速生楊木粉塵最小點(diǎn)火能的實(shí)驗(yàn)研究*

逄智宏，李萬(wàn)兆，郭 露，徐長(zhǎng)妍，朱南峰

(南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

楊木作為我國(guó)三大速生豐產(chǎn)林之一，已被廣泛用于膠合板、纖維板、刨花板等木材加工行業(yè)[1]。由于在板材的鋸切、銑削、刨削、砂光等生產(chǎn)工序中會(huì)產(chǎn)生大量木質(zhì)伴生粉塵，細(xì)小的粉塵不僅危害員工身體健康，而且在運(yùn)輸和除塵的過(guò)程中極易造成重大爆炸事故，危及生命財(cái)產(chǎn)安全[2,4]。我國(guó)每年由于木質(zhì)粉塵引起的爆炸事故有數(shù)十起，僅2010年上半年，在7起木材加工行業(yè)爆炸事故中，就有6起事故由木材粉塵燃爆而引起[3]。粉塵的最小點(diǎn)火能是影響爆炸敏感度的重要參數(shù)，反映了爆炸發(fā)生的難易程度[5-6]。近年來(lái)，有關(guān)粉塵最小點(diǎn)火能的研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，Eckhoff等[7-9]對(duì)粉塵云爆炸特性及機(jī)理做了一系列探索；Addai等[10]研究了2種可燃?xì)怏w和8種可燃粉塵混合物的最小點(diǎn)火能量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)少量可燃?xì)怏w與粉塵混合時(shí)，粉塵的最小點(diǎn)火能顯著降低并且爆炸可能性增加；Todaka等[11]研究了廢咖啡渣和麻風(fēng)樹(shù)籽仁中脂肪油含量與最小點(diǎn)火能的關(guān)系，得出含油量的提高增加了粉塵爆炸的可能性；Zhang等[12]研究了氟苯尼考和替米考星以及2種藥物不同比例混合物的最小點(diǎn)火能，發(fā)現(xiàn)替米考星對(duì)靜電比較敏感，混合物的最小點(diǎn)火能與氟苯尼考的含量成正比；南京理工大學(xué)研究小組[13-16]對(duì)褐煤粉、石松子粉、小麥淀粉等粉塵的最小點(diǎn)火能進(jìn)行了一系列測(cè)試研究。但目前對(duì)木材加工行業(yè)產(chǎn)生的木質(zhì)粉塵最小點(diǎn)火能的關(guān)注仍然較少，因此，探究不同因素對(duì)速生楊木粉塵最小點(diǎn)火能的影響并研究其燃爆機(jī)理，對(duì)預(yù)防木材加工行業(yè)粉塵爆炸提供技術(shù)支撐，具有重要的理論和實(shí)際意義。本文選用速生楊木粉塵作為實(shí)驗(yàn)材料，采用1.2 L哈特曼管，通過(guò)改變點(diǎn)火延遲時(shí)間、噴粉壓力、質(zhì)量濃度和粒徑分布的方式，探究不同因素對(duì)速生楊木粉塵云最小點(diǎn)火能的影響并分析其影響原因。為速生楊木粉塵最小點(diǎn)火能量的測(cè)定提供相關(guān)參數(shù)，同時(shí)為木材加工中木質(zhì)粉塵爆炸預(yù)防、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防爆規(guī)范制定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料制備

實(shí)驗(yàn)用粉碎機(jī)將山東某板材公司的速生楊木刨花粉碎成木粉。為了模擬木材工業(yè)加工過(guò)程中產(chǎn)生的木質(zhì)粉塵，使用振動(dòng)篩將木粉篩分為0～50，>50～96和>96～180 μm 3種不同粒徑的粉塵樣品[17-19]，分析樣品粒徑見(jiàn)表1。3種樣品在75℃ 的干燥箱中干燥，使樣品的含水率<5 %，并放入干燥皿中儲(chǔ)存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)室溫度為(22±5)℃，濕度為40±5%。

表1 3種速生楊木粉塵樣品的粒徑分布Table 1 Particle size of three fast-growing poplar dust samples

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的粉塵云最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)裝置(HY 16428哈特曼管)如圖1所示，該裝置主要包括容積為1.2 L的石英管道、脈沖點(diǎn)火系統(tǒng)、噴塵控制系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)等部分。實(shí)驗(yàn)中還使用激光粒度儀(BT-9300 ST)、馬弗爐(BF 51866 C)、元素分析儀(2400 Ⅱ)、掃描電鏡(SEM)(QUANTA 200)、振動(dòng)篩(ANALYSETTE 3 PRO)、電子天平(BS 224 S)、干燥箱(MEMMERT UN 30)和粉碎機(jī)(YX 3-132 S-4)等設(shè)備。

