灰分分析過程中煙的危害因素探討

陳 偉

新疆克拉瑪依市公安消防支隊克拉瑪依區大隊，新疆 克拉瑪依 834000

0 引言

所謂灰分，指在規定條件下灼燒后，所剩的不燃物質，以百分數表示。油品中的灰分主要是各種金屬、非金屬、形成的鹽化合物等礦物。塑料、橡膠灰分主要來自聚合加入的催化劑和凝聚水中的金屬鹽類。而這些灰分雜質對石油化工產品的質量有著較大影響，因此，經常性的對出廠產品的灰分進行分析就成為化驗的日常工作。

灰分分析過程一般需經過試樣加熱燃燒碳化、高溫煅燒成灰，恒重，稱量，計算等步驟。通常測定石油化工產品灰分的國家標準有《塑料灰分通用測定方法GB9345》、《石油產品灰分測定法GB508》和《有機化工產品灰分的測定GB/T7531》等，其中塑料灰分的分析過程，由于分子量高，燃燒不完全，產生的煙較大，對化驗分析產生諸多危害。因此，本文結合生產實際經驗，重點對塑料灰分的分析過程中煙的危害進行探討。

1 試驗部分

1.1 《 塑料灰分通用測定方法GB9345》測定原理的基本方法[1]

常用的基本方法有3種。第一種是直接煅燒法，即燃燒有機物并在高溫下（750℃±50℃）處理其殘留物直至恒重；第二種是燃燒后用硫酸處理法，即燃燒有機物，用濃硫酸使無幾殘留物轉變成硫酸鹽，再在高溫下處理該殘留物直至恒重；第三種是燃燒前用硫酸處理法，即把有機物與濃硫酸一起加熱至冒煙，接著有機物燃燒，最后在高溫下處理殘留物直至恒重。

1.2 儀器

1）坩堝：與試驗物不起作用的陶瓷坩堝；

2）電爐；

3）馬福爐：能適合控制750℃±50℃范圍內；

4）分析天平：準確到0.1mg；

5）干燥器：盛有與灰分不起作用的有效干燥劑；

6）稱量瓶。

1.3 操作步驟

1）把坩堝放在馬福爐內，在試驗條件下加熱到恒重，放入干燥器內至少1小時，使其冷卻至室溫，并在分析天平上稱重，正確至0.1mg；

2）將試樣放入已知質量的稱量瓶中，稱重，準確至0.1mg；

3）把試樣放入坩堝中，不能超過坩堝高度的一半，然后直接在電爐上加熱，使其緩慢地燃燒。燃燒不可太劇烈，以免灰分顆粒損失。冷卻后再加入其余的試樣，重復上述操作直到全部試樣燒完；

4）把坩堝放入已預熱至規定溫度的馬福爐內，煅燒半小時；

5）把坩堝放入干燥器內1小時，使其冷卻至室溫，并在分析天平上稱重，準確至0.1mg；

6）在相同的條件下，每次再煅燒半小時，直至恒重，即相繼二次稱重結果之差不大于0.5mg。

1.4 結果計算

灰分以質量百分數表示

式中：m0為試樣質量，g；

m1為所得灰分質量，g。

2 討論部分

由以上試驗部分得知，在進行塑料灰分分析過程中，需要使用電爐進行加熱灼燒塑料樣品，必然會產生煙，而煙本身具有一定的形態等理化特性，如果控制不好將對分析質量、人員健康、設備設施安全產生不良影響。

2.1 煙的形態

所謂煙是指可燃物在燃燒時含有的瓦斯液體微粒子及固體粒子等物質，當他們懸浮擴散在空氣中時便形成煙。煙粒子在表面及內部吸附多種有毒氣體和容易發生反應的熱分解生成物。煙的液狀粒子由于表面張力，形成略呈球狀的液狀物，此時主要成分為水或油類為主的粒子構成，使能溶在內部及附在表面的毒氣量較有限。而固體粒子的形狀與液體粒子的形狀不同，固體粒子有時為多孔質狀，這樣的煙粒比實心粒子能吸附較多的各種氣體。因此，在灰分分析灼燒時，可燃物試樣的種類、燃燒時的溫度、環境的氧氣量等因素，直接影響著煙的毒性高低，濃度大小。

一般塑料材料在燃燒時產生的煙粒子，能吸附約有20%的揮發物，當有火焰而氧氣不足時黑煙就多，這種粒子與白煙的形狀、大小有顯著不同，其直徑通常在0.1至數十微米之間，不定形粒子中常有多數球形粒子凝集成為一團，白煙粒子當兩個以上的粒子碰撞時，很容易成為一個粒子而迅速沉降。

