最小點(diǎn)火能試驗(yàn)裝置(1.2 L哈特曼管)對(duì)蔗糖粉塵進(jìn)行惰化抑制試驗(yàn)。該裝置主要由石英玻璃管、點(diǎn)火電極、以及噴粉系統(tǒng)3個(gè)部分組成，如圖1所示。該測(cè)試裝置具有體積小、易于拆卸、便于清理燃燒殘留物、重復(fù)試驗(yàn)間隔時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，提供的點(diǎn)火能量范圍為0.1～999.9 mJ。

1-石英玻璃管；2-電極；3-擴(kuò)散器；4-鋼套；5-底座；6-電極接頭座；7-儲(chǔ)氣罐。圖1 哈特曼管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure schematic diagram of Hartmann tube

試驗(yàn)時(shí)，先將粉塵均勻分散在哈特曼管底部的傘形擴(kuò)散器上，然后啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，試驗(yàn)開始后在壓縮空氣的作用下，粉塵分散在哈特曼管中，通過電極點(diǎn)火來測(cè)試粉塵云的最小點(diǎn)火能。點(diǎn)火電極位置位于哈特曼管垂直對(duì)稱軸線上，離哈特曼管底部大約60 mm，若點(diǎn)火能量高于混合粉塵的最小點(diǎn)火能，混合粉塵就會(huì)出現(xiàn)劇烈的火焰燃燒現(xiàn)象，如果低于混合粉塵的最小點(diǎn)火能，則混合粉塵不發(fā)生著火現(xiàn)象。在試驗(yàn)中，若粉塵被引燃且火焰離開火花位置傳播至少60 mm，則認(rèn)為粉塵著火，否則，則認(rèn)為粉塵未著火。所測(cè)得最小點(diǎn)火能Emin介于連續(xù)20次未著火的最大能量值E1和連續(xù)20次著火的最小能量值E2之間，即：E1

2 測(cè)試方法和原理

在研究NH4H2PO4和Al(OH)3對(duì)蔗糖粉塵的爆炸抑制試驗(yàn)中，根據(jù)團(tuán)隊(duì)之前的研究成果，0.5 g為蔗糖粉塵的敏感質(zhì)量，且在此試驗(yàn)條件下最小點(diǎn)火能最小[15]。

設(shè)置噴粉壓力為60 kPa，蔗糖粉塵質(zhì)量為0.5 g，分別添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑的NH4H2PO4和Al(OH)3，直至混合粉塵不再發(fā)生爆炸。測(cè)試混合粉塵的最小點(diǎn)火能就是擴(kuò)散已知重量的混合樣品粉末，使其在電極頭的附近形成粉塵云，然后對(duì)樣品粉末放電，通過仔細(xì)觀察從電極頭處開始傳播的火焰來判斷是否著火?；鹧媾c電極頭分離且火焰半徑超過60 mm，就判定為試驗(yàn)粉塵被點(diǎn)燃[16]。

在試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)每一質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，點(diǎn)火能量從高能量開始試驗(yàn)觀察。如果混合粉塵發(fā)生劇烈火焰燃燒或者火焰半徑超過60 mm，則降低點(diǎn)火能量，并重復(fù)試驗(yàn)，如果在任意一個(gè)能量級(jí)別下無著火現(xiàn)象發(fā)生，則重復(fù)測(cè)試20次且無著火現(xiàn)象，那么這一能量級(jí)別則為添加該質(zhì)量分?jǐn)?shù)惰性粉體的最小點(diǎn)火能，改變惰性粉體的粒徑并依次重復(fù)試驗(yàn)。為了避免電火花產(chǎn)生的淬火效應(yīng)，電極間隙不應(yīng)該小于2 mm，最佳的電極間隙是6 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 惰性粉體質(zhì)量濃度對(duì)糖粉最小點(diǎn)火能的影響

試驗(yàn)選用粒徑范圍為48～74 μm的蔗糖粉塵0.5 g，粒徑相同的NH4H2PO4和Al(OH)3，分別以混合粉塵總質(zhì)量的5%為梯度添加到蔗糖粉塵中，并充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

圖2是在試驗(yàn)條件為惰性粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%，點(diǎn)火能量為100 mJ，利用高速攝像機(jī)拍攝混合粉塵的火焰?zhèn)鞑デ闆r。分別選取相同時(shí)間間隔的圖片作對(duì)比。