1.1.2 L石英玻璃管；2. 點(diǎn)火電極；3. 粉塵樣品；4.擴(kuò)散器；5. 進(jìn)氣系統(tǒng)；6. 儲(chǔ)氣室；7. 電磁閥。

1.3 最小點(diǎn)火能測(cè)試方法與步驟

參照EN 13821-2002[20]使用1.2 L哈特曼管進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)逐次減半降低火花能量值，直到連續(xù)10次實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)著火的最大能量值E1和均出現(xiàn)著火的最小能量值E2。粉塵云最小點(diǎn)火能量MIE介于E1和E2之間，即E1

(1)

式中：E為電火花能量，J；I(t)為放電電流，A；U(t)為放電電壓，V。

當(dāng)電火花能量小于100 mJ時(shí)，電火花的能量值使用公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：C為電容量，F(xiàn)；U為放電電壓，V。

用1個(gè)單一值ES來(lái)代表能量范圍(E1，E2)，ES可以通過(guò)使用點(diǎn)火概率公式(3)估算：

(3)

式中：I[E2]為E2處成功點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)次數(shù)；(NI+I)·[E2]為E2的實(shí)驗(yàn)總數(shù)，由EN 13821-2002可知，I[E2]=3，(NI+I)·[E2]=5。

2 結(jié)果與分析

2.1 速生楊木粉塵的基本特性

實(shí)驗(yàn)用速生楊木粉塵的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表2所示。表中Mad代表水分；Aad代表灰分；Vad代表?yè)]發(fā)分；FCad代表固定碳。揮發(fā)分越多的粉塵越容易爆炸，速生楊木粉塵的揮發(fā)分含量為82.52%，高于砂光粉塵的揮發(fā)分含量。速生楊木粉塵主要是由可燃元素C、H、O、N組成，受熱分解可產(chǎn)生CO、CH2O、CH4等可燃性氣體，與已有文獻(xiàn)結(jié)論基本一致[21-22]，因此，可得出速生楊木粉塵比砂光粉塵易爆。為揭示速生楊木粉塵顆粒的表面結(jié)構(gòu)，對(duì)3種樣品單個(gè)顆粒進(jìn)行了SEM測(cè)試(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)速生楊木粉塵顆粒保持了木材的多孔性結(jié)構(gòu)，使顆粒形狀不規(guī)則，表面不平整，這易增大粉塵與空氣的接觸面積，并可進(jìn)一步誘發(fā)速生楊木粉塵爆炸。

2.2 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)速生楊木粉最小點(diǎn)火能量的影響

點(diǎn)火延遲時(shí)間是指開(kāi)始噴粉到電極打火的時(shí)間[23]。點(diǎn)火延遲時(shí)間不同，粉塵在哈特曼管中的氣相湍流度、粉塵分散度和粉塵沉降度也不同[24-25]，因此，最小點(diǎn)火能會(huì)隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的改變發(fā)生變化。在噴粉壓力為120 kPa、質(zhì)量濃度為500 g/m3時(shí)，分別在60，90，120，150，180和210 ms的點(diǎn)火延遲時(shí)間下對(duì)3種樣品進(jìn)行最小點(diǎn)火能測(cè)試。結(jié)果如圖3所示，3種樣品的最小點(diǎn)火能隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間增加都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms時(shí)，對(duì)應(yīng)3種樣品的最小點(diǎn)火能最小，粒徑對(duì)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間無(wú)顯著影響。

表2 速生楊木粉塵的工業(yè)分析和元素分析Table 2 Proximate and ultimate analyses of fast-growing poplar dust %

圖2 3種速生楊木粉塵單個(gè)顆粒SEMFig.2 SEM of individual particle with three fast-growing poplar dust

當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間小于120 ms時(shí)，最小點(diǎn)火能隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增大而減小，且變化趨勢(shì)和區(qū)域范圍波動(dòng)較大，這是因?yàn)樵诜蹓m擴(kuò)散初期初始湍流度較大，會(huì)從點(diǎn)火電極處移除大量的熱，而傳播到粉塵表面的能量較少，且使得粉塵在點(diǎn)火電極處的質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，粉塵顆粒與空氣混合不均勻，導(dǎo)致點(diǎn)火能量波動(dòng)范圍較大。隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，粉塵云的湍流度降低，逐漸趨于穩(wěn)定，初始湍流對(duì)熱量的影響減弱，點(diǎn)火電極處的質(zhì)量濃度也趨于穩(wěn)定，粉塵最小點(diǎn)火能和能量波動(dòng)范圍都相對(duì)較小。當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms時(shí)，初始湍流對(duì)點(diǎn)火電極熱量的損失影響很小，粉塵均勻分散在點(diǎn)火電極周?chē)?，與空氣充分混合，此時(shí)粉塵所需要的最小點(diǎn)火能量最低。當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間大于120 ms時(shí)，粉塵的最小點(diǎn)火能隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增大而增大，這是因?yàn)槌跏纪牧髟絹?lái)越弱，粉塵由于自身重力原因開(kāi)始沉降和團(tuán)聚，電極周?chē)姆蹓m濃度降低，需要的點(diǎn)火能量較大。此外，由于1#和2#樣品顆粒直徑較3#小，質(zhì)量濃度較低，在達(dá)到最佳分散狀態(tài)后，殘余的湍流作用使得粉塵顆粒沉降較緩，粉塵濃度降低緩慢，最小點(diǎn)火能量變化趨勢(shì)和區(qū)域范圍波動(dòng)沒(méi)有3#明顯。

