粮食粉尘燃爆特性及防控措施研究进展

梁瑞，李雷，李珍宝，孙雯倩，梁秋悦

(兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

粮食淀粉是常见的工业粉体原料，因其来源广泛、价格低廉且含有接近80%的碳水化合物，在食品加工、医药制造和合成材料等工业生产中应用广泛。以玉米淀粉为例，2019年我国消费量达 272 6万t，较往年同比增长2.2%[1]。粮食粉尘加工、输送和存储过程容易形成粉尘云悬浮在空气中，一定浓度条件下遇到电火花等微小火源容易引起爆炸事故。2017年5月31日美国威斯康星洲Didion玉米磨粉厂发生爆炸，事故造成5名工人死亡，另有12人受伤[2]。分析其事故原因为空气除尘器进风管破损，内部的已燃玉米粉尘散布在空气中，导致进风管中的火焰喷出。2010年2月24日，我国秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司发生淀粉粉尘爆炸事故，该事故导致21人死亡、47人受伤，直接经济损失 1 773 万元[3]。分析事故原因发现，是工人在清理平台时造成了扬尘，空间内产生了局部粉尘云，使用的铁质工具产生了机械撞击和摩擦火花，引燃粉尘云导致爆炸事故，产生的爆炸冲击波扬起地面淀粉积尘，引起二次爆炸。

从以上事故可以看出，粮食淀粉是一种具有燃爆特性的粉尘，且爆炸会产生严重的后果。由于粮食粉体应用广泛且安全性易被人忽视，因此，研究粮食粉尘燃爆特性，探究其燃爆机理和爆炸冲击波传播过程，采取相应的防控措施对保护人民生命财产安全具有现实意义。

1 粮食粉尘燃爆特性研究方法

与其他可燃性粉尘不同，粮食粉尘含有大量的有机物，单位质量下，其燃烧释放的热量要大于TNT炸药。粮食粉尘中位粒径d50分布在22～33 μm之间，比表面积较大，与空气的接触面积大，粮食粉尘爆炸危险性强[4]。由于不同粮食粉尘有机物含量不尽相同，其爆炸破坏程度有所区别。一般采用实验研究和数值模拟的方法，定量分析不同粮食粉尘燃爆特性参数。

1.1 实验研究方法

燃烧爆炸特性参数是直观反映粉尘燃爆难易程度及猛烈程度的重要参数，按照其功能的不同可分为两类：一类为燃爆敏感度参数，主要包括粉尘云最低着火温度、粉尘云最小点火能以及爆炸极限等；另一类为爆炸烈度参数，包括最大爆炸压力、最大升压速率和爆炸指数。利用实验研究方法的直观性，通过改变粉尘本身参数(粉尘云浓度、粒径等)或外界条件(环境温/湿度、喷粉压力、点火能量等)，可以探究上述特性参数的变化规律，测试装置一般选择国内外通用的哈特曼管、Godbert-Greenwald恒温炉和20 L爆炸球测试系统等。另外，研究者也会基于自身的研究目的设定特殊的实验条件或搭建相应实验平台，以探究该条件下粉尘爆炸特性及火焰传播特性的变化。

在粮食粉尘燃烧方面，谢恬等[5]研究了5种不同粒径的玉米淀粉粉尘云着火特性，发现随着粒径的减小，玉米淀粉的燃烧速率、着火温度、着火特征指数和着火延迟时间等参数均有不同程度的变化；Zhang等[6]在半封闭的垂直管道中研究了三种不同粒径的玉米淀粉在火焰反应区和预热区的结构变化，发现粉尘粒度与反应区和预热区的厚度之间存在正相关性，并且粉尘的燃烧速率和燃烧时间也受到粒度分布的影响；Han等[7]利用分支结构的Hartmann管研究了玉米淀粉燃烧火焰传播以及粉尘云运动过程，发现分支管的内燃能降低粉尘爆燃的速度，并且火焰速度随分支横截面积的增加而降低；Zhang等[8]制备六种氮/空气比混合物作为火焰传播的气氛，研究低氧气含量对淀粉粉尘爆燃火焰行为的影响，发现低氧气环境下火焰加速过程减慢，燃烧区的火焰发光强度降低。由于粉尘火焰传播过程是粉尘云由点火向爆轰发展的重要阶段，因此对于粮食粉尘火焰传播特性进行研究可为其爆炸的预防提供科学的指导[9]。

