硬脂酸粉著火敏感性影響因素及惰化研究*

呂相宇，代華明，邱東陽，陳先鋒，劉麗娟，黃楚原

(武漢理工大學 安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

世界各地經常發生粉塵爆炸事故，造成重大人員傷亡和財產損失。硬脂酸是1種重要的化工原料，廣泛應用于食品、橡膠、塑料、化妝品等工業領域，但硬脂酸粉在加工、儲存及運輸過程中很容易積累和擴散，并且在加工過程中往往伴有造粒切片、打磨等高風險作業，遇到靜電及明火可能引起爆炸事故。

最低著火溫度(Minimum Ignition Temperature，MIT)是表征粉塵爆燃敏感度的重要指標之一。國內外學者對粉塵云MIT進行大量研究:蘇浩等[1]采用MIT測定系統研究質量濃度對鋯粉塵云MIT的影響，發現在一定濃度范圍下，MIT隨粉塵濃度增加而減小；鐘英鵬等[2]研究發現鎂粉粒徑越小，粉塵云MIT越低；李潤之[3]通過實驗發現揮發分質量分數越高，最低著火溫度越低；Addai等[4]通過建立粉塵云MIT的預測模型，預測了粉塵云MIT；趙江平等[5]開展基于正交實驗的谷物粉塵燃燒特性影響因素研究，發現對玉米淀粉MIT的影響程度由高到低依次為惰性介質質量分數、粉塵粒徑、熱輻射通量；覃小玲等[6]探究發現NH4H2PO4能有效抑制蔗糖粉塵云的燃燒，粒徑越小對蔗糖粉塵云燃燒火焰的抑制效果越明顯。

國內外學者對粉塵云MIT的研究較多，但對于硬脂酸粉塵云MIT缺乏系統化的理論和研究。因此，本文擬選取硬脂酸粉為研究對象，采用Godbert-Greenwald恒溫爐分別研究不同質量濃度、分散壓力以及惰性粉體質量分數對硬脂酸粉塵云MIT的影響規律，研究結果可為預防和減弱硬脂酸粉塵爆炸事故危害提供理論基礎和技術支持。

1 實驗

1.1 實驗樣品

實驗選用山東中旺有限公司生產的橡塑級硬脂酸。利用激光粒度分析儀測定硬脂酸粉樣品的粒度分布，如圖1所示。硬脂酸粉的中位粒徑(D50)為30.032 μm，表面積平均粒徑(D3,2)為7.658 μm。選取粒徑為6.25 μm的SiO2和25 μm的Al(OH)3惰性粉體。為避免含水量對實驗結果的影響，預先將惰性粉體和硬脂酸粉放置于常壓50 ℃的干燥箱內干燥24 h。

圖1 硬脂酸粉粒度分布Fig.1 Particle size distribution of stearic acid dust

1.2 實驗裝置及方法

實驗裝置選用Godbert-Greenwald恒溫爐測試硬脂酸粉塵云MIT，如圖2所示。實驗裝置主要由加熱爐、噴塵系統、溫度控制系統和溫度記錄系統4部分組成。加熱爐內部的加熱石英管垂直安裝，體積約為412 mL，中部裝有K型熱電偶，用以調控和記錄實驗溫度。加熱爐安裝在支撐座上，以便從爐體下方的觀察窗口判別粉塵著火情況;安裝在加熱爐中部的熱電偶與溫度記錄儀相連，用以記錄實驗溫度;安裝在加熱爐中下部的熱電偶與溫度控制儀相連，用以調控實驗溫度。實驗依據《粉塵云最低著火溫度測定方法》(GB/T 16429—1996)[7]對硬脂酸粉塵云MIT進行測試。

圖2 粉塵云MIT測試裝置Fig.2 Testing device for MIT of dust cloud

2 實驗結果與分析

2.1 質量濃度對硬脂酸粉塵云MIT的影響

實驗測定在242.7，364.1，485.4，606.8 g/m3濃度下，分散壓力為5，15，25，35 kPa時硬脂酸粉塵云MIT變化情況，結果如圖3所示。由圖3可知，在不同分散壓力下，硬脂酸粉塵云MIT隨質量濃度增加呈先減小后增大趨勢，存在敏感濃度485.4 g/m3使MIT達到最小。敏感濃度下的MIT分別為390 ℃，335 ℃，375 ℃。

