惰性粉體對蔗糖粉塵最小點火能的影響研究

覃小玲，李曉泉

(廣西大學 資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著工業化進程的加速，粉塵爆炸事故時有發生，輕則破壞建筑和設備，重則造成嚴重的人員傷亡和財產損失。近些年來，國內外許多學者對于各類粉塵爆炸抑制方面進行了大量的研究。李亞男、譚迎新等[1-2]利用最小點火能裝置研究了CaCO3和NH4H2PO4對金屬粉塵爆炸的惰化作用，結果表明添加惰性粉體會增大金屬粉塵的最小點火能，粒徑越小抑制效果越明顯；裴鳳娟等[3]研究了NH4H2PO4，CaCO3，SiO23種阻燃劑對鈦粉粉塵云著火溫度的影響，實驗結果表明NH4H2PO4的抑制作用最明顯；黃子超等[4]通過20 L 球形爆炸試驗裝置對多種不同抑爆粉劑濃度及粒度條件下的瓦斯爆炸特性參數進行了測試，研究表明：抑爆劑濃度的變化會增大瓦斯的最大爆炸壓力；覃欣欣和文虎等[5-6]研究了ABC粉體對瓦斯爆炸的抑制效果，發現惰性粉塵濃度和爆炸性混合氣體中的甲烷濃度對抑制效果有一定影響，當惰性粉體達到一定濃度時，瓦斯爆炸火焰被完全抑制，點火延遲時間越長，惰性粉體的抑爆效果越差；Jiang等[7-8]利用20 L球形爆炸測試裝置分別研究了ABC粉末和NaHCO3對鋁粉爆炸抑制的影響，結果表明ABC粉末對鋁粉的抑制效果較好；王玉杰等[9-10]則研究了NaHCO3粒徑的變化對鋁粉火焰結構變化和火焰傳播特性的影響，結果表明碳酸氫鈉粉體能顯著降低火焰強度，鈍化火焰前端，其粒徑越小，對鋁粉火焰最大傳播速度的抑制效果越好；Kordylewski[11]對NaHCO3和NH4H2PO4的惰化抑制功效進行了對比，發現NH4H2PO4粉末在惰化方面的效果優于NaHCO3，而在抑制爆炸方面則NaHCO3更有效;Enrico等[12]利用G-G爐測定面粉，乳糖，蔗糖，硫磺4種可燃粉塵添加石灰巖、干粉滅火劑混合物的最低著火溫度和2種不同易燃粉塵混合物的最低著火溫度，得出粉塵最低著火溫度都隨惰性物質的量增加而升高的結論。

蔗糖粉塵是蔗糖在生產加工過程中產生的伴生性粉塵，屬于可燃性有機粉塵，當在受限空間內空氣中懸浮的蔗糖粉塵達到一定濃度時，如果遇到足夠能量的點火源，就會發生蔗糖粉塵爆炸事故，如2008年美國皇家糖廠發生了震驚世界的蔗糖粉塵爆炸事故，造成了大量的人員傷亡[13]，這突顯了蔗糖粉塵爆炸抑制研究的重要性。NH4H2PO4作為ABC滅火器的主要成分之一，經過大量研究人員的研究發現，NH4H2PO4對于金屬粉塵有顯著的抑制效果，Al(OH)3作為無機阻燃添加劑不僅能阻燃，而且可以防止發煙、不產生滴下物和有毒氣體，但二者對于蔗糖粉塵的抑制效果如何還未有相關的研究，此外，二者價格便宜、容易獲取，因此研究NH4H2PO4和Al(OH)3對蔗糖粉塵的爆炸抑制影響將對蔗糖生產企業采取合理的防爆措施有一定的參考意義。

1 試樣、測試裝置和方法

1.1 樣品處理

根據試驗要求，購買了分析純級別、含量不少于99%的Al(OH)3和NH4H2PO4，利用75～25 μm標準分樣篩分別篩出25～37，38～47，48～74 μm 3種不同的粒徑,蔗糖粉塵粒徑為48 ～74 μm。所有樣品在試驗前均放入60 ℃的恒溫干燥箱中干燥12 h，分別裝入干燥瓶中保存。

