月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸過程熱解動力學與火焰傳播特性關系*

張延松，李 南，郭 瑞，張新燕,2，張公妍，黃興旺

（1. 山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

目前我國面臨著嚴峻的粉塵爆炸威脅，且工業場所出現的可燃性粉塵越來越多樣化，為落實安全生產提出了嚴峻的考驗。長鏈飽和脂肪酸諸如硬脂酸和月桂酸作為工業中常用的有機原料，在橡膠、塑料、紡織、日化、精密鑄造、潤滑脂等工業中應用十分廣泛。例如，硬脂酸可用于制造疏水材料、潤滑劑、塑料增塑劑及醫用軟膏等。工業中在生產此類飽和脂肪酸時，往往需要經歷多道復雜工藝流程，在生產制造過程中不可避免的會伴生大量可燃性粉塵，設備及廠房內受發生粉塵爆炸的風險較大，爆炸一旦發生，事故后果嚴重。例如，2014 年4 月16 日江蘇南通雙馬化工有限公司發生一起硬脂酸粉塵爆炸事故，造成12 名工人死亡，5 名工人受傷，社會影響惡劣。因此，針對工業生產中嚴重危及人們生命財產安全的有機粉塵爆炸事故，無論是硬脂酸亦或是月桂酸粉塵爆炸，只有探索和總結其爆炸特性演化規律，揭示粉塵爆炸發生的機理，才能有目的性地去預防、抑制各類粉塵爆炸，有針對性的制定科學而有效的防爆措施，從而保證安全生產。

為了更好地預防此類爆炸事故的發生，學者們針對此類有機化合物粉塵的爆炸特性展開了諸多研究。Zhang 等展開了月桂酸與硬脂酸粉塵熱解氧化特性對爆炸敏感參數與爆炸強度參數的影響研究，發現月桂酸粉塵的最小點火能（minimum ignition energy，MIE）與最低著火溫度（minimum ignition temperature，MIT）在低質量濃度范圍內均小于硬脂酸，而硬脂酸粉塵的爆炸下限（minimum explosion concentration，MEC）較大。月桂酸粉塵的最適爆炸質量濃度較小，而最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率(d/d)則較硬脂酸粉塵更大，爆炸危險性更高。此外，Chen 等較早通過紋影技術對硬脂酸粉塵云的火焰傳播機理展開了研究，觀察到平滑的紋影前沿在黃色發光區輪廓前方4 mm～8 mm 處傳播，且紋影鋒的平均傳播速度隨著較小粒子顆粒密度的增加而增加，而幾乎不受可燃粒子平均直徑影響，表明火焰傳播主要由氣化紋影前沿的較小顆粒的燃燒支持；趙夢圓采用20 L 球形爆炸測試裝置對硬脂酸粉塵的爆炸特性及對應的抑爆技術展開了研究，發現粉塵粒度越小，爆炸敏感度與猛烈度越強。隨著粉塵云質量濃度的增大，爆炸強度參數及(d/d)呈先升后降趨勢。此外，單從對硬脂酸粉塵爆炸的抑制效果來看，磷酸氫二銨（diammonium phosphate，DAP）優于磷酸二氫銨（monoammonium phosphate，MAP），而固定粉塵云的質量濃度，提高DAP 添加量，發現硬脂酸粉塵的爆炸猛烈度明顯減弱；Ju 等通過實驗研究了對硬脂酸粉塵云可燃性極限和火焰結構隨粒度變化的關系，并指出硬脂酸粉塵云火焰有兩種不同的結構：一種為含有離散藍色點火焰的火焰結構，另一種為無離散藍色點火焰的火焰結構。更進一步，Dobashi 等利用帶通濾波片高速攝影系統拍攝到無離散藍色點火焰的硬脂酸粉塵云火焰結構，不僅燃燒區域結構連續，而且火焰傳播也是連續的。高偉等采用相同方法，針對開放空間中2 種不同粒徑分布的硬脂酸粉塵云，具體闡述了粒徑分布對硬脂酸粉塵爆炸火焰結構的影響，并進一步利用CH 輻射放大圖像和理論模型揭示了粉塵云離散火焰前鋒的形成機理及關鍵參數。

