糧食粉塵燃爆特性及防控措施研究進(jìn)展

梁瑞，李雷，李珍寶，孫雯倩，梁秋悅

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

糧食淀粉是常見的工業(yè)粉體原料，因其來源廣泛、價(jià)格低廉且含有接近80%的碳水化合物，在食品加工、醫(yī)藥制造和合成材料等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。以玉米淀粉為例，2019年我國(guó)消費(fèi)量達(dá) 272 6萬t，較往年同比增長(zhǎng)2.2%[1]。糧食粉塵加工、輸送和存儲(chǔ)過程容易形成粉塵云懸浮在空氣中，一定濃度條件下遇到電火花等微小火源容易引起爆炸事故。2017年5月31日美國(guó)威斯康星洲D(zhuǎn)idion玉米磨粉廠發(fā)生爆炸，事故造成5名工人死亡，另有12人受傷[2]。分析其事故原因?yàn)榭諝獬龎m器進(jìn)風(fēng)管破損，內(nèi)部的已燃玉米粉塵散布在空氣中，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)管中的火焰噴出。2010年2月24日，我國(guó)秦皇島驪驊淀粉股份有限公司發(fā)生淀粉粉塵爆炸事故，該事故導(dǎo)致21人死亡、47人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失 1 773 萬元[3]。分析事故原因發(fā)現(xiàn)，是工人在清理平臺(tái)時(shí)造成了揚(yáng)塵，空間內(nèi)產(chǎn)生了局部粉塵云，使用的鐵質(zhì)工具產(chǎn)生了機(jī)械撞擊和摩擦火花，引燃粉塵云導(dǎo)致爆炸事故，產(chǎn)生的爆炸沖擊波揚(yáng)起地面淀粉積塵，引起二次爆炸。

從以上事故可以看出，糧食淀粉是一種具有燃爆特性的粉塵，且爆炸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。由于糧食粉體應(yīng)用廣泛且安全性易被人忽視，因此，研究糧食粉塵燃爆特性，探究其燃爆機(jī)理和爆炸沖擊波傳播過程，采取相應(yīng)的防控措施對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 糧食粉塵燃爆特性研究方法

與其他可燃性粉塵不同，糧食粉塵含有大量的有機(jī)物，單位質(zhì)量下，其燃燒釋放的熱量要大于TNT炸藥。糧食粉塵中位粒徑d50分布在22～33 μm之間，比表面積較大，與空氣的接觸面積大，糧食粉塵爆炸危險(xiǎn)性強(qiáng)[4]。由于不同糧食粉塵有機(jī)物含量不盡相同，其爆炸破壞程度有所區(qū)別。一般采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，定量分析不同糧食粉塵燃爆特性參數(shù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)研究方法

燃燒爆炸特性參數(shù)是直觀反映粉塵燃爆難易程度及猛烈程度的重要參數(shù)，按照其功能的不同可分為兩類：一類為燃爆敏感度參數(shù)，主要包括粉塵云最低著火溫度、粉塵云最小點(diǎn)火能以及爆炸極限等；另一類為爆炸烈度參數(shù)，包括最大爆炸壓力、最大升壓速率和爆炸指數(shù)。利用實(shí)驗(yàn)研究方法的直觀性，通過改變粉塵本身參數(shù)(粉塵云濃度、粒徑等)或外界條件(環(huán)境溫/濕度、噴粉壓力、點(diǎn)火能量等)，可以探究上述特性參數(shù)的變化規(guī)律，測(cè)試裝置一般選擇國(guó)內(nèi)外通用的哈特曼管、Godbert-Greenwald恒溫爐和20 L爆炸球測(cè)試系統(tǒng)等。另外，研究者也會(huì)基于自身的研究目的設(shè)定特殊的實(shí)驗(yàn)條件或搭建相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以探究該條件下粉塵爆炸特性及火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘淖兓?/p>

