趙江平，史 源

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)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(guò)程[1-2]。谷物粉塵作為事故多發(fā)類(lèi)粉塵，具有比表面積大、有機(jī)物含量高、爆炸能量高、流動(dòng)性較差等特點(diǎn)，在生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中易和糧粒分離[3-4]。當(dāng)一定濃度的粉塵遇到足夠能量的點(diǎn)火源，就可能引起粉塵燃燒、爆轟等嚴(yán)重后果。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)谷物粉塵燃燒爆炸特性進(jìn)行了大量研究。lvaro等[5]對(duì)玉米、小麥等7種糧食粉塵的點(diǎn)火能和爆炸參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；張洪銘[6]采用自行設(shè)計(jì)的燃燒管道系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(shí)火焰溫度達(dá)到最高；沈德魁等[7]通過(guò)對(duì)4種木材在空氣氣氛和不同輻射熱流下的熱解燃燒過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)木材中的固定碳含量相似時(shí)反應(yīng)機(jī)理趨于一致；曹衛(wèi)國(guó)等[8]采用粉塵云著火溫度實(shí)驗(yàn)裝置等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(yàn)平臺(tái)研究5種不同粒徑的玉米淀粉粉塵云著火特性，發(fā)現(xiàn)粉塵粒徑越小，玉米淀粉粉塵云著火所需時(shí)間越短。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)谷物粉塵燃燒特性方面的研究中，研究對(duì)象多為粉塵云狀態(tài)，對(duì)粉塵層狀態(tài)物質(zhì)燃燒特性的研究較少，但實(shí)際上多數(shù)粉塵的粉塵層最低著火溫度遠(yuǎn)低于粉塵云最低著火溫度。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備表面或除塵管道內(nèi)的堆積粉塵，在遇到足夠能量的點(diǎn)火源時(shí)可能引起粉塵燃燒，進(jìn)而引發(fā)爆炸等嚴(yán)重事故，因此，深入對(duì)粉塵層物質(zhì)燃燒特性的研究至關(guān)重要。現(xiàn)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(zhì)量濃度、粉塵粒徑、惰性介質(zhì)、升溫速率[10]等，對(duì)熱輻射通量這一影響因素研究甚少，但在粉塵燃爆過(guò)程中，物質(zhì)之間的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射作用是不可忽視的。故本文在前人的基礎(chǔ)上，以普通可食用玉米淀粉為研究對(duì)象，使用錐形量熱儀(CONE)，運(yùn)用單因素和正交試驗(yàn)方法，研究了粉塵粒徑、惰性介質(zhì)CaCO3、熱輻射通量對(duì)玉米淀粉熱釋放速率、引燃時(shí)間等影響，并通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各因素影響程度進(jìn)行排序，以期找出3個(gè)因素中對(duì)燃燒特性影響最大的因素，為糧食行業(yè)粉塵燃燒爆炸事故的預(yù)防與減少提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)原料為上海賽翁福農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司可食用玉米淀粉。使用101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱對(duì)玉米淀粉進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間為1 h，設(shè)置溫度為50℃。利用振動(dòng)篩將玉米淀粉分別過(guò)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(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，使用貼有標(biāo)簽的密封袋保存?zhèn)溆谩?shí)驗(yàn)用惰性介質(zhì)CaCO3為食品級(jí)重質(zhì)碳酸鈣，純度為99.3%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用中國(guó)臺(tái)灣中諾儀器公司生產(chǎn)制造的ZY6243錐形量熱儀(CONE)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行熱分解燃燒實(shí)驗(yàn)。輻射錐額定功率5 kW，輻射強(qiáng)度0～100 kW/m2，實(shí)驗(yàn)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(chǔ)的新一代聚合物材料燃燒性能測(cè)定儀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可獲得多種燃燒參數(shù)，包括：熱釋放速率、有效燃燒熱、點(diǎn)燃時(shí)間、煙氣溫度和質(zhì)量變化參數(shù)等[11],研究火災(zāi)和評(píng)價(jià)材料燃燒性能較為理想[12]。實(shí)驗(yàn)儀器還包括標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩、電子天平、101-2AB型干燥箱等。