從上述研究中可以看出，國內外對硬脂酸粉塵的爆炸特性及抑爆技術進行了一定的研究，但對于與硬脂酸物化性質及用途相似，熱特性不同的月桂酸的爆炸特性仍需探索。此外，熱解作為粉塵爆炸的重要階段，學者們運用熱分析手段對金屬、生物質等粉體的爆炸特性開展了部分研究，Gao 等、Liu 等及Li 等的研究表明，粉塵爆炸特性與其熱行為密切相關。但月桂酸與硬脂酸粉塵的熱解過程有何差異，且熱解動力學在爆炸過程中對爆炸火焰傳播規律的影響如何，仍有待進一步研究，以便更好的開發抑爆方法與技術。

基于此，本文中利用同步熱分析儀、改進的哈特曼爆炸測試裝置及高速攝影系統，針對分子結構及物化性質相似的月桂酸與硬脂酸粉塵，分析討論爆炸燃燒過程中熱解動力學特性與火焰傳播特性的關系，以期為此類飽和脂肪酸粉塵的安全生產與爆炸防護提供一定的指導。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗采用上海TCI 化成工業發展有限公司提供的月桂酸與硬脂酸樣品，常溫常壓下為白色片狀晶體，純度大于98 %。月桂酸與硬脂酸均通過粉碎機破碎，經200 目標準篩篩下制備得到實驗樣品。實驗前，月桂酸與硬脂酸粉塵樣品均在鼓風干燥箱內30 ℃干燥至少8 h。

利用掃描電子顯微鏡(FEI Nova Nano SEM 450)及馬爾文粒度分析儀(Malvern Mastersizer 3 000)分別對月桂酸與硬脂酸粉塵樣品的表面形貌及粒度分布進行表征，結果如圖1 及表1 所示。圖2 所示為月桂酸與硬脂酸粉塵樣品掃描電鏡圖片。可以看出，200 目標準篩篩下的月桂酸與硬脂酸粉塵樣品均呈現不規則的片狀結構，月桂酸顆粒表面平整、光滑，形狀相對更加規則，而硬脂酸顆粒表面則相對更加粗糙，形狀的不規則程度更高。月桂酸與硬脂酸粉塵樣品的比表面積、表面積平均徑、體積平均徑及中位粒徑均比較接近，其中中位粒徑分別為33.97 和30.71 μm，表面積平均徑分別為14.27 和12.97 μm。由于Castellanos 等發現索特平均直徑能夠更好的描述粉塵粒子的粒徑平均分布特性，更準確的衡量粉塵爆炸特性參數。因此，兩種樣品可以用來作對比實驗。

圖1 月桂酸和硬脂酸的粉塵粒度分布Fig. 1 Particle size distribution of lauric acid and stearic acid dust

圖2 月桂酸與硬脂酸粉塵的掃描電子顯微鏡圖像Fig. 2 Scanning electron microscope images of lauric acid and stearic acid dusts

表1 月桂酸和硬脂酸的粉塵粒度分布特征參數Table 1 Particle size distribution characteristic parameters of lauric acid and stearic acid dusts

1.2 實驗裝置

采用法國賽塔拉姆儀器公司的同步熱分析儀（Setaram Labsys Evo）進行熱分析實驗，裝置示意圖如圖3 所示。實驗設定溫度由室溫升高到550 ℃，以100 mL/min 的高純空氣作為吹掃氣體，在空氣條件下的加熱速率分別為5、10 和15 ℃/min，每次稱取實驗樣品質量約為10 mg。系統自動記錄月桂酸和硬脂酸粉塵的熱解與氧化過程的質量以和熱流變化，熱分析曲線最終趨于穩定后，繪制不同升溫速率條件下的質量損失曲線（thermogravimetric，TG）、失重速率變化曲線（differential thermogravimetric，DTG）和熱流變化曲線（differential scanning calorimetry，DSC）。

