不同玉米淀粉粉塵的燃燒與爆炸特性研究

史兆偉 李珍寶 趙利民 趙陽

摘??要：玉米淀粉是一種可燃性的有機大分子粉塵，其在生產(chǎn)、加工和使用過程中容易發(fā)生粉塵爆炸事故。為探究無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉燃燒和爆炸危險性的不同，利用熱重分析探究燃燒過程特征溫度和質(zhì)量損失變化，采用20?L球型爆炸實驗研究二者爆炸特性參數(shù)。結(jié)果表明：無色玉米淀粉在氧化過程的揮發(fā)分燃燒階段質(zhì)量損失率較大，釋放的能量更多。在400～600?g/m3粉塵濃度范圍內(nèi)，粒徑對爆炸壓力的影響較大，粒徑較小的彩色玉米淀粉的最大爆炸壓力高于無色玉米淀粉。在600～1?000?g/m3濃度范圍內(nèi)，粉塵顆粒所含碳元素含量以及碳氮比占主導(dǎo)地位，碳氮比更高的無色玉米淀粉的最大爆炸壓力高于彩色玉米淀粉。無色玉米淀粉粉塵爆炸燃燒時間普遍小于彩色玉米淀粉，爆炸指數(shù)更高，與氧氣反應(yīng)速率更快，爆炸危險性更高。

關(guān)鍵詞：玉米淀粉??熱重曲線??特性參數(shù)??燃燒時間

中圖分類號：X932???文獻標識碼：A

Research?on?the?Combustion?and?Explosion?Characteristics?of?Different?Cornstarch?DustsSHI?Zhaowei1??LI?Zhenbao2??ZHAO?Limin1??ZHAO?Yang1

（1.School?of?Emergency?Management，?Lanzhou?Resources?and?Environment?Vocational?and?Technical?University，?Lanzhou，?Gansu?Province，?730021?China;?2.School?of?Petrochemical?Engineering，?Lanzhou?University?of?Technology，?Lanzhou，?Gansu?Province，?730050??China）

Abstract：?Cornstarch?is?a?kind?of?combustible?organic?macromolecular?dust，?and?it?is?prone?to?dust?explosion?accidents?in?the?process?of?production，?processing?and?use.?In?order?to?explore?the?difference?in?combustion?and?explosion?hazards?between?colorless?cornstarch?and?colored?cornstarch，?thermo-gravimetric?analysis?is?used?to?explore?the?changes?of?characteristic?temperature?and?mass?loss?in?the?combustion?process，?and?the?20?L?spherical?explosion?test?is?used?to?study?the?explosion?characteristics?parameters?of?the?two.?Results?show?that?colorless?cornstarch?has?a?higher?mass?loss?rate?and?more?energy?release?in?the?volatile?combustion?stage?of?the?oxidation?process，?that?in?the?range?of?400～600?g/m3?dust?concentration，?the?particle?size?had?a?greater?influence?on?the?explosion?pressure，?and?the?maximum?explosion?pressure?of?colored?cornstarch?with?smaller?particle?sizes?is?higher?than?that?of?colorless?cornstarch，?that?in?the?range?of?600～1000?g/m3?concentration，?the?carbon?content?and?carbon-nitrogen?ratio?of?dust?particles?are?dominant，?and?the?maximum?explosion?pressure?of?colorless?cornstarch?with?a?higher?carbon-nitrogen?ratio?is?higher?than?that?of?colored?cornstarch，?and?that?the?combustion?time?of?colorless?cornstarch?dust?explosion?is?generally?shorter?than?that?of?colored?cornstarch，?and?has?the?higher?explosion?index，the?faster?reaction?rate?with?oxygen?and?the?higher?explosion?risk.

