基于正交試驗的谷物粉塵燃燒特性影響因素研究

趙江平，史 源

(西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

糧食粉塵爆炸是指可燃糧食粉塵快速燃燒的火焰在未燃燒粉塵云中快速傳播釋放能量、引起壓力急劇上升的過程[1-2]。谷物粉塵作為事故多發類粉塵，具有比表面積大、有機物含量高、爆炸能量高、流動性較差等特點，在生產、運輸過程中易和糧粒分離[3-4]。當一定濃度的粉塵遇到足夠能量的點火源，就可能引起粉塵燃燒、爆轟等嚴重后果。

近年來，國內外學者對谷物粉塵燃燒爆炸特性進行了大量研究。lvaro等[5]對玉米、小麥等7種糧食粉塵的點火能和爆炸參數進行了實驗研究；張洪銘[6]采用自行設計的燃燒管道系統實驗，發現在非受限管道中最高火焰溫度隨玉米淀粉云濃度的增加先增加后減小，在粉塵濃度為0.632 kg/m3時火焰溫度達到最高；沈德魁等[7]通過對4種木材在空氣氣氛和不同輻射熱流下的熱解燃燒過程進行實驗研究，發現木材中的固定碳含量相似時反應機理趨于一致；曹衛國等[8]采用粉塵云著火溫度實驗裝置等進行了研究，發現玉米淀粉粉塵云最低著火溫度在380～390℃之間；謝恬等[9]采用同步熱分析儀和粉塵云著火傳播試驗平臺研究5種不同粒徑的玉米淀粉粉塵云著火特性，發現粉塵粒徑越小，玉米淀粉粉塵云著火所需時間越短。

國內外學者對谷物粉塵燃燒特性方面的研究中，研究對象多為粉塵云狀態，對粉塵層狀態物質燃燒特性的研究較少，但實際上多數粉塵的粉塵層最低著火溫度遠低于粉塵云最低著火溫度。在工業生產過程中，設備表面或除塵管道內的堆積粉塵，在遇到足夠能量的點火源時可能引起粉塵燃燒，進而引發爆炸等嚴重事故，因此，深入對粉塵層物質燃燒特性的研究至關重要?，F階段粉塵燃燒特性影響因素方面的研究主要集中在粉塵質量濃度、粉塵粒徑、惰性介質、升溫速率[10]等，對熱輻射通量這一影響因素研究甚少，但在粉塵燃爆過程中，物質之間的熱對流、熱傳導、熱輻射作用是不可忽視的。故本文在前人的基礎上，以普通可食用玉米淀粉為研究對象，使用錐形量熱儀(CONE)，運用單因素和正交試驗方法，研究了粉塵粒徑、惰性介質CaCO3、熱輻射通量對玉米淀粉熱釋放速率、引燃時間等影響，并通過數理統計方法對各因素影響程度進行排序，以期找出3個因素中對燃燒特性影響最大的因素，為糧食行業粉塵燃燒爆炸事故的預防與減少提供依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料及預處理

實驗原料為上海賽翁福農業發展有限公司可食用玉米淀粉。使用101-2AB型電熱鼓風干燥箱對玉米淀粉進行干燥，干燥時間為1 h，設置溫度為50℃。利用振動篩將玉米淀粉分別過120目(>120～154 μm)、140目(>109～120 μm)、160目(>96～109 μm)、180目(>80～96 μm)、200目(≤80 μm)標準篩進行篩分，使用貼有標簽的密封袋保存備用。實驗用惰性介質CaCO3為食品級重質碳酸鈣，純度為99.3%。

1.2 實驗設備

采用中國臺灣中諾儀器公司生產制造的ZY6243錐形量熱儀(CONE)對實驗樣品進行熱分解燃燒實驗。輻射錐額定功率5 kW，輻射強度0～100 kW/m2，實驗樣品盒大小為95 mm×95 mm×5 mm。錐形量熱儀是以氧消耗原理為基礎的新一代聚合物材料燃燒性能測定儀，通過實驗可獲得多種燃燒參數，包括：熱釋放速率、有效燃燒熱、點燃時間、煙氣溫度和質量變化參數等[11],研究火災和評價材料燃燒性能較為理想[12]。實驗儀器還包括標準振動篩、電子天平、101-2AB型干燥箱等。

1.3 單因素實驗

影響粉塵燃燒特性的因素包括粉塵自身的理化性質和外部因素，理化性質包括粉塵密度、粒徑、燃燒熱等；外部因素包括點火源強度、空氣濕度、惰性介質等。粉塵粒徑可通過標準篩進行控制，粉塵密度、燃燒熱等是自身的固有性質，因此本文不做考量。實驗前，對試樣進行干燥處理，減少空氣濕度等對實驗結果的影響，改變試樣中的惰性介質質量以調整試樣中的惰性介質質量分數。在錐形量熱儀實驗條件下，輻射錐所產生的輻射熱作為高溫點火源，對實驗樣品的燃燒性能影響最大[13]，可通過控制輻射錐溫度調節點火源溫度。綜合考慮，選取粉塵粒徑、熱輻射通量和惰性介質3個因素進行單因素重復性實驗。實驗溫度為25℃。單因素實驗條件如表1所示。

