酒精蒸氣/煙草粉塵兩相混合體系最小點(diǎn)火能試驗(yàn)研究

徐偉巍，熊靜文*，劉柏清，侯照文

(1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣州，510180；2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心(廣東)，廣州，510760)

0 引言

在煙草加工的加香工藝環(huán)節(jié)，常將煙用香精香料經(jīng)酒精和天然油脂溶解，噴灑到煙絲中進(jìn)行攪拌，使兩者混合均勻。在攪拌混料過程中，酒精溶劑大部分揮發(fā)成蒸氣，與煙草粉塵形成氣固兩相混合體系，其燃爆特性相較于單相煙草粉塵發(fā)生較大變化。研究酒精蒸氣/煙草粉塵兩相混合體系最小點(diǎn)火能，可以針對加香工序采取相應(yīng)的爆炸防護(hù)措施，對煙草加工企業(yè)的安全生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

對煙草粉塵的單相燃爆特性，一些專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。何銳[1]在Hartmann管中用100 J與200 J的電點(diǎn)火能量，發(fā)現(xiàn)僅能使切片煙草粉著火(制絲與卷包粉均未發(fā)生著火)，火焰?zhèn)鞑バ圆钋页掷m(xù)時(shí)間不足。目前關(guān)于氣固混合體系的燃爆特性研究，大多集中于瓦斯煤塵、甲烷石松子等。景國勛等[2]通過研究半封閉管道內(nèi)的瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，發(fā)現(xiàn)煤塵顯著增大了火焰的傳播速度，且煤質(zhì)種類對傳播速度有較大影響。司榮軍等[3]利用20 L爆炸球試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮谧罴驯舛葧r(shí)，燃爆猛度隨煤塵濃度增加呈先增大后減小趨勢，濃度越小增加越明顯；大于最佳爆炸濃度時(shí)，煤塵對瓦斯的爆炸有抑制作用。喻健良等[4]利用改進(jìn)的20 L爆炸裝置對甲烷-石松子粉塵兩相混合體系的燃爆特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)甲烷的添加顯著提高了低濃度石松子粉塵的爆炸壓力，降低了高濃度粉塵的爆炸壓力，但對石松子粉塵的最大爆炸壓力沒有明顯影響。Addai等[5]采用改進(jìn)的Hartmann管，研究了小麥粉、蛋白質(zhì)粉、木炭粉等8種粉塵與甲烷和丙烷混合物的最小點(diǎn)火能，試驗(yàn)方法在EN 50281的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，裝置的能量下限為4 mJ，測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)混入少量的甲烷或丙烷，粉塵的最小點(diǎn)火能顯著下降，并且發(fā)生爆炸的可能性提高。Pang等[6]采用一個(gè)改進(jìn)的Hartmann管研究了低密度聚乙烯與乙烯混合物的最小點(diǎn)火能，依據(jù)ASTM E2019-03進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)加入少量的乙烯后，低密度聚乙烯粉塵云的最小點(diǎn)火能顯著下降。

國內(nèi)外文獻(xiàn)資料關(guān)于酒精蒸氣/煙草粉塵兩相混合體系最小點(diǎn)火能的研究報(bào)道很少，筆者在原有20 L爆炸球上增加了移動(dòng)電極法電點(diǎn)火、酒精蒸氣制備以及溫度控制的功能，和高壓火花發(fā)生器組合成氣粉混合物最小點(diǎn)火能試驗(yàn)裝置，對酒精蒸氣/煙草粉塵兩相混合體系的最小點(diǎn)火能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)參數(shù)確定

1.1 試驗(yàn)裝置

為模擬實(shí)際工況對酒精蒸氣/煙草粉塵兩相混合體系最小點(diǎn)火能的影響，對20 L爆炸球進(jìn)行了部分改造，增加了以下功能：通過增加酒精滴管及滴注的兩個(gè)球閥，控制液態(tài)酒精加注量；根據(jù)微壓差表示數(shù)，操作壓差表高低壓端球閥，配置不同體積濃度的酒精蒸氣。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of test device

裝置如圖1所示，通過水浴加熱保溫球體以及電伴熱帶加熱保溫粉塵倉，控制試驗(yàn)環(huán)境溫度；通過控制電磁鐵在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，改變移動(dòng)電極與固定電極間距尋找最佳的放電間隙，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電極放電；通過控制高壓繼電器的通斷可使火花發(fā)生器在充電和放電之間切換。電火花點(diǎn)火試驗(yàn)裝置如圖1(b)，選擇不同的電容組合，可改變電火花放電能量，當(dāng)不需要移動(dòng)電極時(shí)，則使用化學(xué)點(diǎn)火具點(diǎn)火，試驗(yàn)裝置如圖1(a)。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)確定

