彩虹粉引燃危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)研究*

王　浩，張金鋒，解啟航，陳　靜，柳曉凱

(河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0　引言

彩虹粉通常采用玉米淀粉和食用人工色素混合而成，因其色彩鮮艷被廣泛用于彩虹跑等娛樂活動(dòng)。2015年6月27日，臺(tái)灣新北市八仙樂園發(fā)生的彩虹粉燃爆事故，當(dāng)場(chǎng)造成400多人不同程度受傷，這一慘痛事故使廣大民眾認(rèn)識(shí)到彩虹粉具有很強(qiáng)的爆炸破壞性。彩虹粉的主要成分是玉米淀粉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99%。對(duì)糧食粉塵的燃爆危險(xiǎn)的關(guān)注已久，意大利都靈地區(qū)的面粉廠爆炸是目前世界上記錄最早的糧食粉塵爆炸事故。近年來，糧食粉塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對(duì)糧食粉塵燃燒爆炸機(jī)理及規(guī)律高度關(guān)注，并開展了大量研究。

Eckhoff對(duì)粉塵爆炸及控制進(jìn)行了研究，并對(duì)玉米淀粉做了大量的爆炸實(shí)驗(yàn)，研究了粉塵初始粒度分布，粉塵云分散濃度等因素對(duì)點(diǎn)火敏感性以及爆炸猛度的影響[1-2]；Van Wingerden K.利用10 m3和20 m3的容器對(duì)玉米淀粉進(jìn)行了爆炸實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行了數(shù)值模擬[3-4]；Dahoe等[5]采用LDA系統(tǒng)對(duì)玉米淀粉/空氣混合物的層流燃燒速率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

李剛等[6-7]對(duì)天津港口接卸糧食主要品種伴生粉塵的爆炸性進(jìn)行了測(cè)試和分析；陳默[8]等對(duì)玉米淀粉-空氣混合相爆炸進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示玉米淀粉爆炸下限為459 g/m3；曹衛(wèi)國(guó)等[9-10]對(duì)玉米淀粉爆炸參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示玉米淀粉的爆炸危險(xiǎn)性分級(jí)為St1級(jí)，屬于中度爆炸危險(xiǎn)性粉塵。

可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者對(duì)糧食粉塵的研究比較單一，對(duì)于其引燃危險(xiǎn)性的整體研究以及危險(xiǎn)性評(píng)估方案研究較少。本文采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)玉米淀粉和食用人工色素混合粉體的引燃規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究，并采用食用鹽對(duì)彩虹粉進(jìn)行抑爆探討，以喚起相關(guān)方的認(rèn)識(shí)和重視，避免類似事故的發(fā)生。

1　實(shí)驗(yàn)樣品

選取了胭脂紅、日落黃、亮藍(lán)、果綠色食用人工色素(天津多福源實(shí)業(yè)有限公司)與玉米淀粉(隆堯彭山食品廠)混合形成的紅色、黃色、藍(lán)色、綠色的彩虹粉為實(shí)驗(yàn)樣品(色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%)，利用真空干燥箱對(duì)彩虹粉樣品進(jìn)行真空干燥處理，使樣品保持一定的含水率，并用200目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)彩虹粉進(jìn)行篩分處理。

2　實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用固體燃燒速率試驗(yàn)儀(HWP02-10E)對(duì)彩虹粉傳播燃燒能力進(jìn)行初步甄別；采用固體自燃點(diǎn)試驗(yàn)儀(HWP22-10E)測(cè)定彩虹粉的自燃點(diǎn)；采用快速篩選量熱儀(Rapid Screening Device, RSD)，測(cè)定彩虹粉的初始分解溫度，計(jì)算分解時(shí)放出的熱量，綜合分析彩虹粉的熱穩(wěn)定性及引燃危險(xiǎn)性；采用粉塵爆炸篩選裝置觀察是否產(chǎn)生持續(xù)性火焰，對(duì)彩虹粉的燃爆性進(jìn)行判定；利用粉塵云最小點(diǎn)火能量測(cè)試儀(MEU-MIE-D-15)測(cè)定粉塵最小點(diǎn)火能，進(jìn)一步研究粉體濃度對(duì)最小點(diǎn)火能量的影響，確定彩虹粉粉塵云的著火敏感性。

