彩虹粉引燃危險性實驗研究*

王　浩，張金鋒，解啟航，陳　靜，柳曉凱

(河北科技大學 環境科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

0　引言

彩虹粉通常采用玉米淀粉和食用人工色素混合而成，因其色彩鮮艷被廣泛用于彩虹跑等娛樂活動。2015年6月27日，臺灣新北市八仙樂園發生的彩虹粉燃爆事故，當場造成400多人不同程度受傷，這一慘痛事故使廣大民眾認識到彩虹粉具有很強的爆炸破壞性。彩虹粉的主要成分是玉米淀粉，質量分數高達99%。對糧食粉塵的燃爆危險的關注已久，意大利都靈地區的面粉廠爆炸是目前世界上記錄最早的糧食粉塵爆炸事故。近年來，糧食粉塵爆炸事故時有發生，國內外學者及研究機構對糧食粉塵燃燒爆炸機理及規律高度關注，并開展了大量研究。

Eckhoff對粉塵爆炸及控制進行了研究，并對玉米淀粉做了大量的爆炸實驗，研究了粉塵初始粒度分布，粉塵云分散濃度等因素對點火敏感性以及爆炸猛度的影響[1-2]；Van Wingerden K.利用10 m3和20 m3的容器對玉米淀粉進行了爆炸實驗研究，并進行了數值模擬[3-4]；Dahoe等[5]采用LDA系統對玉米淀粉/空氣混合物的層流燃燒速率進行了實驗測定。

李剛等[6-7]對天津港口接卸糧食主要品種伴生粉塵的爆炸性進行了測試和分析；陳默[8]等對玉米淀粉-空氣混合相爆炸進行了研究，結果顯示玉米淀粉爆炸下限為459 g/m3；曹衛國等[9-10]對玉米淀粉爆炸參數進行了測定，結果顯示玉米淀粉的爆炸危險性分級為St1級，屬于中度爆炸危險性粉塵。

可以發現，學者對糧食粉塵的研究比較單一，對于其引燃危險性的整體研究以及危險性評估方案研究較少。本文采用實驗手段對玉米淀粉和食用人工色素混合粉體的引燃規律進行進一步研究，并采用食用鹽對彩虹粉進行抑爆探討，以喚起相關方的認識和重視，避免類似事故的發生。

1　實驗樣品

選取了胭脂紅、日落黃、亮藍、果綠色食用人工色素(天津多福源實業有限公司)與玉米淀粉(隆堯彭山食品廠)混合形成的紅色、黃色、藍色、綠色的彩虹粉為實驗樣品(色素質量分數為0.5%)，利用真空干燥箱對彩虹粉樣品進行真空干燥處理，使樣品保持一定的含水率，并用200目標準篩對彩虹粉進行篩分處理。

2　實驗方案

實驗采用固體燃燒速率試驗儀(HWP02-10E)對彩虹粉傳播燃燒能力進行初步甄別；采用固體自燃點試驗儀(HWP22-10E)測定彩虹粉的自燃點；采用快速篩選量熱儀(Rapid Screening Device, RSD)，測定彩虹粉的初始分解溫度，計算分解時放出的熱量，綜合分析彩虹粉的熱穩定性及引燃危險性；采用粉塵爆炸篩選裝置觀察是否產生持續性火焰，對彩虹粉的燃爆性進行判定；利用粉塵云最小點火能量測試儀(MEU-MIE-D-15)測定粉塵最小點火能，進一步研究粉體濃度對最小點火能量的影響，確定彩虹粉粉塵云的著火敏感性。

選取著火敏感性較強的彩虹粉粉體，添加不同比例的與粉體粒徑分布相近的食用鹽粉體進行抑爆研究，研究食用鹽對彩虹粉爆炸的抑制效果。

3　實驗結果及分析

3.1　彩虹粉燃燒危險初步甄別試驗

依據GB/T 21618-2008以及《聯合國試驗與標準手冊》進行彩虹粉傳播燃燒能力的初步甄別試驗。用溫度為1 000℃的點火棒去點燃彩虹粉堆垛，在規定時間內觀察火焰是否能傳遞，以及火焰燃燒速率。由于不同顏色彩虹粉的組成相同，在此不一一對所有樣品進行甄別實驗，任選一種顏色的彩虹粉為代表進行實驗。圖1、圖2分別為點火中和2 min后試驗結束的實驗現象。

圖1　燃燒初步甄別實驗—點火Fig.1　Combustion preliminary screening test-ignition

圖2　燃燒初步甄別實驗—結束Fig.2　Combustion preliminary screening test-finished

由圖1可知，過高的溫度將彩虹粉引燃，產生明顯火焰，彩虹粉表現出一定的燃燒危險性。設備熱表面，某些機械部件過熱等都可能引起彩虹粉的燃燒。2 min后，如圖2所示，儀器未檢測到火焰，即火焰不能在堆垛上傳播燃燒，因此可以判定彩虹粉在堆垛的狀態下火焰傳播的危險性較小。

