超细三七粉最小引燃温度实验研究*

张睿冲 张明坤 刘炜 谢承煜

(1.广西大学资源环境与材料学院 南宁 530004； 2.湘潭大学环境与资源学院 湖南湘潭 411105)

0 引言

三七是一种应用广泛而且使用量巨大的中药材，具有活血化瘀、滋补等功效，三七一般以粉末形式使用。三七粉的加工经历了从机械粉碎到超高压气流粉碎的加工过程。三七粉的粒径从几十微米到超细的几微米，随着加工工艺的进步将逐步被加工成纳米级的粉尘。目前，针对三七粉着火温度的研究鲜见报道，而其它可燃粉尘在合适的温度条件下可能出现火灾爆炸，造成人员和财产损失。对粉尘最小引燃温度一般研究粉尘云或粉尘层的引燃温度，文献[1-15]对于粉尘云及粉尘层的研究主要在：①粉尘的影响因素，如浓度、粒径、喷粉压力、堆积厚度等；②可燃粉尘的惰化研究，惰化剂如石灰石、灭火剂、SiO2等。同时由以上文献得出，粉尘最小引燃温度的研究对象主要在可燃金属粉尘如镁、铝、钛、锰等；可燃有机粉尘如木粉、面粉、玉米粉、石松子粉、乳糖、蔗糖、聚苯乙烯等；可燃无机粉尘如硫化矿尘、硫磺、煤粉等。在前人研究粉尘的基础上对三七粉的最小引燃温度进行实验研究，通过研究对在三七粉的生产、储存、运输中预防粉尘火灾减少损失具有借鉴意义，也是对粉尘火灾爆炸研究的一种有益补充。

1 实验

1.1 实验装置

粉尘云引燃温度测试装置为G-G炉，如图1所示。粉尘的质量从0.01、0.02、0.03、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、1 g中选取，喷尘压力从2、3、5、10、20、30、40、50、60 kPa中选取，将不满足10次未出现着火的最低温度记为粉尘云引燃温度，将某一粒径在不同质量浓度下测得的最低值记为粉尘云最小引燃温度。

图1 粉尘云最小引燃温度实验装置

粉尘层引燃温度测试装置如图2所示。三七粉粉尘层选取厚度为5、12.5、15 mm的金属环进行实验。将着火的最小设定温度记为粉尘层最小引燃温度。

图2 粉尘层最小着火温度实验装置

1.2 原料与实验环境

以由广州某粉体加工企业提供的三七粉作为实验样品，样品的粒径分布、电镜样图如图3、图4。

图3 三七粉的粒径分布

图4 三七粉的电镜样图

在实验室湿度为40%～60%、温度为25～35 ℃的情况下进行实验，三七粉在实验前进烘箱60 ℃下干燥24 h。

2 结果与分析

不同质量、压力下三七粉的最小点燃温度见表1。

表1 不同质量、压力下三七粉的最小点燃温度 ℃

2.1 喷尘压力对三七粉尘云的影响

取三七粉质量0.2 g到0.6 g，由加热炉容积为0.22 L可求得三七粉质量浓度约为910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3，将喷尘压力依次设为20、30、40、50、60 kPa，由表1中，质量为0.2 g、0.3 g的三七粉在不同压力下所对应的最小引燃温度如图5、图6。

图5 质量0.2 g,不同喷尘压力下三七粉尘云的最小引燃温度

图6 质量0.3 g,不同喷尘压力下三七粉尘云的最小引燃温度

由图5可知，粒径分布相同的三七粉，当质量为0.2 g时，粉尘云引燃温度随着喷尘压力的增加先减小再增加。在20 kPa到30 kPa这个阶段，随着喷尘压力的增加，会把粉尘发散成更加容易燃烧的粉尘云，引燃温度应当降低；而在40 kPa到60 kPa这个阶段，随着喷尘压力的增加，有部分粉尘直接沿筒壁被吹出，导致有效发散的粉尘减少，燃烧的粉尘云减少，同时带入更多冷空气，使加热炉内的温度下降到低于设定温度的值，此外，三七粉颗粒因受到更强的吹力，运动速率加大，在加热炉内停留时间缩短，更加不易被引燃，故引燃温度应当升高。

由图6可知，粒径分布相同的三七粉，当质量为0.3 g时，粉尘云引燃温度随着喷尘压力的增加而增大。主要原因是：①三七粉是轻质纤维粉尘，质量0.3 g及以上时，喷吹压力从20 kPa升到60 kPa时，三七粉尘的体积在容积空间已固定的粉尘云点燃装置中都无法有效发散；②随着喷吹压力的增加，三七粉尘更是以抱团的形式沿着加热壁用更快的速度、更少的时间通过恒温热壁。