1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

影響粉塵燃燒特性的因素包括粉塵自身的理化性質(zhì)和外部因素，理化性質(zhì)包括粉塵密度、粒徑、燃燒熱等；外部因素包括點(diǎn)火源強(qiáng)度、空氣濕度、惰性介質(zhì)等。粉塵粒徑可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行控制，粉塵密度、燃燒熱等是自身的固有性質(zhì)，因此本文不做考量。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)試樣進(jìn)行干燥處理，減少空氣濕度等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，改變?cè)嚇又械亩栊越橘|(zhì)質(zhì)量以調(diào)整試樣中的惰性介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)條件下，輻射錐所產(chǎn)生的輻射熱作為高溫點(diǎn)火源，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的燃燒性能影響最大[13]，可通過(guò)控制輻射錐溫度調(diào)節(jié)點(diǎn)火源溫度。綜合考慮，選取粉塵粒徑、熱輻射通量和惰性介質(zhì)3個(gè)因素進(jìn)行單因素重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為25℃。單因素實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Single factor experimental conditions

注：x為單因素實(shí)驗(yàn)中的變量因素。

1.3.1 粉塵粒徑單因素實(shí)驗(yàn)

分別稱(chēng)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(shè)置為30 kW/m2(591.7℃)，比較不同粒徑對(duì)熱釋放速率和引燃時(shí)間的影響。

1.3.2 惰性介質(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)單因素實(shí)驗(yàn)

將200目(≤80 μm)玉米淀粉與可食用CaCO3進(jìn)行混合處理，得到CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，10%，15%，20%，25%的實(shí)驗(yàn)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(shè)置為30 kW/m2(591.7℃)，比較不同CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱釋放速率和引燃時(shí)間的影響。

1.3.3 熱輻射通量單因素實(shí)驗(yàn)

分別稱(chēng)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(shí)驗(yàn)條件下，玉米淀粉于熱輻射通量22 kW/m2(525℃)時(shí)開(kāi)始著火燃燒，且儀器最高溫度上限為600℃，故分別設(shè)置熱輻射通量為22，24，26，28，30 kW/m2(分別對(duì)應(yīng)溫度為525，541.7，558.3，575，591.7℃)，比較不同熱輻射通量對(duì)熱釋放速率和引燃時(shí)間的影響。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來(lái)安排實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的1種科學(xué)計(jì)算方法，多用來(lái)研究多因素多水平實(shí)驗(yàn)[14-16]。根據(jù)正交性從全面多次實(shí)驗(yàn)中挑選出具有代表性的水平組合，即通過(guò)較少次數(shù)實(shí)驗(yàn)得到多次實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果，并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法處理以便找到諸因素中對(duì)觀測(cè)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(jìn)行正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)各因素對(duì)應(yīng)水平如表2所示，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表3所示。

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

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 3 Orthogonal experimental design scheme

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉塵粒徑單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間變化曲線(xiàn)。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(shí)，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(shí)間從85 s下降到58 s。在燃燒過(guò)程中，熱釋放速率曲線(xiàn)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(shí)間逐漸減小。這是因?yàn)榉蹓m燃燒熱分解從顆粒表面開(kāi)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(nèi)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(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.1 The change curve of heat release rate per unit area with time at different particle sizes

2.2 惰性介質(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為不同惰性介質(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)下單位面積熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。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(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%升到25%時(shí)，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(shuō)明CaCO3對(duì)玉米淀粉有明顯的惰化作用。隨著CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，單位面積熱釋放速率減小，引燃時(shí)間減小。CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%升到25%時(shí)，引燃時(shí)間從91 s逐漸減小至60 s。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaCO3單位面積熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)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(chǎn)生的可燃?xì)怏w與周?chē)鯕饨Y(jié)合燃燒，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步促進(jìn)了玉米淀粉的熱分解燃燒。由于惰性介質(zhì)CaCO3不可燃，僅吸收熱量發(fā)生熱解。在玉米淀粉燃燒的過(guò)程中CaCO3吸收了部分熱量，使顆粒周?chē)h(huán)境溫度降低，導(dǎo)致未燃顆粒不能快速得到足夠熱量發(fā)生反應(yīng)，燃燒速率減小。此外，CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加減少了可燃粉塵質(zhì)量，且增大了試樣孔隙率，顆粒熱分解后產(chǎn)生的可燃?xì)怏w更易與周?chē)鯕獍l(fā)生反應(yīng)，故引燃時(shí)間減小。CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，惰化作用越明顯。

