超細三七粉最小引燃溫度實驗研究*

張睿沖 張明坤 劉煒 謝承煜

(1.廣西大學資源環境與材料學院 南寧 530004； 2.湘潭大學環境與資源學院 湖南湘潭 411105)

0 引言

三七是一種應用廣泛而且使用量巨大的中藥材，具有活血化瘀、滋補等功效，三七一般以粉末形式使用。三七粉的加工經歷了從機械粉碎到超高壓氣流粉碎的加工過程。三七粉的粒徑從幾十微米到超細的幾微米，隨著加工工藝的進步將逐步被加工成納米級的粉塵。目前，針對三七粉著火溫度的研究鮮見報道，而其它可燃粉塵在合適的溫度條件下可能出現火災爆炸，造成人員和財產損失。對粉塵最小引燃溫度一般研究粉塵云或粉塵層的引燃溫度，文獻[1-15]對于粉塵云及粉塵層的研究主要在：①粉塵的影響因素，如濃度、粒徑、噴粉壓力、堆積厚度等；②可燃粉塵的惰化研究，惰化劑如石灰石、滅火劑、SiO2等。同時由以上文獻得出，粉塵最小引燃溫度的研究對象主要在可燃金屬粉塵如鎂、鋁、鈦、錳等；可燃有機粉塵如木粉、面粉、玉米粉、石松子粉、乳糖、蔗糖、聚苯乙烯等；可燃無機粉塵如硫化礦塵、硫磺、煤粉等。在前人研究粉塵的基礎上對三七粉的最小引燃溫度進行實驗研究，通過研究對在三七粉的生產、儲存、運輸中預防粉塵火災減少損失具有借鑒意義，也是對粉塵火災爆炸研究的一種有益補充。

1 實驗

1.1 實驗裝置

粉塵云引燃溫度測試裝置為G-G爐，如圖1所示。粉塵的質量從0.01、0.02、0.03、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、1 g中選取，噴塵壓力從2、3、5、10、20、30、40、50、60 kPa中選取，將不滿足10次未出現著火的最低溫度記為粉塵云引燃溫度，將某一粒徑在不同質量濃度下測得的最低值記為粉塵云最小引燃溫度。

圖1 粉塵云最小引燃溫度實驗裝置

粉塵層引燃溫度測試裝置如圖2所示。三七粉粉塵層選取厚度為5、12.5、15 mm的金屬環進行實驗。將著火的最小設定溫度記為粉塵層最小引燃溫度。

圖2 粉塵層最小著火溫度實驗裝置

1.2 原料與實驗環境

以由廣州某粉體加工企業提供的三七粉作為實驗樣品，樣品的粒徑分布、電鏡樣圖如圖3、圖4。

圖3 三七粉的粒徑分布

圖4 三七粉的電鏡樣圖

在實驗室濕度為40%～60%、溫度為25～35 ℃的情況下進行實驗，三七粉在實驗前進烘箱60 ℃下干燥24 h。

2 結果與分析

不同質量、壓力下三七粉的最小點燃溫度見表1。

表1 不同質量、壓力下三七粉的最小點燃溫度 ℃

2.1 噴塵壓力對三七粉塵云的影響

取三七粉質量0.2 g到0.6 g，由加熱爐容積為0.22 L可求得三七粉質量濃度約為910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3，將噴塵壓力依次設為20、30、40、50、60 kPa，由表1中，質量為0.2 g、0.3 g的三七粉在不同壓力下所對應的最小引燃溫度如圖5、圖6。

圖5 質量0.2 g,不同噴塵壓力下三七粉塵云的最小引燃溫度

圖6 質量0.3 g,不同噴塵壓力下三七粉塵云的最小引燃溫度

由圖5可知，粒徑分布相同的三七粉，當質量為0.2 g時，粉塵云引燃溫度隨著噴塵壓力的增加先減小再增加。在20 kPa到30 kPa這個階段，隨著噴塵壓力的增加，會把粉塵發散成更加容易燃燒的粉塵云，引燃溫度應當降低；而在40 kPa到60 kPa這個階段，隨著噴塵壓力的增加，有部分粉塵直接沿筒壁被吹出，導致有效發散的粉塵減少，燃燒的粉塵云減少，同時帶入更多冷空氣，使加熱爐內的溫度下降到低于設定溫度的值，此外，三七粉顆粒因受到更強的吹力，運動速率加大，在加熱爐內停留時間縮短，更加不易被引燃，故引燃溫度應當升高。

由圖6可知，粒徑分布相同的三七粉，當質量為0.3 g時，粉塵云引燃溫度隨著噴塵壓力的增加而增大。主要原因是：①三七粉是輕質纖維粉塵，質量0.3 g及以上時，噴吹壓力從20 kPa升到60 kPa時，三七粉塵的體積在容積空間已固定的粉塵云點燃裝置中都無法有效發散；②隨著噴吹壓力的增加，三七粉塵更是以抱團的形式沿著加熱壁用更快的速度、更少的時間通過恒溫熱壁。