圖3 同步熱分析儀裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of synchronous thermal analyzer device

采用改進的哈特曼爆炸測試裝置開展粉塵云火焰傳播特性的實驗研究，裝置示意圖如圖4 所示。實驗裝置主要包括改進的哈特曼管、揚塵系統、點火系統和高速攝影系統。傳統哈特曼管是一個高300 mm、直徑65 mm、容積1.2 L 的圓柱形石英玻璃管道。本文中對哈特曼管進行改進，采用高600 mm、直徑65 mm、容積2.4 L 的圓柱形石英玻璃管道，以延長可觀察的火焰傳播時間。揚塵系統包括高壓氣罐、進氣閥、儲氣罐、電磁閥及蘑菇狀噴頭。點火系統包括高壓儲能器、電火花能量發生器和安裝在蘑菇狀噴頭上部50 mm 處的點火電極。當點火系統控制電磁閥打開時，儲氣室內的預充高壓氣經蘑菇狀噴頭將平鋪在燃燒管底部的測試粉塵揚起，在燃燒管內形成粉塵云，電火花能量發生器通過電容儲能為系統提供指定的電火花能量，電容放電擊穿電極間隙，提供實驗用點火源。實驗設定點火能量20 mJ，點火延遲時間為30 ms，放電持續3 ms，儲氣室充壓0.3 MPa。粉塵云點燃后，Phantom 高速攝影機以1 000 s的速度進行拍攝，以便迅速捕捉月桂酸與硬脂酸粉塵云在豎直燃燒管內的火焰瞬態演化過程。

圖4 改進的哈特曼管實驗裝置Fig. 4 Schematic of the improved Hartmann tube experimental device

2 結果與討論

2.1 熱分析實驗結果與動力學分析

2.1.1 熱分析實驗結果

圖5 為不同升溫速率下空氣氣氛月桂酸與硬脂酸粉塵的質量損失曲線與熱流變化曲線。可以看出，隨著升溫速率的增大，月桂酸與硬脂酸粉塵的TG、DTG 及DSC 曲線均向高溫區方向移動，即粉塵的熱解起始溫度、熱解失重速率及放熱峰溫度均隨著升溫速率的增大而增大，且釋熱量也呈逐漸增大的趨勢。在測試的溫度范圍內，月桂酸與硬脂酸粉塵均經歷兩步熱解過程，即快速熱解階段與慢速熱解階段，且不同升溫速率條件下月桂酸與硬脂酸粉塵的熱解氧化特性差異顯著。以升溫速率5 ℃/min 的熱特性曲線為例，月桂酸粉塵在47 ℃時發生熔化，硬脂酸粉塵在69 ℃時發生熔化，對應DSC 曲線上分別呈現一個開口向上的熔化吸熱峰。在快速熱解階段，月桂酸粉塵在130～160 ℃范圍內開始熱解，隨著溫度的上升，熱解速率逐漸增大，于240 ℃達到最大值，同時釋放氧化反應熱。硬脂酸粉塵約在180 ℃～220 ℃范圍內開始熱解，隨著溫度的上升，熱解速率逐漸增大，于265 ℃達到最大值，同時釋放較多的氧化反應熱。DSC 曲線上開口向下的氧化放熱峰的峰值分別對應的溫度為月桂酸與硬脂酸粉塵氧化放熱速率最快、最劇烈時的溫度。通過對比發現，硬脂酸粉塵的熔點、熱解起始溫度以及熱解速率最大值溫度均高于月桂酸粉塵，且釋熱量更大。在緩慢熱解階段，殘余物質在高溫下發生熱解氧化反應，釋放出熱量，與月桂酸粉塵相比，硬脂酸粉塵發生二次殘余物質熱解與氧化的溫度更高，釋放的熱量較多，放熱峰值更高。