圖3 不同質量濃度下對應的硬脂酸粉塵云MITFig.3 MIT of stearic acid dust cloud under different mass concentrations

當分散壓力為25 kPa時，隨硬脂酸粉塵濃度升高，MIT不斷降低，未出現上升趨勢，原因是著火敏感濃度可能超過實驗選用的粉塵濃度范圍。經實驗論證，當質量濃度大于606.8 g/m3時，硬脂酸粉塵云MIT呈上升趨勢。

為進一步探究濃度和硬脂酸粉塵云MIT之間的關系，得到不同分散壓力下質量濃度和MIT的擬合曲線(如圖4所示)以及硬脂酸粉塵云MIT關于質量濃度的擬合結果(見表1)。硬脂酸粉塵云MIT隨硬脂酸粉質量濃度的增加以二次函數的形式先減后增，擬合度分別為0.991 5，0.974 4，0.978 36，0.984 31，曲線擬合程度良好[8]。由該擬合函數可預測出在分散壓力為25 kPa、質量濃度為552.2 g/m3時，硬脂酸粉塵云MIT最小約358 ℃，為工業生產中依據硬脂酸粉質量濃度預測硬脂酸粉塵云MIT提供依據。

表1 硬脂酸粉塵云MIT關于質量濃度的擬合結果Table 1 Fitting results of MIT of stearic acid dust cloud on mass concentration

質量濃度對硬脂酸粉塵云MIT的影響主要因為當質量濃度較低時，單位體積內參與燃燒反應的顆粒數較少，爐內粉塵顆粒分散度大，顆粒間距加大，熱輻射和熱傳遞作用減弱，需要外界提供較多的熱量才能引燃，因此MIT偏高。隨質量濃度不斷增大，單位體積內參與燃燒反應的顆粒數增多，與氧氣的接觸充分，使硬脂酸粉塵完全燃燒，反應產生的熱量增加。另外，顆粒間距變小，燃燒反應速率增加，更有利于顆粒間的熱輻射，使更多的粒子發生化學反應，從外界吸收的熱量減少，從而使MIT降低[9]。進一步增大質量濃度時，顆粒間距不斷減小，爐內氧氣含量不足以支持粉塵完全燃燒，不能進行有效反應[10]。另外，硬脂酸粉發生團聚變成大顆粒或者硬脂酸粉團，導致比表面積減小，與氧氣的接觸面積減小，不利于硬脂酸粉顆粒表面的分子熱分解產生可燃氣體和熱交換，熱量不易向顆粒內部傳遞，從而使硬脂酸粉塵云MIT升高。

2.2 分散壓力對硬脂酸粉塵云MIT的影響

不同分散壓力下對應的硬脂酸粉塵云MIT如圖5所示。在質量濃度一定時，硬脂酸粉塵云MIT隨分散壓力的增加呈先減小后增大的趨勢，存在最佳分散壓力使MIT達到最小，為15 kPa，最佳分散壓力下的MIT分別為405 ℃，370 ℃，335 ℃，340 ℃。

分散壓力對硬脂酸粉塵云MIT的影響主要是因為當分散壓力較小時，硬脂酸顆粒分散性較差，顆粒容易發生團聚，比表面積減小，從而導致顆粒之間的熱量傳遞減弱，需要更多的熱量才能使粉塵云著火，使得MIT偏高。隨分散壓力不斷增大，粉塵顆粒在加熱爐內分散程度變高，顆粒能夠與氧氣充分接觸。同時，顆粒有充足的時間被加熱，在一定程度上有利于粉塵完全燃燒，釋放更多熱量，從而降低粉塵云MIT。進一步增大分散壓力，粉塵顆粒到達爐內的運動速度相對較快，在爐內停留時間過短，不能形成均勻的粉塵云，燃燒反應不完全，反應放出的熱量較少[11]。另外，分散壓力過大，會帶入更多冷空氣，冷空氣吸熱使系統熱量散失增加，不利于粉塵燃燒，從而造成MIT升高。

