油漆揮發分爆炸特性及濃度檢測裝置設計研究*

劉宗桃，赫 飛，帥明明，劉天奇

(1. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 礦山熱動力災害與防治教實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 阜新 123000；3. 95937部隊，遼寧 阜新 123100)

0 引言

隨著油漆噴涂車間迅速發展，我國每年油漆的使用量逐年增長[1-4]。為了更好的服務“二十一世紀海上絲綢之路”建設，推進海洋經濟發展，船舶修造廠噴涂車間生產工藝的發展明顯趨向大型化，作業工作量不斷增加。油漆的理化性質決定特性，油漆溶劑成分揮發快，由液態迅速、大量地變成氣態，彌漫整個作業空間，與空氣凝結成微小的顆粒物，常年懸浮在車間內，濃度居高不下，既影響油漆噴涂作業的安全生產，又危害車間職工身心健康[5-8]。

國內外對油漆噴涂車間內揮發分特性研究鮮有報道，很難確定揮發分的理化特性，導致油漆噴涂車間揮發分濃度檢測研究進展不大。Kai 等[9]研究發現揮發性物質不僅吸附于顆粒物中，也存在與顆粒物的表面；Kamens等通過實驗和紅外光譜譜圖分析發現大氣中顆粒物經烘焙處理后會失去表面的-OH，在模型中提供氫鍵能力的參數β2H的系數逐漸增多，表明含揮發性顆粒物上的-OH是吸收的活性單位，這與Dabrowski等[10]提出的在無機顆粒物表面吸附的有機物是-OH的活性基團相吻合；楊志遠等[11]最先根據揮發性顆粒物加熱揮發、冷卻凝結的物理特性，利用冷凝裝置和串級沖擊采樣器原理，設計了雙通道的揮發性顆粒物連續采樣測量裝置；后續又采用冷凝回收、沖擊采樣實現揮發性顆粒物的補償收集，結合雙通道的串級沖擊式采樣器和電加熱清洗的方法，設計了含揮發性顆粒物補償的β射線式PM2.5監測儀的采樣裝置，實現連續采樣和測量的功能；為了解決揮發性顆粒物在采樣加熱過程中丟失而造成測量結果偏差的問題，設計了揮發性顆粒物連續測量補償裝置[12-13]，但其設計裝置只針對大氣中的揮發性顆粒物濃度檢測，未考慮油漆噴涂車間揮發分的濃度檢測；王建剛等[14]針對某汽車噴涂實驗車間的火災防控技術，闡述如何確定既能確保安全可靠，又能經濟適用、節省投資的噴涂車間火災防控技術；畢躍等[15]重點對噴漆車間中釋放出的爆炸氣體濃度進行了實驗測定，提出了相應的安全措施，但對油漆車間揮發分爆炸特性和濃度檢測裝置未作研究。因此，對油漆噴涂車間揮發分成分、爆炸性、職業危害及揮發性懸浮顆粒物濃度檢測裝置的研究顯得尤為重要。本文針對油漆中揮發分成分難以確定、揮發分濃度難以檢測等問題，對油漆噴涂車間揮發分爆炸特性和濃度檢測裝置進行研究。

1 油漆噴涂車間揮發分爆炸特性研究

生活中常用油漆的主漆是無毒、無爆炸的物質，其存在的燃燒、爆炸、有毒危險性及致癌物質等隱患主要源于油漆揮發分。在油漆車間加工和涂刷過程中揮發出來的物質與空氣形成爆炸性混合物顆粒物，混合物的濃度上升到爆炸極限，當存在明火或者電火花時，溫度達到著火點就會發生爆炸。由于揮發性物質會隨著風流流動，演化傳播較快，當一處發生爆炸時，整個車間都會被引發，甚至還會向相鄰車間蔓延。爆炸發生時間較短，釋放能量較大，產生溫度較高，放出大量的氣體，在周圍介質中造成高溫高壓的化學反應或狀態變化，同時對周圍環境的破壞性極強。為了能夠充分分析油漆噴涂車間揮發分的危害、爆炸性及其濃度鑒定，采用紅外光譜法研究揮發分的主成分，使用國際上通用的20 L球形爆炸特性測試裝置進行揮發分爆炸實驗。

