氯化鈉對蔗糖粉塵最小點火能的影響研究

王菲，李曉泉，梁樂樂，覃小玲，覃思妙

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

0 引言

蔗糖生產(chǎn)過程中的振動過篩、提升、輸運和包裝等環(huán)節(jié)將產(chǎn)生大量易燃易爆的糖粉，懸浮在空氣中形成一定濃度的粉塵云，在有明火且氧濃度適宜條件下有可能發(fā)生粉塵爆炸，后果嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，約有14 %的粉塵爆炸事故由電氣火花和靜電所致，這些著火源能量可高達1 J[1]，而很多納米級可燃粉塵的最小點火能低于1 mJ[2]。實際生產(chǎn)過程中潛在的著火源眾多且無法完全消除[3]，為減小粉塵爆炸發(fā)生的幾率與危害程度，在有爆炸可能性時及時添加惰性粉末，可降低可燃粉塵的著火敏感度、抑制爆炸發(fā)生或使爆炸終止以降低損失。添加惰性粉末能在一定程度上提高可燃粉塵的最小點火能，常用的惰性粉末有磷酸二氫銨、碳酸鈣、氧化鎂、二氧化硅、二氧化鈦等，惰化抑爆機理一般分為化學(xué)作用和物理影響，惰性粉末在系統(tǒng)中有吸熱、稀釋、隔絕熱輻射、改變初始湍流以及限制氧擴散的作用，使可燃的微米級金屬粉塵、玉米粉、碳粉最小點火能超過1 000 mJ，著火敏感度極低[4-8]。參考英國標(biāo)準(zhǔn)電氣規(guī)范“Code of practice for control of undesirable static electricity—Part 1: General considerations”(BS 5958-1：1991)，基于最小點火能的可燃粉塵著火敏感度等級劃分見表1。

表1 基于最小點火能的可燃粉塵著火敏感度等級

當(dāng)前對降低粉塵著火敏感度的實驗研究主要集中于煤粉、金屬粉塵，較少涉及蔗糖粉塵。筆者在前期取得的蔗糖粉塵爆炸參數(shù)基礎(chǔ)上，按照一定比例添加不燃、吸熱性強且無毒的固體氯化鈉粉末，在1.2 L Hartmann裝置中進行試驗研究氯化鈉濃度、粒徑對蔗糖粉塵的抑爆作用，旨在考察氯化鈉對降低蔗糖粉塵著火敏感度的效果，以期為指導(dǎo)蔗糖行業(yè)的安全生產(chǎn)工作提供參考。

1 實驗

1.1 實驗裝置

筆者選用HY16428A粉塵云最小點火能實驗裝置(1.2 L Hartmann管)進行實驗(圖1)。該裝置符合“Standard test method for minimum explosible concentration of combustible dusts”(ASTM E 2019-2003)和“Electrical apparatus for use in the presence of combustible dust——Part 2: Test methods——Section 3: Method for determining minimum ignition energy of dust/air mixtures”(IEC 61241-2-3：1994)對粉塵云最小點火能的測試要求。該裝置結(jié)構(gòu)主要包括擴散系統(tǒng)和點火電極，擴散系統(tǒng)由上部的1.2 L石英玻璃管和下部擴散器組成。

1.1.2 L石英玻璃管；2.點火電極；3.擴散器；4.銅套；5.底座；6.點火電極接頭座；7.儲氣罐

1.2 實驗樣品

實驗選用粒徑為48～75 μm蔗糖粉末，氯化鈉為惰性介質(zhì)。氯化鈉經(jīng)機械粉碎后篩分為3組，粒徑分別為37～47、48～75、75 μm。實驗前將樣品置于常溫干燥箱中干燥12 h，后裝入密封瓶中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 實驗方法及原理

