中密度纖維板中生產粉塵的最小點火能

郭 露，胡濤平，喻 孜，周 健，曾國良，徐長妍

（1.南京林業大學a.材料科學與工程學院；b.理學院，江蘇南京 210037；2.上海化工研究院有限公司，上海 200062）

木質粉塵指木材加工場所產生的伴生粉塵，產生于鋸切、銑削、刨削、涂飾、磨削等生產工序[1]。木質粉塵由于其質量輕、差異性大、且屬于非均勻分散顆粒，是纖維類粉塵中發生事故最多的一種可燃性粉塵[2]。據統計，在1785—2012年期間，在全世界共發生的所有粉塵爆炸事故中，木材加工企業粉塵爆炸事故的比例為17%，僅次于食品加工企業[3]。我國木材加工企業每年發生的粉塵爆炸事故達數十起，甚至近百起[4]。2015年1月31日，內蒙古自治區根河市金河興安人造板有限公司發生粉塵爆炸事故，造成6人死亡、3人受傷，廠房受損嚴重。據初步調查分析，事故是由于打磨除塵系統中的木屑倉發生爆炸，導致砂光車間木粉二次爆炸，導致車間、倉庫發生火災[5]。

工業生產過程復雜，引起粉塵爆炸事故的點火源情況很多。統計資料顯示[6-7]，粉塵加工業爆炸事故與靜電密切相關。德國的數據統計發現[8]，發生的粉塵爆炸事故10%是由電火花引起的，且很多不明原因粉塵爆炸也有可能是靜電火花引起的。粉塵云最小點火能（Emin）是指剛好能夠點燃最敏感條件下粉塵云所需要的最低能量，是評價粉塵云在一定條件下可能發生燃燒或爆炸危險性的重要物理量，也是靜電安全的重要技術參數[9]。Amyotte等[10]研究了木纖維、聚乙烯樣品和兩者混合時的爆炸特性，結果表明粉塵粒徑越小，發生爆炸可能性越大，產生的爆炸后果越嚴重，當木纖維和聚烯混合時，產生的爆炸威力更大。Hosseinzadeh等[11]研究了小麥粉、淀粉、蛋白質、聚乙烯、橡木等最小點火能，得到橡木的最小點火能為30～100 mJ。加拿大新斯科舍省生產的木質粉塵的最小點火能為17 mJ，而美國生產的南方黃松粉塵顆粒的最小點火能為20 mJ[12]。陳國華等[1]研究了紅木粉的最小點火能隨粉塵濃度和粉塵粒徑的變化關系，表明最小點火能隨著粉塵濃度增加先減小后增大，隨著粒徑的增大而升高。還有研究表明，鋸削、砂光木粉、干纖維類碎料粉塵云的著火溫度對應的最小點火能為4.2～20.0 mJ[13]。

由此可見，有關木質粉塵最小點火能的研究還是比較零散的，缺乏系統性，其中有關中密度纖維板生產粉塵的最小點火能的研究更少。鑒于此，本文中選取中密度纖維板生產線上的砂光粉，及纖維板常用原料楊木、馬尾松和香樟粉塵作為實驗對象，研究不同本質粉塵粒徑分布對最小點火能的影響。通過對木質粉塵的粒徑分析、形貌分析和元素分析來探索木質粉塵的種類和粉塵粒徑分布對最小點火能的影響機理，并使用方差分析法來探索這2個因素對最小點火能影響的顯著性。

1 實驗

1.1 材料

本實驗所采用的木質粉塵為纖維板砂光木粉塵、楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵。砂光粉塵來自于大亞人造板集團有限公司（江蘇）的中密度生產線，即實際生產用速生楊、馬尾松、南方硬雜木的混合粉塵，質量比約為1∶1∶1；楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵均由該中密度生產線所用原材料經機械研磨機（TPD-2型，奎特上海機電科技有限公司）制得。

1.2 方案

本實驗首先對4種木質粉塵進行元素分析和形貌分析，然后研究了不同種類木質粉塵在4種不同粒徑范圍下的最小點火能，實驗屬于雙因素實驗，由于實驗過程中僅對每個點火能進行了1次實驗，因此對所得數據進行無重復雙因素方差分析[14]。對2個因素的各水平的每對組合做實驗，組成16個實驗。