在糧食粉塵燃燒方面，謝恬等[5]研究了5種不同粒徑的玉米淀粉粉塵云著火特性，發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的減小，玉米淀粉的燃燒速率、著火溫度、著火特征指數(shù)和著火延遲時(shí)間等參數(shù)均有不同程度的變化；Zhang等[6]在半封閉的垂直管道中研究了三種不同粒徑的玉米淀粉在火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)粉塵粒度與反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)的厚度之間存在正相關(guān)性，并且粉塵的燃燒速率和燃燒時(shí)間也受到粒度分布的影響；Han等[7]利用分支結(jié)構(gòu)的Hartmann管研究了玉米淀粉燃燒火焰?zhèn)鞑ヒ约胺蹓m云運(yùn)動(dòng)過程，發(fā)現(xiàn)分支管的內(nèi)燃能降低粉塵爆燃的速度，并且火焰速度隨分支橫截面積的增加而降低；Zhang等[8]制備六種氮/空氣比混合物作為火焰?zhèn)鞑サ臍夥?，研究低氧氣含量?duì)淀粉粉塵爆燃火焰行為的影響，發(fā)現(xiàn)低氧氣環(huán)境下火焰加速過程減慢，燃燒區(qū)的火焰發(fā)光強(qiáng)度降低。由于粉塵火焰?zhèn)鞑ミ^程是粉塵云由點(diǎn)火向爆轟發(fā)展的重要階段，因此對(duì)于糧食粉塵火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行研究可為其爆炸的預(yù)防提供科學(xué)的指導(dǎo)[9]。

在糧食粉塵爆炸方面，陳默等[10]利用長(zhǎng)為 32.4 m、內(nèi)徑為0.199 m的大型長(zhǎng)直水平管道研究玉米淀粉空氣兩相流的爆炸過程，探究了不同濃度時(shí)混合物的燃爆情況，測(cè)得玉米淀粉/空氣混合物的爆炸臨界濃度上限為689 g/m3，下限濃度為459 g/m3；張睿沖等[11]研究了不同作用因素對(duì)木薯淀粉粉塵的爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵云濃度、噴吹壓力等的增大，粉塵爆炸壓力先增大后減小，經(jīng)過計(jì)算，木薯淀粉粉塵爆炸指數(shù)接近St2級(jí)；Zhang等[12]在密閉空間內(nèi)測(cè)定了玉米淀粉/空氣混合物的爆炸參數(shù)，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間從60 ms增加到 80 ms，爆炸壓力和壓力上升速率會(huì)略有增加，而在超過80 ms時(shí)會(huì)降低。

由此可見，對(duì)于糧食粉塵的燃爆特性參數(shù)的測(cè)定均是通過改變粉塵自身實(shí)驗(yàn)參數(shù)或外界條件來確定的，利用不同實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果能夠定量分析糧食粉塵燃爆難易程度及猛烈程度，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可為糧食粉塵燃爆數(shù)值模擬的條件設(shè)置、防爆抑爆措施的建立以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 數(shù)值模擬研究方法

爆炸特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究容易受到外界環(huán)境、物質(zhì)本身特性及實(shí)驗(yàn)設(shè)備誤差等的干擾，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況，使實(shí)驗(yàn)研究的開展造成一定的限制。計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在粉塵燃爆研究方面得到了廣泛應(yīng)用，且數(shù)值模擬可構(gòu)建復(fù)雜氣相、溫度和壓力條件下的粉塵燃爆情況，這是實(shí)驗(yàn)研究無法比擬的。同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果可與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)數(shù)值模擬建模、實(shí)驗(yàn)前期條件設(shè)置提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

王健[13]采用EBU-Arrhenius模型研究了玉米/土豆淀粉分子燃燒反應(yīng)，解決了前人計(jì)算湍流燃燒反應(yīng)速率不合理的問題，提高了模擬精度，并利用CFD軟件FLURNT分別對(duì)1 m3密閉容器粉塵爆炸過程、9.63 m3容器泄爆過程和管道中火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，獲得了淀粉爆炸的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)；Serrano等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究和CFD模擬的方法，評(píng)估20 L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)中小麥粉塵爆炸的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚/解團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響；Wang等[15]利用受限空間下的FLURNT軟件建立了20 L爆炸球的綜合二維模型，研究模型中高溫條件下玉米淀粉云爆炸特性的流體動(dòng)力學(xué)和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，并將特征化的脫揮發(fā)分和爆炸時(shí)間用于分析粉塵爆炸行為和火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕籆hen等[16]使用FLURNT軟件對(duì)露天場(chǎng)所玉米淀粉粉塵爆炸過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究了火焰?zhèn)鞑ズ头蹓m顆粒瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)爆炸過程中玉米淀粉粉塵云的膨脹速度的變化滯后于火焰速度的變化。

