粉塵云濃度對HDPE粉塵云最低著火溫度的影響*

龐 磊，馬 冉，高建村，李俊杰，王愛博，呂鵬飛

(北京石油化工學院 安全工程學院， 北京 102617)

0 引言

高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，簡稱“HDPE”)是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂材料，其綜合性能優異，不僅具有良好的機械性能和加工性能，還具有較為優異的衛生性、阻隔性、耐腐蝕性、絕緣性等，可通過擠出、吹塑、注塑等多種加工方式廣泛應用于管材、中空、薄膜、電線電纜等領域。目前，HDPE是世界合成樹脂工業中產量最大、應用最廣的品種之一[1]。HDPE生產過程中，造粒、干燥、氣力輸送、卸料等工藝均有較高濃度粉塵云的存在，同時會不可避免地產生一定能量的靜電、電火花、機械熱表面、摩擦等多種點火源，若不加以有效控制，則極易在局部空間發生粉塵爆炸事故，造成重大人員傷亡和經濟財產損失。

粉塵云最低著火溫度是指粉塵和空氣的混合物受熱時，粉塵云溫度發生突變，即被點燃時的最低溫度[2]，是評估工業粉塵爆炸敏感性的重要參數之一，也是實施防火防爆安全設計和防爆電氣設計、選型的重要依據[3]。由于近年來粉塵爆炸事故頻發，針對可燃性粉塵云最低著火溫度的研究也較為廣泛，粉塵的種類主要包括金屬粉塵、糧食粉塵、木粉塵、火炸藥粉塵等，研究中重點考查了粉塵云濃度、噴塵壓力等影響因素。例如，Yuan等[4-5]借助實驗研究了粉塵云濃度、噴塵壓力對鎂粉塵云最低著火溫度的影響，表明鎂粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度、噴塵壓力提高而降低；Zhang等[6]研究了粉塵云濃度對7-氨基頭孢烷酸粉塵云最低著火溫度的影響，研究表明，7-氨基頭孢烷酸粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度的增加呈現先降低后升高的分布規律；王軍等[7]研究并給出了粉塵粒度、粉塵云濃度、噴塵壓力對火炸藥粉塵云最低著火溫度的影響規律，研究發現，隨著粉塵云濃度的增加，火炸藥粉塵云最低著火溫度呈現先迅速下降后保持穩定的分布趨勢；任瑞娥等[8]對面粉、木粉粉塵云最低著火溫度進行了研究，證實粉塵云最低著火溫度隨噴塵壓力升高而不斷增大的分布規律。

從以上研究可以發現，粉塵云濃度是影響粉塵云最低著火溫度的主要因素之一。不同種類粉塵的粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度的變化趨勢不盡相同，有些為單調遞減趨勢，有些則存在拐點。從國內外公開的文獻資料來看，專門針對HDPE粉塵爆炸的相關研究極少，相應的爆炸特征參數目前仍不夠全面，粉塵云最低著火溫度目前尚缺少必要的參考數據?；诖?，筆者借助實驗對某典型HDPE粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度、噴塵壓力等影響因素的分布特性進行研究，力求為HDPE生產工藝的粉塵防爆安全設計和事故預防提供必要的科學依據。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

選取某典型高純度HDPE樣品作為研究對象，該樣品密度為0.95 kg/m3。借助BT-9300LD型激光粒度分布儀對樣品進行濕法粒度分析，得到中位徑為38.71 μm，粒度分布如圖1所示。借助BT-2900 LD型動態圖像顆粒分析系統，得到圖2所示樣品形貌微觀結構，定性分析可見粒徑幾何尺度處于30～40 μm范圍內的粉塵粒子居多，且顆粒長徑比不大。

圖1 HDPE粒度分布Fig.1 Particle size distribution of HDPE

1.2 實驗裝置

選取型號為HY16429型的粉塵云最低著火溫度測試儀開展實驗，其主體結構如圖3所示。設備測溫范圍0～1 000 ℃，溫度分辨率為0.25 ℃，噴塵壓力范圍0～0.1 MPa，適用標準為《粉塵云最低著火溫度測定方法》(GB/T 16429-1996)[9]。為了對實驗結果進行輔助分析，借助STA 503同步熱分析儀對樣品進行熱重分析。