GB/T 3836.12-2019《爆炸性環(huán)境第12部分：可燃性粉塵物質(zhì)特性試驗(yàn)方法》[7]和GB/T 16428-1996《粉塵云最小著火能量測定方法》[8]均規(guī)定點(diǎn)燃能量為電火花放電能量。本試驗(yàn)采用的高壓火花發(fā)生器最大輸出能量為2 J。

采用電火花放電時(shí)，由于點(diǎn)火能較小，需調(diào)整兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：一、合適的湍流度使煙草粉塵分散良好，并與酒精蒸氣均勻混合；二、設(shè)置合適的點(diǎn)火延遲時(shí)間，捕捉最佳的點(diǎn)火時(shí)機(jī)。對不同試驗(yàn)參數(shù)下高速攝像機(jī)影像分析后，確定粉塵倉的噴粉壓力為1.0 MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間為250 ms。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)用煙草粉塵樣品選自某卷煙廠，在50 ℃真空干燥箱烘干8 h，樣品含水率在5%以下。試驗(yàn)選用烘絲、加香煙草原樣粉塵及研磨后過200 μm篩網(wǎng)的加香煙草粉塵，三種粉塵的粒度分布如圖2所示。

圖2 烘絲、加香原樣粉塵及過篩加香煙草粉塵粒度分布Fig. 2 Particle size distribution of silk drying, flavoring and flavored tobacco dust after screening

從圖2可以看出，加香煙草原樣粉塵的中位徑為205 μm，比中位徑為535 μm的烘絲煙草原樣粉塵細(xì)，主要是因?yàn)榧酉愎ば蛑屑尤肓讼憔懔希凭珦]發(fā)后固態(tài)香料顆粒物從煙草粉塵中析出。初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單相的烘絲煙草粉塵和加香煙草粉塵最小點(diǎn)火能均遠(yuǎn)大于2 J，為了更貼近生產(chǎn)實(shí)際，在單相煙草粉塵和低濃度酒精蒸氣混合體系使用原樣粉塵和化學(xué)點(diǎn)火具進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 環(huán)境溫度對煙草原樣粉塵最小點(diǎn)火能的影響

烘絲/加香煙草原樣粉塵的試驗(yàn)濃度為250 g/m3，通過溫控器模擬不同的環(huán)境溫度。采用二分查找法，可快速逼近設(shè)定溫度下烘絲/加香煙草原樣粉塵的最小點(diǎn)火能Wmin。以連續(xù)10次均不發(fā)生點(diǎn)燃的能量為不發(fā)生點(diǎn)燃的最高能量W1，在此基礎(chǔ)上以10 J步長增加能量，在連續(xù)10次試驗(yàn)中發(fā)生1次點(diǎn)燃為發(fā)生點(diǎn)燃的最低能量W2，W1

圖3 烘絲/加香煙草原樣粉塵最小點(diǎn)火能隨環(huán)境溫度變化趨勢圖Fig. 3 Variation trend of minimum ignition energy of dried silk/flavored tobacco original dust with ambient temperature

從圖3中可以看出，兩種粉塵的最小點(diǎn)火能均隨環(huán)境溫度的升高而降低，變化趨勢一致。環(huán)境溫度從30 ℃升高到70℃過程中，烘絲與加香煙草粉塵最小點(diǎn)火能的降幅分別達(dá)61.1%與61.6%；和其他溫度區(qū)間相比，50 ℃～60 ℃區(qū)間降幅更大。對于相同的環(huán)境溫度，加香煙草粉塵的最小點(diǎn)火能均比烘絲煙草粉塵小，但兩者相差較小，最大不超過8.5%。

化學(xué)點(diǎn)火具點(diǎn)火的能量是按點(diǎn)火藥的質(zhì)量來計(jì)算的，單位質(zhì)量混合物的放熱量為q=4.310 kJ/g[9]，即4.31 J/mg。稱重時(shí)電子天平的精度和化學(xué)點(diǎn)火具包藥的一致性會(huì)影響點(diǎn)火具的能量，給試驗(yàn)帶來誤差和不確定性。

2.3 環(huán)境溫度對酒精蒸氣/加香煙草粉塵混合體系最小點(diǎn)火能的影響

烴類氣體的最小點(diǎn)火能均隨溫度升高呈顯著的線性下降趨勢[10]，乙醇蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為7.8%時(shí)，最小點(diǎn)火能為0.45 mJ[11]。和氣體相比，粉塵的最小點(diǎn)火能要大得多，溫度對氣粉混合體系最小點(diǎn)火能的影響中對粉塵的影響起決定性作用。文中以酒精蒸氣爆炸下限(LEL)的百分?jǐn)?shù)表示混合體系中酒精蒸氣的濃度。2J的電火花不能點(diǎn)燃25%LEL及以下的混合體系，因此研究溫度對混合體系最小點(diǎn)火能的影響選用10%LEL低濃度的酒精蒸氣/加香煙草原樣粉塵混合體系和化學(xué)點(diǎn)火具來試驗(yàn)。