通過觀察也證實隨著質量和噴吹壓力的增大，三七粉塵確實無法有效發散，即使著火也是星點狀的火團，見圖7。

圖7 三七粉塵云燃燒時的星點狀的火團

2.2 質量濃度對粉塵云影響

實驗時，設定噴粉壓力分別為20、30、40、50、60 kPa，質量從0.2 g增加到0.6 g的粉塵進行最小引燃溫度實驗。由于加熱爐容積為0.22 L可求得各三七粉質量濃度分別約為910、1 365、1 820、2 275、2 730 g/m3， 經多次重復實驗，找出對應條件下粉塵云最小引燃溫度。質量濃度對粉塵的影響分2種情況，噴吹壓力從20 kPa到30 kPa時，三七粉塵云引燃溫度隨質量增大先減小后增大；噴吹壓力從40 kPa增加到60 kPa時，三七粉塵云引燃溫度隨質量增大而增大。

當噴塵壓力固定為30 kPa時，隨著三七淀粉質量濃度的增大，三七粉塵云引燃溫度先減小后增大，見圖8。在表1中，壓力為20 kPa 、30 kPa時，三七粉質量濃度較低時，單位質量的粉塵顆粒放熱量也較小，三七粉顆粒間距大，當質量從0.2 g增加到0.3 g，燃燒的顆粒產生的熱量傳到非燃燒顆粒的減少，所以0.2 g三七粉的引燃溫度比0.3 g的要高。當三七粉的質量從0.4 g增加到0.6 g時，當質量濃度大于最佳質量濃度時，繼續增大三七粉質量濃度時，可能是：①沒法有效發散成均勻的粉塵云，過多的三七粉以抱團、大顆粒的形式通過恒溫筒；②有機粉塵燃燒首先要吸熱分解，而過多的三七粉同時吸熱降低了恒溫筒內的溫度；③增大三七粉質量濃度使氧氣含量相對不足，致使有效參與反應的三七粉顆粒減少。這幾種原因導致三七粉塵云無法形成最均勻粉塵云及最佳濃度，從而造成引燃溫度增大。

圖8 30 kPa時三七粉塵云最小引燃溫度隨質量變化

在表1中，當壓力為40 kPa、50 kPa、60 kPa時，三七粉的質量從0.2 g增加到0.6 g時，三七粉塵云引燃溫度隨著質量增大而增大。主要原因是三七粉無法有效發散，在噴吹壓力下壓著壁面向下落，加之三七粉放熱量較小，很難形成立方體的粉狀均勻燃燒，更多是出現點狀燃燒，見圖9。

圖9 5 mm厚三七粉粉塵層著火燃燒的情況

2.3 粉塵厚度對三七粉塵層的影響

根據實驗結果，不同厚度三七粉塵層最小引燃溫度如圖10所示。

圖10 三七粉厚度與最小引燃溫度的關系

由圖10可知：在5 mm到15 mm的范圍內，隨著厚度的增加，三七粉的著火溫度降低，最低為240 ℃,厚度大于15 mm后三七粉粉塵層的著火溫度趨同。三七粉粉塵層薄的時候，由于重力的作用，粉塵和加熱壁的接觸不夠緊密，存在大小不一的泡狀空氣空隙，泡狀空氣空隙起到隔熱的作用；粉塵層薄無法儲存氧化產生的熱量，故無法維持進一步的燃燒，所以最小著火溫度較大；三七粉粉塵層的厚度增加時，在重力的作用下，粉塵和加熱壁的接觸更加緊密，同時氧化產生的熱量能夠有效保存，很好地維持進一步的燃燒。存在某一厚度，此時恰好能封住氧化產生的熱量，這熱量能夠維持燃燒繼續，所以粉塵厚度超過某厚度后最小點燃溫度就保持不變。厚度超過15 mm后，隨著粉塵層厚度的增加三七粉的最小著火溫度趨向相同值240 ℃。

3 結論

(1)隨著壓力從20 kPa增加到60 kPa，質量為0.2 g時隨著壓力的增大，三七粉塵云最小引燃溫度先減小后增加；質量從0.3 g到0.6 g，隨著壓力的增大，三七粉塵云最小引燃溫度增加；三七粉塵云的最小引燃溫度為399 ℃。

(2)噴吹壓力為20 kPa、30 kPa時，隨著質量從0.2 g增加到0.6 g，三七粉塵云最小引燃溫度先減小后增大；噴吹壓力40 kPa增加到60 kPa時，隨著質量的增大三七粉塵云最小引燃溫度增大。

(3)三七粉塵層最小引燃溫度低于三七粉塵云最小引燃溫度，三七粉塵層的最小著火引燃溫度為240 ℃。