在粮食粉尘爆炸方面，陈默等[10]利用长为 32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道研究玉米淀粉空气两相流的爆炸过程，探究了不同浓度时混合物的燃爆情况，测得玉米淀粉/空气混合物的爆炸临界浓度上限为689 g/m3，下限浓度为459 g/m3；张睿冲等[11]研究了不同作用因素对木薯淀粉粉尘的爆炸的影响，发现随着点火延迟时间、粉尘云浓度、喷吹压力等的增大，粉尘爆炸压力先增大后减小，经过计算，木薯淀粉粉尘爆炸指数接近St2级；Zhang等[12]在密闭空间内测定了玉米淀粉/空气混合物的爆炸参数，发现点火延迟时间从60 ms增加到 80 ms，爆炸压力和压力上升速率会略有增加，而在超过80 ms时会降低。

由此可见，对于粮食粉尘的燃爆特性参数的测定均是通过改变粉尘自身实验参数或外界条件来确定的，利用不同实验条件下的结果能够定量分析粮食粉尘燃爆难易程度及猛烈程度，对实验数据的分析可为粮食粉尘燃爆数值模拟的条件设置、防爆抑爆措施的建立以及行业标准的制定提供数据支持。

1.2 数值模拟研究方法

爆炸特性参数的实验研究容易受到外界环境、物质本身特性及实验设备误差等的干扰，会出现实际所测数据不准确的情况，使实验研究的开展造成一定的限制。计算流体力学的快速发展，使得计算机数值模拟在粉尘燃爆研究方面得到了广泛应用，且数值模拟可构建复杂气相、温度和压力条件下的粉尘燃爆情况，这是实验研究无法比拟的。同时，数值模拟结果可与实验测得的数据进行比较，对数值模拟建模、实验前期条件设置提供相应的指导。

王健[13]采用EBU-Arrhenius模型研究了玉米/土豆淀粉分子燃烧反应，解决了前人计算湍流燃烧反应速率不合理的问题，提高了模拟精度，并利用CFD软件FLURNT分别对1 m3密闭容器粉尘爆炸过程、9.63 m3容器泄爆过程和管道中火焰传播过程进行数值模拟，得到的模拟数据与实验数据进行校验，获得了淀粉爆炸的相关实验参数；Serrano等[14]通过实验研究和CFD模拟的方法，评估20 L球形爆炸测试系统中小麦粉尘爆炸的测试结果，发现团聚/解团聚现象会对实验结果产生影响；Wang等[15]利用受限空间下的FLURNT软件建立了20 L爆炸球的综合二维模型，研究模型中高温条件下玉米淀粉云爆炸特性的流体动力学和热化学转化，并将特征化的脱挥发分和爆炸时间用于分析粉尘爆炸行为和火焰传播特性；Chen等[16]使用FLURNT软件对露天场所玉米淀粉粉尘爆炸过程进行模拟，重点研究了火焰传播和粉尘颗粒瞬态运动，发现爆炸过程中玉米淀粉粉尘云的膨胀速度的变化滞后于火焰速度的变化。

综上所述，目前对于粮食粉尘燃爆的数值模拟多采用二维数值模拟，模拟结果能够很好地反应出复杂耦合过程中温度、压力、气流和火焰传播等的瞬时变化情况，对流场数据的分析可以得到燃爆发生的初始阶段、中间阶段和最终阶段的基本规律。但为减少计算量，研究人员往往会简化数学模型，忽略粉尘颗粒的相互作用，简化燃烧反应的步骤，这使得数值模拟的建模可能会与实际情况有所偏差。因此，对于粮食粉尘燃爆过程的数值模拟建模有待优化。

2 粮食粉尘燃爆机理及爆炸冲击波传播研究

2.1 粮食粉尘燃爆机理研究

一般认为，粮食粉尘的燃烧以气-固两相燃烧为主[6]。淀粉的主要构成是碳水化合物，其燃烧过程可分为以下四个阶段：失水阶段(<120 ℃)、过渡阶段(120～260 ℃)、快速氧化阶段(260～410 ℃)和焦炭燃烧阶段(410～530 ℃)[17]。

