超細(xì)三七粉最小引燃溫度實(shí)驗(yàn)研究*

張睿沖 張明坤 劉煒 謝承煜

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院 南寧 530004； 2.湘潭大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 湖南湘潭 411105)

0 引言

三七是一種應(yīng)用廣泛而且使用量巨大的中藥材，具有活血化瘀、滋補(bǔ)等功效，三七一般以粉末形式使用。三七粉的加工經(jīng)歷了從機(jī)械粉碎到超高壓氣流粉碎的加工過程。三七粉的粒徑從幾十微米到超細(xì)的幾微米，隨著加工工藝的進(jìn)步將逐步被加工成納米級(jí)的粉塵。目前，針對(duì)三七粉著火溫度的研究鮮見報(bào)道，而其它可燃粉塵在合適的溫度條件下可能出現(xiàn)火災(zāi)爆炸，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)粉塵最小引燃溫度一般研究粉塵云或粉塵層的引燃溫度，文獻(xiàn)[1-15]對(duì)于粉塵云及粉塵層的研究主要在：①粉塵的影響因素，如濃度、粒徑、噴粉壓力、堆積厚度等；②可燃粉塵的惰化研究，惰化劑如石灰石、滅火劑、SiO2等。同時(shí)由以上文獻(xiàn)得出，粉塵最小引燃溫度的研究對(duì)象主要在可燃金屬粉塵如鎂、鋁、鈦、錳等；可燃有機(jī)粉塵如木粉、面粉、玉米粉、石松子粉、乳糖、蔗糖、聚苯乙烯等；可燃無機(jī)粉塵如硫化礦塵、硫磺、煤粉等。在前人研究粉塵的基礎(chǔ)上對(duì)三七粉的最小引燃溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過研究對(duì)在三七粉的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸中預(yù)防粉塵火災(zāi)減少損失具有借鑒意義，也是對(duì)粉塵火災(zāi)爆炸研究的一種有益補(bǔ)充。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

粉塵云引燃溫度測(cè)試裝置為G-G爐，如圖1所示。粉塵的質(zhì)量從0.01、0.02、0.03、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、1 g中選取，噴塵壓力從2、3、5、10、20、30、40、50、60 kPa中選取，將不滿足10次未出現(xiàn)著火的最低溫度記為粉塵云引燃溫度，將某一粒徑在不同質(zhì)量濃度下測(cè)得的最低值記為粉塵云最小引燃溫度。

圖1 粉塵云最小引燃溫度實(shí)驗(yàn)裝置

粉塵層引燃溫度測(cè)試裝置如圖2所示。三七粉粉塵層選取厚度為5、12.5、15 mm的金屬環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將著火的最小設(shè)定溫度記為粉塵層最小引燃溫度。

圖2 粉塵層最小著火溫度實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 原料與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

以由廣州某粉體加工企業(yè)提供的三七粉作為實(shí)驗(yàn)樣品，樣品的粒徑分布、電鏡樣圖如圖3、圖4。

圖3 三七粉的粒徑分布

圖4 三七粉的電鏡樣圖

在實(shí)驗(yàn)室濕度為40%～60%、溫度為25～35 ℃的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，三七粉在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)烘箱60 ℃下干燥24 h。

2 結(jié)果與分析

不同質(zhì)量、壓力下三七粉的最小點(diǎn)燃溫度見表1。

表1 不同質(zhì)量、壓力下三七粉的最小點(diǎn)燃溫度 ℃

2.1 噴塵壓力對(duì)三七粉塵云的影響

取三七粉質(zhì)量0.2 g到0.6 g，由加熱爐容積為0.22 L可求得三七粉質(zhì)量濃度約為910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3，將噴塵壓力依次設(shè)為20、30、40、50、60 kPa，由表1中，質(zhì)量為0.2 g、0.3 g的三七粉在不同壓力下所對(duì)應(yīng)的最小引燃溫度如圖5、圖6。

圖5 質(zhì)量0.2 g,不同噴塵壓力下三七粉塵云的最小引燃溫度

圖6 質(zhì)量0.3 g,不同噴塵壓力下三七粉塵云的最小引燃溫度

由圖5可知，粒徑分布相同的三七粉，當(dāng)質(zhì)量為0.2 g時(shí)，粉塵云引燃溫度隨著噴塵壓力的增加先減小再增加。在20 kPa到30 kPa這個(gè)階段，隨著噴塵壓力的增加，會(huì)把粉塵發(fā)散成更加容易燃燒的粉塵云，引燃溫度應(yīng)當(dāng)降低；而在40 kPa到60 kPa這個(gè)階段，隨著噴塵壓力的增加，有部分粉塵直接沿筒壁被吹出，導(dǎo)致有效發(fā)散的粉塵減少，燃燒的粉塵云減少，同時(shí)帶入更多冷空氣，使加熱爐內(nèi)的溫度下降到低于設(shè)定溫度的值，此外，三七粉顆粒因受到更強(qiáng)的吹力，運(yùn)動(dòng)速率加大，在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間縮短，更加不易被引燃，故引燃溫度應(yīng)當(dāng)升高。

由圖6可知，粒徑分布相同的三七粉，當(dāng)質(zhì)量為0.3 g時(shí)，粉塵云引燃溫度隨著噴塵壓力的增加而增大。主要原因是：①三七粉是輕質(zhì)纖維粉塵，質(zhì)量0.3 g及以上時(shí)，噴吹壓力從20 kPa升到60 kPa時(shí)，三七粉塵的體積在容積空間已固定的粉塵云點(diǎn)燃裝置中都無法有效發(fā)散；②隨著噴吹壓力的增加，三七粉塵更是以抱團(tuán)的形式沿著加熱壁用更快的速度、更少的時(shí)間通過恒溫?zé)岜凇?/p>