圖5 不同升溫速率下月桂酸粉塵和硬脂酸粉塵的熱特性曲線Fig. 5 Thermal curves of lauric acid and stearic acid dust at different heating rates

2.1.2 熱解氧化動力學分析

采用Coats-Redfern 法求解月桂酸與硬脂酸粉塵熱解氧化過程的動力學參數，深入分析月桂酸與硬脂酸粉塵的熱解氧化特性差異。具體的計算方法與過程詳見。表2 所示為求解的動力學參數，月桂酸粉塵的快速熱解階段和慢速熱解階段分別遵循一維擴散模型（D1 模型）和1.5 級化學反應模型（F1.5 模型）；硬脂酸粉塵的快速熱解氧化階段及慢速熱解氧化階段分別遵循1.5 級化學反應模型（F1.5 模型）和三維擴散模型（D3 模型）。月桂酸與硬脂酸粉塵快速熱解階段的活化能分別為26.06 和28.64 kJ/mol，指前因子分別為54 530 和81 745 min；慢速熱解階段的活化能分別為18.64 和29.57 kJ/mol，指前因子分別為48.06 和864.65 min。由此可知，在不同熱解階段硬脂酸粉塵的平均活化能和指前因子均高于月桂酸。說明月桂酸粉塵熱解過程中化學鍵斷鍵所需要的能量較小，熱解氣化的發生更加容易。而硬脂酸熱解氧化過程中有更多的活性中心參與熱解氧化反應，釋放出更多的熱解氧化反應熱。

表2 運用Coats-Redfern 法求解的月桂酸和硬脂酸動力學參數[8]Table 2 Kinetic parameters of lauric acid and stearic acid dusts by the Coats-Redfern method[8]

2.2 熱解氧化特性對月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰傳播規律的影響

2.2.1 火焰結構差異

根據已有研究，月桂酸與硬脂酸粉塵分別于500、375 g/m達到最合適的爆炸質量濃度，因此選取125、375、500 、750 g/m作為實驗粉塵云質量濃度，對月桂酸與硬脂酸粉塵的火焰傳播特性展開分析。理想粉塵云質量濃度計算公式為=/，其中為粉塵質量，為改進的哈特曼管容積。

定義點火電極點火3 ms 后的時刻為火焰傳播的0 時刻。圖6 為粉塵云質量濃度125 g/m條件下半封閉豎直管道內月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰傳播過程。可以看出，在點火能量的激發下，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰基本以點火電極為中心，呈球狀火焰發展傳播，發出強烈的黃白光。在火焰形成發展的初期，硬脂酸粉塵球狀火焰輪廓比月桂酸粉塵球狀火焰更飽滿，火焰前鋒更光滑，且在火焰傳播的相同時刻，硬脂酸粉塵球狀火焰體積更大。這是因為相對于活化能及熱解溫度均較低的月桂酸粉塵，硬脂酸粉塵在快速熱解階段的指前因子更大，更多的活性中心參與了熱解和氧化反應，釋放出遠高于月桂酸粉塵快速熱解氧化的熱量，以支持火焰的快速發展傳播。隨著火焰持續向上傳播，月桂酸與硬脂酸粉塵云的火焰結構呈現出較大差異。在火焰傳播的中后期，月桂酸粉塵的火焰前鋒逐漸光滑且明亮，而硬脂酸粉塵的火焰前鋒結構則逐漸趨于離散且亮度變暗，且硬脂酸粉塵的火焰結構連續性強于月桂酸。此外，通過對比火焰傳播時長可以看出，此質量濃度條件下，半封閉豎直管道內硬脂酸粉塵的火焰傳播遠快于月桂酸粉塵，尤其是在火焰傳播的中后期，月桂酸粉塵云火焰傳播速度相對緩慢，使得火焰前鋒預熱區內的月桂酸粒子受熱分解及揮發的時間相對充分，進行類似于預混燃燒的均相燃燒反應，從而形成光滑連續的發光火焰前鋒；而硬脂酸粉塵火焰傳播速度持續增大，使得火焰前鋒預熱區內的硬脂酸粉塵粒子受熱分解的時間不足，火焰前鋒到達時未能完全熱解揮發，而以一種邊熱解氣化、邊擴散燃燒的非均相燃燒方式向上傳播。因此，硬脂酸粉塵的火焰前鋒結構逐漸趨于離散且亮度變暗。