粮食粉尘具有很强的吸湿性，燃烧反应发生时，首先是粉尘颗粒表面上的水分蒸发，该过程粉尘颗粒的化学性质没有发生变化；过渡阶段主要是淀粉分子受热逐步解聚，解聚过程首先是直链淀粉α-1，4-糖苷键断裂形成链状小分子结构或者单个葡萄糖分子，受高温作用，葡萄糖分子上的C1、C6号位脱羟基形成左旋葡聚糖以及水。由于支链淀粉的一、二级结构为枝叉结构，相较于直链淀粉稳定性更好，其在过渡阶段后期进行上述解聚反应；在快速氧化阶段，由于热效应使得颗粒分解出挥发分(主要成分为CO、H2、CH4和CH3OH)，这些挥发分与空气中的氧气反应，在颗粒表面附件形成有焰燃烧。火焰的热辐射效应对颗粒进一步加热，造成挥发性物质的大量产生，加速氧化进程。当挥发分燃烧殆尽时，空气中的氧气向颗粒表面扩散，焦炭开始燃烧，直至结束。而当一定空间内的氧气含量充足、粮食粉尘氧化速率持续增长，粉尘有可能会形成爆炸灾害。爆炸产生的冲击波和高温气体向外部空间传播，造成人员伤亡和设备损坏。另外，当空间内积聚的压力过高时，粉尘颗粒很有可能由爆炸转变为爆轰。

2.2 爆炸冲击波研究

爆炸冲击波是爆炸事故造成伤害的主要方式，其产生的火焰波锋面温度很高，会直接灼伤人体皮肤并且引燃其他粉尘，产生的超压损伤人体内脏并且破坏生产设备。因此，研究爆炸冲击波的作用方式及危害特点至关重要。对于粉尘爆炸冲击波的传播一般可划分为两个阶段：第一阶段是粉尘燃烧阶段，粉尘云与空气混合物产生火焰的加速传播与前驱冲击波叠加形成爆炸；第二阶段主要是第一阶段产生的爆炸空气波在空间内传播[18]。

粉尘爆炸过程会产生爆炸冲击波超压传播，当粉尘发生燃烧时会产生一个类球形火焰锋面，随着扩散燃烧反应的进行，使火焰锋面继续向未燃粉尘传播，反应生成的气体受到高温作用的影响继续膨胀，推动未燃粉尘向前运动。由于障碍物的阻挡作用，使火焰锋面转化为以声速传播的压缩波，压缩波向前传播会使路径上未燃粉尘的温度、压强、密度等有微小改变，并在某一时刻发生突变，与波前相比，该突变后的压缩波是超声速传播，与波后相比为亚声速传播[19]。某一个时刻后波追赶到前波，两者叠加形成激波，由于激波的加速作用，火焰锋面会引燃更多的未燃粉尘，传播的面积更大，产生最大超压。

综上所述，粮食粉尘的燃爆机理研究是从微观层面分析其燃爆的物理化学反应机制，爆炸冲击波传播的研究是从冲击波传播的角度探究爆炸传播过程，微观层面和传播过程的研究可对粉尘燃爆防控技术提供相应的理论依据。由于粉尘燃爆的复杂性，其容易受到周围环境的影响，因此，对于粮食粉尘燃爆机理及爆炸冲击波的分析仍然需要从粉尘微观氧化进程以及冲击波衰减等方面入手进行更深层次的探究。

3 粮食粉尘爆炸防控措施研究

通过对上述几类研究结果的分析可以发现，粮食粉尘爆炸过程持续时间长，最大爆炸压力及升压速率比较低，压力衰减缓慢，致使爆炸冲击波的作用时间长，对人体的伤害大。为了减轻粮食粉尘爆炸事故所带来的伤害，一般通过抑爆、隔爆、泄爆技术来防控粮食粉尘爆炸事故，三种技术主要针对爆炸传播过程的初始阶段、传播阶段以及后续阶段进行抑制，适用于工业生产中的不同场景。

3.1 泄爆技术

泄爆就是在设备容器的表面开设一定面积的泄爆口，将泄爆装置安装在泄爆口的位置，其开启压力小于容器的破裂压力[20]。当容器内部发生爆炸时，泄爆装置可感知到容器内部的压力变化，装置发生动作，及时将容器内的压力、火焰以及已燃未燃粉尘泄放出去，从而保证容器内部不发生破裂，确保容器安全。因此，该技术主要应用于粮食粉体运输过程的密闭容器中，如：斗式提升机、气垫输送机等。