1.1 揮發分主成分分析

根據油漆的用途和使用情況，選擇硝基漆、醇酸漆和噴漆為實驗對象，根據熱重-紅外光譜實驗原理完成實驗。實驗條件主要分為升溫和恒溫2種，升溫實驗是以5℃/min的升溫速率由23℃升至100℃，恒溫實驗由室溫23℃升溫到30℃和60℃，并在此溫度下維持恒溫5 h。實驗完成后，使用光譜分析軟件的“基礎紅外圖譜解析”功能對3種油漆的光譜圖進行紅外光譜基礎解析，通過光譜的吸收特征確定油漆的主要物質成分。圖1為油漆基礎紅外譜圖解析，從圖1(a)可以看出，醇酸漆主要含有2種官能團，分別為無機硝酸鹽和脂肪烴；從圖1(b)可以看出硝基漆主要含有2種官能團，分別為酯(普通)和脂肪烴；從圖1(c)可以看出噴漆主要含有2種官能團，分別為反式烯烴和脂肪族碳酸酯。通過紅外圖譜解析可以獲取3種油漆中所含的化學成分，其對應的化合物見表1。同一種油漆在不同的環境中紅外光譜圖是一致的，但不同油漆的光譜不同。每個光譜圖都具特定的官能團，每一官能團有對應的波數區間。因此，可以通過獲取油漆光譜圖來確定環境中油漆的種類。此方法簡單方便，且有助于作業人員選擇對應的防護措施。

圖1 油漆基礎紅外譜圖解析Fig.1 Paint base infrared spectrum analysis

表1 3種常見油漆中所含官能團和化合物Table 1 Functional groups and compounds in three common paints

1.2 主成分爆炸特性分析

通過醇酸漆、硝基漆、噴漆3種油漆的熱重-紅外光譜分析，得出醇酸漆中含有乙酸乙酯、硝基漆中含有乙酸甲酯、噴漆中含有碳酸二甲酯的結論。根據工業易燃易爆粉塵種類及其成分查詢結果可知，含有乙酸乙酯、乙酸甲酯、碳酸二甲酯的3類油漆顆粒不僅具有揮發性，還有爆炸危險性。根據顆粒物爆炸條件可知，當生產加工場所中聚集一定濃度的油漆揮發分之后，一旦存在一定的點火源，就會發生油漆爆炸事故。因此，考慮使用國際上通用的20 L球形爆炸特性測試裝置，對3種不同的油漆顆粒物進行爆炸壓力特性測試分析，得出不同濃度下醇酸漆、硝基漆、噴漆3種顆粒物的爆炸壓力隨時間的變化規律及最大爆炸壓力[16-18]，測試設置點火能量為2 kJ。

3種顆粒物的爆炸壓力隨時間變化曲線如圖2所示。由圖可知，在顆粒物濃度從300 g/m3增大至400 g/m3和500 g/m3過程中，3種油漆顆粒物的爆炸壓力都為增大的趨勢，說明油漆顆粒物濃度對其爆炸特性的影響作用較大。當濃度分別為500，400和300 g/m3時，醇酸漆顆粒物對應的最大壓力為0.68，0.66和0.61 MPa；硝基漆顆粒對應的最大壓力為0.7，0.68和0.63 MPa；噴漆顆粒物對應的最大壓力為0.64，0.62和0.59 MPa。

圖2 不同濃度油漆爆炸壓力值變化Fig.2 Different concentrations of paint particulate matter pressure

因此，為了預防油漆噴涂車間揮發分爆炸事故，需要特別關注檢測車間揮發分濃度。本文根據油漆噴涂車間的需求和揮發分的特性對油漆揮發分濃度檢測裝置進行設計并進行裝置性能測定。

2 揮發分濃度檢測裝置設計

2.1 設計原理

揮發分濃度檢測裝置以抽氣泵作為動力源，采樣氣體依次通過進氣口、氣體切割器、加熱套管、自動換膜裝置和串級采樣器。經加熱未揮發的顆粒物被自動換膜裝置截留，揮發的顆粒物經串級采樣器冷凝后被其內部的濾膜收集，實驗后分別稱量計算揮發和未揮發部分濾膜質量變化，進而由采樣時間和采樣流量大小計算采樣氣體中濃度。在采樣過程中，該裝置能夠收集不同粒徑的揮發性粉塵。在冷凝過程中，沒有充分冷凝的氣體通過尾氣輸出管與尾氣收集裝置連接進行收集并送往實驗室研究。整個裝置采用單片機控制，實現該裝置的連續采樣功能。

