面粉爆炸最小點火能實驗研究

曾靜 曾繁華 何俊燃 王易 趙小雙 李夢蘭

摘 要：目的 實驗研究敏感因素濃度、粒徑對面粉粉塵爆炸最小點火能的影響并分析其最敏感條件。方法 本文利用20L球形爆炸裝置采用單因素變量法對兩種敏感條件濃度（400～2000g/m3）、粒徑（160 ～ 300 目）的面粉最小點火能進行測試，揭示粒徑、濃度兩種影響因子與最小點火能之間的影響規律，在定量分析的基礎上，確定最敏感條件。結論 面粉濃度對最小點火能呈極值因素影響，面粉爆炸最小點火能隨著面粉濃度的增加先減小后增大，存在最敏感值1201g/m3。當面粉濃度為1201g/m3時，最小點火能最低，為825J;面粉粒徑對最小點火能的影響為單調因素影響。粉塵云的顆粒越小，越容易被點燃。當面粉粒徑為48μm時，最小點火能為944J。

關鍵詞：面粉;最小點火能;粉塵濃度;粉塵粒徑

Experimental study on minimum ignition energy of flour explosion

ZENG jing1，ZHAO xiaoshuang1，LI menglan1，WANG yi1，HE junran1，ZENG fanhua1*

（1.College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China）

Abstract：Objective To study the effect of concentration and particle size of sensitive factors on the minimum ignition energy of flour dust explosion and analyze the most sensitive conditions.Methods The minimum ignition energy of flour with two kinds of sensitive concentration（400-2000g/m3）and particle size（160-300 mesh）was measured by single factor variable method in 20 L spherical explosive device.To reveal the influence law between the two factors of particle size and concentration and the minimum ignition energy.On the basis of quantitative analysis，the most sensitive conditions are determined.Conclusion Flour concentration has an extreme effect on the minimum ignition energy.The minimum ignition energy of flour explosion decreases first and then increases with the increase of flour concentration，and the most sensitive value is 1201g/m3.When the flour concentration is 1201g/m3，the minimum ignition energy is 825J.And the effect of flour particle size on the minimum ignition energy is monotonic.The smaller the dust particles are，the easier they are to ignite.When the particle size of flour is 48μm，the minimum ignition energy is 944J.

Key words：flour;minimum ignition energy;dust concentration;dust particle size.

引言

我國從十九世紀末期使用機器制造面粉，即機制面粉，至今已經發展有一百多年，工廠數也由最初的幾家發展壯大到今天具規模的就有上萬家，這些工廠都達到了每天 50 噸以上的小麥加工處理量[1] 。面粉作為中國北方大部分地區的主食，在其收獲、儲存、加工和運輸過程中，能伴生出0.01%～1%的可燃性粉塵[2] 。面粉廠是典型的粉塵爆炸危險性場所，而且和人們日常生活密切相關，近年來面粉企業粉塵爆炸事故屢見不鮮[3] 。面粉爆炸問題日益突出，面粉粉塵爆炸事故頻發，已到了觸目驚心的地步。目前國內關于糧食粉塵爆炸特性研究較多[4，5，6]，而糧食粉塵爆炸最小點火能的相關研究報道甚少。

面粉粉塵作為一種可燃性粉塵，在國家安全監管總局辦公廳下發的《工貿行業重點可燃性粉塵目錄》（2015版）中，將其爆炸危險性級別列為高級的可燃性粉塵，一旦發生爆炸使粉塵爆炸極有可能引起整個工作場所的連鎖爆炸，造成財產損失和人員傷亡，嚴重的環境污染，導致災難性后果。本課題通過相關內容的研究，為面粉爆炸最小點火能提供一定的理論基礎和科學依據，并為后續的深入研究奠定堅實的基礎。

一、實驗裝置及樣品

（一）實驗裝置

本文主要采用20L球形爆炸實驗裝置測試面粉粉塵的最小點火能，主要包括20L爆炸球、控制箱、儲粉罐、壓力傳感器、數據采集卡等幾個部分。工作原理是儲粉罐內的壓縮空氣將其中的粉塵經氣粉兩相閥迅速吹到容器中形成粉塵云，在容器中被化學點火具（鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇的比例為4：3：3）點燃引爆。