選取著火敏感性較強(qiáng)的彩虹粉粉體，添加不同比例的與粉體粒徑分布相近的食用鹽粉體進(jìn)行抑爆研究，研究食用鹽對(duì)彩虹粉爆炸的抑制效果。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　彩虹粉燃燒危險(xiǎn)初步甄別試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 21618-2008以及《聯(lián)合國(guó)試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》進(jìn)行彩虹粉傳播燃燒能力的初步甄別試驗(yàn)。用溫度為1 000℃的點(diǎn)火棒去點(diǎn)燃彩虹粉堆垛，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)觀察火焰是否能傳遞，以及火焰燃燒速率。由于不同顏色彩虹粉的組成相同，在此不一一對(duì)所有樣品進(jìn)行甄別實(shí)驗(yàn)，任選一種顏色的彩虹粉為代表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1、圖2分別為點(diǎn)火中和2 min后試驗(yàn)結(jié)束的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1　燃燒初步甄別實(shí)驗(yàn)—點(diǎn)火Fig.1　Combustion preliminary screening test-ignition

圖2　燃燒初步甄別實(shí)驗(yàn)—結(jié)束Fig.2　Combustion preliminary screening test-finished

由圖1可知，過高的溫度將彩虹粉引燃，產(chǎn)生明顯火焰，彩虹粉表現(xiàn)出一定的燃燒危險(xiǎn)性。設(shè)備熱表面，某些機(jī)械部件過熱等都可能引起彩虹粉的燃燒。2 min后，如圖2所示，儀器未檢測(cè)到火焰，即火焰不能在堆垛上傳播燃燒，因此可以判定彩虹粉在堆垛的狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑サ奈ｋU(xiǎn)性較小。

3.2　粉體燃燒自燃點(diǎn)測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 21756-2008對(duì)彩虹粉進(jìn)行自燃點(diǎn)測(cè)定。將彩虹粉裝入邊長(zhǎng)為20 mm的金屬絲網(wǎng)立方體中，對(duì)樣品進(jìn)行升溫，當(dāng)樣品溫度達(dá)到400℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的烘箱溫度即為樣品的自燃溫度。表1為4種顏色彩虹粉自燃點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。

表1　彩虹粉自燃點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，4種顏色彩虹粉的自燃溫度都在250℃附近，可知影響彩虹粉自燃的主體部分為玉米淀粉，色素對(duì)彩虹粉自燃影響較小。

與常見的高分子物質(zhì)相比[11]，彩虹粉的自燃點(diǎn)相對(duì)較低，自燃危險(xiǎn)性相對(duì)較高，在彩虹粉應(yīng)用過程中應(yīng)注意對(duì)溫度的控制。考慮到其自燃點(diǎn)在250℃附近，而活動(dòng)中舞臺(tái)上使用的聚光燈長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)表面溫度可達(dá)450℃，煙頭表面的溫度在200～300℃之間，中心溫度更是能達(dá)到700～800℃[12]，上述因素都可能成為事故發(fā)生的點(diǎn)火源。因此在彩虹跑活動(dòng)中要注意設(shè)備表面散熱，避免聚光燈長(zhǎng)時(shí)間照射，活動(dòng)禁止吸煙，以降低彩虹粉自燃危險(xiǎn)性。

3.3　彩虹粉RSD熱分解測(cè)試結(jié)果分析

圖3為黃色彩虹粉溫度和壓力隨時(shí)間變化曲線。

圖3　樣品溫度、壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.3　Sample temperature and pressure change curve over time

由圖3可知，0～147 min為樣品的升溫過程，升溫速率為2.5℃/min。82 min后樣品溫度及壓力曲線斜率突然增大，樣品溫度及壓力有突然上升的趨勢(shì)，此時(shí)彩虹粉開始分解，起始分解溫度約為227℃，此階段發(fā)生熱解的物質(zhì)主要為彩虹粉中的部分木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素[13-14]，分解放熱并釋放部分氣體導(dǎo)致壓力出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。由于裝樣時(shí)樣品池中含有一定量的空氣，分解出的氣體與空氣混合，受熱燃燒，釋放的能量引燃部分彩虹粉，致使溫度上升。

隨著加熱器溫度繼續(xù)加熱，在127 min時(shí)，樣品溫度為344℃，樣品池壓力突然大幅升高至100 bar，此時(shí)部分木質(zhì)素以及一些復(fù)雜的高分子化合物發(fā)生分解，釋放大量氣體，使壓力驟然上升，由于彩虹粉初始分解時(shí)發(fā)生燃燒現(xiàn)象，將樣品池內(nèi)有限的空氣燃盡，此階段未發(fā)生燃燒現(xiàn)象，樣品溫度沒有明顯波動(dòng)。若分解過程發(fā)生在氧氣(空氣)充足的環(huán)境，彩虹粉與空氣混合，形成爆炸性混合物，會(huì)大大增加爆炸危險(xiǎn)性[15]。由RSD RAP 2.1軟件分析，彩虹粉分解過程放熱約為395.12 J/g。