2.2 結構設計

揮發分收集裝置由氣體樣品輸送系統、非揮發性收集系統、揮發分補償系統、尾氣收集系統和智能控制系統組成。其中，氣體樣品輸送系統主要由空氣入口過濾器、切割器、氣體管路、氣體流量計和抽氣泵等組成；非揮發性收集系統由顆粒物捕集裝置和自動換濾膜裝置組成，包括上電磁吸盤、下電磁吸盤、濾膜架、濾膜夾、齒輪、軸和步進電動機等，濾膜架在上電磁吸盤和下電磁吸盤之間，通過步進電機帶動齒輪和軸傳動，為了實現自動換膜，每次收集完畢之后的濾膜旋轉180°，由人工取下濾膜，保存并換上新的濾膜；揮發分補償系統是由換向閥和2個串級沖擊采樣器(內設串級沖擊采樣器濾膜架、水冰箱、進出水口和溫度傳感器)組成，且通過智能控制系統的換向閥分別與2個串級沖擊采樣器連通，氣體經過加熱套管加熱后非揮發分將被濾膜截留，揮發分則經過串級采樣器冷卻凝結被內部的濾膜截留，這樣串級沖擊采樣器就收集到經加熱套管加熱后的揮發分，因而對揮發分起到了補償作用；尾氣收集系統是用來收集沒有被捕集到的揮發分，并把收集的尾氣送往實驗室做實驗樣品。

該裝置設計了氣體流量計，主要用來監測并控制流過該裝置的氣體流量的大小，根據采樣時間計算出在采樣過程中流經該裝置氣體的總體積。揮發分補償系統中的換向閥使非揮發性收集系統中濾膜過濾的揮發性氣體可選擇地進入串級沖擊采樣器a和b中(或可同時進入a和b中)。抽氣泵為整個揮發分測量裝置提供動力。最終通過操縱智能控制系統，實現整個裝置的連續采樣。揮發分濃度檢測裝置結構如圖3所示。

1.過濾口；2.切割器；3.氣體流量計；4,加熱套管；5.上電磁吸盤；6.濾膜架；7.濾膜夾；8.軸a；9.齒輪a；10.齒輪b；11.軸；12.步進電動機；13.抽氣泵；14.尾氣輸出管；15.三通管；16.下電磁盤；17.換向閥；18.橡膠管；19.采樣器a；20.采樣器b；21.進水口；22.濾膜盒；23.出水口。

在采樣過程中，揮發分分別經過氣體樣品輸送系統、非揮發性收集系統、揮發分補償系統、尾氣收集系統，并由智能控制系統來控制整個裝置的運行。在應用操作過程中，氣體過濾器過濾掉氣體中的雜質，過濾的采樣氣體進入到切割器中，切割器的離心作用將采樣氣體中的大顆粒物質阻留在切割器中，小粒徑物質通過氣體流量計，計算出采樣氣體總體積，并經加熱套管加熱。經加熱的采樣氣體被輸送到非揮發性收集系統，揮發性采樣氣體穿過濾膜被輸送到串級沖擊采樣器中，而非揮發性物質被截留在濾膜上。揮發性氣體由于水冰箱的冷凝作用，被濾膜逐級過濾截留，少許未被冷凝或冷凝不徹底的氣體則經抽氣泵進入到尾氣輸出管，并由尾氣收集裝置收集。

3 裝置性能評估

為了保證裝置在采樣過程中擁有可靠的采樣數據及其穩定性，本文對裝置的氣密性、精確度及絕緣性和工作噪音進行性能評估，具體評估如下：

1)氣密性

裝置正常在負壓環境下工作，為了使裝置在工作過程中不受外界氣體的影響，對裝置進行氣密性評估實驗。用1個三通在尾氣連接管處把泵和壓力表相連，觀察裝置工作過程中壓力表參數變化，待裝置運行穩定后，壓力表讀數為-90 kPa時。停止抽氣，封閉裝置進氣口，觀察壓力表變化，發現在10 min內壓力表沒有明顯變化，讀數維持在-90 kPa，說明該裝置氣密性良好。

