月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸過(guò)程熱解動(dòng)力學(xué)與火焰?zhèn)鞑ヌ匦躁P(guān)系*

張延松，李 南，郭 瑞，張新燕,2，張公妍，黃興旺

（1. 山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

目前我國(guó)面臨著嚴(yán)峻的粉塵爆炸威脅，且工業(yè)場(chǎng)所出現(xiàn)的可燃性粉塵越來(lái)越多樣化，為落實(shí)安全生產(chǎn)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸諸如硬脂酸和月桂酸作為工業(yè)中常用的有機(jī)原料，在橡膠、塑料、紡織、日化、精密鑄造、潤(rùn)滑脂等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。例如，硬脂酸可用于制造疏水材料、潤(rùn)滑劑、塑料增塑劑及醫(yī)用軟膏等。工業(yè)中在生產(chǎn)此類飽和脂肪酸時(shí)，往往需要經(jīng)歷多道復(fù)雜工藝流程，在生產(chǎn)制造過(guò)程中不可避免的會(huì)伴生大量可燃性粉塵，設(shè)備及廠房?jī)?nèi)受發(fā)生粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)較大，爆炸一旦發(fā)生，事故后果嚴(yán)重。例如，2014 年4 月16 日江蘇南通雙馬化工有限公司發(fā)生一起硬脂酸粉塵爆炸事故，造成12 名工人死亡，5 名工人受傷，社會(huì)影響惡劣。因此，針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中嚴(yán)重危及人們生命財(cái)產(chǎn)安全的有機(jī)粉塵爆炸事故，無(wú)論是硬脂酸亦或是月桂酸粉塵爆炸，只有探索和總結(jié)其爆炸特性演化規(guī)律，揭示粉塵爆炸發(fā)生的機(jī)理，才能有目的性地去預(yù)防、抑制各類粉塵爆炸，有針對(duì)性的制定科學(xué)而有效的防爆措施，從而保證安全生產(chǎn)。

為了更好地預(yù)防此類爆炸事故的發(fā)生，學(xué)者們針對(duì)此類有機(jī)化合物粉塵的爆炸特性展開(kāi)了諸多研究。Zhang 等展開(kāi)了月桂酸與硬脂酸粉塵熱解氧化特性對(duì)爆炸敏感參數(shù)與爆炸強(qiáng)度參數(shù)的影響研究，發(fā)現(xiàn)月桂酸粉塵的最小點(diǎn)火能（minimum ignition energy，MIE）與最低著火溫度（minimum ignition temperature，MIT）在低質(zhì)量濃度范圍內(nèi)均小于硬脂酸，而硬脂酸粉塵的爆炸下限（minimum explosion concentration，MEC）較大。月桂酸粉塵的最適爆炸質(zhì)量濃度較小，而最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率(d/d)則較硬脂酸粉塵更大，爆炸危險(xiǎn)性更高。此外，Chen 等較早通過(guò)紋影技術(shù)對(duì)硬脂酸粉塵云的火焰?zhèn)鞑C(jī)理展開(kāi)了研究，觀察到平滑的紋影前沿在黃色發(fā)光區(qū)輪廓前方4 mm～8 mm 處傳播，且紋影鋒的平均傳播速度隨著較小粒子顆粒密度的增加而增加，而幾乎不受可燃粒子平均直徑影響，表明火焰?zhèn)鞑ブ饕蓺饣y影前沿的較小顆粒的燃燒支持；趙夢(mèng)圓采用20 L 球形爆炸測(cè)試裝置對(duì)硬脂酸粉塵的爆炸特性及對(duì)應(yīng)的抑爆技術(shù)展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)粉塵粒度越小，爆炸敏感度與猛烈度越強(qiáng)。隨著粉塵云質(zhì)量濃度的增大，爆炸強(qiáng)度參數(shù)及(d/d)呈先升后降趨勢(shì)。此外，單從對(duì)硬脂酸粉塵爆炸的抑制效果來(lái)看，磷酸氫二銨（diammonium phosphate，DAP）優(yōu)于磷酸二氫銨（monoammonium phosphate，MAP），而固定粉塵云的質(zhì)量濃度，提高DAP 添加量，發(fā)現(xiàn)硬脂酸粉塵的爆炸猛烈度明顯減弱；Ju 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了對(duì)硬脂酸粉塵云可燃性極限和火焰結(jié)構(gòu)隨粒度變化的關(guān)系，并指出硬脂酸粉塵云火焰有兩種不同的結(jié)構(gòu)：一種為含有離散藍(lán)色點(diǎn)火焰的火焰結(jié)構(gòu)，另一種為無(wú)離散藍(lán)色點(diǎn)火焰的火焰結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步，Dobashi 等利用帶通濾波片高速攝影系統(tǒng)拍攝到無(wú)離散藍(lán)色點(diǎn)火焰的硬脂酸粉塵云火焰結(jié)構(gòu)，不僅燃燒區(qū)域結(jié)構(gòu)連續(xù)，而且火焰?zhèn)鞑ヒ彩沁B續(xù)的。高偉等采用相同方法，針對(duì)開(kāi)放空間中2 種不同粒徑分布的硬脂酸粉塵云，具體闡述了粒徑分布對(duì)硬脂酸粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)一步利用CH 輻射放大圖像和理論模型揭示了粉塵云離散火焰前鋒的形成機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)。