1.2 試驗裝置

本試驗采用HY16428A粉塵云最小點火能試驗裝置(1.2 L哈特曼管)對蔗糖粉塵進行惰化抑制試驗。該裝置主要由石英玻璃管、點火電極、以及噴粉系統3個部分組成，如圖1所示。該測試裝置具有體積小、易于拆卸、便于清理燃燒殘留物、重復試驗間隔時間短等優點，提供的點火能量范圍為0.1～999.9 mJ。

1-石英玻璃管；2-電極；3-擴散器；4-鋼套；5-底座；6-電極接頭座；7-儲氣罐。圖1 哈特曼管結構示意Fig.1 Structure schematic diagram of Hartmann tube

試驗時，先將粉塵均勻分散在哈特曼管底部的傘形擴散器上，然后啟動空氣壓縮機，試驗開始后在壓縮空氣的作用下，粉塵分散在哈特曼管中，通過電極點火來測試粉塵云的最小點火能。點火電極位置位于哈特曼管垂直對稱軸線上，離哈特曼管底部大約60 mm，若點火能量高于混合粉塵的最小點火能，混合粉塵就會出現劇烈的火焰燃燒現象，如果低于混合粉塵的最小點火能，則混合粉塵不發生著火現象。在試驗中，若粉塵被引燃且火焰離開火花位置傳播至少60 mm，則認為粉塵著火，否則，則認為粉塵未著火。所測得最小點火能Emin介于連續20次未著火的最大能量值E1和連續20次著火的最小能量值E2之間，即：E1

2 測試方法和原理

在研究NH4H2PO4和Al(OH)3對蔗糖粉塵的爆炸抑制試驗中，根據團隊之前的研究成果，0.5 g為蔗糖粉塵的敏感質量，且在此試驗條件下最小點火能最小[15]。

設置噴粉壓力為60 kPa，蔗糖粉塵質量為0.5 g，分別添加不同質量分數和粒徑的NH4H2PO4和Al(OH)3，直至混合粉塵不再發生爆炸。測試混合粉塵的最小點火能就是擴散已知重量的混合樣品粉末，使其在電極頭的附近形成粉塵云，然后對樣品粉末放電，通過仔細觀察從電極頭處開始傳播的火焰來判斷是否著火。火焰與電極頭分離且火焰半徑超過60 mm，就判定為試驗粉塵被點燃[16]。

在試驗時，分別對每一質量分數進行反復試驗，點火能量從高能量開始試驗觀察。如果混合粉塵發生劇烈火焰燃燒或者火焰半徑超過60 mm，則降低點火能量，并重復試驗，如果在任意一個能量級別下無著火現象發生，則重復測試20次且無著火現象，那么這一能量級別則為添加該質量分數惰性粉體的最小點火能，改變惰性粉體的粒徑并依次重復試驗。為了避免電火花產生的淬火效應，電極間隙不應該小于2 mm，最佳的電極間隙是6 mm。

3 試驗結果及分析

3.1 惰性粉體質量濃度對糖粉最小點火能的影響

試驗選用粒徑范圍為48～74 μm的蔗糖粉塵0.5 g，粒徑相同的NH4H2PO4和Al(OH)3，分別以混合粉塵總質量的5%為梯度添加到蔗糖粉塵中，并充分攪拌均勻。