1-加熱爐；2-連接頭；3-儲塵器；4-電磁閥；5-儲氣罐；6-閘閥；7-U 型管；8-穩壓電源；9-溫度控制儀；10-溫度記錄儀圖3 粉塵云最低著火溫度測試裝置示意Fig.3 Device for testing minimum ignition temperature of dust cloud

1.3 實驗方法

將HDPE樣品經烘箱烘干后使用密封袋密封保存至存有干燥劑的干燥器中。將測試儀置于通風櫥內，以確保安全并吸收實驗過程中產生的揮發分、分解產物與煙氣。分別選取粉塵質量0.1，0.3，0.5，0.7 g以及噴塵壓力20，30，50 kPa開展不同工況對比實驗。稱取特定質量的樣品后加入儲塵器，設定恒溫時間為2 s。試驗時，在加熱爐管下端若有火焰噴出或火焰滯后噴出，則視為著火；若只有少量火星而沒有火焰或火焰滯后時間超出3 s，則視為未著火[10-11]。參照GB/T 16429-1996，設定測試溫度間隔步長為5 ℃。直到同一溫度值下連續10次試驗均未出現著火。對樣品進行熱重分析時，參考呂岳等[12]的研究，稱取HDPE 4.7 mg，以流量大小為40 mL/min的壓縮空氣作為試驗載氣，分別將升溫速率及加熱終溫設定為10 ℃/min和700 ℃。

2 結果與討論

不同粉塵云濃度和噴塵壓力條件下，HDPE粉塵云最低著火溫度測試結果如圖4所示。結合加熱爐容積大小(450 mL)，將粉塵質量換算為粉塵云濃度依次為0.222，0.667，1.111，1.556 kg/m3。根據圖4，不同噴塵壓力和不同粉塵云濃度下HDPE粉塵云最低著火溫度總體上分布于360 ～ 445 ℃的區間。20，30，50 kPa 3種噴塵壓力下，不同粉塵云濃度對應最低著火溫度的最大相對差異分別約為17.11%，20.27%，13.89%，說明此類粉塵的粉塵云最低著火溫度對粉塵云濃度較為敏感。

2.1 粉塵云濃度對HDPE粉塵云最低著火溫度的影響

由圖4可知，在同等噴塵壓力條件下， HDPE粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度的增加呈現先降低后升高的總體趨勢，粉塵云濃度為1.111 kg/m3時出現拐點。粉塵云濃度低于拐點濃度時，HDPE粉塵云最低著火溫度隨著粉塵云濃度的增加逐漸降低。這是因為粉塵云濃度較小時，單位體積內粉塵質量較少，反應釋放的熱量少，需從外界吸收較多的能量使粉塵充分燃燒，因此著火溫度偏高；隨著粉塵云濃度的增加，單位體積內粉塵質量增加，反應釋放的熱量增加，火焰能自行傳播并把熱量輻射給其他顆粒，使更多的粒子發生化學反應，從外界吸收的熱量相對減少，因而最低著火溫度降低[13]。濃度高于拐點值時，最低著火溫度隨粉塵云濃度增大而升高。這是因為粉塵云濃度過高時，一方面，加熱爐內氧氣不足以支持充分燃燒；另一方面，單位體積內粉塵顆粒數量增多，除燃燒顆粒外，過剩的粉塵顆粒吸收了較多的熱量，火焰的溫度下降，需從外界吸收較多的能量達到著火溫度[14]。

圖4 不同噴塵壓力下HDPE粉塵云 最低著火溫度與粉塵云濃度關系Fig.4 Relationship between minimum ignition temperature and concentration of dust cloud of HDPE under different dust spray pressure