綜上所述，目前對(duì)于糧食粉塵燃爆的數(shù)值模擬多采用二維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果能夠很好地反應(yīng)出復(fù)雜耦合過程中溫度、壓力、氣流和火焰?zhèn)鞑サ鹊乃矔r(shí)變化情況，對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析可以得到燃爆發(fā)生的初始階段、中間階段和最終階段的基本規(guī)律。但為減少計(jì)算量，研究人員往往會(huì)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，忽略粉塵顆粒的相互作用，簡(jiǎn)化燃燒反應(yīng)的步驟，這使得數(shù)值模擬的建?？赡軙?huì)與實(shí)際情況有所偏差。因此，對(duì)于糧食粉塵燃爆過程的數(shù)值模擬建模有待優(yōu)化。

2 糧食粉塵燃爆機(jī)理及爆炸沖擊波傳播研究

2.1 糧食粉塵燃爆機(jī)理研究

一般認(rèn)為，糧食粉塵的燃燒以氣-固兩相燃燒為主[6]。淀粉的主要構(gòu)成是碳水化合物，其燃燒過程可分為以下四個(gè)階段：失水階段(<120 ℃)、過渡階段(120～260 ℃)、快速氧化階段(260～410 ℃)和焦炭燃燒階段(410～530 ℃)[17]。

糧食粉塵具有很強(qiáng)的吸濕性，燃燒反應(yīng)發(fā)生時(shí)，首先是粉塵顆粒表面上的水分蒸發(fā)，該過程粉塵顆粒的化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生變化；過渡階段主要是淀粉分子受熱逐步解聚，解聚過程首先是直鏈淀粉α-1，4-糖苷鍵斷裂形成鏈狀小分子結(jié)構(gòu)或者單個(gè)葡萄糖分子，受高溫作用，葡萄糖分子上的C1、C6號(hào)位脫羥基形成左旋葡聚糖以及水。由于支鏈淀粉的一、二級(jí)結(jié)構(gòu)為枝叉結(jié)構(gòu)，相較于直鏈淀粉穩(wěn)定性更好，其在過渡階段后期進(jìn)行上述解聚反應(yīng)；在快速氧化階段，由于熱效應(yīng)使得顆粒分解出揮發(fā)分(主要成分為CO、H2、CH4和CH3OH)，這些揮發(fā)分與空氣中的氧氣反應(yīng)，在顆粒表面附件形成有焰燃燒。火焰的熱輻射效應(yīng)對(duì)顆粒進(jìn)一步加熱，造成揮發(fā)性物質(zhì)的大量產(chǎn)生，加速氧化進(jìn)程。當(dāng)揮發(fā)分燃燒殆盡時(shí)，空氣中的氧氣向顆粒表面擴(kuò)散，焦炭開始燃燒，直至結(jié)束。而當(dāng)一定空間內(nèi)的氧氣含量充足、糧食粉塵氧化速率持續(xù)增長(zhǎng)，粉塵有可能會(huì)形成爆炸災(zāi)害。爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高溫氣體向外部空間傳播，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。另外，當(dāng)空間內(nèi)積聚的壓力過高時(shí)，粉塵顆粒很有可能由爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。

2.2 爆炸沖擊波研究

爆炸沖擊波是爆炸事故造成傷害的主要方式，其產(chǎn)生的火焰波鋒面溫度很高，會(huì)直接灼傷人體皮膚并且引燃其他粉塵，產(chǎn)生的超壓損傷人體內(nèi)臟并且破壞生產(chǎn)設(shè)備。因此，研究爆炸沖擊波的作用方式及危害特點(diǎn)至關(guān)重要。對(duì)于粉塵爆炸沖擊波的傳播一般可劃分為兩個(gè)階段：第一階段是粉塵燃燒階段，粉塵云與空氣混合物產(chǎn)生火焰的加速傳播與前驅(qū)沖擊波疊加形成爆炸；第二階段主要是第一階段產(chǎn)生的爆炸空氣波在空間內(nèi)傳播[18]。

粉塵爆炸過程會(huì)產(chǎn)生爆炸沖擊波超壓傳播，當(dāng)粉塵發(fā)生燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類球形火焰鋒面，隨著擴(kuò)散燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，使火焰鋒面繼續(xù)向未燃粉塵傳播，反應(yīng)生成的氣體受到高溫作用的影響繼續(xù)膨脹，推動(dòng)未燃粉塵向前運(yùn)動(dòng)。由于障礙物的阻擋作用，使火焰鋒面轉(zhuǎn)化為以聲速傳播的壓縮波，壓縮波向前傳播會(huì)使路徑上未燃粉塵的溫度、壓強(qiáng)、密度等有微小改變，并在某一時(shí)刻發(fā)生突變，與波前相比，該突變后的壓縮波是超聲速傳播，與波后相比為亞聲速傳播[19]。某一個(gè)時(shí)刻后波追趕到前波，兩者疊加形成激波，由于激波的加速作用，火焰鋒面會(huì)引燃更多的未燃粉塵，傳播的面積更大，產(chǎn)生最大超壓。