塑料煙均為不定形粒子組成。由熱分解及燃燒產生的煙，根據可燃物的材質、量、燃燒溫度、氧氣濃度等條件不同，所產生的煙成分各異。

2.2 煙的流動性

煙粒子的密度比空氣大，在空氣中由大粒子至小粒子依次沉降，粒子半徑在1μm以下的較能長久懸浮在空氣中。煙粒子有布朗運動關系，煙粒子時常互相碰撞并凝集成為1μm以上粒子而開始下沉。粒徑0.01μm以下的，因擴散快，當遭遇障礙物時，易附著于表面不定形且多孔質物體上。由此可見，煙的濃度常在變化之中。當煙遇到障礙物，部分煙粒子被吸附，煙濃度降低。但吸附煙粒子的障礙物隨著吸附的煙粒子的增多，火災危險性也逐步增加。塑料灰分分析過程中由于使用通風柜，加熱燃燒時含煙的空氣成為熱氣流帶煙移動，當遇到通風柜壁、管壁等障礙物時，便沉積在其上。如果柜壁、管壁粗糟，產生的煙，特別是燃燒不充分的含碳煙粒子就會大量沉降聚積。由于強排式抽風，煙粒子沉降的多少，受到排風管道結構的影響。當抽風時，在管道拐彎、過濾網、隔火閥、風扇等處，由于碰裝和吸附，煙粒子大量沉降，成為火災發生的潛在著火點。煙的流動和沉降如圖1所示。

2.3 煙的化學性

燃燒時，煙的生成有兩種徑路，其一為熱分解生成物在氣相中未燃燒前被冷卻，凝集而被排出。另一路徑為熱分解生成物在火焰中生成游離碳。屬于前者的煙沸點高，由分子量大的液體粒子所形成，后者以煤煙為主成分的固體微粒子。

煙的化學成分依燃燒物的材質、構成成分、化學結構、共存物的種類、燃燒物、氧氣量而異。雖屬單一材質，但燃燒溫度的高低則產生不同產物，對生成物間的比例也有變化。煤煙的生成“乙炔學說”認為：燃燒時產生乙炔，經聚合，再脫氫，而成為煤煙。火焰中的碳粒常在火焰內被氧化而消失，但分解生成物中有過多的含碳物時部分未完全氧化而排出于火焰外成為煤煙。高分子可燃固體的燃燒能生成液體系及固體系煙，同時也伴隨著氣體的產生。液體系煙在無焰燃燒時發生，固體系煙則在有焰燃燒時發生。其燃燒過程如圖所示。它們在燃燒時，首先受熱分解生成氣態和液態產物，然后氣態和液態產物的蒸汽再發生氧化燃燒。

圖1 高分子可燃固體的燃燒過程示意圖[2]

塑料屬于高分子可燃固體，在燃燒時依合成原料產生不同種類的毒氣，其本身又屬于高分子，故黑煙多。塑料在不同溫度下亦產生不同種類及不同比例的熱分解生成物。以酚樹脂為例，一氧化碳在300℃時產生3.5%，在800℃時增至16.2%，1200℃時達到24.6%。乙炔、乙烯等含量在溫度愈高的情況下有增加的趨勢。依乙炔學說，在高溫下，聚合再脫氫，以未完全燃燒的方式排出于火焰外，成為黑色煙的主要來源。塑料在燃燒時產生的煙含有不同種類的毒氣，如800℃時聚乙烯能釋放出一氧化碳、醛類；氯聚乙烯能釋放出一氧化碳、醛、氰化物、氨氣等，壓克力系則有氰化物、一氧化碳等釋放出。這些毒氣在火災時對人體的健康和安全構成威脅。因此，在發生火災時，必須對火場的煙要正確判斷其流動方向、量、成分等，以便采取恰當措施進行逃生。

2.4 塑料的發煙特性

火災時產生何種煙則視發生燃燒材料的種類而定。其發煙特性可用單位重量的發煙量及對單位時間的發煙量表示。至于發煙量則受材質的化學組成、形狀、燃燒溫度、氧氣濃度而異。

通常塑料材料在燃燒時分解比木質材料快速，雖有著焰燃燒的現象，但可認為發煙速度的增加歸納為氧化反應不完全所致。

據文獻聚乙烯、聚丙烯在500℃，空氣量220mL/min，試樣100mg下其熱分解生成瓦斯（mg/g）種類及產生的量如下表：

由上表可見，塑料高分子材料在燃燒過程中會產生許多副產物，其中大部分為有毒有害物質。塑料高分子材料如果燃燒不充分，會產生大量的煙，部分可燃氣體或蒸汽會與產生的煙粒結合，隨著氣流在合適的障礙物處聚積。