通过观察也证实随着质量和喷吹压力的增大，三七粉尘确实无法有效发散，即使着火也是星点状的火团，见图7。

图7 三七粉尘云燃烧时的星点状的火团

2.2 质量浓度对粉尘云影响

实验时，设定喷粉压力分别为20、30、40、50、60 kPa，质量从0.2 g增加到0.6 g的粉尘进行最小引燃温度实验。由于加热炉容积为0.22 L可求得各三七粉质量浓度分别约为910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3， 经多次重复实验，找出对应条件下粉尘云最小引燃温度。质量浓度对粉尘的影响分2种情况，喷吹压力从20 kPa到30 kPa时，三七粉尘云引燃温度随质量增大先减小后增大；喷吹压力从40 kPa增加到60 kPa时，三七粉尘云引燃温度随质量增大而增大。

当喷尘压力固定为30 kPa时，随着三七淀粉质量浓度的增大，三七粉尘云引燃温度先减小后增大，见图8。在表1中，压力为20 kPa 、30 kPa时，三七粉质量浓度较低时，单位质量的粉尘颗粒放热量也较小，三七粉颗粒间距大，当质量从0.2 g增加到0.3 g，燃烧的颗粒产生的热量传到非燃烧颗粒的减少，所以0.2 g三七粉的引燃温度比0.3 g的要高。当三七粉的质量从0.4 g增加到0.6 g时，当质量浓度大于最佳质量浓度时，继续增大三七粉质量浓度时，可能是：①没法有效发散成均匀的粉尘云，过多的三七粉以抱团、大颗粒的形式通过恒温筒；②有机粉尘燃烧首先要吸热分解，而过多的三七粉同时吸热降低了恒温筒内的温度；③增大三七粉质量浓度使氧气含量相对不足，致使有效参与反应的三七粉颗粒减少。这几种原因导致三七粉尘云无法形成最均匀粉尘云及最佳浓度，从而造成引燃温度增大。

图8 30 kPa时三七粉尘云最小引燃温度随质量变化

在表1中，当压力为40 kPa、50 kPa、60 kPa时，三七粉的质量从0.2 g增加到0.6 g时，三七粉尘云引燃温度随着质量增大而增大。主要原因是三七粉无法有效发散，在喷吹压力下压着壁面向下落，加之三七粉放热量较小，很难形成立方体的粉状均匀燃烧，更多是出现点状燃烧，见图9。

图9 5 mm厚三七粉粉尘层着火燃烧的情况

2.3 粉尘厚度对三七粉尘层的影响

根据实验结果，不同厚度三七粉尘层最小引燃温度如图10所示。

图10 三七粉厚度与最小引燃温度的关系

由图10可知：在5 mm到15 mm的范围内，随着厚度的增加，三七粉的着火温度降低，最低为240 ℃,厚度大于15 mm后三七粉粉尘层的着火温度趋同。三七粉粉尘层薄的时候，由于重力的作用，粉尘和加热壁的接触不够紧密，存在大小不一的泡状空气空隙，泡状空气空隙起到隔热的作用；粉尘层薄无法储存氧化产生的热量，故无法维持进一步的燃烧，所以最小着火温度较大；三七粉粉尘层的厚度增加时，在重力的作用下，粉尘和加热壁的接触更加紧密，同时氧化产生的热量能够有效保存，很好地维持进一步的燃烧。存在某一厚度，此时恰好能封住氧化产生的热量，这热量能够维持燃烧继续，所以粉尘厚度超过某厚度后最小点燃温度就保持不变。厚度超过15 mm后，随着粉尘层厚度的增加三七粉的最小着火温度趋向相同值240 ℃。

3 结论

(1)随着压力从20 kPa增加到60 kPa，质量为0.2 g时随着压力的增大，三七粉尘云最小引燃温度先减小后增加；质量从0.3 g到0.6 g，随着压力的增大，三七粉尘云最小引燃温度增加；三七粉尘云的最小引燃温度为399 ℃。

(2)喷吹压力为20 kPa、30 kPa时，随着质量从0.2 g增加到0.6 g，三七粉尘云最小引燃温度先减小后增大；喷吹压力40 kPa增加到60 kPa时，随着质量的增大三七粉尘云最小引燃温度增大。

(3)三七粉尘层最小引燃温度低于三七粉尘云最小引燃温度，三七粉尘层的最小着火引燃温度为240 ℃。