圖2是在試驗條件為惰性粉體質量分數均為15%，點火能量為100 mJ，利用高速攝像機拍攝混合粉塵的火焰傳播情況。分別選取相同時間間隔的圖片作對比。

圖2(a)中，添加Al(OH)3的混合粉塵被點燃后，火焰就迅速沖出管口，在125 ms時，噴到玻璃管上方的蔗糖粉塵云進一步燃燒，此時火焰強度最大，隨著混合粉塵中的蔗糖粉塵濃度下降，燃燒逐漸減弱直至火焰熄滅。在圖2(b)中，由于NH4H2PO4的分解溫度比Al(OH)3低，混合粉塵被點燃后，NH4H2PO4受熱吸收分解出氨氣、水蒸氣并生成惰性氧化物P2O5，有效地抑制火焰的傳播，所以火焰傳播的速度明顯比圖2(a)慢，生成物NH3被膨脹氣體推向管口后與氧氣混合，在管口發生輕微燃燒且在185 ms時火焰強度最大，之后管內由于P2O5和水蒸氣的增加和氧氣含量不足，使得火焰逐漸熄滅。將二者的燃燒火焰的傳播情況進行對比，可以看出，在215 ms之前，圖2(a)中火焰傳播速度比圖2(b)快且火焰強度達到最大的時間相對提前，在215 ms之后，由于圖2(a)中的燃燒強度大，蔗糖粉塵顆粒逐漸燃燒完，火焰逐漸熄滅，圖2(b)由于燃燒緩慢，且生成的NH3與氧氣混合，具有一定的燃燒性，因此燃燒火焰比圖2(a)明顯。由此可以推斷，當2種惰性粉塵在蔗糖粉塵中的質量分數達到15%時，NH4H2PO4對于阻礙火焰傳播明顯比Al(OH)3有效。

圖2 利用高速攝像機拍攝的混合粉塵火焰傳播的情況Fig.2 Propagation situation of mixed dust flame shot by high speed camera

試驗結果發現，隨著NH4H2PO4在蔗糖粉塵中的質量分數的增加，混合粉塵的最小點火能也隨之增大，當NH4H2PO4的質量分數達到40%，連續點火20次，混合粉塵無法被裝置提供的最高點火能量點燃，由此可以推斷出，此時的蔗糖粉塵被完全惰化。混合粉塵的最小點火能也隨著Al(OH)3的質量分數的增加而緩慢增大，當Al(OH)3的質量分數達到60%，連續試驗20次，混合粉塵無法被裝置提供的最高點火能量點燃，說明此時蔗糖粉塵被完全惰化。

圖3是將添加不同質量分數的NH4H2PO4與Al(OH)3(二者粒徑均為48～74 μm)對蔗糖粉塵最小點火能影響做了對比，從圖3(a)中可以看出，分別在蔗糖粉塵中添加5%的NH4H2PO4與Al(OH)3，其混合粉塵的最小點火能相差不大，但添加NH4H2PO4的混合粉塵的最小點火能稍大于添加Al(OH)3的混合粉塵，但隨著兩者在蔗糖粉塵中質量分數的增加，NH4H2PO4對蔗糖粉塵爆炸的抑制作用明顯增強。對2種惰性粉體使蔗糖粉塵完全惰化所需的質量分數作比較，如圖3(b)中所示，添加40%的NH4H2PO4能使糖粉完全惰化，然而要添加Al(OH)3的質量分數達60%時，才能使糖粉完全惰化。因此可以推斷NH4H2PO4對蔗糖粉塵爆炸的抑制效果比Al(OH)3好。

圖3 不同質量分數的惰性粉體對蔗糖粉塵最小點火能的影響Fig.3 Influence of inert dust with different mass fractions on minimum ignition energy of sucrose dust

3.2 惰性粉體粒徑對抑爆效果的影響

在試驗過程中，設定噴粉壓力為60 kPa，48～74 μm的蔗糖粉塵0.5 g，分別以5%的質量分數梯度在蔗糖粉塵中添加粒徑為25～37，38～47 μm的NH4H2PO4和Al(OH)3，并充分攪拌均勻。