綜合熱分解實(shí)驗(yàn)分析，彩虹粉的穩(wěn)定性較差，分解過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體，在高溫環(huán)境下會(huì)表現(xiàn)出氣相燃燒的特點(diǎn)[16]，分解(燃燒)放熱較高，危害較大。

3.4　粉體引燃最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2263-1-1990對(duì)彩虹粉進(jìn)行爆炸篩選試驗(yàn)，采用4J的點(diǎn)火能量點(diǎn)燃彩虹粉，彩虹粉發(fā)生猛烈燃燒，彩虹粉粉塵云具有很大的燃爆危險(xiǎn)性，電氣設(shè)備放電或靜電放電可能引起相應(yīng)的點(diǎn)燃危險(xiǎn)。

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 16428-1996對(duì)彩虹粉粉塵云最小點(diǎn)火能進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)定。圖4為不同顏色的彩虹粉的最小點(diǎn)火能隨粉塵濃度的變化趨勢(shì)。

圖4　最小點(diǎn)火能隨粉塵濃度變化曲線Fig.4　The minimum ignition energy varies with the dust concentration

由圖4可知：

1) 4種顏色彩虹粉的最小點(diǎn)火能在24～60 mJ之間，其中黃色彩虹粉的最小點(diǎn)火能范圍為24～44 mJ，危險(xiǎn)性相對(duì)較高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，彩虹粉為一般著火敏感性粉塵[17]，因其主要成分是玉米淀粉，不同顏色的彩虹粉的總體著火敏感性差別不大。

2) 不同顏色彩虹粉最小點(diǎn)火能隨粉塵濃度的變化趨勢(shì)基本一致，粉塵濃度在1 167 g/m3附近時(shí)，不同濃度彩虹粉的最小點(diǎn)火能出現(xiàn)最小值。當(dāng)粉塵濃度大于1 450 g/m3時(shí)，曲線的斜率趨近0，粉塵濃度對(duì)最小點(diǎn)火能的影響逐漸變小。由于哈特曼管屬于半封閉裝置，粉塵濃度過大時(shí)，懸浮在管內(nèi)的粉塵粒子數(shù)目過多，管內(nèi)的氧含量有限，導(dǎo)致部分粉塵不能被點(diǎn)燃[17]，回落到哈特曼管底部導(dǎo)致粉塵濃度對(duì)點(diǎn)火能的影響很小。

3) 彩虹粉的最小點(diǎn)火能較低，在24～60 mJ之間，彩虹跑活動(dòng)過程中存在的點(diǎn)火源，如打火機(jī)、煙頭、舞臺(tái)燈，化纖織物等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的能量都有可能引起彩虹粉粉塵云的爆炸。

3.5　粉體引燃危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)評(píng)估方案分析

首先確認(rèn)粉體顆粒粒徑的大小，一般粒徑小于75 μm的粉體顆粒具有燃爆危險(xiǎn)性，粉塵的粒徑越小，燃爆危險(xiǎn)性就越大。

依據(jù)GB/T 21618-2008《危險(xiǎn)品 易燃固體燃燒速率試驗(yàn)方法》，根據(jù)粉體堆垛的火焰?zhèn)鞑ニ俾士梢远ㄐ耘卸ǚ垠w的引燃危險(xiǎn)性。如果粉體堆垛被引燃，并能以一定速率傳播，表明粉體具有較高的化學(xué)活性，危險(xiǎn)性較大；若粉體堆垛不能被引燃或引燃后不能傳播，則表明粉體的化學(xué)活性低，燃爆危險(xiǎn)性相對(duì)較低。

應(yīng)用粉塵爆炸篩選裝置，初步鑒定粉塵樣品是否具有燃爆性。點(diǎn)火能量為4 J，若觀察有持續(xù)性火焰產(chǎn)生，或者火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x能否達(dá)到60 mm，判定粉體具有燃爆危險(xiǎn)性。否則，要在20 L球形爆炸裝置中采用10 kJ點(diǎn)火能量進(jìn)一步判定粉體的燃爆危險(xiǎn)性。

