彩虹粉引燃危险性实验研究*

王　浩，张金锋，解启航，陈　静，柳晓凯

(河北科技大学 环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018)

0　引言

彩虹粉通常采用玉米淀粉和食用人工色素混合而成，因其色彩鲜艳被广泛用于彩虹跑等娱乐活动。2015年6月27日，台湾新北市八仙乐园发生的彩虹粉燃爆事故，当场造成400多人不同程度受伤，这一惨痛事故使广大民众认识到彩虹粉具有很强的爆炸破坏性。彩虹粉的主要成分是玉米淀粉，质量分数高达99%。对粮食粉尘的燃爆危险的关注已久，意大利都灵地区的面粉厂爆炸是目前世界上记录最早的粮食粉尘爆炸事故。近年来，粮食粉尘爆炸事故时有发生，国内外学者及研究机构对粮食粉尘燃烧爆炸机理及规律高度关注，并开展了大量研究。

Eckhoff对粉尘爆炸及控制进行了研究，并对玉米淀粉做了大量的爆炸实验，研究了粉尘初始粒度分布，粉尘云分散浓度等因素对点火敏感性以及爆炸猛度的影响[1-2]；Van Wingerden K.利用10 m3和20 m3的容器对玉米淀粉进行了爆炸实验研究，并进行了数值模拟[3-4]；Dahoe等[5]采用LDA系统对玉米淀粉/空气混合物的层流燃烧速率进行了实验测定。

李刚等[6-7]对天津港口接卸粮食主要品种伴生粉尘的爆炸性进行了测试和分析；陈默[8]等对玉米淀粉-空气混合相爆炸进行了研究，结果显示玉米淀粉爆炸下限为459 g/m3；曹卫国等[9-10]对玉米淀粉爆炸参数进行了测定，结果显示玉米淀粉的爆炸危险性分级为St1级，属于中度爆炸危险性粉尘。

可以发现，学者对粮食粉尘的研究比较单一，对于其引燃危险性的整体研究以及危险性评估方案研究较少。本文采用实验手段对玉米淀粉和食用人工色素混合粉体的引燃规律进行进一步研究，并采用食用盐对彩虹粉进行抑爆探讨，以唤起相关方的认识和重视，避免类似事故的发生。

1　实验样品

选取了胭脂红、日落黄、亮蓝、果绿色食用人工色素(天津多福源实业有限公司)与玉米淀粉(隆尧彭山食品厂)混合形成的红色、黄色、蓝色、绿色的彩虹粉为实验样品(色素质量分数为0.5%)，利用真空干燥箱对彩虹粉样品进行真空干燥处理，使样品保持一定的含水率，并用200目标准筛对彩虹粉进行筛分处理。

2　实验方案

实验采用固体燃烧速率试验仪(HWP02-10E)对彩虹粉传播燃烧能力进行初步甄别；采用固体自燃点试验仪(HWP22-10E)测定彩虹粉的自燃点；采用快速筛选量热仪(Rapid Screening Device, RSD)，测定彩虹粉的初始分解温度，计算分解时放出的热量，综合分析彩虹粉的热稳定性及引燃危险性；采用粉尘爆炸筛选装置观察是否产生持续性火焰，对彩虹粉的燃爆性进行判定；利用粉尘云最小点火能量测试仪(MEU-MIE-D-15)测定粉尘最小点火能，进一步研究粉体浓度对最小点火能量的影响，确定彩虹粉粉尘云的着火敏感性。

选取着火敏感性较强的彩虹粉粉体，添加不同比例的与粉体粒径分布相近的食用盐粉体进行抑爆研究，研究食用盐对彩虹粉爆炸的抑制效果。

3　实验结果及分析

3.1　彩虹粉燃烧危险初步甄别试验

依据GB/T 21618-2008以及《联合国试验与标准手册》进行彩虹粉传播燃烧能力的初步甄别试验。用温度为1 000℃的点火棒去点燃彩虹粉堆垛，在规定时间内观察火焰是否能传递，以及火焰燃烧速率。由于不同颜色彩虹粉的组成相同，在此不一一对所有样品进行甄别实验，任选一种颜色的彩虹粉为代表进行实验。图1、图2分别为点火中和2 min后试验结束的实验现象。

图1　燃烧初步甄别实验—点火Fig.1　Combustion preliminary screening test-ignition

图2　燃烧初步甄别实验—结束Fig.2　Combustion preliminary screening test-finished

由图1可知，过高的温度将彩虹粉引燃，产生明显火焰，彩虹粉表现出一定的燃烧危险性。设备热表面，某些机械部件过热等都可能引起彩虹粉的燃烧。2 min后，如图2所示，仪器未检测到火焰，即火焰不能在堆垛上传播燃烧，因此可以判定彩虹粉在堆垛的状态下火焰传播的危险性较小。

