惰性粉体对蔗糖粉尘最小点火能的影响研究

覃小玲，李晓泉

(广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004)

0 引言

随着工业化进程的加速，粉尘爆炸事故时有发生，轻则破坏建筑和设备，重则造成严重的人员伤亡和财产损失。近些年来，国内外许多学者对于各类粉尘爆炸抑制方面进行了大量的研究。李亚男、谭迎新等[1-2]利用最小点火能装置研究了CaCO3和NH4H2PO4对金属粉尘爆炸的惰化作用，结果表明添加惰性粉体会增大金属粉尘的最小点火能，粒径越小抑制效果越明显；裴凤娟等[3]研究了NH4H2PO4，CaCO3，SiO23种阻燃剂对钛粉粉尘云着火温度的影响，实验结果表明NH4H2PO4的抑制作用最明显；黄子超等[4]通过20 L 球形爆炸试验装置对多种不同抑爆粉剂浓度及粒度条件下的瓦斯爆炸特性参数进行了测试，研究表明：抑爆剂浓度的变化会增大瓦斯的最大爆炸压力；覃欣欣和文虎等[5-6]研究了ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制效果，发现惰性粉尘浓度和爆炸性混合气体中的甲烷浓度对抑制效果有一定影响，当惰性粉体达到一定浓度时，瓦斯爆炸火焰被完全抑制，点火延迟时间越长，惰性粉体的抑爆效果越差；Jiang等[7-8]利用20 L球形爆炸测试装置分别研究了ABC粉末和NaHCO3对铝粉爆炸抑制的影响，结果表明ABC粉末对铝粉的抑制效果较好；王玉杰等[9-10]则研究了NaHCO3粒径的变化对铝粉火焰结构变化和火焰传播特性的影响，结果表明碳酸氢钠粉体能显著降低火焰强度，钝化火焰前端，其粒径越小，对铝粉火焰最大传播速度的抑制效果越好；Kordylewski[11]对NaHCO3和NH4H2PO4的惰化抑制功效进行了对比，发现NH4H2PO4粉末在惰化方面的效果优于NaHCO3，而在抑制爆炸方面则NaHCO3更有效;Enrico等[12]利用G-G炉测定面粉，乳糖，蔗糖，硫磺4种可燃粉尘添加石灰岩、干粉灭火剂混合物的最低着火温度和2种不同易燃粉尘混合物的最低着火温度，得出粉尘最低着火温度都随惰性物质的量增加而升高的结论。

蔗糖粉尘是蔗糖在生产加工过程中产生的伴生性粉尘，属于可燃性有机粉尘，当在受限空间内空气中悬浮的蔗糖粉尘达到一定浓度时，如果遇到足够能量的点火源，就会发生蔗糖粉尘爆炸事故，如2008年美国皇家糖厂发生了震惊世界的蔗糖粉尘爆炸事故，造成了大量的人员伤亡[13]，这突显了蔗糖粉尘爆炸抑制研究的重要性。NH4H2PO4作为ABC灭火器的主要成分之一，经过大量研究人员的研究发现，NH4H2PO4对于金属粉尘有显著的抑制效果，Al(OH)3作为无机阻燃添加剂不仅能阻燃，而且可以防止发烟、不产生滴下物和有毒气体，但二者对于蔗糖粉尘的抑制效果如何还未有相关的研究，此外，二者价格便宜、容易获取，因此研究NH4H2PO4和Al(OH)3对蔗糖粉尘的爆炸抑制影响将对蔗糖生产企业采取合理的防爆措施有一定的参考意义。

1 试样、测试装置和方法

1.1 样品处理

根据试验要求，购买了分析纯级别、含量不少于99%的Al(OH)3和NH4H2PO4，利用75～25 μm标准分样筛分别筛出25～37，38～47，48～74 μm 3种不同的粒径,蔗糖粉尘粒径为48 ～74 μm。所有样品在试验前均放入60 ℃的恒温干燥箱中干燥12 h，分别装入干燥瓶中保存。

