氯化钠对蔗糖粉尘最小点火能的影响研究

王菲，李晓泉，梁乐乐，覃小玲，覃思妙

(广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004)

0 引言

蔗糖生产过程中的振动过筛、提升、输运和包装等环节将产生大量易燃易爆的糖粉，悬浮在空气中形成一定浓度的粉尘云，在有明火且氧浓度适宜条件下有可能发生粉尘爆炸，后果严重。据统计，约有14 %的粉尘爆炸事故由电气火花和静电所致，这些着火源能量可高达1 J[1]，而很多纳米级可燃粉尘的最小点火能低于1 mJ[2]。实际生产过程中潜在的着火源众多且无法完全消除[3]，为减小粉尘爆炸发生的几率与危害程度，在有爆炸可能性时及时添加惰性粉末，可降低可燃粉尘的着火敏感度、抑制爆炸发生或使爆炸终止以降低损失。添加惰性粉末能在一定程度上提高可燃粉尘的最小点火能，常用的惰性粉末有磷酸二氢铵、碳酸钙、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛等，惰化抑爆机理一般分为化学作用和物理影响，惰性粉末在系统中有吸热、稀释、隔绝热辐射、改变初始湍流以及限制氧扩散的作用，使可燃的微米级金属粉尘、玉米粉、碳粉最小点火能超过1 000 mJ，着火敏感度极低[4-8]。参考英国标准电气规范“Code of practice for control of undesirable static electricity—Part 1: General considerations”(BS 5958-1：1991)，基于最小点火能的可燃粉尘着火敏感度等级划分见表1。

表1 基于最小点火能的可燃粉尘着火敏感度等级

当前对降低粉尘着火敏感度的实验研究主要集中于煤粉、金属粉尘，较少涉及蔗糖粉尘。笔者在前期取得的蔗糖粉尘爆炸参数基础上，按照一定比例添加不燃、吸热性强且无毒的固体氯化钠粉末，在1.2 L Hartmann装置中进行试验研究氯化钠浓度、粒径对蔗糖粉尘的抑爆作用，旨在考察氯化钠对降低蔗糖粉尘着火敏感度的效果，以期为指导蔗糖行业的安全生产工作提供参考。

1 实验

1.1 实验装置

笔者选用HY16428A粉尘云最小点火能实验装置(1.2 L Hartmann管)进行实验(图1)。该装置符合“Standard test method for minimum explosible concentration of combustible dusts”(ASTM E 2019-2003)和“Electrical apparatus for use in the presence of combustible dust——Part 2: Test methods——Section 3: Method for determining minimum ignition energy of dust/air mixtures”(IEC 61241-2-3：1994)对粉尘云最小点火能的测试要求。该装置结构主要包括扩散系统和点火电极，扩散系统由上部的1.2 L石英玻璃管和下部扩散器组成。

1.1.2 L石英玻璃管；2.点火电极；3.扩散器；4.铜套；5.底座；6.点火电极接头座；7.储气罐

1.2 实验样品

实验选用粒径为48～75 μm蔗糖粉末，氯化钠为惰性介质。氯化钠经机械粉碎后筛分为3组，粒径分别为37～47、48～75、75 μm。实验前将样品置于常温干燥箱中干燥12 h，后装入密封瓶中保存备用。

1.3 实验方法及原理

实验前，空气压缩机充压至0.8 MPa，样品称量、混合后均匀铺设在伞形扩散器边缘。实验过程中，压缩空气经进气阀充入储气罐，电磁阀动作使压缩空气按照设定的分散压力从扩散器底部气口喷出，粉尘即被压缩空气带起在管内形成粉尘云，达到设定的延迟时间后电极点火。实验中观察管内的火焰传播情况，若火焰传播高度大于5 cm，则判定为着火，否则认为未着火。实验应从高点火能量开始测试，如果着火，则逐渐降低点火能量进行测试，直至某一点火能量下连续20次均未着火，此时该能量即为粉尘在此浓度下的最小点火能。

粉尘在Hartmann管中扩散燃烧过程如下：粉尘颗粒被压缩空气带起，在管中扩散形成气相粉尘云。按照气相点火机理，糖粉颗粒表面通过热传导和热辐射从电火花产生的高温火源获得能量，颗粒表面温度急剧升高，达到粒子蒸发温度后形成可燃蒸汽，与空气混合后遇热发生剧烈氧化反应。粉尘燃烧初期，中心点开始燃烧并形成层流火焰面。火焰热流面通过热传导使邻近的低温气层受热，预热区的粉尘云层也受热燃烧并形成新的火焰面。另外，反应区内燃烧粒子相继熔融气化，放出的热量即成为周围未燃烧粒子的点火源，燃烧范围因此扩大。由此可知，只要降低反应区内粉尘颗粒的温度[9]，或阻隔颗粒表面的传热传质[10]，延缓或隔断火焰面的传播，燃烧火焰就无法维持。氯化钠在抑制火焰发展的过程中表现为物理惰化抑爆作用：