圖6 粉塵云質量濃度125 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰傳播過程Fig. 6 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 125 g/m3

隨著粉塵云質量濃度增加至375 g/m，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰結構差異逐漸顯著，如圖7 所示。可以看出，點火初期的月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰的形成與發展過程與粉塵質量濃度125 g/m時相似，火焰基本呈球狀傳播，但火焰亮度較125 g/m粉塵云火焰而言均有所下降。一方面是因為隨著粉塵云質量濃度的增大，點火電極附近的粉塵粒子數密度增大，點火能量被更多冷粒子所吸收，點火能量對傳播火焰的點火效應被部分削弱；另一方面，較高質量濃度的粉塵云也可能對豎直管道的透光性造成一定影響。隨著火焰持續向上傳播，火焰鋒面燃燒區內發生的類似于均相預混燃燒逐漸向非均相擴散燃燒轉變，月桂酸與硬脂酸粉塵光滑連續的火焰前鋒結構逐漸趨于離散，且月桂酸粉塵云火焰鋒面離散程度更大，鋒面結構更復雜。這是由于隨著粉塵云質量濃度的增大，單位時間單位體積內參與燃燒反應的粉塵粒子數增多，使得月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰傳播速度增大，因此會縮短火焰前鋒預熱區內的粉塵粒子用于受熱分解及揮發的時間，容易導致火焰前鋒到達時這些粉塵粒子未能完全熱解揮發，而以一種邊熱解氣化、邊擴散燃燒的非均相燃燒方式向上傳播。與硬脂酸粉塵相比，月桂酸粉塵雖然更易發生熱解，活化能更低，但其在熱解氧化過程中的釋熱量及釋熱速率遠低于硬脂酸，所以在火焰快速傳播的豎直管道內，已燃月桂酸粉塵粒子的燃燒效率及未燃月桂酸粉塵粒子的熱解效率均低于硬脂酸粉塵。這可能是導致月桂酸與硬脂酸粉塵火焰結構差異顯著的主要原因。

圖7 粉塵云質量濃度375 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰傳播過程Fig. 7 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 375 g/m3

當粉塵云質量濃度增加至500 g/m時，月桂酸與硬脂酸粉塵云爆炸火焰結構差異進一步顯現，月桂酸粉塵云火焰結構的連續性明顯降低，如圖8 所示，可以看出點火初期的月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰形成與發展過程與粉塵質量濃度為375 g/m時的相似，但又略有不同，主要表現為在火焰傳播的0～15 ms 時間內，月桂酸與硬脂酸粉塵以點火電極為中心形成和發展的球狀火焰在火焰輪廓、亮度及火焰前鋒光滑程度方面均較為相似。隨著火焰進一步傳播，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰鋒面結構逐漸離散，火焰結構差異顯著，月桂酸粉塵云火焰鋒面結構的離散程度更大，亮度更低，結構更復雜。尤其在火焰傳播的中后期，月桂酸粉塵云火焰結構出現明顯的分層現象，管道中下部火焰明亮且連續，中上部火焰昏暗且離散；而硬脂酸粉塵云火焰結構變化主要體現為火焰鋒面離散程度加劇，并未出現明顯的火焰結構分層。這是由于，一方面根據Gao 等對豎直管道內火焰前鋒粉塵粒子的運動狀態分析可知，粒子的運動速度取決于粒子的大小和空間位置。隨著粉塵云質量濃度的增大，豎直管道內粉塵粒子間距縮小，粒子團聚效應增強，使得位于豎直管道中上部的粉塵粒子更易較早沉降下來，引發火焰的分層。另一方面由于2 種粉塵快速熱解氧化階段釋熱量及釋熱速率的差異，硬脂酸粉塵的指前因子更大，參與熱解和氧化過程的活性中心更多，從而釋放出更多的反應熱和更快的放熱速率，使得反應體系具有更高的反應強度，火焰傳播更快且傳播火焰對沉降中粉塵粒子的向上的熱膨脹作用越強，因此，硬脂酸粉塵爆炸火焰結構的連續性及亮度均強于月桂酸粉塵。

