木薯原淀粉最小引燃溫度實(shí)驗(yàn)研究

張睿沖 謝承煜 劉磊

(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

可燃淀粉粉塵不論處在粉塵云或粉塵層狀態(tài)，在點(diǎn)火源的作用下都有可能發(fā)生嚴(yán)重的事故。國內(nèi)外的學(xué)者對粉塵最小引燃溫度進(jìn)行了相應(yīng)的研究。粉塵最小引燃溫度的相關(guān)研究主要包括以下三方面：①以粉塵的質(zhì)量濃度、粒徑分布、溫度、厚度、水分、壓力、加熱方式等影響因素為主，研究對象多元化，包括了鈦、木質(zhì)粉、硫化礦塵、硫磺粉塵、面粉、聚酰胺粉塵、獸藥粉、聚苯乙烯微球粉體等[1-7]；②粉塵引燃溫度惰化方面的研究，可燃粉塵的惰化劑一般包括石灰石、滅火劑、BaCO3、SiO2等 ,同時研究了惰性劑含量、惰性劑粒徑、噴吹壓力等要素下惰性劑對粉塵層、粉塵云引燃溫度的影響[8-10]；③其他方面，XU S等[11]選用Godbert-Greenwald爐試驗(yàn)裝置對煤塵/空氣混合物的最小著火溫度(MIT)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，MIT為560 ～570 ℃。ADDAI E K等[12]在改進(jìn)的戈德伯特-格林沃爾德爐中進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，研究了混合料的最低著火溫度。氣體的爆炸極限和最低點(diǎn)火溫度隨著粉塵的增加而降低，而粉塵本身是不可點(diǎn)燃的，混合料的最小著火溫度低于單一物質(zhì)。粉塵的最小爆炸濃度隨氣體的加入而降低，而氣體本身是不可點(diǎn)燃的?；旌狭系谋O限比單一物質(zhì)的爆炸極限低。YUAN C M等[13]提出了一種模擬戈德伯特格林沃爾德(GG)爐條件下鎂粉云最小點(diǎn)火溫度的確定模型。該模型基于金屬顆粒的非均相氧化和牛頓運(yùn)動定律，并將顆粒大小、粉塵濃度和粉塵分散壓力與密特-直流相關(guān)聯(lián)。ADDAI E K等[14]在改進(jìn)的戈德伯特-格林沃爾德(GG)加熱爐中，對可燃粉塵、氣體和蒸汽三組分混合物的最小點(diǎn)火溫度(MIT)和爆炸下限/最小爆炸濃度(LEL/MEC)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)可燃粉塵的濃度低于單粉塵的MEC時，氣體和溶劑蒸汽的最大分子物質(zhì)(MITs)顯著降低。如果氣體/蒸汽氣氛與分散的可燃粉塵混合，在給定的溫度下不能單獨(dú)在GG爐中點(diǎn)燃，則可顯著降低MIT。

木薯淀粉在許多領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，木薯淀粉是除了玉米淀粉外生產(chǎn)、使用量第二大淀粉類，生產(chǎn)過程中發(fā)生火災(zāi)爆炸的風(fēng)險較大。目前，針對木薯淀粉爆炸特性的研究鮮見報(bào)道，所以研究木薯淀粉的最小引燃溫度，對在木薯淀粉生產(chǎn)經(jīng)營的各環(huán)節(jié)預(yù)防粉塵火災(zāi)爆炸具有現(xiàn)實(shí)的借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 方法及裝置

粉塵云引燃溫度測試裝置為G-G爐，粉塵的質(zhì)量為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1 g，噴塵壓力分別為5、10、20、30、40、50、60 kPa，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)量濃度下測得的最低值記為粉塵云最小引燃溫度。

粉塵層引燃溫度測試裝置為吉林市宏源科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的G-G爐。選取厚度為5、12.5、15、20 mm的金屬環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。記錄試驗(yàn)現(xiàn)象為著火的最小設(shè)定溫度為粉塵層最小引燃溫度。