3.2　粉体燃烧自燃点测试及结果分析

根据国标GB/T 21756-2008对彩虹粉进行自燃点测定。将彩虹粉装入边长为20 mm的金属丝网立方体中，对样品进行升温，当样品温度达到400℃时，对应的烘箱温度即为样品的自燃温度。表1为4种颜色彩虹粉自燃点实验数据记录表。

表1　彩虹粉自燃点实验数据

由表1可知，4种颜色彩虹粉的自燃温度都在250℃附近，可知影响彩虹粉自燃的主体部分为玉米淀粉，色素对彩虹粉自燃影响较小。

与常见的高分子物质相比[11]，彩虹粉的自燃点相对较低，自燃危险性相对较高，在彩虹粉应用过程中应注意对温度的控制。考虑到其自燃点在250℃附近，而活动中舞台上使用的聚光灯长时间使用时表面温度可达450℃，烟头表面的温度在200～300℃之间，中心温度更是能达到700～800℃[12]，上述因素都可能成为事故发生的点火源。因此在彩虹跑活动中要注意设备表面散热，避免聚光灯长时间照射，活动禁止吸烟，以降低彩虹粉自燃危险性。

3.3　彩虹粉RSD热分解测试结果分析

图3为黄色彩虹粉温度和压力随时间变化曲线。

图3　样品温度、压力随时间变化曲线Fig.3　Sample temperature and pressure change curve over time

由图3可知，0～147 min为样品的升温过程，升温速率为2.5℃/min。82 min后样品温度及压力曲线斜率突然增大，样品温度及压力有突然上升的趋势，此时彩虹粉开始分解，起始分解温度约为227℃，此阶段发生热解的物质主要为彩虹粉中的部分木质素、纤维素以及半纤维素[13-14]，分解放热并释放部分气体导致压力出现升高的现象。由于装样时样品池中含有一定量的空气，分解出的气体与空气混合，受热燃烧，释放的能量引燃部分彩虹粉，致使温度上升。

随着加热器温度继续加热，在127 min时，样品温度为344℃，样品池压力突然大幅升高至100 bar，此时部分木质素以及一些复杂的高分子化合物发生分解，释放大量气体，使压力骤然上升，由于彩虹粉初始分解时发生燃烧现象，将样品池内有限的空气燃尽，此阶段未发生燃烧现象，样品温度没有明显波动。若分解过程发生在氧气(空气)充足的环境，彩虹粉与空气混合，形成爆炸性混合物，会大大增加爆炸危险性[15]。由RSD RAP 2.1软件分析，彩虹粉分解过程放热约为395.12 J/g。

综合热分解实验分析，彩虹粉的稳定性较差，分解过程中会产生大量气体，在高温环境下会表现出气相燃烧的特点[16]，分解(燃烧)放热较高，危害较大。

3.4　粉体引燃最小点火能实验及结果分析

依据标准VDI 2263-1-1990对彩虹粉进行爆炸筛选试验，采用4J的点火能量点燃彩虹粉，彩虹粉发生猛烈燃烧，彩虹粉粉尘云具有很大的燃爆危险性，电气设备放电或静电放电可能引起相应的点燃危险。

依据国标GB/T 16428-1996对彩虹粉粉尘云最小点火能进行进一步的测定。图4为不同颜色的彩虹粉的最小点火能随粉尘浓度的变化趋势。

图4　最小点火能随粉尘浓度变化曲线Fig.4　The minimum ignition energy varies with the dust concentration

由图4可知：

1) 4种颜色彩虹粉的最小点火能在24～60 mJ之间，其中黄色彩虹粉的最小点火能范围为24～44 mJ，危险性相对较高。

实验结果显示，彩虹粉为一般着火敏感性粉尘[17]，因其主要成分是玉米淀粉，不同颜色的彩虹粉的总体着火敏感性差别不大。

2) 不同颜色彩虹粉最小点火能随粉尘浓度的变化趋势基本一致，粉尘浓度在1 167 g/m3附近时，不同浓度彩虹粉的最小点火能出现最小值。当粉尘浓度大于1 450 g/m3时，曲线的斜率趋近0，粉尘浓度对最小点火能的影响逐渐变小。由于哈特曼管属于半封闭装置，粉尘浓度过大时，悬浮在管内的粉尘粒子数目过多，管内的氧含量有限，导致部分粉尘不能被点燃[17]，回落到哈特曼管底部导致粉尘浓度对点火能的影响很小。