圖8 粉塵云質量濃度500 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰傳播過程Fig. 8 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 500 g/m3

當粉塵云質量濃度進一步增加至750 g/m時，火焰傳播過程如圖9 所示。點火初期，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰的形成與發展與粉塵質量濃度500 g/m時較為相似。值得注意的是，在火焰形成和發展的20 ms 時間內對應時刻的月桂酸粉塵的球狀火焰亮度及體積均大于硬脂酸粉塵。由熱解氧化特性可知，由于硬脂酸粉塵在燃燒爆炸過程中耗氧量遠大于月桂酸粉塵，氧含量的不足限制了硬脂酸粉塵燃燒過程的釋熱量及釋熱速率；且月桂酸粉塵在快速熱解階段的熱解溫度及活化能較低，使得月桂酸粉塵即使在點火強度較低的條件下，仍能保持較快的燃燒速率。隨著火焰進一步傳播發展，月桂酸與硬脂酸粉塵呈現出相似的火焰結構，即火焰自下而上傳播至豎直管道中部開始出現明顯的分層現象。這是由于粉塵云質量濃度過大，粒子團聚效應加劇，加快了豎直管道中上部未燃粉塵粒子的沉降速率，參與燃燒反應的粉塵粒子數減少。因此，月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰結構均出現明顯的分層。與粉塵云質量濃度為500 g/m時相比，硬脂酸粉塵的火焰結構連續性明顯降低，除了粉塵粒子沉降因素外，火焰前鋒氧氣的質量輸運過程顯著影響了硬脂酸粉塵爆炸火焰的傳播，導致火焰結構出現了明顯分層。

圖9 粉塵云質量濃度750 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰傳播過程Fig. 9 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 750 g/m3

2.2.2 火焰傳播速度差異

基于Matlab 程序，采用圖像邊緣檢測算法對月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰進行識別并提取火焰邊緣，跟蹤獲取火焰前鋒位置，然后通過火焰前鋒向上移動的距離計算出火焰前鋒向上移動的速度，即為火焰傳播速度。圖10 所示為粉塵云質量濃度125、375、500 及750 g/m條件下月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰傳播速度對比圖。可以看出，當粉塵云質量濃度為125 g/m時，月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰的平均傳播速度差異最大。硬脂酸粉塵在火焰初始形成和發展的40 ms 范圍內，瞬時火焰速度增幅較緩；隨后硬脂酸粉塵云火焰開始進入快速傳播階段，火焰速度迅速增大，火焰傳播速度于68 ms 時達到最大，隨后出現衰減。月桂酸粉塵云火焰在初始傳播的60 ms 時間內，傳播速度緩慢增大；隨后火焰快速向上傳播，傳播速度快速增大，火焰傳播速度于80 ms 時達到最大，隨后逐漸衰減。此質量濃度下硬脂酸與月桂酸粉塵的平均火焰傳播速度分別為7.86 和4.05 m/s，硬脂酸粉塵的火焰傳播速度顯著大于月桂酸粉塵；且在火焰快速傳播階段，硬脂酸與月桂酸粉塵在豎直管道內的火焰傳播速度差值十分顯著。當粉塵云質量濃度為375 g/m時，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰傳播速度均呈現先緩慢增大后快速增大的趨勢，平均火焰傳播速度分別為10.82 和12.76 m/s，2 種粉體的火焰傳播速度差有所減小。當粉塵云質量濃度為500 g/m時，月桂酸與硬脂酸粉塵云的平均火焰傳播速度分別為12.05 和12.38 m/s，火焰傳播速度差進一步減小。當粉塵云質量濃度為750 g/m時，月桂酸與硬脂酸粉塵云的平均火焰傳播速度分別為14.14 和11.94 m/s，此時月桂酸粉塵云的平均火焰傳播速度已高于硬脂酸的，且在火焰傳播的中后期，月桂酸粉塵云火焰的瞬時傳播速度明顯高于硬脂酸粉塵云的。