1.2 原料與環(huán)境條件

以木薯淀粉原粉作為實(shí)驗(yàn)樣品。由廣西某生化公司提供，樣品的粒徑分布如圖1。

圖1 木薯原淀粉的粒徑分布

在實(shí)驗(yàn)室濕度為40%～60%、溫度為20～32 ℃的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，木薯淀粉在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)烘箱60 ℃干燥24 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴塵壓力對木薯粉塵云的影響

取木薯淀粉0.4 g，由加熱爐容積為0.22 L可求得木薯淀粉質(zhì)量濃度約為455 g/m3，將噴塵壓力依次設(shè)為5、10、20、30、40、50、60 kPa，記錄木薯粉塵云引燃溫度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 噴吹壓力對木薯粉塵云引燃溫度的影響

由圖2可知，在木薯粉粒徑和質(zhì)量濃度固定的情況下，在5 kPa到30 kPa這個階段，隨著噴塵壓力的增加，會把粉塵發(fā)散成更加容易燃燒的粉塵云，同時被發(fā)散的程度越大粉塵云團(tuán)越蓬松，蓬松粉塵云團(tuán)產(chǎn)生上浮力越大，粉塵云團(tuán)通過爐膛的時間變長，木薯粉顆粒更容易被點(diǎn)燃，引燃溫度應(yīng)當(dāng)降低；而在40 kPa到60 kPa這個階段，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，有效燃燒的粉塵云減少，此外，因?yàn)槟臼淼矸鄣馁|(zhì)量固定時，當(dāng)噴吹壓力增大時，粉塵的初始加速度增大，同時加熱爐膛長度是定值，粉塵通過爐膛的時間變短即粉塵云受熱時間變短，木薯粉塵的引燃溫度變高。

木薯粉塵云引燃溫度隨噴塵壓力先減少后增加，但增和減幅度都不大。在30 kPa時，木薯粉塵云引燃溫度最小為458.5 ℃。

2.2 濃度對粉塵云影響

實(shí)驗(yàn)時，設(shè)定噴粉壓力為30 kPa，分別對質(zhì)量為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g的木薯淀粉塵進(jìn)行最小引燃溫度實(shí)驗(yàn)。由于加熱爐容積為0.22 L可求得各木薯淀粉質(zhì)量濃度分別約為910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3， 經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，得到相同條件下粉塵云最小引燃溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)木薯粉塵的質(zhì)量由0.2 g增加到0.4 g 時，木薯粉塵云的著火溫度由466.5 ℃降到458.5 ℃；而當(dāng)木薯粉塵的質(zhì)量由0.4 g增加到0.6 g 時，木薯粉塵云的著火溫度由458.5 ℃增加到467.2 ℃?？傮w情況是：隨著木薯淀粉濃度的增大，木薯粉塵云引燃溫度先減小后增大。因?yàn)閲姶祲毫κ嵌ㄖ担S著質(zhì)量的增加，粉塵初始加速度由大變小，在粉塵質(zhì)量小、濃度較低時，通過加熱爐膛的時間很快，即加熱時間短，同時也可能過大的初始加速度，使木薯粉塵來不及發(fā)散被打到對面的壁面上，沒發(fā)散的粉塵沿著壁面下落；最小引燃溫度時的情況是粉塵被最充分發(fā)散(成顆粒的自然粒徑狀態(tài))，打在對面的壁面上非常少可以忽略不計(jì)，形成的粉塵云團(tuán)較蓬松，粉塵云團(tuán)所受阻力較大(包括熱流的上浮力和粉塵云團(tuán)的沿程阻力、局部阻力)通過加熱爐膛的時間較長即粉塵被加熱的時間較長；當(dāng)粉塵質(zhì)量大于0.4 g后，并非所有的粉塵有效被充分發(fā)散，有一部分粉塵出現(xiàn)以下兩種情況：①打到壁面上然后沿著壁面下落，在下落的同時吸收熱量降低有效加熱粉塵云的溫度；②沒充分發(fā)散的較大顆粒在加熱爐膛中落下，也吸收部分熱量，所以會造成木薯淀粉塵云著火溫度變大。