綜上所述，糧食粉塵的燃爆機(jī)理研究是從微觀層面分析其燃爆的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，爆炸沖擊波傳播的研究是從沖擊波傳播的角度探究爆炸傳播過程，微觀層面和傳播過程的研究可對(duì)粉塵燃爆防控技術(shù)提供相應(yīng)的理論依據(jù)。由于粉塵燃爆的復(fù)雜性，其容易受到周圍環(huán)境的影響，因此，對(duì)于糧食粉塵燃爆機(jī)理及爆炸沖擊波的分析仍然需要從粉塵微觀氧化進(jìn)程以及沖擊波衰減等方面入手進(jìn)行更深層次的探究。

3 糧食粉塵爆炸防控措施研究

通過對(duì)上述幾類研究結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，糧食粉塵爆炸過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，最大爆炸壓力及升壓速率比較低，壓力衰減緩慢，致使爆炸沖擊波的作用時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)人體的傷害大。為了減輕糧食粉塵爆炸事故所帶來的傷害，一般通過抑爆、隔爆、泄爆技術(shù)來防控糧食粉塵爆炸事故，三種技術(shù)主要針對(duì)爆炸傳播過程的初始階段、傳播階段以及后續(xù)階段進(jìn)行抑制，適用于工業(yè)生產(chǎn)中的不同場(chǎng)景。

3.1 泄爆技術(shù)

泄爆就是在設(shè)備容器的表面開設(shè)一定面積的泄爆口，將泄爆裝置安裝在泄爆口的位置，其開啟壓力小于容器的破裂壓力[20]。當(dāng)容器內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，泄爆裝置可感知到容器內(nèi)部的壓力變化，裝置發(fā)生動(dòng)作，及時(shí)將容器內(nèi)的壓力、火焰以及已燃未燃粉塵泄放出去，從而保證容器內(nèi)部不發(fā)生破裂，確保容器安全。因此，該技術(shù)主要應(yīng)用于糧食粉體運(yùn)輸過程的密閉容器中，如：斗式提升機(jī)、氣墊輸送機(jī)等。

王家祎[21]使用20 L爆炸球測(cè)試系統(tǒng)和FLACS模擬軟件研究了高開啟壓力條件下玉米淀粉爆炸及不同泄放工況的泄放特性，測(cè)定了玉米淀粉爆炸的最佳濃度及最大爆炸壓力，同時(shí)將泄放火焰的傳播分為兩個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)第二階段會(huì)產(chǎn)生二次火焰；王健等[22]通過研究玉米淀粉和土豆淀粉爆炸及泄爆過程，發(fā)現(xiàn)管道相連容器中即使沒有可燃粉塵噴入的情況下，爆炸火焰仍可以沿著管道繼續(xù)傳播，引發(fā)二次爆炸。從目前的研究結(jié)果來看，盡管泄爆技術(shù)成本較低、在現(xiàn)場(chǎng)容易應(yīng)用，但目前尚未解決由泄爆口泄放的沖擊波、火焰及可燃粉塵可能會(huì)引發(fā)二次爆炸事故。

3.2 隔爆技術(shù)

隔爆技術(shù)是利用障礙物等阻隔爆炸產(chǎn)生的火焰、沖擊波等向其他區(qū)域傳播，主要應(yīng)用于糧食粉體氣力傳輸管道及除塵管道中，可將爆炸區(qū)域控制在一定范圍，使爆炸事故造成的影響降到最低。

Chen等[23]利用自行設(shè)計(jì)的垂直粉塵燃燒管道平臺(tái)研究了小麥淀粉粉塵的爆炸以及金屬網(wǎng)的不同特征參數(shù)，重點(diǎn)研究了金屬網(wǎng)對(duì)小麥淀粉粉塵火焰?zhèn)鞑サ淖韪糇饔?；Yang等[24]研究了在環(huán)形障礙物的作用下，玉米淀粉在半開放式垂直管道中爆炸火焰的傳播行為，并研究了阻塞率和環(huán)形障礙物數(shù)目對(duì)爆炸火焰的影響。由此可以看出，糧食粉塵的隔爆技術(shù)一般利用不同類型、不同參數(shù)條件的障礙物，阻隔爆炸產(chǎn)生的火焰及沖擊波，防止二次爆炸事故的發(fā)生。