表1 單因素實驗條件Table 1 Single factor experimental conditions

注：x為單因素實驗中的變量因素。

1.3.1 粉塵粒徑單因素實驗

分別稱取120目(>120～154 μm)、140目(>109～120 μm)、160目(>96～109 μm)、180目(>80～96 μm)、200目(≤80 μm)5種不同粒徑玉米淀粉試樣8 g，平鋪于100 mm×100 mm鋁箔紙并修正其表面。輻射通量設置為30 kW/m2(591.7℃)，比較不同粒徑對熱釋放速率和引燃時間的影響。

1.3.2 惰性介質CaCO3質量分數單因素實驗

將200目(≤80 μm)玉米淀粉與可食用CaCO3進行混合處理，得到CaCO3質量分數分別為5%，10%，15%，20%，25%的實驗樣品。取8 g試樣平鋪于100 mm×100 mm鋁箔紙并修正其表面。輻射通量設置為30 kW/m2(591.7℃)，比較不同CaCO3質量分數對熱釋放速率和引燃時間的影響。

1.3.3 熱輻射通量單因素實驗

分別稱取200目(≤80 μm)玉米淀粉試樣8 g，平鋪于100 mm×100 mm鋁箔紙并修正其表面。在本文實驗條件下，玉米淀粉于熱輻射通量22 kW/m2(525℃)時開始著火燃燒，且儀器最高溫度上限為600℃，故分別設置熱輻射通量為22，24，26，28，30 kW/m2(分別對應溫度為525，541.7，558.3，575，591.7℃)，比較不同熱輻射通量對熱釋放速率和引燃時間的影響。

1.4 正交試驗設計

正交試驗設計法是以概率論數理統計、專業技術知識和實踐經驗為基礎，利用標準化的正交表來安排實驗方案，并對試驗結果進行計算分析，最終達到減少實驗次數、縮短試驗周期、迅速找到優化方案的1種科學計算方法，多用來研究多因素多水平實驗[14-16]。根據正交性從全面多次實驗中挑選出具有代表性的水平組合，即通過較少次數實驗得到多次實驗相同的結果，并用數理統計的方法處理以便找到諸因素中對觀測值有顯著影響的主要因素。本文為3因素3水平，可選用L9(34)正交表進行正交試驗。正交試驗各因素對應水平如表2所示，正交試驗設計方案如表3所示。

表2 正交試驗各因素的水平參數Table 2 The horizontal parameters of each factor in the orthogonal test

表3 正交試驗設計方案Table 3 Orthogonal experimental design scheme

2 實驗結果與分析

2.1 粉塵粒徑單因素實驗結果與分析

圖1為不同粒徑玉米淀粉單位面積熱釋放速率隨時間變化曲線。如圖1所示，熱輻射通量為30 kW/m2(591.7℃)，粉塵粒徑為120～200目時，玉米淀粉熱釋放速率峰值從64.023 kW/m2升高到73.656 2 kW/m2，引燃時間從85 s下降到58 s。在燃燒過程中，熱釋放速率曲線呈明顯單峰，隨著粉塵粒徑的減小，單位面積熱釋放速率增大，引燃時間逐漸減小。這是因為粉塵燃燒熱分解從顆粒表面開始，隨著粉塵粒徑的減小，比表面積增大，加大了顆粒表面與氧氣的接觸面積，粉塵內部傳熱加快熱分解，燃燒更充分。

圖1 不同粒徑單位面積熱釋放速率隨時間變化曲線Fig.1 The change curve of heat release rate per unit area with time at different particle sizes

2.2 惰性介質CaCO3質量分數單因素實驗結果與分析

圖2為不同惰性介質CaCO3質量分數下單位面積熱釋放速率隨時間變化曲線。如圖2所示，熱輻射通量為30 kW/m2(591.7℃)，粉塵粒徑200目，惰性介質CaCO3質量分數從5%升到25%時，玉米淀粉熱釋放速率峰值從57.443 40 kW/m2下降到30.732 9 kW/m2，說明CaCO3對玉米淀粉有明顯的惰化作用。隨著CaCO3質量分數的增加，單位面積熱釋放速率減小，引燃時間減小。CaCO3質量分數從5%升到25%時，引燃時間從91 s逐漸減小至60 s。

圖2 不同質量分數CaCO3單位面積熱釋放速率隨時間變化曲線Fig.2 The change curve of heat release rate per unit area with time under different CaCO3 mass fraction

玉米淀粉的燃燒為氣相燃燒，顆粒表面在高溫下熱分解產生的可燃氣體與周圍氧氣結合燃燒，產生的熱量進一步促進了玉米淀粉的熱分解燃燒。由于惰性介質CaCO3不可燃，僅吸收熱量發生熱解。在玉米淀粉燃燒的過程中CaCO3吸收了部分熱量，使顆粒周圍環境溫度降低，導致未燃顆粒不能快速得到足夠熱量發生反應，燃燒速率減小。此外，CaCO3質量分數的增加減少了可燃粉塵質量，且增大了試樣孔隙率，顆粒熱分解后產生的可燃氣體更易與周圍氧氣發生反應，故引燃時間減小。CaCO3質量分數越高，惰化作用越明顯。