① 气相湍流使氯化钠附着于糖粉颗粒表面，而流体中颗粒粒径以及惯性的增大在一定程度上导致湍流的耗散，原定的气体分散压力已不足以使粉尘云均匀分散，从而导致火焰传播困难，表现为混合粉尘最小点火能的提高；

② 不可燃的氯化钠阻止氧气向糖粉颗粒表面扩散，同时具有屏蔽辐射热的作用；

③ 管内分散的粉尘云中同时存在氯化钠与糖粉颗粒，氯化钠起到稀释和屏蔽的作用：一方面，稀释糖粉颗粒四周氧浓度，导致糖粉颗粒在低氧中燃烧不完全[6]，化学能无法充分释放，火焰传热效率被降低；另一方面，分散的氯化钠形成温度相对较低的“屏障”，有效削弱燃烧颗粒的辐射热，并极大降低火焰前沿的热传导速率及火焰速度，同时吸收系统燃烧放出的热量，影响火焰正常传播；

④ 氯化钠破坏粉尘云的均匀性，改变颗粒的沉降速度，从而影响混合粉尘云的可燃性，影响其最小点火能[8]。

1.4 实验结果分析

本课题组前期的研究结果表明[11]，417 g/m3为蔗糖粉尘云的敏感浓度。笔者主要研究蔗糖粉尘处于敏感浓度以及小于敏感浓度情况下，氯化钠的含量和粒径对蔗糖粉尘最小点火能的影响。

1.4.1 氯化钠的浓度对蔗糖粉尘云最小点火能的影响

氯化钠质量分数对混合粉尘云最小点火能的影响如图2所示。氯化钠的粒径为48～75 μm，分散压力为60 kPa，扰动指数tv=90 ms;蔗糖粉尘的理论质量浓度分别为250、292、333、375、417 g/m3。实验前将蔗糖粉末与氯化钠按不同比例均匀混合，分别测出不同比例下混合粉尘的最小点火能，实验数据见表2。

图2 氯化钠质量分数对混合粉尘云最小点火能的影响

表2 氯化钠-蔗糖混合粉尘云最小点火能

由表2与图2可知，一定浓度的氯化钠粉末可以有效抑制蔗糖粉的燃烧。

分析表2数据可知，氯化钠对蔗糖粉尘的抑爆作用主要和氯化钠与蔗糖粉尘两者比例有关，混合粉尘的最小点火能随氯化钠粉末所占比例的增加而显著提升。对粒径同为48～75 μm的蔗糖粉和氯化钠粉末，惰化抑爆程度达到40 %时，混合粉尘的最小点火能超过1 000 mJ，由表1知混合粉尘着火敏感度等级为极低敏感度，意味着燃烧已被完全抑制，蔗糖粉尘被完全惰化。混合粉尘中蔗糖所占比例越大，混合粉尘的最小点火能越低，如蔗糖粉尘浓度为250 g/m3，氯化钠含量为30 %时，混合粉尘的最小点火能超过1 000 mJ;而当蔗糖粉尘浓度为292 g/m3，氯化钠含量同为30 %时，混合粉尘的最小点火能仅为648.5 mJ。由此可推测，蔗糖粉尘浓度越高，其燃烧越难被抑制。

结合以上分析可知，氯化钠浓度的增加使其在糖粉尘颗粒上的附着力及附着量增大，具有较强的吸热及阻氧能力。因此，氯化钠在混合粉尘中比例越高，惰化抑爆效果越好。当蔗糖粉尘浓度较小时，糖粉颗粒在分散时具有较大离散间距，颗粒间传热距离增加，火焰传播难度较大，此时只需更少量的氯化钠就可完全抑制其燃烧。随着蔗糖粉尘浓度的增大，颗粒间距缩小，传热、传质的效率提高，其燃烧后可释放更多热量，所以蔗糖粉尘浓度越高，若要完全抑制燃烧，氯化钠在混合粉尘中所占比例需更高。

分别对表2中五组数据进行拟合，得到最小点火能随氯化钠浓度的增大而增加的拟合函数，并从中获得最小点火能EMIE等于1 000 mJ时的氯化钠浓度，结果见表3。

表3 混合粉尘云最小点火能关于氯化钠浓度的拟合结果

采用点火能等于1 000 mJ时的相关数据进行拟合，得到如图3线段，拟合度R2=0.999 6，拟合效果很好。拟合函数为

图3 最小点火能等于1 000 mJ时蔗糖粉尘浓度与氯化钠浓度的关系

Cs=1.171 7Ci+105.48，

(1)