2.3 惰性粉體質量分數對硬脂酸粉塵云MIT的影響

惰化實驗選取最佳分散壓力15 kPa，敏感濃度485.4 g/m3，研究添加質量分數為10%，20%，30%，40%，50%的SiO2、Al(OH)3對硬脂酸粉塵云MIT的影響，結果如圖6所示。SiO2和Al(OH)3對硬脂酸粉塵云燃燒抑制表現出相同趨勢，即隨惰性粉體質量分數的增加，硬脂酸粉塵云MIT先降低后升高。加入少量的惰性粉體，MIT呈減小趨勢；當惰性粉體的質量分數從10%增加至20%時，MIT迅速升高；進一步增大惰性粉體質量分數，MIT緩慢升高。

對線段①～④進行線性擬合，對應的斜率分別為3.00，1.05，2.00，1.00。當SiO2，Al(OH)3含量均增加至20%時，2者硬脂酸粉塵云MIT比純硬脂酸粉塵云MIT分別提升5 ℃，25 ℃且呈上升趨勢。表明SiO2，Al(OH)3對硬脂酸粉塵云燃燒有一定抑制作用且Al(OH)3的惰化效果優于SiO2。

添加不同質量分數的惰性粉體對硬脂酸粉塵云MIT的影響主要因為添加少量惰性粉體會破壞顆粒間的相互作用，導致范德華力降低[12-13]。粉塵分散程度和顆粒間相互作用相關，隨著顆粒間作用力減少，分散性增大，有利于硬脂酸粉塵云燃燒，可能導致MIT降低。隨惰性粉體質量分數增加，一方面惰性粉體在抑制過程中通過大量吸收熱量，使體系的溫度降低。另一方面，惰性粉體的存在占據體系部分空間，起到一定屏蔽作用，在一定程度上阻隔硬脂酸粉體顆粒間的熱輻射和熱傳導。

惰性粉體對硬脂酸粉塵云燃燒的抑制機理如圖7所示。SiO2對硬脂酸粉塵云燃燒的物理抑制作用主要有2個方面：1)SiO2顆粒粒度較小，與硬脂酸粉混合過程中，由于靜電力作用使部分SiO2顆粒黏附在硬脂酸粉體顆粒上，導致硬脂酸粉體顆粒接觸的氧氣變少，燃燒反應失去充足的氧氣支持，達到惰化作用[14]。2)SiO2導熱性較差，能夠屏蔽硬脂酸粉體顆粒間熱傳導和熱輻射，大大降低熱傳遞進程[15]。另外，SiO2熔點可達1 600 ℃，遠遠大于硬脂酸粉塵云燃燒時的溫度，能夠吸收燃燒產生的熱量，從而抑制硬脂酸粉塵云燃燒。

圖7 惰性粉體對硬脂酸粉塵云爆燃的抑制機理Fig.7 Inhibition mechanism of inert dust on deflagration of stearic acid dust cloud

Al(OH)3對硬脂酸粉塵云燃燒具有物理和化學抑制作用。一方面，Al(OH)3在200 ℃開始分解產生Al2O3和水蒸氣，反應產生的水蒸氣具有隔絕空氣和吸熱降溫效果；Al(OH)3脫水后生成的Al2O3是耐火性能優異的金屬氧化物，分布在硬脂酸粉體顆粒表面形成致密的保護膜，阻隔揮發分的釋放和氧氣擴散。另一方面，Al(OH)3還能通過捕獲燃燒產生的自由基，如O·，H·，OH·和其他高能自由基來阻斷鏈式反應[16]，這些自由基與Al(OH)3/Al2O3粒子碰撞，中斷鏈式反應。另外，氫氧化鋁熱分解產生的水蒸氣也參與自由基碰撞，降低自由基的產生速率，最終達到良好的抑制效果[17]。

3 結論

1)硬脂酸粉塵云MIT隨硬脂酸粉質量濃度的增加先降低后緩慢升高，存在敏感濃度485.4 g/m3，此質量濃度下硬脂酸粉塵云MIT最小。

2)隨分散壓力增大，硬脂酸粉塵云MIT先減小后增大，存在最佳分散壓力15 kPa，此時硬脂酸粉塵云MIT最小且硬脂酸粉塵云的最佳分散壓力不隨硬脂酸粉質量濃度的升高而變化。

3)硬脂酸粉塵云MIT隨惰性粉體質量分數的增加先降低后升高，添加少量的惰性粉體使硬脂酸粉塵云MIT降低，Al(OH)3對硬脂酸粉塵云MIT的惰化效果優于SiO2。