（二）試驗樣品

本實驗研究對象為小麥粉塵，用篩子進行篩分，選用目數為160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）的篩子，將篩分后的粉塵放在真空干燥箱中烘干。設定干燥箱溫度為 80℃，干燥時間為30min。把烘干的面粉粉塵置于密封的玻璃瓶中冷卻。玻璃瓶也應在干燥箱中進行干燥處理，以防瓶壁上的水蒸氣被粉塵吸收而使粉塵濕度變大[7] 。

二、實驗方法及步驟

（一）實驗方法

本實驗研究2個因素：面粉粉塵濃度、粒徑。實驗過程中，先選用目數為250目（粒徑為58μm）的面粉，改變面粉濃度，測試不同濃度條件下面粉粉塵的最小點火能;然后選用面粉濃度為400g/m3，改變面粉粒徑，測試不同粒徑條件下面粉粉塵的最小點火能。

（二）實驗步驟

1.系統檢查

檢查的項目包括控制系統的線路，采樣系統的線路，氣路系統（噴粉閥控制壓力調為2.0MPa，將儲粉罐電接點壓力表調整為2.0MPa，并關閉所有閥門。），確保連接良好，各個環節不漏氣。

2.打開控制箱的電源，同時啟動PLC程序控制系統

3.稱量化學點火具的質量（2.4g化學點火具產生10KJ能量），根據實驗稱取相應質量的點火具制作化學點火裝置，將20升球形爆炸裝置開啟蓋取下，安裝點火裝置，再把相關的開關閥門合上，插上電極引線。

4.裝粉

將已經處理好的面粉按要求稱取，裝入儲粉罐，將O型圈周圍清掃干凈，隨后把蓋旋緊。

5.抽真空

啟動真空泵抽至負壓為-0.06MPa，隨后關閉真空壓力表開關及連接真空軟管閥門。

6.啟動計算機采樣系統，填寫采樣數據，并使采樣程序處于等待狀態。

7.運行

將手動/自定按鈕旋轉到自動位置，按下運行按鈕即完成一次爆炸。

8.數據記錄

程序會自動記錄數據。

9.清洗

打開20升裝置上出氣閥門，將手動/自動按鈕扭向手動位置，按下進氣按鈕，然后按下清洗按鈕，打開裝置上蓋，用吸塵器仔細清洗。

10.如果獲得點火，則再降低能量水平后再次進行測試。如果沒有點火，實驗在相同的條件下重復10次。

三、實驗結果及分析

（一）濃度對面粉粉塵最小點火能的影響

本實驗先選用目數為250目（粒徑為58μm）的面粉，改變面粉濃度分別為400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3、2000g/m3進行試驗，測試不同濃度條件下面粉粉塵的最小點火能，實驗結果見表1。

面粉濃度對最小點火能呈極值因素影響，面粉爆炸最小點火能隨著面粉濃度的增加先減小后增大，存在最敏感值1201g/m3。當面粉濃度為1201g/m3時，最小點火能最低，為825J。

當面粉濃度小于1201g/m3時，隨著面粉濃度的增加，懸浮于空氣中的面粉顆粒增加，顆粒間距相對減小，能更有效地將能量傳播開來，于是最小點火能逐漸變小;當面粉濃度大于1201g/m3時，隨著面粉濃度的增加，懸浮于空氣中的面粉顆粒增加，導致能量供應不足，面粉顆粒不能完全被點燃，于是最小點火能逐漸增大。秦澗[8] 利用哈特曼以靜電點火的方式對小麥淀粉最小點火能進行實驗研究，研究表明小麥淀粉最小點火能隨濃度增大先減小后增大，敏感濃度為1200g/m3，與本文實驗結果幾乎一致。