王家祎[21]使用20 L爆炸球测试系统和FLACS模拟软件研究了高开启压力条件下玉米淀粉爆炸及不同泄放工况的泄放特性，测定了玉米淀粉爆炸的最佳浓度及最大爆炸压力，同时将泄放火焰的传播分为两个阶段，发现第二阶段会产生二次火焰；王健等[22]通过研究玉米淀粉和土豆淀粉爆炸及泄爆过程，发现管道相连容器中即使没有可燃粉尘喷入的情况下，爆炸火焰仍可以沿着管道继续传播，引发二次爆炸。从目前的研究结果来看，尽管泄爆技术成本较低、在现场容易应用，但目前尚未解决由泄爆口泄放的冲击波、火焰及可燃粉尘可能会引发二次爆炸事故。

3.2 隔爆技术

隔爆技术是利用障碍物等阻隔爆炸产生的火焰、冲击波等向其他区域传播，主要应用于粮食粉体气力传输管道及除尘管道中，可将爆炸区域控制在一定范围，使爆炸事故造成的影响降到最低。

Chen等[23]利用自行设计的垂直粉尘燃烧管道平台研究了小麦淀粉粉尘的爆炸以及金属网的不同特征参数，重点研究了金属网对小麦淀粉粉尘火焰传播的阻隔作用；Yang等[24]研究了在环形障碍物的作用下，玉米淀粉在半开放式垂直管道中爆炸火焰的传播行为，并研究了阻塞率和环形障碍物数目对爆炸火焰的影响。由此可以看出，粮食粉尘的隔爆技术一般利用不同类型、不同参数条件的障碍物，阻隔爆炸产生的火焰及冲击波，防止二次爆炸事故的发生。

3.3 抑爆技术

粉尘抑爆是基于本质安全原则，在可燃粉尘-空气混合物中加入一定量的惰性物质，使混合物的氧含量低于其不发生爆炸所允许最大氧含量，将燃烧爆炸反应控制在反应的初始阶段，从而降低爆炸事故的破坏性甚至完全抑制爆炸事故的发生。对于粮食粉尘而言，一般采用固体惰性粉体以及惰性气体作为抑爆介质，两者可减小混合物爆炸极限，降低混合物爆炸指数。

3.3.1 固体惰性粉尘 固体惰性粉尘是粮食粉尘抑爆应用最为广泛的抑爆剂，其主要包括无机粉尘、卤化物和含磷化合物等。根据查阅相关文献可以发现，固体惰性粉尘抑制效果最突出的包括：NaHCO3、CaCO3、NH4H2PO4、Al(OH)3、NaCl、聚磷酸铵(APP)、SiO2、Mg(OH)2和石墨等。固体惰性粉尘的抑制机理主要有物理作用、化学作用和物理化学作用。物理作用主要包括：环境温度冷却、可燃浓度稀释、吸收热辐射、改变火焰初始湍流和限制氧浓度等。化学作用主要是抑制剂能够参与燃烧反应，反应生成物能够先于氧气结合可燃粉尘的自由基，终止爆炸的链式反应。

通过分析各类固体惰性粉尘的抑制作用可以发现，CaCO3、SiO2和NaCl在粉尘抑爆过程中主要起物理作用，三者均具有较高的熔点和较好的热稳定性，能够降低单位体积内粮食粉尘的浓度，阻碍爆炸产生热量的传播和扩散，降低爆炸产生的压力[25-26]；Al(OH)3和Mg(OH)2等粉体在抑爆过程中也同样起物理作用，Mg(OH)2在高温条件下能够分解成MgO，能够附着在粉尘的表面阻隔热量传播。生成物水蒸气能够降低反应温度，对粮食粉尘起冷却降温的作用[27]。Al(OH)3的抑爆机理比 Mg(OH)2略微复杂，其受热分解的生成物Al2O3能够在粉体表面形成一层致密的氧化薄膜，阻碍氧气和热量向内传播；APP在加热或燃烧作用下，分解生成磷基酸、NH3和H2O[28]。吸热分解反应将冷却系统温度并削弱化学反应，NH3和H2O的稀释作用也削弱了淀粉颗粒的燃烧和热分解反应，NH2·也有助于抑制爆炸链式反应，磷基酸可以通过促进初始分解来加速淀粉颗粒的炭化反应。NH4H2PO4和NaHCO3是使用效果良好的物理化学抑爆剂[29-30]。NaHCO3的分解反应为吸热反应，能够产生Na2CO3、CO2、水蒸气，吸热反应与释放的水蒸气能共同降低空间内的温度。同时，该反应能够产生Na·和 Na2O·两种自由基，能够结合粮食粉尘官能团断裂产生的H·和OH·，使爆炸链式反应难以进行，阻断了粉尘的二次爆炸。NH4H2PO4的热分解反应也同样是吸热反应，且反应释放的NH3能够稀释环境内氧气的浓度，释放出的水蒸气能够降低反应温度。更为重要的是，NH4H2PO4分解能够产生NH2·，其结合 H·和 OH·的能力比NaHCO3更强，因此能够减少抑爆剂的添加比例且产生更好的抑爆效果。