試驗(yàn)濃度：粉塵250 g/m3，酒精蒸氣10%LEL。圖4為單相加香煙草原樣粉塵和添加10%LEL酒精蒸氣混合體系的最小點(diǎn)火能隨環(huán)境溫度的變化趨勢圖。由圖4可知，加入10%LEL的酒精蒸氣后，氣粉混合體系的點(diǎn)燃能量均低于單相的煙草粉塵；隨著環(huán)境溫度的升高，二者的差值逐漸減小，酒精蒸氣誘導(dǎo)煙草粉塵最小點(diǎn)火能降低的能力逐步減小甚至消失。30 ℃～50 ℃的溫度區(qū)間，降幅約為45%，而60 ℃～70 ℃的溫度區(qū)間，降幅約為13%。相較于單相煙草粉塵最小點(diǎn)火能隨環(huán)境溫度的變化趨勢，加入10%LEL酒精蒸氣后的氣粉兩相混合體系的最小點(diǎn)火能受環(huán)境溫度的影響變小，表明對溫度的敏感性變低。

圖4 有無10%LEL酒精蒸氣參與時(shí)，加香煙草原樣粉塵最小點(diǎn)火能隨環(huán)境溫度變化趨勢圖Fig. 4 Variation trend of minimum ignition energy of flavored tobacco dust with ambient temperature with or without 10%LEL alcohol vapor

2.4 酒精蒸氣濃度對酒精蒸氣/加香煙草粉塵混合體系最小點(diǎn)火能的影響

為模擬實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)對安全生產(chǎn)有較強(qiáng)的指導(dǎo)性，加香煙草粉塵沒有按標(biāo)準(zhǔn)要求過63 μm篩網(wǎng)，而是研磨后過200 μm篩網(wǎng)。篩分后除纖維類雜質(zhì)外均可通過篩網(wǎng)，符合生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際情況。以下均采用過200 μm篩網(wǎng)后的加香煙草粉塵試驗(yàn)，采用移動(dòng)電極法電火花放電，探究<1 J的低點(diǎn)火能、50%LEL及以上濃度酒精蒸氣混合體系的最小點(diǎn)火能的變化規(guī)律。試驗(yàn)裝置如圖1(b)所示，電火花放電試驗(yàn)中未考慮高壓線纜和高壓繼電器開關(guān)觸點(diǎn)的能量損耗，這些損耗會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)值高于實(shí)際值，最小點(diǎn)火能的真值低于試驗(yàn)值。

試驗(yàn)以連續(xù)10次測試中發(fā)生1次點(diǎn)燃作為點(diǎn)燃的判據(jù)。首先以75%LEL的混合體系開始試驗(yàn)，常溫、粉倉噴粉壓力1.0 MPa、濃度250 g/m3，氣粉混合體系發(fā)生點(diǎn)燃的情況，見表1。

表1 75%LEL酒精蒸氣/粉塵混合體系不同點(diǎn)火能的點(diǎn)燃情況

從表1可以看出，電火花能量從1 500 mJ逐漸降低到50 mJ的過程中，氣粉混合體系均被有效點(diǎn)燃。當(dāng)電火花能量降低到30 mJ時(shí)，混合體系無法被點(diǎn)燃，表明75%LEL的酒精蒸氣/加香煙草粉塵混合體系的最小點(diǎn)火能在30 mJ～50 mJ之間。

為探究氣粉混合體系最小點(diǎn)火能隨酒精蒸氣濃度變化的規(guī)律，列舉了150 mJ、500 mJ、750 mJ、1 000 mJ的點(diǎn)火能和10%LEL、25%LEL、50%LEL、75%LEL的酒精蒸氣濃度組合的試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 氣粉混合體系點(diǎn)火能隨酒精蒸氣濃度變化趨勢圖Fig. 5 Variation trend of ignition energy of air powder mixture system with alcohol vapor concentration