實驗前，空氣壓縮機充壓至0.8 MPa，樣品稱量、混合后均勻鋪設(shè)在傘形擴散器邊緣。實驗過程中，壓縮空氣經(jīng)進氣閥充入儲氣罐，電磁閥動作使壓縮空氣按照設(shè)定的分散壓力從擴散器底部氣口噴出，粉塵即被壓縮空氣帶起在管內(nèi)形成粉塵云，達到設(shè)定的延遲時間后電極點火。實驗中觀察管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑デ闆r，若火焰?zhèn)鞑ジ叨却笥? cm，則判定為著火，否則認(rèn)為未著火。實驗應(yīng)從高點火能量開始測試，如果著火，則逐漸降低點火能量進行測試，直至某一點火能量下連續(xù)20次均未著火，此時該能量即為粉塵在此濃度下的最小點火能。

粉塵在Hartmann管中擴散燃燒過程如下：粉塵顆粒被壓縮空氣帶起，在管中擴散形成氣相粉塵云。按照氣相點火機理，糖粉顆粒表面通過熱傳導(dǎo)和熱輻射從電火花產(chǎn)生的高溫火源獲得能量，顆粒表面溫度急劇升高，達到粒子蒸發(fā)溫度后形成可燃蒸汽，與空氣混合后遇熱發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)。粉塵燃燒初期，中心點開始燃燒并形成層流火焰面?；鹧鏌崃髅嫱ㄟ^熱傳導(dǎo)使鄰近的低溫氣層受熱，預(yù)熱區(qū)的粉塵云層也受熱燃燒并形成新的火焰面。另外，反應(yīng)區(qū)內(nèi)燃燒粒子相繼熔融氣化，放出的熱量即成為周圍未燃燒粒子的點火源，燃燒范圍因此擴大。由此可知，只要降低反應(yīng)區(qū)內(nèi)粉塵顆粒的溫度[9]，或阻隔顆粒表面的傳熱傳質(zhì)[10]，延緩或隔斷火焰面的傳播，燃燒火焰就無法維持。氯化鈉在抑制火焰發(fā)展的過程中表現(xiàn)為物理惰化抑爆作用：

① 氣相湍流使氯化鈉附著于糖粉顆粒表面，而流體中顆粒粒徑以及慣性的增大在一定程度上導(dǎo)致湍流的耗散，原定的氣體分散壓力已不足以使粉塵云均勻分散，從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ダщy，表現(xiàn)為混合粉塵最小點火能的提高；

② 不可燃的氯化鈉阻止氧氣向糖粉顆粒表面擴散，同時具有屏蔽輻射熱的作用；

③ 管內(nèi)分散的粉塵云中同時存在氯化鈉與糖粉顆粒，氯化鈉起到稀釋和屏蔽的作用：一方面，稀釋糖粉顆粒四周氧濃度，導(dǎo)致糖粉顆粒在低氧中燃燒不完全[6]，化學(xué)能無法充分釋放，火焰?zhèn)鳠嵝时唤档?；另一方面，分散的氯化鈉形成溫度相對較低的“屏障”，有效削弱燃燒顆粒的輻射熱，并極大降低火焰前沿的熱傳導(dǎo)速率及火焰速度，同時吸收系統(tǒng)燃燒放出的熱量，影響火焰正常傳播；

④ 氯化鈉破壞粉塵云的均勻性，改變顆粒的沉降速度，從而影響混合粉塵云的可燃性，影響其最小點火能[8]。

1.4 實驗結(jié)果分析

本課題組前期的研究結(jié)果表明[11]，417 g/m3為蔗糖粉塵云的敏感濃度。筆者主要研究蔗糖粉塵處于敏感濃度以及小于敏感濃度情況下，氯化鈉的含量和粒徑對蔗糖粉塵最小點火能的影響。

1.4.1 氯化鈉的濃度對蔗糖粉塵云最小點火能的影響

氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混合粉塵云最小點火能的影響如圖2所示。氯化鈉的粒徑為48～75 μm，分散壓力為60 kPa，擾動指數(shù)tv=90 ms;蔗糖粉塵的理論質(zhì)量濃度分別為250、292、333、375、417 g/m3。實驗前將蔗糖粉末與氯化鈉按不同比例均勻混合，分別測出不同比例下混合粉塵的最小點火能，實驗數(shù)據(jù)見表2。