1.3 方法

1.3.1 木質粉塵試樣準備及粒徑分析

4種木質粉塵分別通過振動篩分儀（ANALYSETTE 3 SPARTAN，北京飛馳科學儀器有限公司）進行篩分，得到4組具有不同粒徑分布的粉塵：0～63、＞63～125、＞125～250、＞250～500 μm。使用烘箱（UN30型，合測實業上海有限公司）將實驗樣品的水分控制在質量分數5%以下，并使用激光粒度儀（Mastersizer2000型，上海魁元科學儀器有限公司）對其進行粒徑測試。

1.3.2 木質粉塵的元素分析

使用元素分析儀（2400 II型，美國PE公司）對4種木質粉塵進行碳、氫、氮、硫的元素測定。在純氧環境下將待測物質用錫舟包裹，利用重力原理注入氧氣，使樣品在助燃劑中完全燃燒，經還原處理后，生成的 CO2、H2O、N2和 SO2混合氣體在氦氣的傳送分離后，再利用熱導檢測器分別測定其含量。

1.3.3 木質粉塵的形貌分析

采用環境掃描電子顯微鏡（Quanta 200型，荷蘭FEI公司）對4種木質粉塵進行形貌測試。首先取少量木粉粘在銅托的導電膠帶上，用無毛紙輕壓，使樣品顆粒牢牢粘住；對系統進行抽真空，當系統真空達到要求（＜5.33×10-2Pa）時，裝入樣品進行測試，所有樣品放大倍數均為200倍。

1.3.4 木質粉塵的最低點火能測試

采用圖1所示的最小點火能測試設備（MIKE 3型，瑞士Kühner公司），參照標準BS EN 13821—2002（Potentially explosive atmospheres — Explosion prevention and protection—Determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures）中定義的方法進行測試。測試環境為標準大氣壓和室溫。

容積為1.2 L的玻璃管是燃燒室，下端設有蘑菇狀的粉塵分散系統。在0.7×106Pa的壓縮空氣作用下產生電火花，其電極間隙為6 mm。電感為1 mH，點火延時為120 ms。該設備可以釋放的電火花能量值為1 000、300、100、30、10、3、1 mJ。粉塵在玻璃管中噴起，形成粉塵云，然后以不同能量的電火花引爆粉塵云，當有火焰產生并傳播至玻璃管頂部時，即視為發生著火。Emin介于發生著火的最低能量值（E2）和至少10次連續實驗中未發生著火的能量（E1）之間，即 E1＜Emin＜E2。

圖1 MIKE3型最小點火能測試裝置Fig.1 Minimum ignition energy test device MIKE3

2 結果與討論

2.1 粉塵的物化特性

木質粉塵粒徑是影響粉塵最小點火能的重要指標之一。表1—2分別列出了4種木質粉塵不同粒徑分布下的中位徑和比表面積。可以看出，隨著粒徑的增大，所選取的木質粉塵的中位徑增大，而其比表面積減小。值得注意的是，砂光粉塵隨著粉塵粒徑的增加，其比表面積降低的幅度明顯小于其他3種粉塵，尤其表現在粒徑分布為＞125～250、＞250～500 μm，其原因這可能是砂光粉塵的質量明顯小于其他3種實木粉塵。

圖2為4種不同木質粉塵的SEM圖像，從圖中可以看出，木質粉塵的形狀均為長纖維狀。砂光粉的纖維較短且粗；楊木粉的長徑比相比于其他3種粉塵較大；松木粉的形狀為主干纖維的周邊帶有細小的分支；而香樟粉的形狀為分散的絲狀，整體為長纖維狀。

表1 不同粒徑分布的木粉的中位徑Tab.1 Median diameter of wood dust with different particle size distribution μm

表2 不同粒徑分布的木粉的比表面積Tab.2 Specific surface area of wood dust with different particle size distribution m2/g

圖2 不同的木質粉塵的SEM圖像Fig.2 SEM images of four wood dust

表3為木質粉塵的元素分析。4種木質粉塵 的C、H和S的含量基本處于同一數量級，且含量相近，砂光粉的氮元素含量明顯大于其他3種木質粉塵。這主要是因為中密度纖維板生產過程中的砂光粉中含有大量的脲醛樹脂膠，從而導致其含氮量極高，遠超過一般木質燃料中氮的含量[15]。