圖10 不同質量濃度條件下月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰傳播速度Fig. 10 Comparison of flame propagation speeds between lauric acid and stearic acid dusts at different dust cloud concentrations

這是因為在低質量濃度范圍內，硬脂酸與月桂酸粉塵云火焰的傳播速度主要受粒子釋熱量與釋熱速率的影響。此時由于硬脂酸粉塵具有較大的指前因子，使得火焰傳播過程中有更多的活性中心參與熱解和氧化反應，釋放出更多的熱量以支持火焰快速的傳播，因此硬脂酸粉塵云的火焰傳播速度大于月桂酸。而隨著粉塵云質量濃度的增大，參與燃燒反應的粉塵粒子逐漸增多，粒子間距減小，激活所有粒子所需的能量增加，火焰燃燒的需氧量增加，此時火焰傳播速度開始受活化能及火焰前鋒預熱區內氧氣質量輸運過程的控制。當粉塵云質量濃度達到一定值后，火焰傳播速度達到最大，之后粉塵云質量濃度的增大會引起支持火焰傳播發展的能量與氧氣量不足，進而導致粉塵云火焰傳播速度的下降。由于硬脂酸粉塵的活化能較大，且燃燒爆炸過程中的耗氧量遠大于月桂酸粉塵的，因此硬脂酸粉塵云的拐點質量濃度較月桂酸粉塵的更低。

3 結 論

本文中采用同步熱分析儀及改進的哈特曼爆炸測試裝置開展實驗，研究月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸燃燒過程中熱解動力學與火焰傳播特性的關系，得到的主要結論如下。

(1) 不同升溫速率下月桂酸與硬脂酸粉塵均經歷快速熱解階段與慢速熱解階段，硬脂酸粉塵的平均活化能和指前因子均大于月桂酸，月桂酸粉塵更易發生熱解，硬脂酸粉塵氧化放熱量更高。

(2) 與硬脂酸粉塵相比，低質量濃度月桂酸粉塵云火焰鋒面結構更加光滑，火焰傳播速度較小；隨粉塵云質量濃度的增大，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰鋒面趨于離散，火焰傳播速度逐漸增大，速度差異逐漸縮小；當粉塵云質量濃度達到750 g/m時，月桂酸粉塵云的平均火焰傳播速度趕超硬脂酸，火焰結構連續性降低。

(3) 低質量濃度月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰傳播特性差異主要由快速熱解階段的氧化放熱特性決定；指前因子越大，參與反應的活性中心越多，釋熱量越大，釋熱速率越快，火焰傳播速度越快，火焰鋒面結構由光滑連續向離散復雜的轉變越快；隨粉塵云質量濃度的增加，月桂酸與硬脂酸粉塵火焰傳播特性差異逐漸由活化能及火焰前鋒預熱區內氧氣的質量輸運過程決定；活化能越大，耗氧量越大，耗氧速率越快，越易導致支持火焰傳播發展的能量與氧氣量不足，進而導致火焰傳播速度下降，火焰鋒面趨于復雜，火焰結構連續性降低。