圖2 氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混合粉塵云最小點火能的影響

表2 氯化鈉-蔗糖混合粉塵云最小點火能

由表2與圖2可知，一定濃度的氯化鈉粉末可以有效抑制蔗糖粉的燃燒。

分析表2數(shù)據(jù)可知，氯化鈉對蔗糖粉塵的抑爆作用主要和氯化鈉與蔗糖粉塵兩者比例有關(guān)，混合粉塵的最小點火能隨氯化鈉粉末所占比例的增加而顯著提升。對粒徑同為48～75 μm的蔗糖粉和氯化鈉粉末，惰化抑爆程度達到40 %時，混合粉塵的最小點火能超過1 000 mJ，由表1知混合粉塵著火敏感度等級為極低敏感度，意味著燃燒已被完全抑制，蔗糖粉塵被完全惰化?；旌戏蹓m中蔗糖所占比例越大，混合粉塵的最小點火能越低，如蔗糖粉塵濃度為250 g/m3，氯化鈉含量為30 %時，混合粉塵的最小點火能超過1 000 mJ;而當(dāng)蔗糖粉塵濃度為292 g/m3，氯化鈉含量同為30 %時，混合粉塵的最小點火能僅為648.5 mJ。由此可推測，蔗糖粉塵濃度越高，其燃燒越難被抑制。

結(jié)合以上分析可知，氯化鈉濃度的增加使其在糖粉塵顆粒上的附著力及附著量增大，具有較強的吸熱及阻氧能力。因此，氯化鈉在混合粉塵中比例越高，惰化抑爆效果越好。當(dāng)蔗糖粉塵濃度較小時，糖粉顆粒在分散時具有較大離散間距，顆粒間傳熱距離增加，火焰?zhèn)鞑ルy度較大，此時只需更少量的氯化鈉就可完全抑制其燃燒。隨著蔗糖粉塵濃度的增大，顆粒間距縮小，傳熱、傳質(zhì)的效率提高，其燃燒后可釋放更多熱量，所以蔗糖粉塵濃度越高，若要完全抑制燃燒，氯化鈉在混合粉塵中所占比例需更高。

分別對表2中五組數(shù)據(jù)進行擬合，得到最小點火能隨氯化鈉濃度的增大而增加的擬合函數(shù)，并從中獲得最小點火能EMIE等于1 000 mJ時的氯化鈉濃度，結(jié)果見表3。

表3 混合粉塵云最小點火能關(guān)于氯化鈉濃度的擬合結(jié)果

采用點火能等于1 000 mJ時的相關(guān)數(shù)據(jù)進行擬合，得到如圖3線段，擬合度R2=0.999 6，擬合效果很好。擬合函數(shù)為

圖3 最小點火能等于1 000 mJ時蔗糖粉塵濃度與氯化鈉濃度的關(guān)系

Cs=1.171 7Ci+105.48，

(1)

式中，Cs為蔗糖粉塵濃度，取250～417 g/m3；Ci為氯化鈉濃度，g/m3。

結(jié)合表3與圖3的結(jié)果分析可知前述推測是正確的，即在一定范圍內(nèi)，對粒徑同為48～75 μm的蔗糖粉和氯化鈉粉末，蔗糖粉塵濃度越高時，氯化鈉在混合粉塵中所占比例需更高才能使燃燒被完全抑制。上述擬合函數(shù)所對應(yīng)的線段可用于確定燃燒被完全抑制時混合粉塵中蔗糖粉末與氯化鈉之間的比例，Cs與Ci成線性關(guān)系。線段右側(cè)的氯化鈉濃度足以完全抑制燃燒，而線段左側(cè)的氯化鈉濃度還未能完全抑制蔗糖粉的燃燒。

1.4.2 氯化鈉的粒徑對蔗糖粉塵云最小點火能的影響

在1.4.1實驗的基礎(chǔ)上，固定蔗糖粉塵濃度為417 g/m3，增加另兩組的氯化鈉進行對照實驗，考察氯化鈉的粒徑分別為37～47、48～75、>75 μm時，其對蔗糖粉塵云最小點火能的影響。實驗結(jié)果如圖4。