2.3 熱輻射通量單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間變化的曲線(xiàn)。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(shí)，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(shí)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(shí)間減小。熱輻射通量的增大提高了玉米淀粉燃燒反應(yīng)的升溫速率，使試樣內(nèi)部溫度迅速升高，加快了粉塵的熱分解進(jìn)程，促使有機(jī)物快速熱解釋放出大量的可燃?xì)怏w，當(dāng)與足夠氧氣發(fā)生反應(yīng)時(shí)，熱解反應(yīng)由無(wú)焰燃燒轉(zhuǎn)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(shí)間變化曲線(xiàn)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(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)表3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案測(cè)得玉米淀粉熱釋放速率峰值，如表4所示。分析結(jié)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(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以便比較觀測(cè)值影響因素的強(qiáng)弱，得到最優(yōu)解。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)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(guò)計(jì)算各因素的極差R來(lái)判斷粉塵燃燒各因素在不同水平時(shí)對(duì)觀測(cè)值的影響。極差大小能夠反映不同因素水平對(duì)觀測(cè)值的影響強(qiáng)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(cè)值的累加，對(duì)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(duì)正交試驗(yàn)結(jié)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(jié)果如表5所示。

由表5可知，惰性介質(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)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(duì)玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響程度依次為：惰性介質(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)>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(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、熱輻射通量28 kW/m2時(shí)，熱釋放速率峰值最高。

2.4.2 方差分析法

方差分析即通過(guò)計(jì)算方法，求得各因素離差、自由度、均方離差等值，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量F并將各因素對(duì)觀測(cè)值的影響效應(yīng)做顯著性檢驗(yàn)。極差分析僅通過(guò)極差的大小來(lái)評(píng)估不同因素對(duì)觀測(cè)值的影響程度，極差的大小為1個(gè)客觀的標(biāo)準(zhǔn)值，屬于定性分析。方差分析彌補(bǔ)了極差分析的不足，能夠更加準(zhǔn)確地確定影響玉米淀粉燃燒特性的最敏感因素。對(duì)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，F(xiàn)A>F0.05(2,2)、FB>F0.05(2,2)、FC>F0.05(2,2)，說(shuō)明粉塵粒徑、CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱輻射通量對(duì)玉米淀粉熱釋放速率峰值影響均效應(yīng)顯著。通過(guò)顯著性分析可知，各因素對(duì)玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響程度依次為：CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)>粉塵粒徑>熱輻射通量，與極差分析結(jié)果一致。

由此可知，3個(gè)影響因素中惰性介質(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響效果最顯著。谷物生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，通過(guò)添加少量惰性粉塵CaCO3來(lái)降低谷物粉塵的燃燒敏感性效果最佳。

3 結(jié)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(zhì)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減?。浑S熱輻射通量的增大而增大。在玉米淀粉燃燒過(guò)程中，由于惰性介質(zhì)CaCO3未參加反應(yīng)且自身熱分解吸收部分熱量，減緩物質(zhì)燃燒速率，惰化作用明顯。

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

3)使用正交試驗(yàn)方法，通過(guò)極差和方差分析研究了3個(gè)因素對(duì)玉米淀粉熱釋放速率峰值的影響大小，發(fā)現(xiàn)各因素對(duì)熱釋放速率峰值的程度強(qiáng)弱依次為：CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)>粉塵粒徑>熱輻射通量，其中惰性介質(zhì)CaCO3的影響最為顯著。谷物生產(chǎn)加工企業(yè)可通過(guò)添加適量惰性介質(zhì)CaCO3、增大粉塵粒徑或減小設(shè)備熱輻射溫度等方法降低粉塵燃燒敏感性。