1.2 试验装置

本试验采用HY16428A粉尘云最小点火能试验装置(1.2 L哈特曼管)对蔗糖粉尘进行惰化抑制试验。该装置主要由石英玻璃管、点火电极、以及喷粉系统3个部分组成，如图1所示。该测试装置具有体积小、易于拆卸、便于清理燃烧残留物、重复试验间隔时间短等优点，提供的点火能量范围为0.1～999.9 mJ。

1-石英玻璃管；2-电极；3-扩散器；4-钢套；5-底座；6-电极接头座；7-储气罐。图1 哈特曼管结构示意Fig.1 Structure schematic diagram of Hartmann tube

试验时，先将粉尘均匀分散在哈特曼管底部的伞形扩散器上，然后启动空气压缩机，试验开始后在压缩空气的作用下，粉尘分散在哈特曼管中，通过电极点火来测试粉尘云的最小点火能。点火电极位置位于哈特曼管垂直对称轴线上，离哈特曼管底部大约60 mm，若点火能量高于混合粉尘的最小点火能，混合粉尘就会出现剧烈的火焰燃烧现象，如果低于混合粉尘的最小点火能，则混合粉尘不发生着火现象。在试验中，若粉尘被引燃且火焰离开火花位置传播至少60 mm，则认为粉尘着火，否则，则认为粉尘未着火。所测得最小点火能Emin介于连续20次未着火的最大能量值E1和连续20次着火的最小能量值E2之间，即：E1

2 测试方法和原理

在研究NH4H2PO4和Al(OH)3对蔗糖粉尘的爆炸抑制试验中，根据团队之前的研究成果，0.5 g为蔗糖粉尘的敏感质量，且在此试验条件下最小点火能最小[15]。

设置喷粉压力为60 kPa，蔗糖粉尘质量为0.5 g，分别添加不同质量分数和粒径的NH4H2PO4和Al(OH)3，直至混合粉尘不再发生爆炸。测试混合粉尘的最小点火能就是扩散已知重量的混合样品粉末，使其在电极头的附近形成粉尘云，然后对样品粉末放电，通过仔细观察从电极头处开始传播的火焰来判断是否着火。火焰与电极头分离且火焰半径超过60 mm，就判定为试验粉尘被点燃[16]。

在试验时，分别对每一质量分数进行反复试验，点火能量从高能量开始试验观察。如果混合粉尘发生剧烈火焰燃烧或者火焰半径超过60 mm，则降低点火能量，并重复试验，如果在任意一个能量级别下无着火现象发生，则重复测试20次且无着火现象，那么这一能量级别则为添加该质量分数惰性粉体的最小点火能，改变惰性粉体的粒径并依次重复试验。为了避免电火花产生的淬火效应，电极间隙不应该小于2 mm，最佳的电极间隙是6 mm。

3 试验结果及分析

3.1 惰性粉体质量浓度对糖粉最小点火能的影响

试验选用粒径范围为48～74 μm的蔗糖粉尘0.5 g，粒径相同的NH4H2PO4和Al(OH)3，分别以混合粉尘总质量的5%为梯度添加到蔗糖粉尘中，并充分搅拌均匀。