Key?Words：?Corn?starch;?Thermo-gravimetric?curve;?Characteristic?parameters;?Burning?time

近年來，彩虹跑活動在節(jié)日和大型人員聚集活動中被廣泛開展。彩虹跑活動所采用的粉體主要是彩色玉米淀粉，其主要由天然玉米淀粉和食用色素構(gòu)成。玉米淀粉本身是一種具有可燃性的有機粉塵，其在生產(chǎn)、加工過程中容易使粉體懸浮在空氣中而形成粉塵云，容易造成粉塵燃燒或者爆炸事故的發(fā)生[1]。2015年6月27日，我國臺北八仙水上樂園舞臺，在舉辦彩虹跑活動派對時，舞臺燈放熱高溫點引燃彩色玉米粉發(fā)生燃燒爆炸事故，造成524人傷亡[2]。國內(nèi)外學(xué)者對玉米淀粉和彩色玉米淀粉的燃燒與爆炸特性開展了相關(guān)實驗研究。CHEN?H等[3]在11.5?L的爆炸容器內(nèi)研究了玉米淀粉粉塵爆炸過程超壓與時間相關(guān)性模型。陳默等[4]利用大型長直水平管道研究玉米淀粉空氣兩相流的爆炸過程，探究了不同濃度時混合物的燃爆情況。李剛等[5]搭建了DN200長直管道和DN200～DN100的變徑管道，研究了玉米淀粉在管道中爆炸后的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、超壓峰值、火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化規(guī)律。魯昆侖等[6]分析了NaHCO3抑制淀粉爆炸過程最大爆炸壓力、壓力上升速率與爆炸指數(shù)等參數(shù)變化規(guī)律。

無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉燃燒爆炸危險性不同，在不同條件下其燃燒爆炸特性參數(shù)變化較大。本文對二者開展粒度分析、工業(yè)分析和元素分析，得到其主要構(gòu)成的差異，采用利用熱重分析儀探究兩者燃燒過程特征溫度和質(zhì)量損失率的變化。采用20?L球型爆炸實驗對比二者爆炸特性參數(shù)差異，為生產(chǎn)、加工以及使用過程中玉米淀粉阻燃防爆技術(shù)的開發(fā)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1?實驗儀器及材料

1.1?實驗儀器

采用20?L球形爆炸實驗系統(tǒng)測定不同噴射參數(shù)粉塵的爆炸壓力、爆炸壓力升壓速率等特性參數(shù)。如圖1所示，該實驗裝置系統(tǒng)包括20?L爆炸球形容器、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、控制箱包括點火信號發(fā)生器、可編程控制器、壓力采集接線端子板、觸控屏等。高精度壓力傳感器將采集到的容器內(nèi)的壓力動態(tài)變化參量，傳輸至數(shù)據(jù)采集軟件并存儲于計算機中。該文點火能量設(shè)置為5?kJ。粉塵點火延遲時間設(shè)置為60?ms，進氣壓力2.0?MPa。為保證實驗結(jié)果的準確可靠性，每組相同參數(shù)的實驗進行3次平行測試，取三組平均值為該組的最終檢測結(jié)果。

1.2?實驗材料

實驗前將無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉在干燥溫度為50?oC的條件下，真空干燥12?h。兩者粒度分析結(jié)果如圖2所示，可以看到，無色玉米淀粉的粒徑主要分布在4.58～111?μm范圍內(nèi)，其中位粒徑為17.1?μm，比表面積為383?m?/kg；彩色玉米淀粉的粒徑主要分布在5.01～45.71?μm范圍內(nèi)，中位粒徑為14.91?μm，比表面積為699?m?/kg。

無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉的工業(yè)分析與元素分析如表1所示，元素分析實驗可測定C、H和N元素的含量，O元素的含量由差減法計算得到?？梢钥吹?，其內(nèi)部所含主要元素為C元素和O元素，主要成分為揮發(fā)分。

2?結(jié)果和討論

2.1?不同玉米淀粉粉塵物化參數(shù)分析

可燃性粉塵的物理化學(xué)參數(shù)是用來表征粉塵燃燒爆炸危險程度的重要指標。對比圖1可知，彩色玉米淀粉的平均粒徑小于無色玉米淀粉，且比表面積高于無色玉米淀粉82.5%，說明彩色玉米淀粉顆粒更小，且與空氣的接觸面積更大。對于玉米淀粉這類有機粉體，其爆炸過程主要是揮發(fā)分燃燒，彩色玉米淀粉內(nèi)所含揮發(fā)分略高于無色玉米淀粉，氧化過程能夠釋放更多的多組分混合可燃氣體。文虎等人[7]指出，可燃粉塵中的碳元素和碳氮比越高，其引燃溫度越低，發(fā)生燃燒爆炸的危險性越高。根據(jù)計算可得，無色玉米淀粉的碳氮比為346，高于彩色玉米淀粉碳氮比的16.9%，碳元素含量略高于彩色玉米淀粉，說明無色玉米淀粉更容易被引燃，并且其所蘊含的能量越大。