通過觀察也證實(shí)隨著質(zhì)量和噴吹壓力的增大，三七粉塵確實(shí)無法有效發(fā)散，即使著火也是星點(diǎn)狀的火團(tuán)，見圖7。

圖7 三七粉塵云燃燒時(shí)的星點(diǎn)狀的火團(tuán)

2.2 質(zhì)量濃度對(duì)粉塵云影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定噴粉壓力分別為20、30、40、50、60 kPa，質(zhì)量從0.2 g增加到0.6 g的粉塵進(jìn)行最小引燃溫度實(shí)驗(yàn)。由于加熱爐容積為0.22 L可求得各三七粉質(zhì)量濃度分別約為910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3， 經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，找出對(duì)應(yīng)條件下粉塵云最小引燃溫度。質(zhì)量濃度對(duì)粉塵的影響分2種情況，噴吹壓力從20 kPa到30 kPa時(shí)，三七粉塵云引燃溫度隨質(zhì)量增大先減小后增大；噴吹壓力從40 kPa增加到60 kPa時(shí)，三七粉塵云引燃溫度隨質(zhì)量增大而增大。

當(dāng)噴塵壓力固定為30 kPa時(shí)，隨著三七淀粉質(zhì)量濃度的增大，三七粉塵云引燃溫度先減小后增大，見圖8。在表1中，壓力為20 kPa 、30 kPa時(shí)，三七粉質(zhì)量濃度較低時(shí)，單位質(zhì)量的粉塵顆粒放熱量也較小，三七粉顆粒間距大，當(dāng)質(zhì)量從0.2 g增加到0.3 g，燃燒的顆粒產(chǎn)生的熱量傳到非燃燒顆粒的減少，所以0.2 g三七粉的引燃溫度比0.3 g的要高。當(dāng)三七粉的質(zhì)量從0.4 g增加到0.6 g時(shí)，當(dāng)質(zhì)量濃度大于最佳質(zhì)量濃度時(shí)，繼續(xù)增大三七粉質(zhì)量濃度時(shí)，可能是：①?zèng)]法有效發(fā)散成均勻的粉塵云，過多的三七粉以抱團(tuán)、大顆粒的形式通過恒溫筒；②有機(jī)粉塵燃燒首先要吸熱分解，而過多的三七粉同時(shí)吸熱降低了恒溫筒內(nèi)的溫度；③增大三七粉質(zhì)量濃度使氧氣含量相對(duì)不足，致使有效參與反應(yīng)的三七粉顆粒減少。這幾種原因?qū)е氯叻蹓m云無法形成最均勻粉塵云及最佳濃度，從而造成引燃溫度增大。

圖8 30 kPa時(shí)三七粉塵云最小引燃溫度隨質(zhì)量變化

在表1中，當(dāng)壓力為40 kPa、50 kPa、60 kPa時(shí)，三七粉的質(zhì)量從0.2 g增加到0.6 g時(shí)，三七粉塵云引燃溫度隨著質(zhì)量增大而增大。主要原因是三七粉無法有效發(fā)散，在噴吹壓力下壓著壁面向下落，加之三七粉放熱量較小，很難形成立方體的粉狀均勻燃燒，更多是出現(xiàn)點(diǎn)狀燃燒，見圖9。

圖9 5 mm厚三七粉粉塵層著火燃燒的情況

2.3 粉塵厚度對(duì)三七粉塵層的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同厚度三七粉塵層最小引燃溫度如圖10所示。

圖10 三七粉厚度與最小引燃溫度的關(guān)系

由圖10可知：在5 mm到15 mm的范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，三七粉的著火溫度降低，最低為240 ℃,厚度大于15 mm后三七粉粉塵層的著火溫度趨同。三七粉粉塵層薄的時(shí)候，由于重力的作用，粉塵和加熱壁的接觸不夠緊密，存在大小不一的泡狀空氣空隙，泡狀空氣空隙起到隔熱的作用；粉塵層薄無法儲(chǔ)存氧化產(chǎn)生的熱量，故無法維持進(jìn)一步的燃燒，所以最小著火溫度較大；三七粉粉塵層的厚度增加時(shí)，在重力的作用下，粉塵和加熱壁的接觸更加緊密，同時(shí)氧化產(chǎn)生的熱量能夠有效保存，很好地維持進(jìn)一步的燃燒。存在某一厚度，此時(shí)恰好能封住氧化產(chǎn)生的熱量，這熱量能夠維持燃燒繼續(xù)，所以粉塵厚度超過某厚度后最小點(diǎn)燃溫度就保持不變。厚度超過15 mm后，隨著粉塵層厚度的增加三七粉的最小著火溫度趨向相同值240 ℃。

3 結(jié)論

(1)隨著壓力從20 kPa增加到60 kPa，質(zhì)量為0.2 g時(shí)隨著壓力的增大，三七粉塵云最小引燃溫度先減小后增加；質(zhì)量從0.3 g到0.6 g，隨著壓力的增大，三七粉塵云最小引燃溫度增加；三七粉塵云的最小引燃溫度為399 ℃。

(2)噴吹壓力為20 kPa、30 kPa時(shí)，隨著質(zhì)量從0.2 g增加到0.6 g，三七粉塵云最小引燃溫度先減小后增大；噴吹壓力40 kPa增加到60 kPa時(shí)，隨著質(zhì)量的增大三七粉塵云最小引燃溫度增大。

(3)三七粉塵層最小引燃溫度低于三七粉塵云最小引燃溫度，三七粉塵層的最小著火引燃溫度為240 ℃。