图2是在试验条件为惰性粉体质量分数均为15%，点火能量为100 mJ，利用高速摄像机拍摄混合粉尘的火焰传播情况。分别选取相同时间间隔的图片作对比。

图2(a)中，添加Al(OH)3的混合粉尘被点燃后，火焰就迅速冲出管口，在125 ms时，喷到玻璃管上方的蔗糖粉尘云进一步燃烧，此时火焰强度最大，随着混合粉尘中的蔗糖粉尘浓度下降，燃烧逐渐减弱直至火焰熄灭。在图2(b)中，由于NH4H2PO4的分解温度比Al(OH)3低，混合粉尘被点燃后，NH4H2PO4受热吸收分解出氨气、水蒸气并生成惰性氧化物P2O5，有效地抑制火焰的传播，所以火焰传播的速度明显比图2(a)慢，生成物NH3被膨胀气体推向管口后与氧气混合，在管口发生轻微燃烧且在185 ms时火焰强度最大，之后管内由于P2O5和水蒸气的增加和氧气含量不足，使得火焰逐渐熄灭。将二者的燃烧火焰的传播情况进行对比，可以看出，在215 ms之前，图2(a)中火焰传播速度比图2(b)快且火焰强度达到最大的时间相对提前，在215 ms之后，由于图2(a)中的燃烧强度大，蔗糖粉尘颗粒逐渐燃烧完，火焰逐渐熄灭，图2(b)由于燃烧缓慢，且生成的NH3与氧气混合，具有一定的燃烧性，因此燃烧火焰比图2(a)明显。由此可以推断，当2种惰性粉尘在蔗糖粉尘中的质量分数达到15%时，NH4H2PO4对于阻碍火焰传播明显比Al(OH)3有效。

图2 利用高速摄像机拍摄的混合粉尘火焰传播的情况Fig.2 Propagation situation of mixed dust flame shot by high speed camera

试验结果发现，随着NH4H2PO4在蔗糖粉尘中的质量分数的增加，混合粉尘的最小点火能也随之增大，当NH4H2PO4的质量分数达到40%，连续点火20次，混合粉尘无法被装置提供的最高点火能量点燃，由此可以推断出，此时的蔗糖粉尘被完全惰化。混合粉尘的最小点火能也随着Al(OH)3的质量分数的增加而缓慢增大，当Al(OH)3的质量分数达到60%，连续试验20次，混合粉尘无法被装置提供的最高点火能量点燃，说明此时蔗糖粉尘被完全惰化。

图3是将添加不同质量分数的NH4H2PO4与Al(OH)3(二者粒径均为48～74 μm)对蔗糖粉尘最小点火能影响做了对比，从图3(a)中可以看出，分别在蔗糖粉尘中添加5%的NH4H2PO4与Al(OH)3，其混合粉尘的最小点火能相差不大，但添加NH4H2PO4的混合粉尘的最小点火能稍大于添加Al(OH)3的混合粉尘，但随着两者在蔗糖粉尘中质量分数的增加，NH4H2PO4对蔗糖粉尘爆炸的抑制作用明显增强。对2种惰性粉体使蔗糖粉尘完全惰化所需的质量分数作比较，如图3(b)中所示，添加40%的NH4H2PO4能使糖粉完全惰化，然而要添加Al(OH)3的质量分数达60%时，才能使糖粉完全惰化。因此可以推断NH4H2PO4对蔗糖粉尘爆炸的抑制效果比Al(OH)3好。

图3 不同质量分数的惰性粉体对蔗糖粉尘最小点火能的影响Fig.3 Influence of inert dust with different mass fractions on minimum ignition energy of sucrose dust

3.2 惰性粉体粒径对抑爆效果的影响

在试验过程中，设定喷粉压力为60 kPa，48～74 μm的蔗糖粉尘0.5 g，分别以5%的质量分数梯度在蔗糖粉尘中添加粒径为25～37，38～47 μm的NH4H2PO4和Al(OH)3，并充分搅拌均匀。