（二）粒徑對面粉粉塵最小點火能的影響

本實驗選用面粉濃度為400g/m3，改變面粉粒徑分別為160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）進行實驗，測試不同粒徑條件下面粉粉塵的最小點火能，實驗結果見表2。

當面粉粒徑為96μm時，最小點火能為1272J;當面粉粒徑為75μm時，最小點火能為1208J;當面粉粒徑為58μm時，最小點火能為1092J;當面粉粒徑為48μm時，最小點火能為944J。

面粉粒徑對最小點火能的影響為單調因素影響。粉塵云的顆粒越小，越容易被點燃。由于面粉粉塵在質量相同的情況下，粒徑越小，粉塵顆粒數目越大，總比表面積也隨著增大，粉塵顆粒與氧接觸的機會越多，粉塵云也越容易爆炸。陳金健[9] 、陳成[10] 和任純力[11] 分別對鈦粉、鋁粉及TNT粉塵等進行實驗研究，發現粉塵的最小點火能隨粉塵粒度增大而增大，與本文實驗結果一致。

四、結論

最小點火能作為粉塵爆炸較為重要的一個特性參數，它具有評估粉塵爆炸危險性及從源頭上預防粉塵爆炸的重要意義。將點火源的能量控制到小于最小點火能，即能安全有效地避免造成財產損失、人員傷亡、嚴重的環境污染，甚至災難性后果的粉塵爆炸事故的發生。本文采用20L球形爆炸裝置爆測試兩種不同敏感條件（濃度、粒徑）對面粉爆炸最小點火能的變化;揭示粒徑、濃度兩種影響因子與最小點火能之間的影響規律，結論如下：

（1）面粉濃度對最小點火能呈極值因素影響，面粉爆炸最小點火能隨著面粉濃度的增加先減小后增大，存在最敏感值1201g/m3。當面粉濃度為1201g/m3時，最小點火能最低，為825J。

（2）面粉粒徑對最小點火能的影響為單調因素影響。粉塵云的顆粒越小，越容易被點燃。當面粉粒徑為48μm時，最小點火能為944J。

基金項目：重慶科技學院研究生科技創新計劃項目（YKJCX17 20707）。

參考文獻：

[1] 王昕.基于Niche分析的面粉生產企業競爭定位戰略研究——以天津DM公司為例[D].天津大學，2014.

[2] 李剛，劉曉燕，鐘圣俊，等.糧食伴生粉塵最低著火溫度的實驗研究[J].東北大學學報（自然科學版），2005，26（2）：145-147.

[3] 賈玉濤.面粉企業糧食粉塵爆炸及防治[D].東北大學，2011.

[4] 曹衛國，潘峰，徐森，等.小麥淀粉粉塵爆炸特性參數的研究[J].安全與環境學報，2012（2）：215-218.

[5] 肖國清，王瓊慧，梁李，等.糖粉粒徑對其爆炸特性影響的試驗研究[J].中國安全科學學報，2015，25（9）：85-90.

[6] 王玉嬌，趙江平，WANGYujiao，等.谷物粉塵爆炸特性試驗研究[J].中國安全科學學報，2017（4）：77-81.

[7] 孫雅薇.幾種非金屬粉塵的最小點火能研究[D].中北大學，2012.

[8] 秦澗，譚迎新，孫雅薇，等.四類粉塵最小點火能的實驗研究[C]// 全國強動載效應及防護學術會議暨2014年復雜介質/結構的動態力學行為創新研究群體學術研討會.2014.

[9] 陳金健，胡立雙，胡雙啟，等.鈦粉塵云最小點火能及抑制技術研究[J].消防科學與技術，2015（5）：566-569.

[10] 陳成.鋁粉及TNT粉塵的最小點火能和爆炸下限研究[D].中北大學，2013.

[11] 任純力，李新光，王福利，等.敏感條件對粉塵云最小點火能的影響規律分析[J].中國安全科學學報，2009，19（8）：77.

作者簡介：

曾靜（1993-），女，碩士研究生;通訊作者：曾繁華（1970-），女，副教授。

（作者單位：重慶科技學院安全工程學院）