圖3 質(zhì)量濃度對木薯粉塵云引燃溫度的影響

2.3 木薯淀粉粒徑對粉塵云的影響

當(dāng)噴吹壓力取30 kPa時，木薯粉質(zhì)量濃度敏感值和點(diǎn)火溫度下限隨木薯粉粒徑增加的變化規(guī)律如表1所示。

表1 不同粒徑下的木薯粉塵云最小引燃溫度

由表1可知，木薯粉塵云最小點(diǎn)燃溫度隨粒徑的增大而增大。顆粒粒徑較小時在相同的噴吹壓力作用下，發(fā)散成粉塵云會更充分，顆粒的粒徑小在相同溫度下進(jìn)行熱分解所需要的熱量小及時間少，故引燃溫度較低；而大顆粒的粉塵云在相同溫度下進(jìn)行熱分解所需要的熱量多及時間長，故引燃溫度較高。

2.4 溫度對木薯原淀粉粉塵層的影響

木薯淀粉在加熱平臺導(dǎo)熱、熱傳遞及熱輻射作用下，粉塵顆粒中水分受熱蒸發(fā)，粉塵顆粒收縮，帶縫隙的淀粉顆粒層接受氧氣的能量增強(qiáng)，在一定的溫度下被氧化放出熱量增多，熱量增多使粉塵層的溫度增大，此時又促進(jìn)粉塵的氧化。由于加熱板持續(xù)給粉塵層下層加熱，粉塵的上層因接觸空氣不斷地失去熱量，所以粉塵層的下層會比上層的溫度高，當(dāng)內(nèi)部積累的熱量不斷增加時，粉塵層的溫度也會增加，這過程是木薯淀粉逐步碳化的過程，當(dāng)粉塵層內(nèi)部熱量積累到一定程度，粉塵被熱解，熱解出的可燃?xì)怏w達(dá)到兩個條件：①粉塵層內(nèi)部溫度達(dá)到可燃?xì)怏w點(diǎn)燃溫度；②可燃?xì)怏w達(dá)到一定的濃度時就發(fā)生燃燒，兩者缺一不可。但木薯淀粉的實(shí)驗(yàn)過程沒出現(xiàn)明火，只出現(xiàn)冒煙的陰燃，說明：①存在臨界溫度t臨界，加熱板的溫度大于t臨界，同時可燃?xì)怏w濃度不足；②粉塵層的陰燃是燃燒碳化層。

2.4.1 木薯原淀粉黃化、碳化臨界溫度測定

使用粉塵層引燃裝置對木薯原淀粉進(jìn)行黃化、碳化臨界溫度測定。

(1)臨界溫度的實(shí)驗(yàn)測試方法：①啟動粉塵層實(shí)驗(yàn)裝置；②進(jìn)入設(shè)定界面，設(shè)定加熱板的表面溫度，設(shè)定恒溫時間為300 s；③加熱板溫度分別設(shè)定為：260、265、270、275、280、290 ℃；④當(dāng)加熱板溫度達(dá)到所設(shè)定溫度時，恒溫300 s；⑤進(jìn)入恒定誘導(dǎo)溫度時，取淀粉，分別放到加熱臺上5、12.5、15 mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)鋼圈里，加熱10 min，觀察木薯淀粉的反應(yīng)；⑥退出加熱狀態(tài)，重新設(shè)定下一個恒溫加熱溫度；⑦重復(fù)步驟(2)—(5)，直到測試完6個溫度；⑧記錄每個溫度下木薯淀粉受熱反應(yīng)現(xiàn)象。