从图4(a)中可以看出，随着粒径的减小，在同一质量分数条件下，25～37 μm的Al(OH)3的惰化效果稍微比38～47 μm的好，当2种粒径的质量分数添加到60%时，连续点火20次，混合粉尘无法点燃，可以推断此时蔗糖粉尘被完全惰化。因此可以说明，Al(OH)3的抑制效果随着粒径的减小而增强，但最终使蔗糖粉尘完全惰化所需的Al(OH)3的质量分数与粒度无关。随着NH4H2PO4粒径的减小，在同一惰性粉体质量分数条件下，混合粉尘的最小点火能明显增大，随着NH4H2PO4质量分数的增加，随着惰性粉体粒径减小，使蔗糖粉尘完全惰化的质量分数也将减少，抑制效果最好的是粒径为25～37 μm的NH4H2PO4，总体情况说明了随着惰性粉体的粒径的减小，都能使混合粉尘的最小点火能有一定程度的增加，3种粒径的NH4H2PO4对蔗糖粉尘爆炸的抑制效果都比Al(OH)3显著。

从图4(b)中可以看出，3种粒径的Al(OH)3使糖粉完全惰化所需的质量分数相同，3种粒度的NH4H2PO4使蔗糖粉尘完全惰化的质量分数随着NH4H2PO4粉末粒径的减小而依次减少5%。因此可以说明惰性粉体粒径越小，惰化效果越好，综合上述分析，NH4H2PO4对糖粉爆炸的抑制效果总体上优于Al(OH)3。

图4 不同粒径的惰性粉体对蔗糖粉尘最小点火能的影响Fig.4 Influence of inert dust with different particle sizes on minimum ignition energy of sucrose dust

究其原因，是由于NH4H2PO4受热时发生的反应是吸热反应且分解温度低[17]，容易发生如下所示的化学分解：

(1)

(2)

(3)

(4)

在NH4H2PO4的分解过程中生成氨、水和磷酸等产物吸收了一部分点火能，分解产物P2O5属于一种惰性氧化物，容易附在蔗糖粉尘颗粒的表面，使点火能量向蔗糖粉尘颗粒传递受阻，从而使得糖粉不易被点燃。随着蔗糖粉尘中添加的NH4H2PO4的质量分数越来越大，需要点燃混合粉尘的点火能量就越大，当质量分数到达一定量时，混合粉尘将不会被点燃。随着NH4H2PO4粒径的减小，其比表面积就越大，对蔗糖粉尘颗粒的包围吸附作用就越强，使得混合粉尘越难发现燃烧现象。另外，NH4H2PO4的粒度越小，吸收热量就更多，加热分解就越快，分解产物就会越多，从而对蔗糖粉尘的惰化抑制效果就越显著。

Al(OH)3是应用广泛的一种无机阻燃添加剂，主要添加在一些塑料、橡胶、建材等制品中以提高其耐火性。Al(OH)3在200 ℃左右开始缓慢分解出水蒸气[18]，分解形式如式(5)所示：

(5)

在哈特曼管中，由于混合粉尘着火时间较短，还未使Al(OH)3发生大量的分解，混合粉尘就燃烧结束，因此Al(OH)3对蔗糖粉尘爆炸的抑制作用主要依靠其物理特性，Al(OH)3颗粒粘附在糖粉颗粒表面，影响了蔗糖粉尘颗粒与氧气的接触，使得颗粒之间的能量传递受阻，从而提高了混合粉尘的最小点火能。

4 结论

1)NH4H2PO4和Al(OH)3都对蔗糖粉尘爆炸有一定的抑制作用，随着二者在蔗糖粉尘中的质量分数的增大，混合粉尘的最小点火能均随之增大，但NH4H2PO4的惰化效果更明显。

2)当NH4H2PO4(粒径分别为48～74，38～47，25～37 μm)的质量分数分别达到40%，35%，30%，3种粒径的Al(OH)3的质量分数达到60%时，质量为0.5 g的蔗糖粉尘被完全惰化，不能被装置所提供的最大点火能点燃。

3)NH4H2PO4是一种有效的惰化剂，粒径越小，使蔗糖粉尘完全惰化所需的质量分数越小。在蔗糖粉尘中加入少量的NH4H2PO4能有效提高蔗糖粉尘的最小点火能，从而实现降低蔗糖粉尘爆炸的危险性。