3.3 抑爆技術(shù)

粉塵抑爆是基于本質(zhì)安全原則，在可燃粉塵-空氣混合物中加入一定量的惰性物質(zhì)，使混合物的氧含量低于其不發(fā)生爆炸所允許最大氧含量，將燃燒爆炸反應(yīng)控制在反應(yīng)的初始階段，從而降低爆炸事故的破壞性甚至完全抑制爆炸事故的發(fā)生。對(duì)于糧食粉塵而言，一般采用固體惰性粉體以及惰性氣體作為抑爆介質(zhì)，兩者可減小混合物爆炸極限，降低混合物爆炸指數(shù)。

3.3.1 固體惰性粉塵 固體惰性粉塵是糧食粉塵抑爆應(yīng)用最為廣泛的抑爆劑，其主要包括無機(jī)粉塵、鹵化物和含磷化合物等。根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，固體惰性粉塵抑制效果最突出的包括：NaHCO3、CaCO3、NH4H2PO4、Al(OH)3、NaCl、聚磷酸銨(APP)、SiO2、Mg(OH)2和石墨等。固體惰性粉塵的抑制機(jī)理主要有物理作用、化學(xué)作用和物理化學(xué)作用。物理作用主要包括：環(huán)境溫度冷卻、可燃濃度稀釋、吸收熱輻射、改變火焰初始湍流和限制氧濃度等?；瘜W(xué)作用主要是抑制劑能夠參與燃燒反應(yīng)，反應(yīng)生成物能夠先于氧氣結(jié)合可燃粉塵的自由基，終止爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

通過分析各類固體惰性粉塵的抑制作用可以發(fā)現(xiàn)，CaCO3、SiO2和NaCl在粉塵抑爆過程中主要起物理作用，三者均具有較高的熔點(diǎn)和較好的熱穩(wěn)定性，能夠降低單位體積內(nèi)糧食粉塵的濃度，阻礙爆炸產(chǎn)生熱量的傳播和擴(kuò)散，降低爆炸產(chǎn)生的壓力[25-26]；Al(OH)3和Mg(OH)2等粉體在抑爆過程中也同樣起物理作用，Mg(OH)2在高溫條件下能夠分解成MgO，能夠附著在粉塵的表面阻隔熱量傳播。生成物水蒸氣能夠降低反應(yīng)溫度，對(duì)糧食粉塵起冷卻降溫的作用[27]。Al(OH)3的抑爆機(jī)理比 Mg(OH)2略微復(fù)雜，其受熱分解的生成物Al2O3能夠在粉體表面形成一層致密的氧化薄膜，阻礙氧氣和熱量向內(nèi)傳播；APP在加熱或燃燒作用下，分解生成磷基酸、NH3和H2O[28]。吸熱分解反應(yīng)將冷卻系統(tǒng)溫度并削弱化學(xué)反應(yīng)，NH3和H2O的稀釋作用也削弱了淀粉顆粒的燃燒和熱分解反應(yīng)，NH2·也有助于抑制爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，磷基酸可以通過促進(jìn)初始分解來加速淀粉顆粒的炭化反應(yīng)。NH4H2PO4和NaHCO3是使用效果良好的物理化學(xué)抑爆劑[29-30]。NaHCO3的分解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，能夠產(chǎn)生Na2CO3、CO2、水蒸氣，吸熱反應(yīng)與釋放的水蒸氣能共同降低空間內(nèi)的溫度。同時(shí)，該反應(yīng)能夠產(chǎn)生Na·和 Na2O·兩種自由基，能夠結(jié)合糧食粉塵官能團(tuán)斷裂產(chǎn)生的H·和OH·，使爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)難以進(jìn)行，阻斷了粉塵的二次爆炸。NH4H2PO4的熱分解反應(yīng)也同樣是吸熱反應(yīng)，且反應(yīng)釋放的NH3能夠稀釋環(huán)境內(nèi)氧氣的濃度，釋放出的水蒸氣能夠降低反應(yīng)溫度。更為重要的是，NH4H2PO4分解能夠產(chǎn)生NH2·，其結(jié)合 H·和 OH·的能力比NaHCO3更強(qiáng)，因此能夠減少抑爆劑的添加比例且產(chǎn)生更好的抑爆效果。