從上述研究中可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)硬脂酸粉塵的爆炸特性及抑爆技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)于與硬脂酸物化性質(zhì)及用途相似，熱特性不同的月桂酸的爆炸特性仍需探索。此外，熱解作為粉塵爆炸的重要階段，學(xué)者們運(yùn)用熱分析手段對(duì)金屬、生物質(zhì)等粉體的爆炸特性開(kāi)展了部分研究，Gao 等、Liu 等及Li 等的研究表明，粉塵爆炸特性與其熱行為密切相關(guān)。但月桂酸與硬脂酸粉塵的熱解過(guò)程有何差異，且熱解動(dòng)力學(xué)在爆炸過(guò)程中對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響如何，仍有待進(jìn)一步研究，以便更好的開(kāi)發(fā)抑爆方法與技術(shù)。

基于此，本文中利用同步熱分析儀、改進(jìn)的哈特曼爆炸測(cè)試裝置及高速攝影系統(tǒng)，針對(duì)分子結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)相似的月桂酸與硬脂酸粉塵，分析討論爆炸燃燒過(guò)程中熱解動(dòng)力學(xué)特性與火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘年P(guān)系，以期為此類飽和脂肪酸粉塵的安全生產(chǎn)與爆炸防護(hù)提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用上海TCI 化成工業(yè)發(fā)展有限公司提供的月桂酸與硬脂酸樣品，常溫常壓下為白色片狀晶體，純度大于98 %。月桂酸與硬脂酸均通過(guò)粉碎機(jī)破碎，經(jīng)200 目標(biāo)準(zhǔn)篩篩下制備得到實(shí)驗(yàn)樣品。實(shí)驗(yàn)前，月桂酸與硬脂酸粉塵樣品均在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)30 ℃干燥至少8 h。

利用掃描電子顯微鏡(FEI Nova Nano SEM 450)及馬爾文粒度分析儀(Malvern Mastersizer 3 000)分別對(duì)月桂酸與硬脂酸粉塵樣品的表面形貌及粒度分布進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1 及表1 所示。圖2 所示為月桂酸與硬脂酸粉塵樣品掃描電鏡圖片。可以看出，200 目標(biāo)準(zhǔn)篩篩下的月桂酸與硬脂酸粉塵樣品均呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，月桂酸顆粒表面平整、光滑，形狀相對(duì)更加規(guī)則，而硬脂酸顆粒表面則相對(duì)更加粗糙，形狀的不規(guī)則程度更高。月桂酸與硬脂酸粉塵樣品的比表面積、表面積平均徑、體積平均徑及中位粒徑均比較接近，其中中位粒徑分別為33.97 和30.71 μm，表面積平均徑分別為14.27 和12.97 μm。由于Castellanos 等發(fā)現(xiàn)索特平均直徑能夠更好的描述粉塵粒子的粒徑平均分布特性，更準(zhǔn)確的衡量粉塵爆炸特性參數(shù)。因此，兩種樣品可以用來(lái)作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖1 月桂酸和硬脂酸的粉塵粒度分布Fig. 1 Particle size distribution of lauric acid and stearic acid dust

圖2 月桂酸與硬脂酸粉塵的掃描電子顯微鏡圖像Fig. 2 Scanning electron microscope images of lauric acid and stearic acid dusts