圖3 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下3種樣品的最小點(diǎn)火能Fig.3 Minimum ignition energy of three samples with different ignition delay times

2.3 噴粉壓力對(duì)速生楊木粉最小點(diǎn)火能量的影響

噴粉壓力是由小型氣泵的壓縮空氣產(chǎn)生，噴粉壓力與粉塵的湍流度和分散在哈特曼管中的質(zhì)量濃度有關(guān)[26]。在點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms、粉塵濃度為500 g/m3的條件下，分別在60，90，120，150，180和210 kPa的噴粉壓力下對(duì)3種樣品進(jìn)行最小點(diǎn)火能測(cè)試。結(jié)果如圖4所示，3種樣品的最小點(diǎn)火能隨著噴粉壓力的增加都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)噴粉壓力為120 kPa時(shí)，對(duì)應(yīng)3種樣品的最小點(diǎn)火能最小，粒徑對(duì)最佳噴粉壓力無(wú)顯著影響。

當(dāng)噴粉壓力小于120 kPa時(shí)，最小點(diǎn)火能隨著噴粉壓力的增大而減小，這是因?yàn)閲姺蹓毫λa(chǎn)生的初始湍流不能將粉塵噴射到點(diǎn)火電極處，且殘余湍流對(duì)粉塵沉降影響較小，粉塵在點(diǎn)火電極處的質(zhì)量濃度較低，所需的最小點(diǎn)火能較大。隨著噴粉壓力的增大，大部分粉塵被噴射到點(diǎn)火電極處，殘余湍流對(duì)粉塵沉降影響增大，點(diǎn)火電極處粉塵濃度逐漸增大，粉塵云較易被點(diǎn)燃，所需點(diǎn)火能量減少。當(dāng)噴粉壓力為120 kPa時(shí)，此時(shí)噴粉壓力能使0.6 g粉塵充滿(mǎn)哈特曼管，粉塵在點(diǎn)火電極兩端的分散程度和質(zhì)量濃度達(dá)到最佳，能與氧氣充分接觸，所以粉塵的最小點(diǎn)火能最小。當(dāng)噴粉壓力大于120 kPa時(shí)，3種樣品的最小點(diǎn)火能隨著噴粉壓力的增大而增大，且變化趨勢(shì)和區(qū)域范圍波動(dòng)較大，這是因?yàn)楣芈苁前敕忾]狀態(tài)，噴粉壓力過(guò)大導(dǎo)致部分粉塵噴出哈特曼管，粉塵在點(diǎn)火電極處質(zhì)量濃度較低且不穩(wěn)定，顆粒間距離增大，不利于能量的傳播，此外，殘余湍流度較大導(dǎo)致大量的能量會(huì)從點(diǎn)火電極處移除，傳播到粉塵表面的能量較少。

圖4 不同噴粉壓力3下種樣品的最小點(diǎn)火能Fig.4 Minimum ignition energy of three sample with different spray pressure

2.4 質(zhì)量濃度對(duì)速生楊木粉最小點(diǎn)火能量的影響

在點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms、噴粉壓力為120 kPa條件下，分別在250，500，750，1 000，1 250和1 500 g/m3的質(zhì)量濃度下對(duì)3種樣品的最小點(diǎn)火能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖5所示，3種樣品的最小點(diǎn)火能隨質(zhì)量濃度的增加先減小后增大，當(dāng)粉塵的質(zhì)量濃度為500，750和1 250 g/m3時(shí)，分別對(duì)應(yīng)1#，2#和3#粉塵的最小點(diǎn)火能為1～3，1～3 和7～13 mJ。