(2)臨界溫度的實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果，見表2。

表2 不同溫度下的受熱木薯淀粉的變化

2.4.2 木薯原淀粉熱重分析

對木薯原淀粉進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖4所示。28.6～500 ℃溫度范圍內(nèi)，TG曲線明顯分為3個區(qū)域，質(zhì)量的總損失約為82.1%。在28.6～118 ℃溫度范圍內(nèi)，質(zhì)量的損失約占總重量的9.97%，這歸因于木薯淀粉中水的蒸發(fā)；第2次失重(約61.8%)可在283～333 ℃的溫度范圍內(nèi)觀察到，可能與木薯淀粉中的化學(xué)結(jié)合水的蒸發(fā)及木薯原淀粉的熱分解有關(guān)；在338～497.4 ℃范圍內(nèi)發(fā)生第3個重量損失，損失的重量約為9.2%；這明顯由木薯淀粉碳化后的碳顆粒上浮或碳被氧化成二氧化碳導(dǎo)致的。

圖4 木薯原淀粉的TG-DSC曲線

在 283～333 ℃，木薯淀粉失重出現(xiàn)斷崖式的下降。由2.4.1及2.4.2的實(shí)驗(yàn)可知，木薯淀粉的熱分解溫度大概在270～285 ℃，在氧氣(空氣)環(huán)境中熱解溫度相對較低；而熱重分析在純氮?dú)猸h(huán)境中測定熱解溫度相對較高一些。

2.5 粉塵厚度對木薯淀粉粉塵層的影響

不同的粉塵層厚度(以5、12.5、15、20 mm為例)來研究粉塵的最小著火溫度。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同厚度木薯淀粉塵層最小引燃溫度

由圖5可知，粉塵層厚度為 5 mm 時，粉層最低著火溫度最高420 ℃，在高溫下陰燃，沒有恒溫加熱時無法繼續(xù)燃燒，主要是粉塵層厚度較小時散熱較快，熱量無法積累，故無法保持繼續(xù)燃燒，另外一個原因是木薯淀粉原粉接觸高溫加熱板時會碳化，產(chǎn)生孔隙較大、泡狀、蓬松的碳化層，這碳化層起到隔熱的作用，阻止加熱板繼續(xù)給粉塵層傳遞熱，如圖6。

圖6 木薯淀粉原粉碳化層

一定范圍內(nèi)的粉塵厚度的增加導(dǎo)致粉塵層最小著火溫度的降低。最小著火溫度從粉塵層厚度5 mm時的420 ℃降低到12.5 mm的300 ℃。當(dāng)粉塵厚度超過某一厚度時，粉塵層最小著火溫度就不再變化，木薯淀粉的厚度超過15 mm后，其粉塵層最小點(diǎn)火溫度一直保持在290 ℃，隨著粉塵層厚度的增加，在重力作用下，下層的粉塵致密度增加，致密度增加的后果：粉塵氧化的熱量得到有效保留容易達(dá)到最大值，同時在壓力作用下與加熱板接觸的粉塵顆粒之間的距離減少有利燃燒。在一定厚度下粉塵氧化的熱量得到有效封留，并在封存區(qū)域的溫度達(dá)到或超過粉塵燃燒的臨界溫度時，有效燃燒后粉塵的最小著火溫度和厚度無關(guān)。區(qū)域空間里的粉塵層厚度越大，在外界因素作用下越可能形成帶來災(zāi)難后果的粉塵云爆炸，粉塵層中的不管是明燃或陰燃，都可能是點(diǎn)燃粉塵云的點(diǎn)火源。所以木薯淀粉粉塵層的火災(zāi)危害性非常大。

3 結(jié)論

(1)在固定質(zhì)量濃度的條件下改變噴塵壓力或在固定噴吹壓力的條件下改變質(zhì)量濃度，對木薯粉塵云最小引燃溫度都有影響，而本質(zhì)則是某一環(huán)境條件下，具體的多因素耦合的粉塵云最小引燃溫度與最理想條件下多因素耦合的粉塵云最小引燃溫度的偏差。

(2)木薯原淀粉粉塵云的最小引燃溫度為458.5 ℃，木薯淀粉粉塵層的最小溫度290 ℃。

(3)木薯原淀粉的粉塵層燃燒的實(shí)質(zhì)是粉塵熱解碳化過程可燃?xì)怏w不足的碳化層陰燃，碳化層的隔熱作用阻止加熱板繼續(xù)給粉塵層傳遞熱。