3) 彩虹粉的最小点火能较低，在24～60 mJ之间，彩虹跑活动过程中存在的点火源，如打火机、烟头、舞台灯，化纤织物等环节产生的能量都有可能引起彩虹粉粉尘云的爆炸。

3.5　粉体引燃危险性实验评估方案分析

首先确认粉体颗粒粒径的大小，一般粒径小于75 μm的粉体颗粒具有燃爆危险性，粉尘的粒径越小，燃爆危险性就越大。

依据GB/T 21618-2008《危险品 易燃固体燃烧速率试验方法》，根据粉体堆垛的火焰传播速率可以定性判定粉体的引燃危险性。如果粉体堆垛被引燃，并能以一定速率传播，表明粉体具有较高的化学活性，危险性较大；若粉体堆垛不能被引燃或引燃后不能传播，则表明粉体的化学活性低，燃爆危险性相对较低。

应用粉尘爆炸筛选装置，初步鉴定粉尘样品是否具有燃爆性。点火能量为4 J，若观察有持续性火焰产生，或者火焰传播距离能否达到60 mm，判定粉体具有燃爆危险性。否则，要在20 L球形爆炸装置中采用10 kJ点火能量进一步判定粉体的燃爆危险性。

初步判定具有燃爆危险性的粉体，一般通过对粉尘层(粉尘云)最低着火温度、最小点火能等参数的测定进一步表征粉体的危险性。粉尘层焖烧温度一般要低于粉尘云的着火温度，而且粉尘云最低着火温度受喷粉压力和粉体质量等因素影响。

应用粉体最小点火能表征粉体的引燃危险性，如果超过2 000 mJ的能量粉体未被引燃，证明粉体对于电气、静电环境的引燃危险性相对较低。

本文未对彩虹粉粉尘层(粉尘云)的最低着火温度进行测定，以自燃点结合初始分解温度代替。自燃点表征在无点火源的条件下粉尘燃烧的能力。初始分解温度的测定进一步分析了粉尘分解、燃爆机理，以及分解放热。因此自燃点以及热分解实验同样能对粉体的点火敏感性作出判断，同时通过热分析定量评估粉体的燃爆危险性。本实验应用固体物质相对自燃温度和RSD热分解温度表征粉体引燃的危险性，对于玉米淀粉二者表现稳定，于其他粉体也有一定的借鉴意义。粉体引燃危险性评估流程图如图5所示。

图5　粉体引燃危险性评估示意Fig5　Schematic diagram of ignition risk assessment of powder

4　彩虹粉抑爆实验及结果分析

根据粉尘爆炸发生的条件，可从粉尘源、氧环境和点火源3个方面控制预防粉尘爆炸的发生。工业上常用抑爆、阻爆和泄爆等方法来对粉尘爆炸进行控制和预防[11]。

实验从粉尘源入手，采用抑爆法，以着火敏感性最强的黄色彩虹粉的最小点火能为参照指标，点火能量固定为200 mJ，往黄色彩虹粉中添加不同比例相近粒径分布的食用盐，研究食用盐对彩虹粉的抑爆作用。实验结果如表2所示。

表2　抑爆实验数据

注：Y为点燃，N为不能点燃。本次实验每个量级均重复10次，本表只选取最终结果。

实验结果表明，添加2%～3%的食用盐，点燃粉尘云所需的点火能量为200 mJ及以上，远远高于不做抑爆处理彩虹粉的点火能量24 mJ；添加4%及以上比例的食用盐后，200 mJ的点火能不足以引燃粉尘云，由此可见，食用盐对彩虹粉的爆炸有抑制效果，且随着食用盐比例的逐渐增大，其抑爆效果越明显。

5　结论

1)堆垛状彩虹粉固体火焰传播危险性较低，但粉尘爆炸筛选实验表明粉尘云状态下的彩虹粉燃爆危险性很大。

2)实验测得彩虹粉的自燃点在250℃左右，存在较高的自燃危险性。

3)彩虹粉初始分解温度227℃，分解放热约为395.12 J/g，分解可产生挥发分和大量气体，很容易造成气粉混合爆炸，增大爆炸危险性。

4)彩虹粉的最小点火能在24～60 mJ之间，为一般着火敏感性粉尘。色素对粉尘云爆炸的影响不大，燃爆的主体为玉米淀粉，不同颜色的彩虹粉最小点火能的范围略有差别，但其随浓度变化的规律基本一致。

5)经实验测定，食用盐对彩虹粉燃爆有抑制效果，食用盐比例越大，抑爆效果也就越明显。

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