表1 月桂酸和硬脂酸的粉塵粒度分布特征參數(shù)Table 1 Particle size distribution characteristic parameters of lauric acid and stearic acid dusts

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用法國(guó)賽塔拉姆儀器公司的同步熱分析儀（Setaram Labsys Evo）進(jìn)行熱分析實(shí)驗(yàn)，裝置示意圖如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度由室溫升高到550 ℃，以100 mL/min 的高純空氣作為吹掃氣體，在空氣條件下的加熱速率分別為5、10 和15 ℃/min，每次稱取實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量約為10 mg。系統(tǒng)自動(dòng)記錄月桂酸和硬脂酸粉塵的熱解與氧化過(guò)程的質(zhì)量以和熱流變化，熱分析曲線最終趨于穩(wěn)定后，繪制不同升溫速率條件下的質(zhì)量損失曲線（thermogravimetric，TG）、失重速率變化曲線（differential thermogravimetric，DTG）和熱流變化曲線（differential scanning calorimetry，DSC）。

圖3 同步熱分析儀裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of synchronous thermal analyzer device

采用改進(jìn)的哈特曼爆炸測(cè)試裝置開(kāi)展粉塵云火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗(yàn)研究，裝置示意圖如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括改進(jìn)的哈特曼管、揚(yáng)塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)。傳統(tǒng)哈特曼管是一個(gè)高300 mm、直徑65 mm、容積1.2 L 的圓柱形石英玻璃管道。本文中對(duì)哈特曼管進(jìn)行改進(jìn)，采用高600 mm、直徑65 mm、容積2.4 L 的圓柱形石英玻璃管道，以延長(zhǎng)可觀察的火焰?zhèn)鞑r(shí)間。揚(yáng)塵系統(tǒng)包括高壓氣罐、進(jìn)氣閥、儲(chǔ)氣罐、電磁閥及蘑菇狀噴頭。點(diǎn)火系統(tǒng)包括高壓儲(chǔ)能器、電火花能量發(fā)生器和安裝在蘑菇狀噴頭上部50 mm 處的點(diǎn)火電極。當(dāng)點(diǎn)火系統(tǒng)控制電磁閥打開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)的預(yù)充高壓氣經(jīng)蘑菇狀噴頭將平鋪在燃燒管底部的測(cè)試粉塵揚(yáng)起，在燃燒管內(nèi)形成粉塵云，電火花能量發(fā)生器通過(guò)電容儲(chǔ)能為系統(tǒng)提供指定的電火花能量，電容放電擊穿電極間隙，提供實(shí)驗(yàn)用點(diǎn)火源。實(shí)驗(yàn)設(shè)定點(diǎn)火能量20 mJ，點(diǎn)火延遲時(shí)間為30 ms，放電持續(xù)3 ms，儲(chǔ)氣室充壓0.3 MPa。粉塵云點(diǎn)燃后，Phantom 高速攝影機(jī)以1 000 s的速度進(jìn)行拍攝，以便迅速捕捉月桂酸與硬脂酸粉塵云在豎直燃燒管內(nèi)的火焰瞬態(tài)演化過(guò)程。

圖4 改進(jìn)的哈特曼管實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 4 Schematic of the improved Hartmann tube experimental device

