基于幾種可燃粉塵自燃溫度與燃燒速率的研究

葉亞明，梁 峻，封昌盛，李金清，張金進(jìn)

(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院 國(guó)家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東)，廣東 廣州 510700)

粉塵爆炸預(yù)防和控制是當(dāng)前亟待解決的課題，頻發(fā)的粉塵爆炸事故對(duì)工業(yè)的發(fā)展造成嚴(yán)重的阻礙。國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)粉塵燃燒燃爆特性做了大量的研究，主要包括“粉塵燃爆敏感度”[1-3]、“粉塵爆炸強(qiáng)度”[4-5]、“粉塵燃爆安全防護(hù)措施”[6]、“數(shù)值模擬”[7]及“粉塵燃爆火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴盵8-9]等幾個(gè)方面，對(duì)可燃粉塵自燃溫度與燃燒速率的研究并不常見(jiàn)。

自燃是指在沒(méi)有外界明火源激發(fā)條件下，依靠外界能量加熱或自身發(fā)熱，熱量的不斷積聚當(dāng)溫度升高到一定時(shí)發(fā)生自行燃燒的現(xiàn)象。根據(jù)促使可燃物升溫的熱量來(lái)源不同，自燃又可分為自熱自燃和受熱自燃兩種。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中受熱自燃是引起火災(zāi)事故的重要原因之一，火災(zāi)案例中，有不少是因受熱自燃引起的。分析其原因主要有幾個(gè)方面，可燃物靠近或接觸高溫?zé)嵩?，由于熱輻射或熱傳?dǎo)的作用，可燃物溫度上升達(dá)到自燃點(diǎn)，引發(fā)火災(zāi)事故；化學(xué)品在熱處理的過(guò)程中，由于控制不當(dāng)，導(dǎo)致溫度過(guò)高引發(fā)著火甚至爆炸；機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)部件發(fā)熱形成高溫?zé)岜砻?，散落或堆積在機(jī)器表面上的可燃物發(fā)生陰燃或著火等。在防火防爆領(lǐng)域中，自燃溫度是判斷、評(píng)價(jià)可燃物發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)，自燃溫度越低，可燃物發(fā)生自燃火災(zāi)的危險(xiǎn)性越大。

依據(jù)GB 19521.1-2004，燃燒速率描述為：將粉狀、顆粒狀或糊狀的樣品制成長(zhǎng)250 mm、高10 mm、寬20 mm的連續(xù)三角柱形粉帶，從一端點(diǎn)燃，在一定時(shí)間內(nèi)火焰燒過(guò)的長(zhǎng)度。燃燒相同的距離所用的時(shí)間越短，其危險(xiǎn)等級(jí)越高，釀成災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)越大。燃燒速率的確定對(duì)物質(zhì)的分類及運(yùn)輸包裝等級(jí)的劃分具有重要意義?；诖?，筆者選取幾種常見(jiàn)的可燃粉塵對(duì)其自燃溫度與燃燒速率進(jìn)行試驗(yàn)，以期為粉塵燃燒爆炸致災(zāi)機(jī)理研究及企業(yè)安全生產(chǎn)提供科學(xué)的研究方法和可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 儀器

設(shè)備為固體自燃溫度試驗(yàn)裝置和固體燃燒速率試驗(yàn)裝置。

1.爐溫監(jiān)測(cè)熱電偶 2.樣品溫度監(jiān)測(cè)熱電偶 3.上通風(fēng)口 4.下通風(fēng)口 5.樣品池 6.加熱電阻絲 7.控制系統(tǒng) 8.觸屏控圖1 固體自燃溫度試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of solid auto-ignition temperature test device system

固體自燃溫度試驗(yàn)裝置由加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。加熱爐膛頂、底部均設(shè)有通氣孔，形成空氣循環(huán)自然對(duì)流，可保證試驗(yàn)樣品均勻受熱。試驗(yàn)樣品池為邊長(zhǎng)20 mm，孔徑45 μm的立方體鋼絲網(wǎng)，裝樣完成后，將立方體金屬網(wǎng)懸掛在爐膛中央位置，熱電偶1伸入式樣中央，熱電偶1、2分別測(cè)量樣品及爐膛內(nèi)實(shí)時(shí)溫度變化。圖1為裝置系統(tǒng)示意圖。

1.觸屏控；2.碳硅點(diǎn)火棒；3.氣體點(diǎn)火槍；4.三角柱形粉帶；5.防護(hù)玻璃；6.低導(dǎo)熱承燒板；7.火焰探測(cè)器；8.控制系統(tǒng)圖2 固體燃燒速率試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of solid burning rates test device system

