粉尘云浓度对HDPE粉尘云最低着火温度的影响*

庞 磊，马 冉，高建村，李俊杰，王爱博，吕鹏飞

(北京石油化工学院 安全工程学院， 北京 102617)

0 引言

高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，简称“HDPE”)是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂材料，其综合性能优异，不仅具有良好的机械性能和加工性能，还具有较为优异的卫生性、阻隔性、耐腐蚀性、绝缘性等，可通过挤出、吹塑、注塑等多种加工方式广泛应用于管材、中空、薄膜、电线电缆等领域。目前，HDPE是世界合成树脂工业中产量最大、应用最广的品种之一[1]。HDPE生产过程中，造粒、干燥、气力输送、卸料等工艺均有较高浓度粉尘云的存在，同时会不可避免地产生一定能量的静电、电火花、机械热表面、摩擦等多种点火源，若不加以有效控制，则极易在局部空间发生粉尘爆炸事故，造成重大人员伤亡和经济财产损失。

粉尘云最低着火温度是指粉尘和空气的混合物受热时，粉尘云温度发生突变，即被点燃时的最低温度[2]，是评估工业粉尘爆炸敏感性的重要参数之一，也是实施防火防爆安全设计和防爆电气设计、选型的重要依据[3]。由于近年来粉尘爆炸事故频发，针对可燃性粉尘云最低着火温度的研究也较为广泛，粉尘的种类主要包括金属粉尘、粮食粉尘、木粉尘、火炸药粉尘等，研究中重点考查了粉尘云浓度、喷尘压力等影响因素。例如，Yuan等[4-5]借助实验研究了粉尘云浓度、喷尘压力对镁粉尘云最低着火温度的影响，表明镁粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度、喷尘压力提高而降低；Zhang等[6]研究了粉尘云浓度对7-氨基头孢烷酸粉尘云最低着火温度的影响，研究表明，7-氨基头孢烷酸粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的增加呈现先降低后升高的分布规律；王军等[7]研究并给出了粉尘粒度、粉尘云浓度、喷尘压力对火炸药粉尘云最低着火温度的影响规律，研究发现，随着粉尘云浓度的增加，火炸药粉尘云最低着火温度呈现先迅速下降后保持稳定的分布趋势；任瑞娥等[8]对面粉、木粉粉尘云最低着火温度进行了研究，证实粉尘云最低着火温度随喷尘压力升高而不断增大的分布规律。

从以上研究可以发现，粉尘云浓度是影响粉尘云最低着火温度的主要因素之一。不同种类粉尘的粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的变化趋势不尽相同，有些为单调递减趋势，有些则存在拐点。从国内外公开的文献资料来看，专门针对HDPE粉尘爆炸的相关研究极少，相应的爆炸特征参数目前仍不够全面，粉尘云最低着火温度目前尚缺少必要的参考数据。基于此，笔者借助实验对某典型HDPE粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度、喷尘压力等影响因素的分布特性进行研究，力求为HDPE生产工艺的粉尘防爆安全设计和事故预防提供必要的科学依据。

1 实验过程

1.1 实验材料

选取某典型高纯度HDPE样品作为研究对象，该样品密度为0.95 kg/m3。借助BT-9300LD型激光粒度分布仪对样品进行湿法粒度分析，得到中位径为38.71 μm，粒度分布如图1所示。借助BT-2900 LD型动态图像颗粒分析系统，得到图2所示样品形貌微观结构，定性分析可见粒径几何尺度处于30～40 μm范围内的粉尘粒子居多，且颗粒长径比不大。

图1 HDPE粒度分布Fig.1 Particle size distribution of HDPE

1.2 实验装置

选取型号为HY16429型的粉尘云最低着火温度测试仪开展实验，其主体结构如图3所示。设备测温范围0～1 000 ℃，温度分辨率为0.25 ℃，喷尘压力范围0～0.1 MPa，适用标准为《粉尘云最低着火温度测定方法》(GB/T 16429-1996)[9]。为了对实验结果进行辅助分析，借助STA 503同步热分析仪对样品进行热重分析。

1-加热炉；2-连接头；3-储尘器；4-电磁阀；5-储气罐；6-闸阀；7-U 型管；8-稳压电源；9-温度控制仪；10-温度记录仪图3 粉尘云最低着火温度测试装置示意Fig.3 Device for testing minimum ignition temperature of dust cloud

1.3 实验方法

将HDPE样品经烘箱烘干后使用密封袋密封保存至存有干燥剂的干燥器中。将测试仪置于通风橱内，以确保安全并吸收实验过程中产生的挥发分、分解产物与烟气。分别选取粉尘质量0.1，0.3，0.5，0.7 g以及喷尘压力20，30，50 kPa开展不同工况对比实验。称取特定质量的样品后加入储尘器，设定恒温时间为2 s。试验时，在加热炉管下端若有火焰喷出或火焰滞后喷出，则视为着火；若只有少量火星而没有火焰或火焰滞后时间超出3 s，则视为未着火[10-11]。参照GB/T 16429-1996，设定测试温度间隔步长为5 ℃。直到同一温度值下连续10次试验均未出现着火。对样品进行热重分析时，参考吕岳等[12]的研究，称取HDPE 4.7 mg，以流量大小为40 mL/min的压缩空气作为试验载气，分别将升温速率及加热终温设定为10 ℃/min和700 ℃。