最小點(diǎn)火能隨質(zhì)量濃度的增加先減小后增大，當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度較低時(shí)，單位體積內(nèi)粉塵的顆粒數(shù)目較少，顆粒間相對(duì)距離較大，不利于熱量的傳播，所需要的最小點(diǎn)火能較高。隨著粉塵質(zhì)量濃度的增大，單位體積內(nèi)粉塵顆粒數(shù)目增多，顆粒間相對(duì)距離減小，熱量傳遞距離變短，點(diǎn)燃粉塵所需要的最小點(diǎn)火能逐漸減低。當(dāng)粉塵的質(zhì)量濃度達(dá)到敏感濃度時(shí)，單位體積內(nèi)粉塵顆粒數(shù)目達(dá)到最佳狀態(tài)，點(diǎn)燃粉塵所需要的點(diǎn)火能量最小。隨著粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加，單位體積粉塵顆粒含量過(guò)多，阻礙了與氧氣的接觸，同時(shí)粉塵過(guò)多會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，減小了顆粒的比表面積，另外，過(guò)多的粉塵顆粒會(huì)黏附于電極表面，吸收了電極釋放的能量，點(diǎn)燃粉塵所需要的最小點(diǎn)火能增大。

圖5 不同質(zhì)量濃度下3種樣品的最小點(diǎn)火能Fig.5 Minimum ignition energy of three sample with different concentration

速生楊木粉塵的最小點(diǎn)火能為1～3 mJ，該值已接近于可燃?xì)怏w的最小點(diǎn)火能量，根據(jù)《粉塵火災(zāi)和粉塵爆炸；危險(xiǎn)，評(píng)估，保護(hù)措施；測(cè)試方法的安全特性粉塵測(cè)定》(VDI2263)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，已屬于特別著火敏感性粉塵。Siwek和Cecsana[27]的研究指出，最小點(diǎn)火能小于或等于10 mJ的粉塵云容易因碰撞、摩擦和磨損而著火，應(yīng)避免接觸有效的點(diǎn)火源。

2.5 粒徑分布對(duì)速生楊木粉最小點(diǎn)火能量的影響

粒徑分布是影響粉塵云最小點(diǎn)火能量的重要特征之一[28]。圖6為粒徑分布與最小點(diǎn)火能的關(guān)系，可以看出，隨著粒徑的增加，速生楊木粉塵最小點(diǎn)火能總趨勢(shì)逐漸升高，這是因?yàn)樗偕鷹钅痉蹓m的燃爆屬于氣相和非均相燃燒[23]。由表1可知，1#和2#樣品顆粒粒徑較小，其比表面積較大，粉塵與空氣接觸更充分，當(dāng)顆粒表面受熱時(shí)，速生楊木粉塵更容易通過(guò)脫揮發(fā)分熱解產(chǎn)生可燃?xì)怏w，均相燃燒占主導(dǎo)地位，所需點(diǎn)火能較小，且2種樣品的最小點(diǎn)火能相同。正如Eckhoff[29]研究所述，如果粉塵顆粒很小，導(dǎo)致脫揮發(fā)分對(duì)爆炸速率的影響較小，則減小顆粒尺寸不會(huì)提高總體燃燒能量。3#樣品顆粒較大，其比表面積較小，產(chǎn)生的脫揮發(fā)分較少，加熱速率較慢，非均相燃燒占主導(dǎo)作用，所需的點(diǎn)火能量較大。粒徑越大的速生楊木對(duì)應(yīng)的敏感濃度越大，粒徑和質(zhì)量濃度也可能存在交互作用，導(dǎo)致不同粒徑速生楊木粉塵的敏感濃度不同。

圖6 粒徑分布與最小點(diǎn)火能的關(guān)系Fig.6 Relationship between particle size and the minimum ignition energy

3 結(jié)論

1)在質(zhì)量濃度為500 g/m3的條件下，速生楊木粉塵的最小點(diǎn)火能隨點(diǎn)火延遲時(shí)間和噴粉壓力的增加先減小后增大。最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間和最佳噴粉壓力分別為120 ms和120 kPa，粒徑對(duì)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間和最佳噴粉壓力無(wú)顯著影響。

2)在點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms、噴粉壓力為120 kPa的條件下，速生楊木粉塵的最小點(diǎn)火能隨質(zhì)量濃度的增加先減小后增大。當(dāng)粉塵的質(zhì)量濃度為500，750和1 250 g/m3時(shí)，分別對(duì)應(yīng)0～50，>50～96和>96～180 μm速生楊木粉塵的最小點(diǎn)火能為1～3，1～3，7～13 mJ，根據(jù)VDI2263標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，屬于特別著火敏感性粉塵，應(yīng)避免接觸有效的點(diǎn)火源。

3)隨著粒徑的增加，速生楊木粉塵最小點(diǎn)火能總趨勢(shì)逐漸升高。粉塵顆粒較小時(shí)，粒徑和質(zhì)量濃度對(duì)速生楊木粉塵的最小點(diǎn)火能影響不明顯，粒徑和質(zhì)量濃度間的交互作用可導(dǎo)致不同粒徑速生楊木粉塵的敏感濃度不同。