固體燃燒速率試驗(yàn)裝置主要由點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰探測(cè)系統(tǒng)、低導(dǎo)熱承燒板組成。點(diǎn)火系統(tǒng)包括氣體點(diǎn)火和加熱棒點(diǎn)火兩種模式。火焰探測(cè)器設(shè)置在三角柱形粉帶側(cè)上方，當(dāng)火焰經(jīng)過(guò)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到火焰通過(guò)下一個(gè)探測(cè)器，可進(jìn)一步確定火焰?zhèn)鞑ニ俾屎蛡鞑r(shí)間。圖2為固體燃燒速率試驗(yàn)裝置示意圖。

1.2 試驗(yàn)樣品

分別選取新型節(jié)能環(huán)保材料紅木粉，煙草公司煙絲粉，實(shí)驗(yàn)室常用石松子粉以及農(nóng)副產(chǎn)品稻殼粉作為試驗(yàn)樣品，為避免粒度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，試驗(yàn)前將四種粉塵均通過(guò)75 μm篩網(wǎng)。

(1)固體自燃溫度試驗(yàn)：將測(cè)試樣品裝入樣品池中，輕輕壓實(shí)。在試驗(yàn)軟件中進(jìn)行程序設(shè)置，目標(biāo)溫度設(shè)定為400.0℃，溫升速率設(shè)定為0.5℃/min。

(2)固體燃燒速率試驗(yàn)：將試樣進(jìn)行干燥處理，利用堆垛型腔將試樣制作成三角柱形粉帶堆積在承燒板上，試驗(yàn)采用固體點(diǎn)火模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 可燃粉塵自燃溫度

圖3為四種樣品自燃溫度試驗(yàn)結(jié)果。從圖像中可以看出，開(kāi)始時(shí)四種粉塵溫升速率與爐膛內(nèi)溫升速率幾乎完全一致，隨著爐膛內(nèi)環(huán)境溫度繼續(xù)升高，樣品溫度發(fā)生突變急劇上升，且上升溫度均達(dá)到了400.0℃。得到紅木粉、煙絲粉、石松子粉、稻殼粉自燃溫度分別是231.0、219.7、222.3、228.1℃，文獻(xiàn)顯示[10-13]四種試驗(yàn)樣品成分如表1所示。

圖3 四種粉塵自燃溫度時(shí)間-溫度曲線
Fig.3 Four kinds of dust auto-ignition temperature time - temperature curve

表1 樣品組成成分Table 1 Sample composition

根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)組分特征建立反應(yīng)過(guò)程模型，主要有以下五個(gè)反應(yīng)步驟，見(jiàn)式(1)。

① Fuel → H2O + Fueldry

△h>0；

② Fueldry→ Char + Gases

△h>0；

③ Char + O2→ CO2+ CO

△h<0；

④ CO + O2→ CO2

△h<0；

⑤ Gases + O2→ CO + CO2+ NxOy+ H2O + Gasesothers

△h<0。 (1)

四種粉塵顆粒在爐膛內(nèi)由于受到熱輻射作用溫度不斷上升，依附在顆粒表面和內(nèi)部的自由水分開(kāi)始緩慢蒸發(fā)，該過(guò)程表現(xiàn)為吸熱過(guò)程，主要以水蒸氣的形式散失，由于樣品水分蒸發(fā)體積收縮和水蒸氣釋放的沖擊作用，樣品池內(nèi)部出現(xiàn)孔隙通道或裂隙，增大了試驗(yàn)樣品與空氣接觸面積。隨著溫度繼續(xù)升高熱輻射變得越來(lái)越強(qiáng)烈，干燥樣品溫度不斷積聚，由于自加熱作用，粉體顆粒開(kāi)始出現(xiàn)碳化現(xiàn)象并釋放出可燃?xì)怏w，在爐膛內(nèi)熾熱的空氣作用下，碳顆粒、可燃?xì)怏w與氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，即樣品發(fā)生燃燒。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，空氣中堆積在熱表面上的可燃粉塵首先在頂部發(fā)生燃燒，隨后燃燒逐漸向下傳播直至粉塵完全燃盡。本試驗(yàn)由于樣品池內(nèi)的粉塵粒度相對(duì)較小，顆粒排列密集，導(dǎo)致樣品內(nèi)部含氧量較低，且分布在樣品池表面的樣品顆粒受到熱輻射效應(yīng)明顯，氧氣充足。因此，認(rèn)為試樣的主要燃燒傳播方向?yàn)橛杀韺酉騼?nèi)部燃燒。由于試驗(yàn)樣品都含有較高的纖維素等有機(jī)物，在發(fā)生自燃時(shí)所需外界提供的熱量也比較接近，因此自燃溫度差別不大。