另外，NH4H2PO4和NaHCO3在吸收反應(yīng)熱量方面起協(xié)同作用。NH4H2PO4反應(yīng)生成的H3PO4能夠和NaHCO3反應(yīng)，生成更多的CO2和水蒸氣，且H3PO4的消耗使分解反應(yīng)繼續(xù)向正向進(jìn)行，產(chǎn)生更多的NH2·，加速了H·和OH·的結(jié)合效率，使爆炸的抑制效果更為明顯，表1給出了各類固體惰性粉塵的具體分類及抑制作用。

表1 固體惰性粉塵分類及抑制作用Table 1 Classification and inhibition of solid inert dust

3.3.2 惰性氣體 氮?dú)庾鳛橐环N廣泛使用的惰性氣體，一般應(yīng)用于糧食粉體氣力運(yùn)輸管道中，可抑制管道內(nèi)部發(fā)生粉塵燃爆事故。李好等[32]利用20 L爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了甘薯粉-空氣混合體系的爆炸特性，通過設(shè)置充氮條件，可減小空間中的氧濃度，從而降低火焰的燃燒速率以及爆炸危險(xiǎn)度；陳曦[33]使用改進(jìn)后的粉塵燃燒管道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了小麥淀粉粉塵在氮?dú)舛杌諊碌幕鹧鎮(zhèn)鞑ヌ匦?，在不同粉塵濃度、不同粉塵粒徑和不同氧濃度條件下，氮?dú)鈱?duì)抑制爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ哂幸欢ㄗ饔?。因此，惰性氣體的抑爆機(jī)理主要在于能夠降低環(huán)境中氧氣的濃度，限制爆炸熱量的繼續(xù)傳播，且對(duì)爆炸火焰有窒息作用。

總之，固體惰性粉體以及惰性氣體均能夠在一定程度上抑制糧食粉塵爆炸發(fā)生甚至完全抑制。從目前的應(yīng)用情況來看，選擇具有物理化學(xué)雙重抑制作用的抑爆粉體是當(dāng)前的主流；從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來看，單一粉體的抑制作用有限，并且部分抑爆粉體熱分解產(chǎn)物可能對(duì)環(huán)境及人體產(chǎn)生危害。因此，未來應(yīng)考慮抑爆粉體協(xié)同作用以及綠色抑爆劑的應(yīng)用，使糧食粉塵抑爆技術(shù)更加綠色、高效。

4 結(jié)束語

(1)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的方法可確定不同參數(shù)條件下不同糧食粉塵的燃爆難易程度及猛烈程度，但目前普遍采用的密閉測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)際燃爆過程仍有出入，并且在數(shù)值模擬過程中受到計(jì)算量的限制，會(huì)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，忽略粉塵顆粒的相互作用，簡(jiǎn)化燃燒反應(yīng)的步驟，致使數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際情況也有不同。因此，未來的研究方向應(yīng)該考慮搭建與實(shí)際情況更相符合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)學(xué)模型。

(2)通過探究糧食粉塵燃爆機(jī)理以及爆炸沖擊波，可從微觀層面和傳播過程的角度分析粉塵燃爆的深層原因，為糧食粉塵防控措施的建立提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。由于粉塵燃爆的復(fù)雜性，其容易受到周圍環(huán)境的影響，因此，對(duì)于其燃爆機(jī)理及爆炸沖擊波的分析仍然需要從粉塵微觀氧化進(jìn)程以及沖擊波衰減等方面入手進(jìn)行更深層次的探究。

(3)抑爆、隔爆、泄爆技術(shù)主要針對(duì)爆炸傳播過程的初始階段、傳播階段以及后續(xù)階段進(jìn)行抑制，適用于工業(yè)生產(chǎn)中的不同場(chǎng)景。從目前的研究結(jié)果來看，利用抑爆技術(shù)將爆炸事故控制在燃爆反應(yīng)的初始階段是粉塵防爆的核心，但并未考慮到固體惰性粉體的添加是否造成糧食粉體的污染，并且單一抑爆劑作用效果差，考慮抑爆粉體協(xié)同作用以及綠色抑爆劑是未來研究的重點(diǎn)。