2 结果与讨论

不同粉尘云浓度和喷尘压力条件下，HDPE粉尘云最低着火温度测试结果如图4所示。结合加热炉容积大小(450 mL)，将粉尘质量换算为粉尘云浓度依次为0.222，0.667，1.111，1.556 kg/m3。根据图4，不同喷尘压力和不同粉尘云浓度下HDPE粉尘云最低着火温度总体上分布于360 ～ 445 ℃的区间。20，30，50 kPa 3种喷尘压力下，不同粉尘云浓度对应最低着火温度的最大相对差异分别约为17.11%，20.27%，13.89%，说明此类粉尘的粉尘云最低着火温度对粉尘云浓度较为敏感。

2.1 粉尘云浓度对HDPE粉尘云最低着火温度的影响

由图4可知，在同等喷尘压力条件下， HDPE粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的增加呈现先降低后升高的总体趋势，粉尘云浓度为1.111 kg/m3时出现拐点。粉尘云浓度低于拐点浓度时，HDPE粉尘云最低着火温度随着粉尘云浓度的增加逐渐降低。这是因为粉尘云浓度较小时，单位体积内粉尘质量较少，反应释放的热量少，需从外界吸收较多的能量使粉尘充分燃烧，因此着火温度偏高；随着粉尘云浓度的增加，单位体积内粉尘质量增加，反应释放的热量增加，火焰能自行传播并把热量辐射给其他颗粒，使更多的粒子发生化学反应，从外界吸收的热量相对减少，因而最低着火温度降低[13]。浓度高于拐点值时，最低着火温度随粉尘云浓度增大而升高。这是因为粉尘云浓度过高时，一方面，加热炉内氧气不足以支持充分燃烧；另一方面，单位体积内粉尘颗粒数量增多，除燃烧颗粒外，过剩的粉尘颗粒吸收了较多的热量，火焰的温度下降，需从外界吸收较多的能量达到着火温度[14]。

图4 不同喷尘压力下HDPE粉尘云 最低着火温度与粉尘云浓度关系Fig.4 Relationship between minimum ignition temperature and concentration of dust cloud of HDPE under different dust spray pressure

对于粉尘云最低着火温度随浓度呈现出的拐点现象，现有不同种类粉尘的研究成果中虽有体现，但并未给予足够关注。例如，文献[8,13,15]对锰粉、木粉、镁铝合金粉等可燃性粉尘的粉尘云最低着火温度进行实验研究，结果都表现出图5所示的类似拐点，一定程度上验证了本文结论的有效性。然而，在粉尘爆炸事故防治工作中，并没有对此类拐点给予足够重视。

图5 文献[8,13,15]中不同类型粉尘云最低着火温度vs粉尘云浓度Fig.5 Minimum ignition temperature of different dust vs concentration of dust cloud in the literature[8,13,15]

2.2 喷尘压力对HDPE粉尘云最低着火温度的影响

喷尘压力对粉尘云最低着火温度的影响，主要体现在以下三方面：其一，增大喷尘压力有助于增加粉尘分散性，使粉尘颗粒与助燃剂氧气的接触面积增大，有利于着火；其二，喷尘压力的增大可使更多的助燃剂氧气进入加热炉内，在同等粉尘云浓度条件下，有利于粉尘的充分燃烧，释放更多热量，可降低着火温度；其三，增大喷尘压力会使粉尘沉降速度增大，且导致更多的冷空气进入到加热炉中，需从加热炉吸收更多能量以达到着火温度。本研究实验结果表明，喷尘压力对HDPE最低着火温度的影响较为明显，喷尘压力越小，HDPE粉尘云最低着火温度越高，3种喷尘压力对应粉尘云最低着火温度的最大相对差异约为5.56%，如图6所示。对于这一现象，可以从以下两方面进行解释：一方面，当空气将HDPE吹入加热炉时，较低的喷尘压力不足以使HDPE完全地分散开来，部分粉末仍处于团聚状态，与空气接触的比表面积较小，颗粒之间的热传递效应较强，受热缓慢，不利于粉尘局部受热传播火焰；另一方面，HDPE不同于自供氧的炸药粉尘，喷尘压力相对较低导致和HDPE一起喷入加热炉的氧气含量相对较少，降低了HDPE颗粒与氧气分子之间的碰撞机率，降低反应速率[12]。即对于HDPE粉尘, 上述喷尘压力对粉尘云最低着火温度的前两方面影响占主导。

图6 喷尘压力与HDPE粉尘云最低着火温度的关系Fig.6 Relationship between the dust spray pressure and minimum ignition temperature of HDPE

2.3 辅助热分析

借助STA 503同步热分析仪，对该样品进行了辅助热分析实验，结果如图7所示。由图7可知，不同条件下HDPE粉尘云最低着火温度均值约为400 ℃。图7中，DTA和TG分别表示热量变化和质量变化。当温度达到120 ℃，粉尘样品质量不变，熔化吸热；当温度达到400 ℃时，粉尘样品质量迅速降低，开始燃烧放热，燃烧过程为HDPE受热分解并放出气体与空气混合，加热到一定温度时发生燃烧，燃烧火焰产生的热量一方面促进HDPE的分解，另一方面引起HDPE粉体颗粒燃烧，因此，HDPE粉DTA在400～470 ℃之间呈现双峰结构。热分析试验证明，HDPE在空气条件下发生燃烧的温度为400 ℃，一定程度上验证了图4结果的有效性。

图7 HDPE热重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis of HDPE

3 结论

1)借助差异性对比实验得到了HDPE粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的分布规律，揭示其拐点特征，结合相关研究对拐点的成因进行了理论分析，并给出了喷尘压力对粉尘云最低着火温度的影响规律。

2)研究得到的HDPE粉尘云最低着火温度分布特性可用于指导HDPE生产工艺及设备的安全设计，对实施防火防爆安全技术及管理措施具有现实意义。同时，应对HDPE粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的拐点特征给予足够重视。

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