初步判定具有燃爆危險(xiǎn)性的粉體，一般通過對(duì)粉塵層(粉塵云)最低著火溫度、最小點(diǎn)火能等參數(shù)的測(cè)定進(jìn)一步表征粉體的危險(xiǎn)性。粉塵層燜燒溫度一般要低于粉塵云的著火溫度，而且粉塵云最低著火溫度受噴粉壓力和粉體質(zhì)量等因素影響。

應(yīng)用粉體最小點(diǎn)火能表征粉體的引燃危險(xiǎn)性，如果超過2 000 mJ的能量粉體未被引燃，證明粉體對(duì)于電氣、靜電環(huán)境的引燃危險(xiǎn)性相對(duì)較低。

本文未對(duì)彩虹粉粉塵層(粉塵云)的最低著火溫度進(jìn)行測(cè)定，以自燃點(diǎn)結(jié)合初始分解溫度代替。自燃點(diǎn)表征在無(wú)點(diǎn)火源的條件下粉塵燃燒的能力。初始分解溫度的測(cè)定進(jìn)一步分析了粉塵分解、燃爆機(jī)理，以及分解放熱。因此自燃點(diǎn)以及熱分解實(shí)驗(yàn)同樣能對(duì)粉體的點(diǎn)火敏感性作出判斷，同時(shí)通過熱分析定量評(píng)估粉體的燃爆危險(xiǎn)性。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用固體物質(zhì)相對(duì)自燃溫度和RSD熱分解溫度表征粉體引燃的危險(xiǎn)性，對(duì)于玉米淀粉二者表現(xiàn)穩(wěn)定，于其他粉體也有一定的借鑒意義。粉體引燃危險(xiǎn)性評(píng)估流程圖如圖5所示。

圖5　粉體引燃危險(xiǎn)性評(píng)估示意Fig5　Schematic diagram of ignition risk assessment of powder

4　彩虹粉抑爆實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)粉塵爆炸發(fā)生的條件，可從粉塵源、氧環(huán)境和點(diǎn)火源3個(gè)方面控制預(yù)防粉塵爆炸的發(fā)生。工業(yè)上常用抑爆、阻爆和泄爆等方法來對(duì)粉塵爆炸進(jìn)行控制和預(yù)防[11]。

實(shí)驗(yàn)從粉塵源入手，采用抑爆法，以著火敏感性最強(qiáng)的黃色彩虹粉的最小點(diǎn)火能為參照指標(biāo)，點(diǎn)火能量固定為200 mJ，往黃色彩虹粉中添加不同比例相近粒徑分布的食用鹽，研究食用鹽對(duì)彩虹粉的抑爆作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　抑爆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：Y為點(diǎn)燃，N為不能點(diǎn)燃。本次實(shí)驗(yàn)每個(gè)量級(jí)均重復(fù)10次，本表只選取最終結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加2%～3%的食用鹽，點(diǎn)燃粉塵云所需的點(diǎn)火能量為200 mJ及以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不做抑爆處理彩虹粉的點(diǎn)火能量24 mJ；添加4%及以上比例的食用鹽后，200 mJ的點(diǎn)火能不足以引燃粉塵云，由此可見，食用鹽對(duì)彩虹粉的爆炸有抑制效果，且隨著食用鹽比例的逐漸增大，其抑爆效果越明顯。

5　結(jié)論

1)堆垛狀彩虹粉固體火焰?zhèn)鞑ノｋU(xiǎn)性較低，但粉塵爆炸篩選實(shí)驗(yàn)表明粉塵云狀態(tài)下的彩虹粉燃爆危險(xiǎn)性很大。

2)實(shí)驗(yàn)測(cè)得彩虹粉的自燃點(diǎn)在250℃左右，存在較高的自燃危險(xiǎn)性。

3)彩虹粉初始分解溫度227℃，分解放熱約為395.12 J/g，分解可產(chǎn)生揮發(fā)分和大量氣體，很容易造成氣粉混合爆炸，增大爆炸危險(xiǎn)性。

4)彩虹粉的最小點(diǎn)火能在24～60 mJ之間，為一般著火敏感性粉塵。色素對(duì)粉塵云爆炸的影響不大，燃爆的主體為玉米淀粉，不同顏色的彩虹粉最小點(diǎn)火能的范圍略有差別，但其隨濃度變化的規(guī)律基本一致。

5)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，食用鹽對(duì)彩虹粉燃爆有抑制效果，食用鹽比例越大，抑爆效果也就越明顯。

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