3.2　粉體燃燒自燃點測試及結果分析

根據國標GB/T 21756-2008對彩虹粉進行自燃點測定。將彩虹粉裝入邊長為20 mm的金屬絲網立方體中，對樣品進行升溫，當樣品溫度達到400℃時，對應的烘箱溫度即為樣品的自燃溫度。表1為4種顏色彩虹粉自燃點實驗數據記錄表。

表1　彩虹粉自燃點實驗數據

由表1可知，4種顏色彩虹粉的自燃溫度都在250℃附近，可知影響彩虹粉自燃的主體部分為玉米淀粉，色素對彩虹粉自燃影響較小。

與常見的高分子物質相比[11]，彩虹粉的自燃點相對較低，自燃危險性相對較高，在彩虹粉應用過程中應注意對溫度的控制。考慮到其自燃點在250℃附近，而活動中舞臺上使用的聚光燈長時間使用時表面溫度可達450℃，煙頭表面的溫度在200～300℃之間，中心溫度更是能達到700～800℃[12]，上述因素都可能成為事故發生的點火源。因此在彩虹跑活動中要注意設備表面散熱，避免聚光燈長時間照射，活動禁止吸煙，以降低彩虹粉自燃危險性。

3.3　彩虹粉RSD熱分解測試結果分析

圖3為黃色彩虹粉溫度和壓力隨時間變化曲線。

圖3　樣品溫度、壓力隨時間變化曲線Fig.3　Sample temperature and pressure change curve over time

由圖3可知，0～147 min為樣品的升溫過程，升溫速率為2.5℃/min。82 min后樣品溫度及壓力曲線斜率突然增大，樣品溫度及壓力有突然上升的趨勢，此時彩虹粉開始分解，起始分解溫度約為227℃，此階段發生熱解的物質主要為彩虹粉中的部分木質素、纖維素以及半纖維素[13-14]，分解放熱并釋放部分氣體導致壓力出現升高的現象。由于裝樣時樣品池中含有一定量的空氣，分解出的氣體與空氣混合，受熱燃燒，釋放的能量引燃部分彩虹粉，致使溫度上升。

隨著加熱器溫度繼續加熱，在127 min時，樣品溫度為344℃，樣品池壓力突然大幅升高至100 bar，此時部分木質素以及一些復雜的高分子化合物發生分解，釋放大量氣體，使壓力驟然上升，由于彩虹粉初始分解時發生燃燒現象，將樣品池內有限的空氣燃盡，此階段未發生燃燒現象，樣品溫度沒有明顯波動。若分解過程發生在氧氣(空氣)充足的環境，彩虹粉與空氣混合，形成爆炸性混合物，會大大增加爆炸危險性[15]。由RSD RAP 2.1軟件分析，彩虹粉分解過程放熱約為395.12 J/g。

綜合熱分解實驗分析，彩虹粉的穩定性較差，分解過程中會產生大量氣體，在高溫環境下會表現出氣相燃燒的特點[16]，分解(燃燒)放熱較高，危害較大。

3.4　粉體引燃最小點火能實驗及結果分析

依據標準VDI 2263-1-1990對彩虹粉進行爆炸篩選試驗，采用4J的點火能量點燃彩虹粉，彩虹粉發生猛烈燃燒，彩虹粉粉塵云具有很大的燃爆危險性，電氣設備放電或靜電放電可能引起相應的點燃危險。

依據國標GB/T 16428-1996對彩虹粉粉塵云最小點火能進行進一步的測定。圖4為不同顏色的彩虹粉的最小點火能隨粉塵濃度的變化趨勢。

圖4　最小點火能隨粉塵濃度變化曲線Fig.4　The minimum ignition energy varies with the dust concentration

由圖4可知：

1) 4種顏色彩虹粉的最小點火能在24～60 mJ之間，其中黃色彩虹粉的最小點火能范圍為24～44 mJ，危險性相對較高。

實驗結果顯示，彩虹粉為一般著火敏感性粉塵[17]，因其主要成分是玉米淀粉，不同顏色的彩虹粉的總體著火敏感性差別不大。

2) 不同顏色彩虹粉最小點火能隨粉塵濃度的變化趨勢基本一致，粉塵濃度在1 167 g/m3附近時，不同濃度彩虹粉的最小點火能出現最小值。當粉塵濃度大于1 450 g/m3時，曲線的斜率趨近0，粉塵濃度對最小點火能的影響逐漸變小。由于哈特曼管屬于半封閉裝置，粉塵濃度過大時，懸浮在管內的粉塵粒子數目過多，管內的氧含量有限，導致部分粉塵不能被點燃[17]，回落到哈特曼管底部導致粉塵濃度對點火能的影響很小。