從圖5與表1中數(shù)據(jù)可看出：在小能量電火花放電條件下，酒精蒸氣濃度對混合體系的點(diǎn)燃起決定性作用。酒精蒸氣濃度高于75%LEL時(shí)，混合體系的最小點(diǎn)火能顯著降低；當(dāng)酒精蒸氣濃度為50%LEL時(shí)，最小點(diǎn)火能增大到接近1 000 mJ；當(dāng)酒精蒸氣濃度為25%LEL及以下時(shí)，最小點(diǎn)火能遠(yuǎn)大于2 000 mJ。最小點(diǎn)火能大于1 J，該物質(zhì)難以被點(diǎn)燃[7]，可以把1 J作為粉塵對點(diǎn)燃能量是否敏感的閾值。根據(jù)有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，50%LEL為酒精蒸氣臨界濃度，當(dāng)酒精蒸氣濃度大于該值時(shí)，氣粉混合體系對點(diǎn)燃能量較為敏感，當(dāng)酒精蒸氣濃度小于該值時(shí)，氣粉混合體系對點(diǎn)燃能量不敏感。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分是煙草中重要的化學(xué)組成部分。金玉善等[12]采用氣流吹掃微注射器萃取技術(shù)聯(lián)用GC-MS對不同地區(qū)煙葉中揮發(fā)性成分進(jìn)行分析并比較其含量：烤煙和白肋煙鑒定出67種和62種揮發(fā)性成分，其中以醇類和雜環(huán)化合物為主。烤煙中，雜環(huán)化合物的含量最高，達(dá)36.42%，其次為醇類化合物，含量為23.38%；白肋煙以醇類化合物為主，含量為32.88%，其次為雜環(huán)化合物，含量為16.17%；其余揮發(fā)性成分含量相差不大，在6.41%～8.94%范圍之間。煙草揮發(fā)性物質(zhì)的釋放速率受溫度影響較大，從圖3可看出，在50 ℃～60 ℃區(qū)間，煙草粉塵的最小點(diǎn)火能變化率最大，是煙葉中的揮發(fā)性物質(zhì)在此溫度下釋放速率變大的緣故，與有關(guān)對烤煙揮發(fā)性成分的研究文獻(xiàn)相符。

可燃?xì)怏w或蒸氣分子式一般用CαHβOγ表示，在完全燃燒的情況下，燃燒反應(yīng)式可寫成如下形式[13]：

(1)

根據(jù)n值按X=20.9/(0.209+n)計(jì)算出在空氣中的化學(xué)當(dāng)量濃度，根據(jù)當(dāng)量濃度按L下=0.55X估算在空氣中的爆炸下限L下。隨分子式中含碳數(shù)的增多爆炸下限呈降低趨勢。煙草中醇類化合物的含碳平均數(shù)比乙醇多，它的參與會(huì)拉低混合物的爆炸下限。

酒精蒸氣在50%LEL及以下時(shí)，氣體可燃物嚴(yán)重缺乏，要保持持續(xù)燃燒需要煙草粉塵釋放出足量的可燃?xì)怏w或蒸氣來補(bǔ)足這個(gè)缺口。點(diǎn)火時(shí)，在電極附近因火花放電產(chǎn)生的高溫或其他作用激發(fā)煙草粉塵分解釋放出醇類、烴類等可燃蒸氣和氣體，加上已有的酒精蒸氣，達(dá)到或超過混合氣體的爆炸下限發(fā)生爆炸從而引燃煙草粉塵。低濃度酒精蒸氣條件下，可燃物的缺口需要更大的點(diǎn)火能來激發(fā)粉塵產(chǎn)生更多的可燃?xì)怏w或蒸氣來補(bǔ)充。當(dāng)酒精蒸氣在75%LEL及以上時(shí)，可燃物濃度距爆炸下限差值較小，很小的點(diǎn)火能激發(fā)煙草粉塵放出的可燃?xì)怏w就可補(bǔ)齊該差值。因此酒精蒸氣濃度越高需要的點(diǎn)火能越小。

3 結(jié)論

通過對酒精蒸氣/煙草粉塵兩相混合體系最小點(diǎn)火能的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1)在化學(xué)點(diǎn)火具點(diǎn)火條件下，相同環(huán)境溫度，加香煙草粉塵的最小點(diǎn)火能比烘絲煙草粉塵低。

2)在化學(xué)點(diǎn)火具點(diǎn)火條件下，加香與烘絲煙草粉塵的點(diǎn)火能隨溫度變化趨勢一致，均隨環(huán)境溫度的升高而降低，相較于30 ℃～50 ℃的低溫區(qū)間，50 ℃～70 ℃的高溫區(qū)間降幅更大。

3)在化學(xué)點(diǎn)火具點(diǎn)火條件下，10%LEL低濃度酒精蒸氣參與下，煙草粉塵的最小點(diǎn)火能顯著降低，隨溫度的升高二者差值逐漸縮小并趨于一致。在30 ℃～50 ℃低溫區(qū)間，酒精蒸氣誘使加香煙草粉塵最小點(diǎn)火能降低的幅度更大。

4)當(dāng)酒精蒸氣濃度低于50%LEL時(shí)，在移動(dòng)電極法電點(diǎn)火條件下測試研磨后過200 μm篩網(wǎng)的加香煙草粉塵，氣粉混合體系較難被點(diǎn)燃，混合體系對點(diǎn)燃能量不敏感；當(dāng)酒精蒸氣濃度高于75%LEL時(shí)，混合體系對點(diǎn)燃能量較為敏感。