2.2 可燃粉塵燃燒速率

圖4為初始階段(0～80 mm)四種粉塵燃燒火焰?zhèn)鞑ヌ卣?。試?yàn)記錄表明，石松子粉燃燒火焰可持續(xù)傳播整個(gè)承燒板長(zhǎng)度，紅木粉、煙絲粉及稻殼粉在點(diǎn)燃后48、60、32 s時(shí)火焰熄滅，燃燒火焰?zhèn)鞑サ木嚯x依次為36、30、18 mm。

圖4 初始階段四種粉塵燃燒火焰?zhèn)鞑?br/>Fig.4 Four kinds of dust combustion flame propagation in the initial stage

由圖4中看出，稻殼粉燃燒火焰強(qiáng)度相對(duì)微弱，石松子粉火焰最強(qiáng)且相同時(shí)間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最遠(yuǎn)。三角柱形粉帶燃燒方式主要為水平燃燒，粉塵顆粒在點(diǎn)火棒高溫激發(fā)條件下在初始階段發(fā)生著火，樣品燃燒區(qū)產(chǎn)生的燃燒波對(duì)原始材料區(qū)起到烘干、熱分解作用，促進(jìn)了燃燒向右傳播。以上試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)紅木粉、煙絲粉、稻殼粉不具備傳播燃燒的能力，初始階段能夠起火，主要原因是點(diǎn)火棒溫度較高，補(bǔ)充了短距離內(nèi)粉塵維持燃燒的熱量，但由于試樣本身理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)等因素影響，導(dǎo)致紅木粉、煙絲粉及稻殼粉火焰產(chǎn)生的能量不足以支持燃燒的持續(xù)進(jìn)行，致使火焰熄滅，該三種粉塵在燃燒的過(guò)程主要表現(xiàn)為陰燃。

依據(jù)GB/T 21618，燃燒在主反應(yīng)階段80～180 mm燃燒速率小于或等于2.2 mm/s，或者主反應(yīng)階段燃燒時(shí)間大于或等于45s，判斷為該物質(zhì)不屬于易燃固體，根據(jù)平均燃燒速率計(jì)算公式(2)：

V=L(80-180)/T(80-180)

(2)

得到石松子粉的燃燒速率為1.74 mm/s，由于紅木粉、煙絲粉、稻殼粉在點(diǎn)燃后兩分鐘內(nèi)燃燒距離均未達(dá)到80 mm處，因此判定該四種可燃粉塵均不屬于易燃固體。

2.3 自燃溫度對(duì)燃燒速率的影響

將以上兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到四種可燃粉塵自燃溫度與主反應(yīng)階段燃燒速率之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 四種粉塵自燃溫度-燃燒速率曲線Fig.5 Four kinds of dust auto-ignition temperature - burning rates curve

由圖5可以看出，四種可燃粉塵的燃燒速率隨自燃溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，且紅木粉、煙絲粉、稻殼粉主反應(yīng)階段燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾示鶠? mm/s。粒度相當(dāng)，固體自燃溫度的高低取決于物質(zhì)易燃組分含量、熱分解溫度及外界環(huán)境等因素，與燃燒速率影響因素之間存在一定的聯(lián)系。但由于可燃粉塵燃燒過(guò)程復(fù)雜，燃燒速率的大小不僅與物質(zhì)理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)，燃燒方式、點(diǎn)火模式對(duì)燃燒速率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此得出燃燒過(guò)程中燃燒速率與自燃溫度之間表現(xiàn)為弱依賴關(guān)系，后者對(duì)前者不起主導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

(1)加熱爐溫升速率恒定，75 μm篩下的紅木粉、煙絲粉、石松子粉以及稻殼粉自燃溫度分別是231.0、219.7、222.3、228.1℃。

(2)將四種可燃粉塵進(jìn)行干燥處理，在固體點(diǎn)火模式下，石松子粉火焰?zhèn)鞑ニ俾蕿?.74 mm/s，紅木粉、煙絲粉、以及稻殼粉在兩分鐘內(nèi)燃燒傳播距離均小于80 mm，判定該四種粉塵均不屬于易燃固體。

(3)通過(guò)研究自燃溫度對(duì)燃燒速率的影響發(fā)現(xiàn)，燃燒過(guò)程中四種可燃粉塵燃燒速率與自燃溫度之間表現(xiàn)為弱依賴關(guān)系，后者對(duì)前者不起主導(dǎo)作用。