2.2?不同玉米淀粉粉塵燃燒特性分析

熱分析學(xué)手段可直觀分析不同玉米淀粉的熱穩(wěn)定性以及燃燒爆炸危險性。利用熱重分析儀研究了無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉在空氣氛圍下的熱失重曲線（TG），對熱重曲線求導(dǎo)可得微商熱重曲線（DTG）。將兩種玉米淀粉從室溫（約30?oC）加熱至650?oC，升溫速率設(shè)置為10?oC/min，空氣流量為20?mL/min，得到的結(jié)果如圖3所示。

（a）無色玉米淀粉???????????????????????（b）彩色玉米淀粉

圖3?無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉TG-DTG曲線

根據(jù)圖像呈現(xiàn)的信息可得，玉米淀粉在燃燒過程中主要包含三個階段：水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分燃燒階段以及焦炭燃燒階段。在水分蒸發(fā)階段，無色玉米淀粉質(zhì)量損失率高于彩色玉米淀粉2.6%，其起始分解溫度T5%，較彩色玉米淀粉提前20.2?oC。說明無色玉米淀粉熱穩(wěn)定性較差，且內(nèi)部所含水分高于彩色玉米淀粉。

揮發(fā)分燃燒階段是玉米淀粉整個氧化失重過程質(zhì)量損失最大的階段，玉米淀粉在該階段能夠產(chǎn)生大量的可燃氣體，釋放大量能量。彩色玉米淀粉在揮發(fā)分燃燒階段質(zhì)量損失率約70.5%，較無色玉米淀粉減少2.1%。其最大失重速率處的溫度Tmax約為310.4?oC，相較于無色玉米淀粉提前21.6?oC，推測在揮發(fā)分燃燒階段粒徑較小的彩色玉米淀粉揮發(fā)分析出速率更快，但總消耗量較小。在焦炭燃燒階段，彩色玉米淀粉的質(zhì)量損失率高于無色玉米淀粉質(zhì)量損失率1.7%，說明在高溫階段彩色玉米淀粉的氧化速率快于無色玉米淀粉。燃燒反應(yīng)結(jié)束后，彩色玉米淀粉的質(zhì)量殘存率約為2.9%，相較于無色玉米淀粉殘留率提高了10倍，說明彩色玉米淀粉難燃物更多，熱穩(wěn)定性較好。

綜上所述，無色玉米淀粉在氧化過程的揮發(fā)分燃燒階段質(zhì)量損失率較大，釋放的能量更多。彩色玉米淀粉在焦炭燃燒階段的氧化速率更快，但質(zhì)量殘存率更高，其內(nèi)部所含難燃物較多，相較于無色玉米淀粉熱穩(wěn)定性更高。

2.3?不同玉米淀粉粉塵爆炸特性參數(shù)分析

爆炸特性參數(shù)是直觀反映粉塵爆炸難易程度及猛烈程度的重要參數(shù)，其主要包括最大爆炸壓力、最大爆炸壓力升壓速率和爆炸指數(shù)等。選取粉塵云濃度為400?g/m3、600?g/m3和1?000?g/m3的無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉進行爆炸特性參數(shù)測定，得到最大爆炸壓力和最大爆炸壓力升壓速率如圖4所示。

可以看出，隨著粉塵云濃度的增加，無色玉米淀粉的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力升壓速率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。對于彩色玉米淀粉而言，當粉塵云濃度在400～600?g/m3范圍內(nèi)，其最大爆炸壓力、最大爆炸壓力升壓速率隨著濃度的增加而增加，而在600～1?000?g/m3范圍內(nèi)，其最大爆炸壓力、最大爆炸壓力升壓速率隨著濃度的增加而減小，彩色玉米淀粉在粉塵云濃度為600?g/m3附近達到了最佳爆炸濃度。