圖4 氯化鈉粒徑對蔗糖粉塵云最小點火能的影響

由圖4可知，氯化鈉的粒徑小于75 μm時，自身的粒徑對燃燒反應(yīng)的抑制效力影響不大，濃度達到277.5 g/m3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40 %)可使混合粉塵的最小點火能大于1 000 mJ。但當(dāng)其粒徑大于75 μm后，惰化抑爆效果變差，濃度需達到972.2 g/m3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)70 %)時才能使混合粉末點火能大于1 000 mJ。總體而言，當(dāng)混合粉末中氯化鈉濃度一定時，氯化鈉的粒徑越小，對蔗糖粉塵云的最小點火能影響越大。

混合粉塵中添加的小粒徑氯化鈉吸熱滅焰效果更好，可有效降低粉塵的著火敏感度。大量研究干粉抑制可燃?xì)怏w爆炸、粉塵爆炸的結(jié)果均表明[12-13]，惰性粉末的粒徑越小，粒度越細(xì)，對燃燒爆炸的抑制效果越好?；旌戏蹓m云作為氣溶膠，其分散相氯化鈉顆粒對燃燒產(chǎn)生的熱量有散射和吸收作用，氯化鈉表面的散射和內(nèi)部的吸收作用共同削弱燃燒火焰產(chǎn)生的輻射熱，其比表面積隨粒徑減小而增大，比表面積越大，散射表面增多因而散射作用增強，單位質(zhì)量的吸熱面積也隨比表面積增大而增大，故相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉，粒徑越小所吸收的熱量更多，因此惰化抑爆效果更好。

在Hartmann管中分散的粉塵云，顆粒在擴散中各種動力作用下發(fā)生碰撞、凝并，顆粒的沉降速度、擴散系數(shù)等特性參數(shù)均與其粒徑大小相關(guān)。佩克萊數(shù)(peclet number，簡稱Pe數(shù))可表示氣固兩相運動中顆粒相的擴散程度大小，用字母P表示。P值越小，擴散作用越明顯[14]。

(2)

式中，D為氣溶膠粒子的擴散系數(shù)，m2/s;v為氣流流速，m/s;dp為顆粒直徑，D與dp大小成反比。

由式(2)可知，在氣流流速一定時，顆粒直徑dp越小，粒子擴散系數(shù)D越大，擴散越明顯。小粒徑的氯化鈉擴散程度更強，與蔗糖粉顆粒有更大幾率碰撞并附著，隨著氯化鈉粒徑的增大，其單顆粒體積和密度增大，從而沉降速度提高，在點火頭處停留時間較短，其中一些顆粒難以附著于蔗糖粉塵顆粒表面以阻礙氧氣的傳播，而另一些無法在蔗糖粉燃燒的湍流火焰周圍適時形成懸浮顆粒以阻止熱量傳播。由此，氯化鈉顆粒的粒徑越小，所能達到的惰化抑爆效果就越好。

2 結(jié)論

① 添加氯化鈉后，蔗糖粉塵著火敏感度降低，隨著氯化鈉濃度增加，混合粉塵的最小點火能顯著提升。這說明氯化鈉可作為蔗糖粉的有效惰化劑，且含量越多，惰化抑爆效果越好。

② 對不同濃度的蔗糖粉塵，燃燒被完全抑制時所需氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同。蔗糖粉塵濃度越高時，氯化鈉對蔗糖粉燃燒的抑制效果越差，氯化鈉在混合粉塵中所占比例需更高才能使燃燒被完全抑制。

③ 對粒徑小于75 μm的氯化鈉，濃度達到277.5 g/m3可使混合粉塵的最小點火能大于1 000 mJ；而當(dāng)氯化鈉的粒徑大于75 μm，濃度升至972.2 g/m3才可使混合粉塵最小點火能大于1 000 mJ。以上結(jié)果可說明氯化鈉的粒徑越小，對蔗糖粉塵燃燒的惰化抑爆效果越好。

④ 氯化鈉粉末在蔗糖粉燃燒的發(fā)展中的物理抑制作用主要表現(xiàn)：改變初始湍流、屏蔽熱輻射、阻礙熱傳導(dǎo)及影響粉塵云的均勻程度。這縮小了火焰的預(yù)熱區(qū)，改變火焰?zhèn)鞑ニ俣?，阻礙了燃燒的發(fā)展。