2.5 煙對人員的影響

火災發生時環境周圍彌漫大量煙對受困人員而言，視線受阻無法判斷樓梯、標志、出入口、逃生方向而在心理上產生恐懼感。當嗆到含有毒氣體的煙，又有缺氧的環境下，受困時間延長，引起生理上的不適，以致中毒昏倒、窒息等。火災通常在于心理上毫無準備的情況下發生，尤其進入不熟悉建筑物內遭遇火災時易產生恐慌失措。

在國內發生的死傷較多案件中可發現避難人員在心理上有共同點，即避難時對火焰及煙有恐懼感而一直想向明亮方向移動，并選擇空間較大的場所避難，在常出入的建筑物內本能選擇常用的出入口逃生，當發覺一時無法逃生時，試尋找狹小偏僻處藏匿，危急時或有出現跳樓的異常行為，導致不必要的傷亡。

2.6 煙對設備設施的影響

煙常常在設備設施中聚積，一方面腐蝕設備或影響設備的正常運行；另外一方面，當條件合適時，聚積的煙成為積炭，發生自燃或爆炸導致火災或設備損壞事故，嚴重影響正常生產。

比如，積炭自燃通常發生在壓縮機生產系統中，它可以導致火災爆炸事故，危險性比較大，需要注意預防。空氣壓縮機（含其它物料的壓縮機）運行時，氣缸內溫度通常可達150℃～160℃，缸體內的潤滑油蒸汽在此高溫下會熱裂解產生煙形成炭，隨同壓縮空氣流出，沉積在缸體、壓縮機各段冷卻盤管。緩沖器和氣體管道里，成為積炭。潤滑油閃點越低，油蒸發量越大，隨氣流帶出的炭越多，因此，形成的積炭層越厚。積炭在一定溫度下，在含氧氣流（空氣）的作用下，會發生氧化反應，溫度、壓力越高，積炭層就會越厚，氧化反應速度就越快。當反應系統向環境散熱小于氧化反應放出熱量時，積炭溫度會不斷上升，引起自燃。在上述過程中，還會產生可燃氣（如一氧化碳），當它們的濃度達到爆炸極限時，會發生燃燒和爆炸。

再比如，塑料灰分分析過程中會產生大量的煙，這些煙主要以煤煙的形式出現，在通風管道內長期、緩慢不斷聚積，附著在管壁上，形成吸附有大量可燃氣體和蒸汽的積炭層，形成可燃物。在夏季，環境溫度較高，在做分析進行加熱的過程中，樣品從加熱到自燃燃燒后，煙氣中的燃燒熱量迅速增加，使彎頭等處聚積較多的積炭受高熱達到自燃溫度后起火，火勢順著通風道而上，引燃管壁上附著煙灰的積碳，并將樓頂部通風管道的玻璃鋼材料彎頭和風機軟連接處的帆布和風機燒毀，損壞設備。

2.7 煙對分析質量的影響

僅就塑料產品灰分分析過程而言，在分析過程中要嚴格控制電爐的加熱速度，使其緩慢地燃燒。如果燃燒速度控制不好，會使燃燒過于劇烈，大量的煙會帶走灰分顆粒，使灰分損失，影響分析結果的準確。

2.8 煙對環境的影響

煙無論是在分析過程中還是在火災等異常情況下，對環境空氣的質量都有著或多或少的影響，輕者空氣質量下降，重者空氣質量局部或大面積污染，其區域中的生命安全受到威脅。

3 結論

通過對煙的性質和危害探討，得知在塑料灰分分析過程中產生的煙會對人員安全健康、設施設備、分析質量、環境有著不同程度的危害。因此，針對灰分分析必須采取以下措施，預防煙的危害。

1）組織職工學習灰分分析過程中煙的危害，提高自我保護意識；

2）對灰分分析項目使用的通風設施單獨設置，材料宜為不燃的鐵質材料，其風道宜短，宜直排室外，防止管道過長形成煙塵積炭，從源頭上杜絕可燃物的形成，防止火災危害；

3）建立對加熱、燃燒用通風櫥、通風管道及風機等設施的定期檢查制度，加強設備維護管理，定期清掃煙道積炭，從制度上保證管道徹底不存在積炭；

4）建立固定用火點的防火安全制度，要求在加熱、燃燒、用火作業期間崗位人員或監護人員要堅守崗位，嚴禁離崗、脫崗，確保各項防火安全措施到位；

5）灰分分析過程要嚴格控制火焰高度，控制好電爐的加熱速度，防止塑料產品燃燒過于劇烈帶走灰分顆粒，造成分析誤差，影響分析質量。

[1]周卓純，王金妹.塑料灰分通用測定方法GB9345.

[2]匡永春主編.石油化工安全技術[M].中國石化出版社.