對比無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉粉塵云的爆炸特性參數(shù)可知，在400～600?g/m3濃度范圍內(nèi)，彩色玉米淀粉的最大爆炸壓力高于無色玉米淀粉，當粉塵云濃度為600?g/m3時，其最大爆炸壓力相較于無色玉米淀粉提高80.8%，最大爆炸壓力升壓速率提高61.4%。推測在低濃度范圍內(nèi)，粉塵粒徑對爆炸壓力的影響較大，粒徑越小，粉塵顆粒與氧氣接觸的面積越大，氧氣容易擴散到粉塵顆粒內(nèi)部，產(chǎn)生的爆炸壓力越大。在600～1?000?g/m3濃度范圍內(nèi)，無色玉米淀粉的最大爆炸壓力以及最大爆炸壓力升壓速率高于彩色玉米淀粉。推測在高濃度范圍內(nèi)，粉塵所含碳元素含量以及碳氮比占主導(dǎo)地位，隨著粉塵云濃度的增大，反應(yīng)空間內(nèi)的氧氣不足以支持玉米淀粉完全燃燒，而具有更高碳氮比的粉塵更容易引燃，因而在該濃度范圍內(nèi)無色玉米淀粉的最大爆炸壓力以及最大爆炸壓力升壓速率高于彩色玉米淀粉。粉塵爆炸指數(shù)Kst由公式（1）計算得到：

表2給出了不同濃度條件下，無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉的爆炸指數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果可知，無色玉米淀粉的爆炸指數(shù)隨著粉塵云濃度的增加而增大，而彩色玉米淀粉的爆炸指數(shù)隨著粉塵云濃度的增加先增大后減小。在400～1?000?g/m3濃度范圍內(nèi)，無色玉米淀粉爆炸指數(shù)最高達到9.22?MPa·m/s，高于彩色玉米淀粉爆炸指數(shù)51.3%，說明無色玉米淀粉具有更高的爆炸危險性。

2.3?不同玉米淀粉粉塵爆炸燃燒時間分析

粉塵爆炸燃燒時間定義為從點火時刻到達到最大爆炸壓力的時刻的時間間隔，研究粉塵爆炸燃燒時間有助于在工業(yè)生產(chǎn)防爆過程中確定抑爆裝置的安裝位置。圖5給出了無色玉米淀粉和彩色玉米淀粉在不同粉塵云濃度下爆炸燃燒時間?？梢钥闯?，兩類玉米淀粉爆炸燃燒時間與粉塵最大爆炸壓力成反比關(guān)系，即最大爆炸壓力越大，玉米淀粉爆炸燃燒時間越短。粉塵爆炸燃燒時間主要用來表征可燃性粉塵與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)的速率快慢，粉塵爆炸燃燒時間越短，粉塵與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)的速率越快[8]。除粉塵云質(zhì)量濃度為600?g/m3以外，同一粉塵云濃度條件下，無色玉米淀粉粉塵爆炸燃燒時間小于彩色玉米淀粉，能夠更快達到最大爆炸壓力點，說明無色玉米淀粉與氧氣的氧化速率更快，在較短的時間能釋放大量的能量。在粉塵云質(zhì)量濃度600?g/m3時，彩色玉米淀粉爆炸燃燒時間小于無色玉米淀粉，該質(zhì)量濃度彩色玉米淀粉粉塵達到了最佳爆炸濃度。

3?結(jié)論

（1）彩色玉米淀粉的平均粒徑小于無色玉米淀粉，具有較大的比表面積。無色玉米淀粉的碳氮比為346，高于彩色玉米淀粉碳氮比的16.9%，無色玉米淀粉更容易被引燃，并且其所蘊含的能量更大。

（2）無色玉米淀粉在燃燒過程的揮發(fā)分燃燒階段質(zhì)量損失率較大，釋放的能量更多。彩色玉米淀粉在焦炭燃燒階段的氧化速率更快，但質(zhì)量殘存率更高，其內(nèi)部所含難燃物較多，相較于無色玉米淀粉熱穩(wěn)定性更高。

（3）在400～600?g/m3濃度范圍內(nèi)，彩色玉米淀粉的最大爆炸壓力高于無色玉米淀粉；在600～1?000?g/m3濃度范圍內(nèi)，無色玉米淀粉的爆炸壓力高于彩色玉米淀粉。無色玉米淀粉粉塵爆炸燃燒時間普遍小于彩色玉米淀粉，爆炸指數(shù)更高，與氧氣的反應(yīng)速率更快，爆炸危險性更高。

參考文獻[1]?覃小玲，李曉泉.糧食粉塵爆炸事故統(tǒng)計分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2020，46（5）：78-82.