式中，Cs为蔗糖粉尘浓度，取250～417 g/m3；Ci为氯化钠浓度，g/m3。

结合表3与图3的结果分析可知前述推测是正确的，即在一定范围内，对粒径同为48～75 μm的蔗糖粉和氯化钠粉末，蔗糖粉尘浓度越高时，氯化钠在混合粉尘中所占比例需更高才能使燃烧被完全抑制。上述拟合函数所对应的线段可用于确定燃烧被完全抑制时混合粉尘中蔗糖粉末与氯化钠之间的比例，Cs与Ci成线性关系。线段右侧的氯化钠浓度足以完全抑制燃烧，而线段左侧的氯化钠浓度还未能完全抑制蔗糖粉的燃烧。

1.4.2 氯化钠的粒径对蔗糖粉尘云最小点火能的影响

在1.4.1实验的基础上，固定蔗糖粉尘浓度为417 g/m3，增加另两组的氯化钠进行对照实验，考察氯化钠的粒径分别为37～47、48～75、>75 μm时，其对蔗糖粉尘云最小点火能的影响。实验结果如图4。

图4 氯化钠粒径对蔗糖粉尘云最小点火能的影响

由图4可知，氯化钠的粒径小于75 μm时，自身的粒径对燃烧反应的抑制效力影响不大，浓度达到277.5 g/m3(质量分数40 %)可使混合粉尘的最小点火能大于1 000 mJ。但当其粒径大于75 μm后，惰化抑爆效果变差，浓度需达到972.2 g/m3(质量分数70 %)时才能使混合粉末点火能大于1 000 mJ。总体而言，当混合粉末中氯化钠浓度一定时，氯化钠的粒径越小，对蔗糖粉尘云的最小点火能影响越大。

混合粉尘中添加的小粒径氯化钠吸热灭焰效果更好，可有效降低粉尘的着火敏感度。大量研究干粉抑制可燃气体爆炸、粉尘爆炸的结果均表明[12-13]，惰性粉末的粒径越小，粒度越细，对燃烧爆炸的抑制效果越好。混合粉尘云作为气溶胶，其分散相氯化钠颗粒对燃烧产生的热量有散射和吸收作用，氯化钠表面的散射和内部的吸收作用共同削弱燃烧火焰产生的辐射热，其比表面积随粒径减小而增大，比表面积越大，散射表面增多因而散射作用增强，单位质量的吸热面积也随比表面积增大而增大，故相同质量分数的氯化钠，粒径越小所吸收的热量更多，因此惰化抑爆效果更好。

在Hartmann管中分散的粉尘云，颗粒在扩散中各种动力作用下发生碰撞、凝并，颗粒的沉降速度、扩散系数等特性参数均与其粒径大小相关。佩克莱数(peclet number，简称Pe数)可表示气固两相运动中颗粒相的扩散程度大小，用字母P表示。P值越小，扩散作用越明显[14]。

(2)

式中，D为气溶胶粒子的扩散系数，m2/s;v为气流流速，m/s;dp为颗粒直径，D与dp大小成反比。

由式(2)可知，在气流流速一定时，颗粒直径dp越小，粒子扩散系数D越大，扩散越明显。小粒径的氯化钠扩散程度更强，与蔗糖粉颗粒有更大几率碰撞并附着，随着氯化钠粒径的增大，其单颗粒体积和密度增大，从而沉降速度提高，在点火头处停留时间较短，其中一些颗粒难以附着于蔗糖粉尘颗粒表面以阻碍氧气的传播，而另一些无法在蔗糖粉燃烧的湍流火焰周围适时形成悬浮颗粒以阻止热量传播。由此，氯化钠颗粒的粒径越小，所能达到的惰化抑爆效果就越好。

2 结论

① 添加氯化钠后，蔗糖粉尘着火敏感度降低，随着氯化钠浓度增加，混合粉尘的最小点火能显著提升。这说明氯化钠可作为蔗糖粉的有效惰化剂，且含量越多，惰化抑爆效果越好。

② 对不同浓度的蔗糖粉尘，燃烧被完全抑制时所需氯化钠的质量分数也不同。蔗糖粉尘浓度越高时，氯化钠对蔗糖粉燃烧的抑制效果越差，氯化钠在混合粉尘中所占比例需更高才能使燃烧被完全抑制。

③ 对粒径小于75 μm的氯化钠，浓度达到277.5 g/m3可使混合粉尘的最小点火能大于1 000 mJ；而当氯化钠的粒径大于75 μm，浓度升至972.2 g/m3才可使混合粉尘最小点火能大于1 000 mJ。以上结果可说明氯化钠的粒径越小，对蔗糖粉尘燃烧的惰化抑爆效果越好。

④ 氯化钠粉末在蔗糖粉燃烧的发展中的物理抑制作用主要表现：改变初始湍流、屏蔽热辐射、阻碍热传导及影响粉尘云的均匀程度。这缩小了火焰的预热区，改变火焰传播速度，阻碍了燃烧的发展。