圖2(a)中，添加Al(OH)3的混合粉塵被點(diǎn)燃后，火焰就迅速?zèng)_出管口，在125 ms時(shí)，噴到玻璃管上方的蔗糖粉塵云進(jìn)一步燃燒，此時(shí)火焰強(qiáng)度最大，隨著混合粉塵中的蔗糖粉塵濃度下降，燃燒逐漸減弱直至火焰熄滅。在圖2(b)中，由于NH4H2PO4的分解溫度比Al(OH)3低，混合粉塵被點(diǎn)燃后，NH4H2PO4受熱吸收分解出氨氣、水蒸氣并生成惰性氧化物P2O5，有效地抑制火焰的傳播，所以火焰?zhèn)鞑サ乃俣让黠@比圖2(a)慢，生成物NH3被膨脹氣體推向管口后與氧氣混合，在管口發(fā)生輕微燃燒且在185 ms時(shí)火焰強(qiáng)度最大，之后管內(nèi)由于P2O5和水蒸氣的增加和氧氣含量不足，使得火焰逐漸熄滅。將二者的燃燒火焰的傳播情況進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在215 ms之前，圖2(a)中火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葓D2(b)快且火焰強(qiáng)度達(dá)到最大的時(shí)間相對(duì)提前，在215 ms之后，由于圖2(a)中的燃燒強(qiáng)度大，蔗糖粉塵顆粒逐漸燃燒完，火焰逐漸熄滅，圖2(b)由于燃燒緩慢，且生成的NH3與氧氣混合，具有一定的燃燒性，因此燃燒火焰比圖2(a)明顯。由此可以推斷，當(dāng)2種惰性粉塵在蔗糖粉塵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，NH4H2PO4對(duì)于阻礙火焰?zhèn)鞑ッ黠@比Al(OH)3有效。

圖2 利用高速攝像機(jī)拍攝的混合粉塵火焰?zhèn)鞑サ那闆rFig.2 Propagation situation of mixed dust flame shot by high speed camera

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著NH4H2PO4在蔗糖粉塵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合粉塵的最小點(diǎn)火能也隨之增大，當(dāng)NH4H2PO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%，連續(xù)點(diǎn)火20次，混合粉塵無法被裝置提供的最高點(diǎn)火能量點(diǎn)燃，由此可以推斷出，此時(shí)的蔗糖粉塵被完全惰化?；旌戏蹓m的最小點(diǎn)火能也隨著Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而緩慢增大，當(dāng)Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%，連續(xù)試驗(yàn)20次，混合粉塵無法被裝置提供的最高點(diǎn)火能量點(diǎn)燃，說明此時(shí)蔗糖粉塵被完全惰化。

圖3是將添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NH4H2PO4與Al(OH)3(二者粒徑均為48～74 μm)對(duì)蔗糖粉塵最小點(diǎn)火能影響做了對(duì)比，從圖3(a)中可以看出，分別在蔗糖粉塵中添加5%的NH4H2PO4與Al(OH)3，其混合粉塵的最小點(diǎn)火能相差不大，但添加NH4H2PO4的混合粉塵的最小點(diǎn)火能稍大于添加Al(OH)3的混合粉塵，但隨著兩者在蔗糖粉塵中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，NH4H2PO4對(duì)蔗糖粉塵爆炸的抑制作用明顯增強(qiáng)。對(duì)2種惰性粉體使蔗糖粉塵完全惰化所需的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作比較，如圖3(b)中所示，添加40%的NH4H2PO4能使糖粉完全惰化，然而要添加Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60%時(shí)，才能使糖粉完全惰化。因此可以推斷NH4H2PO4對(duì)蔗糖粉塵爆炸的抑制效果比Al(OH)3好。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的惰性粉體對(duì)蔗糖粉塵最小點(diǎn)火能的影響Fig.3 Influence of inert dust with different mass fractions on minimum ignition energy of sucrose dust

3.2 惰性粉體粒徑對(duì)抑爆效果的影響

在試驗(yàn)過程中，設(shè)定噴粉壓力為60 kPa，48～74 μm的蔗糖粉塵0.5 g，分別以5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度在蔗糖粉塵中添加粒徑為25～37，38～47 μm的NH4H2PO4和Al(OH)3，并充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

