聚碳硅烷粉塵火災(zāi)爆炸特性參數(shù)測(cè)試及安全性分析

李燕勇 高舒珊 王 凱 徐旭東 陳 俍

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 為確保聚碳硅烷粉塵作業(yè)安全，避免發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，本文按照相應(yīng)國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器，對(duì)聚碳硅烷粉塵的最小點(diǎn)火能、最低著火溫度、爆炸下限濃度3 個(gè)火災(zāi)爆炸特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：聚碳硅烷粉塵最小點(diǎn)火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，最低著火溫度MIT=320 ℃，爆炸下限濃度12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3。結(jié)合常見(jiàn)涉爆粉塵火災(zāi)爆炸特性參數(shù)范圍比對(duì)分析，結(jié)果表明：聚碳硅烷粉塵最低著火溫度和最小點(diǎn)火能均較低、爆炸下限濃度也小，說(shuō)明該粉塵極易被引爆，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

0 引言

聚碳硅烷（PCS）是以硅碳鍵為主鏈的有機(jī)硅聚合物［1］，用于制備特種纖維（如SiC 纖維）和復(fù)相陶瓷的有機(jī)先驅(qū)體［2-4］，是應(yīng)用于航天、航空等尖端技術(shù)中的高性能新型材料之一［5］。

PCS以固態(tài)塊狀常見(jiàn)，較難燃燒。由于其脆性很大，強(qiáng)度極低，易粉碎制備成超細(xì)粉末，應(yīng)用在某些產(chǎn)品的試驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程中［6］。處于粉末狀態(tài)的PCS，比表面積成倍增加，其火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性顯著增大，給試驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)一定的火災(zāi)爆炸安全風(fēng)險(xiǎn)［7］。我國(guó)目前PCS還處于實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模生產(chǎn)階段［8］，對(duì)于PCS 粉塵的火災(zāi)爆炸特性還未有相關(guān)研究。為確保PCS 粉塵作業(yè)安全，避免發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，本文按照相應(yīng)國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器，對(duì)PCS 粉塵的最小點(diǎn)火能、最低著火溫度、爆炸下限濃度3個(gè)火災(zāi)爆炸特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試［9-12］，并進(jìn)行安全性分析，擬為PCS 粉塵作業(yè)場(chǎng)所安全防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)、相關(guān)制造設(shè)備選型及安全管理措施的采取提供依據(jù)［13］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品處理

測(cè)試樣品為PCS 粉塵，測(cè)試前取原始粉塵樣品過(guò)75 μm 標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩選，采用真空干燥箱在50 ℃條件下干燥24 h。

1.2 測(cè)試分析

1.2.1 最小點(diǎn)火能

采用國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)哈特曼管完成測(cè)試，執(zhí)行GB/T16428—1996 粉塵云最小著火能量測(cè)定方法。測(cè)試?yán)酶邏好}沖放電延遲60 ms點(diǎn)火，通過(guò)調(diào)節(jié)高壓脈沖放電能量來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)火能量，調(diào)節(jié)精度為0.5 mJ。

在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試前已完成PCS 粉塵最大爆炸壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到該粉塵的爆炸敏感濃度為240 g/m3。通常爆炸敏感濃度附近的粉塵云點(diǎn)火能量最低，因此選定230、240和250 g/m3三個(gè)濃度的PCS粉塵開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。測(cè)試時(shí)環(huán)境濕度為55.5%～58.5%，溫度為26～28 ℃。

測(cè)試得出在噴塵壓力為0.2 MPa條件下，三個(gè)濃度的PCS 粉塵最小著火能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表中數(shù)據(jù)得出，濃度為250 g/m3時(shí)，PCS 粉塵在最小點(diǎn)火能2 mJ 的條件下發(fā)生過(guò)燃爆，在1.5 mJ 的條件下未發(fā)生燃爆，因此可確定聚碳硅烷粉塵最小點(diǎn)火能量1.5 mJ＜Emin＜2 mJ。

表1 最小點(diǎn)火能量測(cè)試結(jié)果1）Tab.1 Test results of the minimum ignition energy

1.2.2 最低著火溫度

采用國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)粉塵云最低著火溫度測(cè)試裝置完成測(cè)試，執(zhí)行GB/T16429—1996 粉塵云最低著火溫度測(cè)定方法。首先在溫度500 ℃，測(cè)試得出PCS粉塵燃爆最為猛烈的敏感質(zhì)量、敏感噴塵壓力為m= 0.5g、p=50 kPa 和m=1.0 g、p=50 kPa，然后在這兩種敏感條件下，以500 ℃為起點(diǎn)，通過(guò)改變溫度來(lái)確定最低著火溫度。測(cè)試時(shí)環(huán)境濕度為35%～37%，溫度為18.5～19 ℃。PCS 粉塵在兩種敏感條件下最低著火溫度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最低著火溫度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of the minimum ignition temperature