2)精確度評估

將裝置的采樣口與檢定口安全連接，將流量調節到0.10 m3/min，調節負壓調節閥和調壓器，在壓力閥顯示3 kPa、電壓為242 V時運行10 min；在壓力閥顯示6 kPa，電壓為198 V時運行10 min。讀取壓差值ΔP，計算壓差修正值Y：

Y=(273.15×ΔP×P/101.325T)0.5

(1)

將Y帶入孔口流量計標定回歸方程計算出流量Qs和體積V：

Y=BQs+C

(2)

Q=(101.325/273)(T/P)Qs

(3)

V=Q/60A

(4)

ΔV=|(0.3-V)/0.3|×100%

(5)

式中：Q為檢定狀態下的流量值，m3/min；A為采樣口面積，m；B為斜率；C為截距。

在正常工況下，使裝置連續工作16～22 h，經過2個月的連續檢測數據，對比前后檢測數據，誤差率低于5%，無故障時間(MTBF)約為960 h，符合國家標準濃度檢測要求及檢測方法。故該裝置性能良好，靈敏度良好，連續測量能力符合國家行業標準。

3)絕緣性和工作噪音評估

在室溫22 ℃、相對濕度70%環境下，對裝置進行絕緣性測試，根據絕緣電阻的測試要求，測得電源端子對地間的絕緣電阻為43.2 MΩ，機殼間絕緣電阻為32 MΩ，對比國家標準符合要求。待裝置工作穩定后，用噪聲測試儀對裝置四周1 m處噪聲檢測測試，測得裝置四周噪聲依次為48.2，50.0，47.1和39.8 dB，平均值為46.275 dB，遠低于國家噪聲標準，說明該裝置具有很好的絕緣性，運行聲音較低，對周圍環境不會造成噪聲污染。

4 工業實驗

為了檢測裝置對油漆揮發分濃度檢測效果，本文通過定量實驗進行分析。由于實際空間較大，模擬噴涂車間所需油漆量較大，故將噴漆空間設置為1 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高)的隔離箱，箱上設置噴射孔和透明觀測玻璃窗，如圖4所示。為了避免噴射的油漆進入檢測裝置，噴射口與采樣器進口設置在同一側，使得噴射的油漆在隔離箱內均勻分布。

根據文獻[19]，選取采樣時間5 min、制熱溫度40℃、冷凝溫度15℃這3個主要影響因素進行參考設置，采樣氣體流量設為0.5 m3/min，并選用硝基漆為原料進行5組實驗，最后收集油漆揮發分顆粒物，結束后將聚乙烯低密度薄膜袋和3個濾膜分別稱重。油漆噴射量和殘留量的差值為可油漆的揮發量， 根據1～3號濾膜的采集量之和與噴入的油漆量可計算出裝置的總采集率。根據公式計算揮發分顆粒物濃度。

圖4 油漆隔離箱Fig.4 Paint isolation box

C=(m2-m1)/V

(6)

式中：ml，m2分別表示采樣前后2號和3號濾膜的質量和，g；V為采樣氣體在標準狀態下的體積，m3。計算與處理后的實驗數據見表2。

由表2可得各個濾膜對硝基漆的收集程度、不同位置濾膜采集效果以及車間中揮發分顆粒物的濃度。該裝置揮發分的采集率在90%以上，總采集率為93.1%～98.9%，說明該裝置對揮發分的采集效果較為客觀。

表2 濾膜的采集統計Table 2 Filter collection statistics

5 結論

1)醇酸漆揮發分官能團為無機硝酸鹽和脂肪烴，硝基漆揮發分官能團為酯(普通)和脂肪烴，噴漆揮發分官能團為反式烯烴和脂肪族碳酸酯。3種油漆均具有爆炸特性，且隨著油漆顆粒物濃度增大，爆炸壓力也增加。

2)設計裝置基于串級采樣器采樣原理、顆粒物切割器的分離原理、濾膜稱重法測量原理及連續采樣動作要求。對裝置的氣密性、精確度及絕緣性和工作噪音進行性能評估，保證了裝置在采樣過程中可靠的采樣數據及其穩定性。裝置對揮發分的采集率在90%以上，總采集率為93.1%～98.9%，表明裝置實用可靠，精確度高，對揮發分具有很好的濃度檢測效果，為噴涂車間揮發性爆炸顆粒物濃度檢測檢驗的研究提供參考。