從圖4(a)中可以看出，隨著粒徑的減小，在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，25～37 μm的Al(OH)3的惰化效果稍微比38～47 μm的好，當(dāng)2種粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到60%時(shí)，連續(xù)點(diǎn)火20次，混合粉塵無法點(diǎn)燃，可以推斷此時(shí)蔗糖粉塵被完全惰化。因此可以說明，Al(OH)3的抑制效果隨著粒徑的減小而增強(qiáng)，但最終使蔗糖粉塵完全惰化所需的Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒度無關(guān)。隨著NH4H2PO4粒徑的減小，在同一惰性粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，混合粉塵的最小點(diǎn)火能明顯增大，隨著NH4H2PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，隨著惰性粉體粒徑減小，使蔗糖粉塵完全惰化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也將減少，抑制效果最好的是粒徑為25～37 μm的NH4H2PO4，總體情況說明了隨著惰性粉體的粒徑的減小，都能使混合粉塵的最小點(diǎn)火能有一定程度的增加，3種粒徑的NH4H2PO4對(duì)蔗糖粉塵爆炸的抑制效果都比Al(OH)3顯著。

從圖4(b)中可以看出，3種粒徑的Al(OH)3使糖粉完全惰化所需的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，3種粒度的NH4H2PO4使蔗糖粉塵完全惰化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著NH4H2PO4粉末粒徑的減小而依次減少5%。因此可以說明惰性粉體粒徑越小，惰化效果越好，綜合上述分析，NH4H2PO4對(duì)糖粉爆炸的抑制效果總體上優(yōu)于Al(OH)3。

圖4 不同粒徑的惰性粉體對(duì)蔗糖粉塵最小點(diǎn)火能的影響Fig.4 Influence of inert dust with different particle sizes on minimum ignition energy of sucrose dust

究其原因，是由于NH4H2PO4受熱時(shí)發(fā)生的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)且分解溫度低[17]，容易發(fā)生如下所示的化學(xué)分解：

(1)

(2)

(3)

(4)

在NH4H2PO4的分解過程中生成氨、水和磷酸等產(chǎn)物吸收了一部分點(diǎn)火能，分解產(chǎn)物P2O5屬于一種惰性氧化物，容易附在蔗糖粉塵顆粒的表面，使點(diǎn)火能量向蔗糖粉塵顆粒傳遞受阻，從而使得糖粉不易被點(diǎn)燃。隨著蔗糖粉塵中添加的NH4H2PO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來越大，需要點(diǎn)燃混合粉塵的點(diǎn)火能量就越大，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)一定量時(shí)，混合粉塵將不會(huì)被點(diǎn)燃。隨著NH4H2PO4粒徑的減小，其比表面積就越大，對(duì)蔗糖粉塵顆粒的包圍吸附作用就越強(qiáng)，使得混合粉塵越難發(fā)現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。另外，NH4H2PO4的粒度越小，吸收熱量就更多，加熱分解就越快，分解產(chǎn)物就會(huì)越多，從而對(duì)蔗糖粉塵的惰化抑制效果就越顯著。

Al(OH)3是應(yīng)用廣泛的一種無機(jī)阻燃添加劑，主要添加在一些塑料、橡膠、建材等制品中以提高其耐火性。Al(OH)3在200 ℃左右開始緩慢分解出水蒸氣[18]，分解形式如式(5)所示：

(5)

在哈特曼管中，由于混合粉塵著火時(shí)間較短，還未使Al(OH)3發(fā)生大量的分解，混合粉塵就燃燒結(jié)束，因此Al(OH)3對(duì)蔗糖粉塵爆炸的抑制作用主要依靠其物理特性，Al(OH)3顆粒粘附在糖粉顆粒表面，影響了蔗糖粉塵顆粒與氧氣的接觸，使得顆粒之間的能量傳遞受阻，從而提高了混合粉塵的最小點(diǎn)火能。

4 結(jié)論

1)NH4H2PO4和Al(OH)3都對(duì)蔗糖粉塵爆炸有一定的抑制作用，隨著二者在蔗糖粉塵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，混合粉塵的最小點(diǎn)火能均隨之增大，但NH4H2PO4的惰化效果更明顯。

2)當(dāng)NH4H2PO4(粒徑分別為48～74，38～47，25～37 μm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到40%，35%，30%，3種粒徑的Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，質(zhì)量為0.5 g的蔗糖粉塵被完全惰化，不能被裝置所提供的最大點(diǎn)火能點(diǎn)燃。

3)NH4H2PO4是一種有效的惰化劑，粒徑越小，使蔗糖粉塵完全惰化所需的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。在蔗糖粉塵中加入少量的NH4H2PO4能有效提高蔗糖粉塵的最小點(diǎn)火能，從而實(shí)現(xiàn)降低蔗糖粉塵爆炸的危險(xiǎn)性。