由表中數(shù)據(jù)得出，當(dāng)m=0.5 g 時(shí)，著火的最低實(shí)驗(yàn)溫度為350 ℃，根據(jù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)中的修正方法，得出此條件下粉塵最低著火溫度為330 ℃；當(dāng)m=1.0 g時(shí)，著火的最低實(shí)驗(yàn)溫度為340 ℃，根據(jù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)中的修正方法，得出此條件下粉塵最低著火溫度為320 ℃。因此，最終確定PCS 粉塵的最低著火溫度MIT=320 ℃。

1.2.3 爆炸下限濃度

采用國(guó)際通用的20 L 球形粉塵爆炸測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成，執(zhí)行GB/T16425—1996 粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法。在點(diǎn)火能量10 kJ，噴塵壓力為2 MPa的條件下，初次以10 g/m3的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變PCS 粉塵濃度，觀(guān)察是否發(fā)生爆炸，確定其爆炸下限濃度。測(cè)試時(shí)環(huán)境濕度為36.5%～38.5%，溫度為18～19.5 ℃。

PCS 粉塵爆炸下限濃度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表中數(shù)據(jù)得出，PCS 粉塵濃度≥13 g/m3的情況均發(fā)生了爆炸，濃度≤12 g/m3的情況均未發(fā)生爆炸，因此，可確定PCS 粉塵爆炸下限濃度為12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3。

表3 爆炸下限濃度測(cè)試結(jié)果1）Tab.3 Test result of minimum explosion concentration

2 結(jié)果分析

2.1 最小點(diǎn)火能分析

PCS 粉塵最小點(diǎn)火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，對(duì)照《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄（2015）版》中常見(jiàn)的45 種可燃易爆粉塵相關(guān)信息，其中最小點(diǎn)火能最小的粉塵為果糖粉和奈粉，最小點(diǎn)火能Emin＜1 mJ，其次為鎂粉，最小點(diǎn)火能Emin＜2 mJ，其他42 種粉塵的最小點(diǎn)火能均≥3 mJ，褐煤/無(wú)煙煤（80∶20）粉塵最小點(diǎn)火能最大，Emin≥4000 mJ。PCS 粉塵最小點(diǎn)火能量1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，據(jù)此可得出，PCS 粉塵最小點(diǎn)火能處于較低的水平。

2.2 最低著火溫度分析

PCS 粉塵最低著火溫度MIT=320 ℃，對(duì)照《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄（2015）版》中常見(jiàn)的45 種可燃易爆粉塵相關(guān)信息，其中最低著火溫度最低的粉塵為硫磺粉，最低著火溫度為280 ℃，其次為大米粉，最低著火溫度為360 ℃，其他43 種粉塵的最低著火溫度均≥375 ℃。PCS粉塵最低著火溫度為320 ℃，位于硫磺粉及大米粉最低著火溫度之間，據(jù)此可得出，PCS粉塵最低著火溫度是較低的。

2.3 爆炸下限濃度分析

PCS 粉塵爆炸下限濃度為12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，對(duì)照《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄（2015）版》中常見(jiàn)的45 種可燃易爆粉塵相關(guān)信息，其中爆炸下限濃度最小的粉塵為奈粉，爆炸下限濃度為15 g/m3，其次為鎂粉，爆炸下限濃度為25 g/m3。PCS 粉塵爆炸下限濃度為12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，比奈粉的爆炸下限濃度還小，據(jù)此可得出，PCS 粉塵爆炸下限濃度是很小的。

3 結(jié)論

（1）PCS 粉塵最小點(diǎn)火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，最低著火溫度MIT=320 ℃，爆炸下限濃度12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，結(jié)合常見(jiàn)涉爆粉塵火災(zāi)爆炸特性參數(shù)范圍比對(duì)分析，該粉塵最低著火溫度和最小點(diǎn)火能均較低、爆炸下限濃度也很小，說(shuō)明該粉塵形成的粉塵云極易被引爆，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

（2）在進(jìn)行粉塵云最低著火溫度測(cè)試過(guò)程中，高溫爐內(nèi)的燃爆火焰回傳至噴塵彎管中，這種回火的現(xiàn)象在常見(jiàn)可燃粉塵實(shí)驗(yàn)測(cè)試中均未出現(xiàn)過(guò)，說(shuō)明該粉塵云燃爆速度很大，因此針對(duì)該粉塵的爆炸阻隔技術(shù)措施是有必要考慮的，建議可做進(jìn)一步研究。

（3）在進(jìn)行粉塵云最小點(diǎn)火能測(cè)試過(guò)程中，該粉塵在一端開(kāi)口的石英管內(nèi)燃爆后可聽(tīng)見(jiàn)爆炸聲響，推測(cè)是該粉塵云燃爆后迅速產(chǎn)生超壓，高速氣流伴隨火焰從石英管頂端噴出發(fā)出的聲音。說(shuō)明該粉塵云在受限空間爆炸后壓力上升速度很快，因此針對(duì)該粉塵的爆炸泄壓措施也是有必要考慮的，建議可做進(jìn)一步研究。