對于粉塵云最低著火溫度隨濃度呈現出的拐點現象，現有不同種類粉塵的研究成果中雖有體現，但并未給予足夠關注。例如，文獻[8,13,15]對錳粉、木粉、鎂鋁合金粉等可燃性粉塵的粉塵云最低著火溫度進行實驗研究，結果都表現出圖5所示的類似拐點，一定程度上驗證了本文結論的有效性。然而，在粉塵爆炸事故防治工作中，并沒有對此類拐點給予足夠重視。

圖5 文獻[8,13,15]中不同類型粉塵云最低著火溫度vs粉塵云濃度Fig.5 Minimum ignition temperature of different dust vs concentration of dust cloud in the literature[8,13,15]

2.2 噴塵壓力對HDPE粉塵云最低著火溫度的影響

噴塵壓力對粉塵云最低著火溫度的影響，主要體現在以下三方面：其一，增大噴塵壓力有助于增加粉塵分散性，使粉塵顆粒與助燃劑氧氣的接觸面積增大，有利于著火；其二，噴塵壓力的增大可使更多的助燃劑氧氣進入加熱爐內，在同等粉塵云濃度條件下，有利于粉塵的充分燃燒，釋放更多熱量，可降低著火溫度；其三，增大噴塵壓力會使粉塵沉降速度增大，且導致更多的冷空氣進入到加熱爐中，需從加熱爐吸收更多能量以達到著火溫度。本研究實驗結果表明，噴塵壓力對HDPE最低著火溫度的影響較為明顯，噴塵壓力越小，HDPE粉塵云最低著火溫度越高，3種噴塵壓力對應粉塵云最低著火溫度的最大相對差異約為5.56%，如圖6所示。對于這一現象，可以從以下兩方面進行解釋：一方面，當空氣將HDPE吹入加熱爐時，較低的噴塵壓力不足以使HDPE完全地分散開來，部分粉末仍處于團聚狀態，與空氣接觸的比表面積較小，顆粒之間的熱傳遞效應較強，受熱緩慢，不利于粉塵局部受熱傳播火焰；另一方面，HDPE不同于自供氧的炸藥粉塵，噴塵壓力相對較低導致和HDPE一起噴入加熱爐的氧氣含量相對較少，降低了HDPE顆粒與氧氣分子之間的碰撞機率，降低反應速率[12]。即對于HDPE粉塵, 上述噴塵壓力對粉塵云最低著火溫度的前兩方面影響占主導。

圖6 噴塵壓力與HDPE粉塵云最低著火溫度的關系Fig.6 Relationship between the dust spray pressure and minimum ignition temperature of HDPE

2.3 輔助熱分析

借助STA 503同步熱分析儀，對該樣品進行了輔助熱分析實驗，結果如圖7所示。由圖7可知，不同條件下HDPE粉塵云最低著火溫度均值約為400 ℃。圖7中，DTA和TG分別表示熱量變化和質量變化。當溫度達到120 ℃，粉塵樣品質量不變，熔化吸熱；當溫度達到400 ℃時，粉塵樣品質量迅速降低，開始燃燒放熱，燃燒過程為HDPE受熱分解并放出氣體與空氣混合，加熱到一定溫度時發生燃燒，燃燒火焰產生的熱量一方面促進HDPE的分解，另一方面引起HDPE粉體顆粒燃燒，因此，HDPE粉DTA在400～470 ℃之間呈現雙峰結構。熱分析試驗證明，HDPE在空氣條件下發生燃燒的溫度為400 ℃，一定程度上驗證了圖4結果的有效性。

圖7 HDPE熱重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis of HDPE

3 結論

1)借助差異性對比實驗得到了HDPE粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度的分布規律，揭示其拐點特征，結合相關研究對拐點的成因進行了理論分析，并給出了噴塵壓力對粉塵云最低著火溫度的影響規律。

2)研究得到的HDPE粉塵云最低著火溫度分布特性可用于指導HDPE生產工藝及設備的安全設計，對實施防火防爆安全技術及管理措施具有現實意義。同時，應對HDPE粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度的拐點特征給予足夠重視。

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