從圖4(a)中可以看出，隨著粒徑的減小，在同一質量分數條件下，25～37 μm的Al(OH)3的惰化效果稍微比38～47 μm的好，當2種粒徑的質量分數添加到60%時，連續點火20次，混合粉塵無法點燃，可以推斷此時蔗糖粉塵被完全惰化。因此可以說明，Al(OH)3的抑制效果隨著粒徑的減小而增強，但最終使蔗糖粉塵完全惰化所需的Al(OH)3的質量分數與粒度無關。隨著NH4H2PO4粒徑的減小，在同一惰性粉體質量分數條件下，混合粉塵的最小點火能明顯增大，隨著NH4H2PO4質量分數的增加，隨著惰性粉體粒徑減小，使蔗糖粉塵完全惰化的質量分數也將減少，抑制效果最好的是粒徑為25～37 μm的NH4H2PO4，總體情況說明了隨著惰性粉體的粒徑的減小，都能使混合粉塵的最小點火能有一定程度的增加，3種粒徑的NH4H2PO4對蔗糖粉塵爆炸的抑制效果都比Al(OH)3顯著。

從圖4(b)中可以看出，3種粒徑的Al(OH)3使糖粉完全惰化所需的質量分數相同，3種粒度的NH4H2PO4使蔗糖粉塵完全惰化的質量分數隨著NH4H2PO4粉末粒徑的減小而依次減少5%。因此可以說明惰性粉體粒徑越小，惰化效果越好，綜合上述分析，NH4H2PO4對糖粉爆炸的抑制效果總體上優于Al(OH)3。

圖4 不同粒徑的惰性粉體對蔗糖粉塵最小點火能的影響Fig.4 Influence of inert dust with different particle sizes on minimum ignition energy of sucrose dust

究其原因，是由于NH4H2PO4受熱時發生的反應是吸熱反應且分解溫度低[17]，容易發生如下所示的化學分解：

(1)

(2)

(3)

(4)

在NH4H2PO4的分解過程中生成氨、水和磷酸等產物吸收了一部分點火能，分解產物P2O5屬于一種惰性氧化物，容易附在蔗糖粉塵顆粒的表面，使點火能量向蔗糖粉塵顆粒傳遞受阻，從而使得糖粉不易被點燃。隨著蔗糖粉塵中添加的NH4H2PO4的質量分數越來越大，需要點燃混合粉塵的點火能量就越大，當質量分數到達一定量時，混合粉塵將不會被點燃。隨著NH4H2PO4粒徑的減小，其比表面積就越大，對蔗糖粉塵顆粒的包圍吸附作用就越強，使得混合粉塵越難發現燃燒現象。另外，NH4H2PO4的粒度越小，吸收熱量就更多，加熱分解就越快，分解產物就會越多，從而對蔗糖粉塵的惰化抑制效果就越顯著。

Al(OH)3是應用廣泛的一種無機阻燃添加劑，主要添加在一些塑料、橡膠、建材等制品中以提高其耐火性。Al(OH)3在200 ℃左右開始緩慢分解出水蒸氣[18]，分解形式如式(5)所示：

(5)

在哈特曼管中，由于混合粉塵著火時間較短，還未使Al(OH)3發生大量的分解，混合粉塵就燃燒結束，因此Al(OH)3對蔗糖粉塵爆炸的抑制作用主要依靠其物理特性，Al(OH)3顆粒粘附在糖粉顆粒表面，影響了蔗糖粉塵顆粒與氧氣的接觸，使得顆粒之間的能量傳遞受阻，從而提高了混合粉塵的最小點火能。

4 結論

1)NH4H2PO4和Al(OH)3都對蔗糖粉塵爆炸有一定的抑制作用，隨著二者在蔗糖粉塵中的質量分數的增大，混合粉塵的最小點火能均隨之增大，但NH4H2PO4的惰化效果更明顯。

2)當NH4H2PO4(粒徑分別為48～74，38～47，25～37 μm)的質量分數分別達到40%，35%，30%，3種粒徑的Al(OH)3的質量分數達到60%時，質量為0.5 g的蔗糖粉塵被完全惰化，不能被裝置所提供的最大點火能點燃。

3)NH4H2PO4是一種有效的惰化劑，粒徑越小，使蔗糖粉塵完全惰化所需的質量分數越小。在蔗糖粉塵中加入少量的NH4H2PO4能有效提高蔗糖粉塵的最小點火能，從而實現降低蔗糖粉塵爆炸的危險性。