表3 木質粉塵的元素組成質量分數Tab.3 Elemental composition of wood dust %

2.2 數據處理及分析

2.2.1 直觀分析

圖3為中密度纖維板砂光粉的粉塵濃度與點火能之間的函數關系。

實心方框表示在某濃度某能量下發生著火，空心方框表示在某濃度某能量下未發生著火。實際測出的最小點火能如表4所示，實際的最小點火能為一段能量范圍。

圖3 砂光粉的最小點火能測試結果Fig.3 Results of Eminof sanding dust

表4 不同粒徑分布的木質粉塵的最小點火能Tab.4 Eminof wood dust with different particle size distribution mJ

從表中可以看出，只有香樟粉的最小點火能的能量范圍隨著粒徑的增大而增大，砂光粉在＞63～125、＞125～250 μm時其最小點火能范圍是相同的，而楊木粉和馬尾松粉在 0～63、＞63～125 μm 時其最小點火能范圍是相同的。

為了更清楚地比較不同木質粉塵的最小點火能，根據BS EN 13821—2002，將測定的點火能換算成統計數值Es：

式中：IE2為點火能為E2時點火成功的次數；（NI+I）E2為點火能為E2時點火總次數。

圖4為木質粉塵的Es值與粒徑之間的關系。可見，隨著粒徑增大，粉塵的Es值增大。隨著粉塵粒徑的增大，其比表面積減小，與氧氣的接觸面積減少，導致參與反應的粉塵在管中不充分燃燒，以至于粉塵參加反應所需要的能量升高。對于不同種類的粉塵而言，砂光粉的最小點火能明顯低于其他3種木質粉塵，可能由于纖維板生產線中砂光粉質量輕，其表面積較大，且其含氮量較大。除此之外，當粉塵的粒徑分布為0～63、＞63～125 μm 時，4 種粉塵的 Es值相近，但對具有較大粒徑的粉塵，其Es值相差較大。當木質粉塵的粒徑小于在63 μm，粉塵種類對于其最小點火能的影響較小。

圖4 木質粉塵的Es與粒徑之間的關系Fig.4 Relationship between Es and particle size of wood dust

2.2.2 方差分析

對2個因素的各水平的每對組合做實驗，組成16個實驗，得到的Es值見表5。表中，A代表木質粉塵粉種類，A1為砂光粉，A2為楊木粉，A3為馬尾松粉，A4為香樟；B 代表粒徑分布，B1為 0～63 μm，B2為＞63～125 μm，B3為＞125～250 μm，B4＞為 250～500 μm。

表5 不同木質粉塵不同粒徑分布的Es值Tab.5 Esof different wood dust with different particle size distribution mJ

取顯著性水平α=0.05和α=0.01，運用雙因素無重復實驗的方差分析法，分析粉塵種類和粒徑大小對最小點火能影響的顯著性。列出雙因素無重復實驗方差分析表6。

表6 雙因素無重復實驗方差分析表Tab.6 Analysis of variance without repeatedexperiments for two factors

由F分布表查得臨界值：

由于FA=3.194＜3.86=F0.05（3.9），因此認為因素A對于實驗結果的影響不顯著，即粉塵種類對于最小點火能的影響不顯著。由于FB=11.039＞6.99=F0.01（3.9），因此認為因素B對于實驗結果有高度顯著性影響，即粒徑大小對于最小點火能有高度顯著影響。

3 結論

1）中密度纖維板生產線中的砂光粉在粒徑為＞125～250、＞250～500 μm 內其比表面積明顯高于楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵；4種木質粉塵的形貌均屬于長纖維狀；含有脲醛樹脂膠的砂光粉的氮含量明顯高于其余3種木質粉塵。

2）中密度纖維板生產線中的砂光粉、楊木粉塵、馬尾松粉塵和香樟粉塵的最小點火能隨著粒徑的增大而增大；纖維板生產線中的砂光粉的最小點火能明顯低于其他3種木質粉塵。

3）無重復雙因素方差分析表明，木質粉塵粒徑分布對其最小點火能影響較為顯著，而粉塵種類對最小點火能的影響不顯著。