3) 彩虹粉的最小點火能較低，在24～60 mJ之間，彩虹跑活動過程中存在的點火源，如打火機、煙頭、舞臺燈，化纖織物等環節產生的能量都有可能引起彩虹粉粉塵云的爆炸。

3.5　粉體引燃危險性實驗評估方案分析

首先確認粉體顆粒粒徑的大小，一般粒徑小于75 μm的粉體顆粒具有燃爆危險性，粉塵的粒徑越小，燃爆危險性就越大。

依據GB/T 21618-2008《危險品 易燃固體燃燒速率試驗方法》，根據粉體堆垛的火焰傳播速率可以定性判定粉體的引燃危險性。如果粉體堆垛被引燃，并能以一定速率傳播，表明粉體具有較高的化學活性，危險性較大；若粉體堆垛不能被引燃或引燃后不能傳播，則表明粉體的化學活性低，燃爆危險性相對較低。

應用粉塵爆炸篩選裝置，初步鑒定粉塵樣品是否具有燃爆性。點火能量為4 J，若觀察有持續性火焰產生，或者火焰傳播距離能否達到60 mm，判定粉體具有燃爆危險性。否則，要在20 L球形爆炸裝置中采用10 kJ點火能量進一步判定粉體的燃爆危險性。

初步判定具有燃爆危險性的粉體，一般通過對粉塵層(粉塵云)最低著火溫度、最小點火能等參數的測定進一步表征粉體的危險性。粉塵層燜燒溫度一般要低于粉塵云的著火溫度，而且粉塵云最低著火溫度受噴粉壓力和粉體質量等因素影響。

應用粉體最小點火能表征粉體的引燃危險性，如果超過2 000 mJ的能量粉體未被引燃，證明粉體對于電氣、靜電環境的引燃危險性相對較低。

本文未對彩虹粉粉塵層(粉塵云)的最低著火溫度進行測定，以自燃點結合初始分解溫度代替。自燃點表征在無點火源的條件下粉塵燃燒的能力。初始分解溫度的測定進一步分析了粉塵分解、燃爆機理，以及分解放熱。因此自燃點以及熱分解實驗同樣能對粉體的點火敏感性作出判斷，同時通過熱分析定量評估粉體的燃爆危險性。本實驗應用固體物質相對自燃溫度和RSD熱分解溫度表征粉體引燃的危險性，對于玉米淀粉二者表現穩定，于其他粉體也有一定的借鑒意義。粉體引燃危險性評估流程圖如圖5所示。

圖5　粉體引燃危險性評估示意Fig5　Schematic diagram of ignition risk assessment of powder

4　彩虹粉抑爆實驗及結果分析

根據粉塵爆炸發生的條件，可從粉塵源、氧環境和點火源3個方面控制預防粉塵爆炸的發生。工業上常用抑爆、阻爆和泄爆等方法來對粉塵爆炸進行控制和預防[11]。

實驗從粉塵源入手，采用抑爆法，以著火敏感性最強的黃色彩虹粉的最小點火能為參照指標，點火能量固定為200 mJ，往黃色彩虹粉中添加不同比例相近粒徑分布的食用鹽，研究食用鹽對彩虹粉的抑爆作用。實驗結果如表2所示。

表2　抑爆實驗數據

注：Y為點燃，N為不能點燃。本次實驗每個量級均重復10次，本表只選取最終結果。

實驗結果表明，添加2%～3%的食用鹽，點燃粉塵云所需的點火能量為200 mJ及以上，遠遠高于不做抑爆處理彩虹粉的點火能量24 mJ；添加4%及以上比例的食用鹽后，200 mJ的點火能不足以引燃粉塵云，由此可見，食用鹽對彩虹粉的爆炸有抑制效果，且隨著食用鹽比例的逐漸增大，其抑爆效果越明顯。

5　結論

1)堆垛狀彩虹粉固體火焰傳播危險性較低，但粉塵爆炸篩選實驗表明粉塵云狀態下的彩虹粉燃爆危險性很大。

2)實驗測得彩虹粉的自燃點在250℃左右，存在較高的自燃危險性。

3)彩虹粉初始分解溫度227℃，分解放熱約為395.12 J/g，分解可產生揮發分和大量氣體，很容易造成氣粉混合爆炸，增大爆炸危險性。

4)彩虹粉的最小點火能在24～60 mJ之間，為一般著火敏感性粉塵。色素對粉塵云爆炸的影響不大，燃爆的主體為玉米淀粉，不同顏色的彩虹粉最小點火能的范圍略有差別，但其隨濃度變化的規律基本一致。

5)經實驗測定，食用鹽對彩虹粉燃爆有抑制效果，食用鹽比例越大，抑爆效果也就越明顯。

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