另外，NH4H2PO4和NaHCO3在吸收反应热量方面起协同作用。NH4H2PO4反应生成的H3PO4能够和NaHCO3反应，生成更多的CO2和水蒸气，且H3PO4的消耗使分解反应继续向正向进行，产生更多的NH2·，加速了H·和OH·的结合效率，使爆炸的抑制效果更为明显，表1给出了各类固体惰性粉尘的具体分类及抑制作用。

表1 固体惰性粉尘分类及抑制作用Table 1 Classification and inhibition of solid inert dust

3.3.2 惰性气体 氮气作为一种广泛使用的惰性气体，一般应用于粮食粉体气力运输管道中，可抑制管道内部发生粉尘燃爆事故。李好等[32]利用20 L爆炸实验系统研究了甘薯粉-空气混合体系的爆炸特性，通过设置充氮条件，可减小空间中的氧浓度，从而降低火焰的燃烧速率以及爆炸危险度；陈曦[33]使用改进后的粉尘燃烧管道实验平台研究了小麦淀粉粉尘在氮气惰化氛围下的火焰传播特性，在不同粉尘浓度、不同粉尘粒径和不同氧浓度条件下，氮气对抑制爆炸火焰传播均具有一定作用。因此，惰性气体的抑爆机理主要在于能够降低环境中氧气的浓度，限制爆炸热量的继续传播，且对爆炸火焰有窒息作用。

总之，固体惰性粉体以及惰性气体均能够在一定程度上抑制粮食粉尘爆炸发生甚至完全抑制。从目前的应用情况来看，选择具有物理化学双重抑制作用的抑爆粉体是当前的主流；从实验结果分析来看，单一粉体的抑制作用有限，并且部分抑爆粉体热分解产物可能对环境及人体产生危害。因此，未来应考虑抑爆粉体协同作用以及绿色抑爆剂的应用，使粮食粉尘抑爆技术更加绿色、高效。

4 结束语

(1)实验研究和数值模拟研究的方法可确定不同参数条件下不同粮食粉尘的燃爆难易程度及猛烈程度，但目前普遍采用的密闭测试系统与实际燃爆过程仍有出入，并且在数值模拟过程中受到计算量的限制，会简化数学模型，忽略粉尘颗粒的相互作用，简化燃烧反应的步骤，致使数值模拟的结果与实际情况也有不同。因此，未来的研究方向应该考虑搭建与实际情况更相符合的实验平台和数学模型。

(2)通过探究粮食粉尘燃爆机理以及爆炸冲击波，可从微观层面和传播过程的角度分析粉尘燃爆的深层原因，为粮食粉尘防控措施的建立提供相应的理论指导。由于粉尘燃爆的复杂性，其容易受到周围环境的影响，因此，对于其燃爆机理及爆炸冲击波的分析仍然需要从粉尘微观氧化进程以及冲击波衰减等方面入手进行更深层次的探究。

(3)抑爆、隔爆、泄爆技术主要针对爆炸传播过程的初始阶段、传播阶段以及后续阶段进行抑制，适用于工业生产中的不同场景。从目前的研究结果来看，利用抑爆技术将爆炸事故控制在燃爆反应的初始阶段是粉尘防爆的核心，但并未考虑到固体惰性粉体的添加是否造成粮食粉体的污染，并且单一抑爆剂作用效果差，考虑抑爆粉体协同作用以及绿色抑爆剂是未来研究的重点。