2.3 熱輻射通量單因素實驗結果與分析

圖3為不同熱輻射通量下玉米淀粉單位面積熱釋放速率隨時間變化的曲線。由圖3可知，粉塵粒徑為200目，熱輻射通量從22 kW/m2升到30 kW/m2時，玉米淀粉熱釋放速率峰值從67.115 4 kW/m2上升到79.857 6 kW/m2，引燃時間從98 s減少至55 s。隨著熱輻射通量的增加，熱釋放速率增大，引燃時間減小。熱輻射通量的增大提高了玉米淀粉燃燒反應的升溫速率，使試樣內部溫度迅速升高，加快了粉塵的熱分解進程，促使有機物快速熱解釋放出大量的可燃氣體，當與足夠氧氣發生反應時，熱解反應由無焰燃燒轉為有焰燃燒。

圖3 不同熱輻射通量單位面積熱釋放速率隨時間變化曲線Fig.3 The change curve of heat release rate per unit area with time under different heat radiation flux

2.4 正交試驗結果與分析

依據表3正交試驗設計方案測得玉米淀粉熱釋放速率峰值，如表4所示。分析結果可知，玉米淀粉熱釋放速率峰值分布在52.501 4～98.126 7 kW/m2之間，一般采用直觀分析法或方差分析法對正交試驗結果進行分析，以便比較觀測值影響因素的強弱，得到最優解。

表4 正交試驗結果Table 4 Orthogonal test results

2.4.1 直觀分析法

直觀分析法即極差分析法，通過計算各因素的極差R來判斷粉塵燃燒各因素在不同水平時對觀測值的影響。極差大小能夠反映不同因素水平對觀測值的影響強弱，極差越大，影響越大，反之亦然。極差值T是指各因素相同水平觀測值的累加，對其取平均值得到同一水平平均值t，各因素不同水平最大值tmax減去最小值tmin即為極差R。對正交試驗結果中影響粉塵燃燒熱釋放速率峰值的各因素各水平求均值t和極差R，結果如表5所示。

由表5可知，惰性介質CaCO3質量分數的最大R值為28.450 1，熱輻射通量的最小R值為7.241 5，即惰性介質CaCO3質量分數對玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響程度最大，熱輻射通量的影響最小。各因素對玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響程度依次為：惰性介質CaCO3質量分數>粉塵粒徑>熱輻射通量。最敏感水平組合為A2B1C2，即粉塵粒徑180目、CaCO3質量分數5%、熱輻射通量28 kW/m2時，熱釋放速率峰值最高。

2.4.2 方差分析法

方差分析即通過計算方法，求得各因素離差、自由度、均方離差等值，構造統計量F并將各因素對觀測值的影響效應做顯著性檢驗。極差分析僅通過極差的大小來評估不同因素對觀測值的影響程度，極差的大小為1個客觀的標準值，屬于定性分析。方差分析彌補了極差分析的不足，能夠更加準確地確定影響玉米淀粉燃燒特性的最敏感因素。對玉米淀粉熱釋放速率峰值做方差分析如表6所示。

由表6可知，FA>F0.05(2,2)、FB>F0.05(2,2)、FC>F0.05(2,2)，說明粉塵粒徑、CaCO3質量分數和熱輻射通量對玉米淀粉熱釋放速率峰值影響均效應顯著。通過顯著性分析可知，各因素對玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響程度依次為：CaCO3質量分數>粉塵粒徑>熱輻射通量，與極差分析結果一致。

由此可知，3個影響因素中惰性介質CaCO3質量分數對玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響效果最顯著。谷物生產企業在生產、運輸等過程中，通過添加少量惰性粉塵CaCO3來降低谷物粉塵的燃燒敏感性效果最佳。

3 結論

1)一定條件下，玉米淀粉的單位面積熱釋放速率隨粉塵粒徑的減小而增大；隨惰性介質CaCO3質量分數的增大而減小；隨熱輻射通量的增大而增大。在玉米淀粉燃燒過程中，由于惰性介質CaCO3未參加反應且自身熱分解吸收部分熱量，減緩物質燃燒速率，惰化作用明顯。

2)玉米淀粉的引燃時間隨粉塵粒徑的減小而減??；隨惰性介質CaCO3質量分數增加而先增大后減小；隨熱輻射通量的增大而減小。

3)使用正交試驗方法，通過極差和方差分析研究了3個因素對玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響大小，發現各因素對熱釋放速率峰值的程度強弱依次為：CaCO3質量分數>粉塵粒徑>熱輻射通量，其中惰性介質CaCO3的影響最為顯著。谷物生產加工企業可通過添加適量惰性介質CaCO3、增大粉塵粒徑或減小設備熱輻射溫度等方法降低粉塵燃燒敏感性。