2 結(jié)果與討論

2.1 熱分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力學(xué)分析

2.1.1 熱分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 為不同升溫速率下空氣氣氛月桂酸與硬脂酸粉塵的質(zhì)量損失曲線與熱流變化曲線。可以看出，隨著升溫速率的增大，月桂酸與硬脂酸粉塵的TG、DTG 及DSC 曲線均向高溫區(qū)方向移動(dòng)，即粉塵的熱解起始溫度、熱解失重速率及放熱峰溫度均隨著升溫速率的增大而增大，且釋熱量也呈逐漸增大的趨勢(shì)。在測(cè)試的溫度范圍內(nèi)，月桂酸與硬脂酸粉塵均經(jīng)歷兩步熱解過(guò)程，即快速熱解階段與慢速熱解階段，且不同升溫速率條件下月桂酸與硬脂酸粉塵的熱解氧化特性差異顯著。以升溫速率5 ℃/min 的熱特性曲線為例，月桂酸粉塵在47 ℃時(shí)發(fā)生熔化，硬脂酸粉塵在69 ℃時(shí)發(fā)生熔化，對(duì)應(yīng)DSC 曲線上分別呈現(xiàn)一個(gè)開(kāi)口向上的熔化吸熱峰。在快速熱解階段，月桂酸粉塵在130～160 ℃范圍內(nèi)開(kāi)始熱解，隨著溫度的上升，熱解速率逐漸增大，于240 ℃達(dá)到最大值，同時(shí)釋放氧化反應(yīng)熱。硬脂酸粉塵約在180 ℃～220 ℃范圍內(nèi)開(kāi)始熱解，隨著溫度的上升，熱解速率逐漸增大，于265 ℃達(dá)到最大值，同時(shí)釋放較多的氧化反應(yīng)熱。DSC 曲線上開(kāi)口向下的氧化放熱峰的峰值分別對(duì)應(yīng)的溫度為月桂酸與硬脂酸粉塵氧化放熱速率最快、最劇烈時(shí)的溫度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬脂酸粉塵的熔點(diǎn)、熱解起始溫度以及熱解速率最大值溫度均高于月桂酸粉塵，且釋熱量更大。在緩慢熱解階段，殘余物質(zhì)在高溫下發(fā)生熱解氧化反應(yīng)，釋放出熱量，與月桂酸粉塵相比，硬脂酸粉塵發(fā)生二次殘余物質(zhì)熱解與氧化的溫度更高，釋放的熱量較多，放熱峰值更高。

圖5 不同升溫速率下月桂酸粉塵和硬脂酸粉塵的熱特性曲線Fig. 5 Thermal curves of lauric acid and stearic acid dust at different heating rates

2.1.2 熱解氧化動(dòng)力學(xué)分析

采用Coats-Redfern 法求解月桂酸與硬脂酸粉塵熱解氧化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，深入分析月桂酸與硬脂酸粉塵的熱解氧化特性差異。具體的計(jì)算方法與過(guò)程詳見(jiàn)。表2 所示為求解的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，月桂酸粉塵的快速熱解階段和慢速熱解階段分別遵循一維擴(kuò)散模型（D1 模型）和1.5 級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型（F1.5 模型）；硬脂酸粉塵的快速熱解氧化階段及慢速熱解氧化階段分別遵循1.5 級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型（F1.5 模型）和三維擴(kuò)散模型（D3 模型）。月桂酸與硬脂酸粉塵快速熱解階段的活化能分別為26.06 和28.64 kJ/mol，指前因子分別為54 530 和81 745 min；慢速熱解階段的活化能分別為18.64 和29.57 kJ/mol，指前因子分別為48.06 和864.65 min。由此可知，在不同熱解階段硬脂酸粉塵的平均活化能和指前因子均高于月桂酸。說(shuō)明月桂酸粉塵熱解過(guò)程中化學(xué)鍵斷鍵所需要的能量較小，熱解氣化的發(fā)生更加容易。而硬脂酸熱解氧化過(guò)程中有更多的活性中心參與熱解氧化反應(yīng)，釋放出更多的熱解氧化反應(yīng)熱。

表2 運(yùn)用Coats-Redfern 法求解的月桂酸和硬脂酸動(dòng)力學(xué)參數(shù)[8]Table 2 Kinetic parameters of lauric acid and stearic acid dusts by the Coats-Redfern method[8]

2.2 熱解氧化特性對(duì)月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響

2.2.1 火焰結(jié)構(gòu)差異

根據(jù)已有研究，月桂酸與硬脂酸粉塵分別于500、375 g/m達(dá)到最合適的爆炸質(zhì)量濃度，因此選取125、375、500 、750 g/m作為實(shí)驗(yàn)粉塵云質(zhì)量濃度，對(duì)月桂酸與硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ヌ匦哉归_(kāi)分析。理想粉塵云質(zhì)量濃度計(jì)算公式為=/，其中為粉塵質(zhì)量，為改進(jìn)的哈特曼管容積。

定義點(diǎn)火電極點(diǎn)火3 ms 后的時(shí)刻為火焰?zhèn)鞑サ? 時(shí)刻。圖6 為粉塵云質(zhì)量濃度125 g/m條件下半封閉豎直管道內(nèi)月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。可以看出，在點(diǎn)火能量的激發(fā)下，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰基本以點(diǎn)火電極為中心，呈球狀火焰發(fā)展傳播，發(fā)出強(qiáng)烈的黃白光。在火焰形成發(fā)展的初期，硬脂酸粉塵球狀火焰輪廓比月桂酸粉塵球狀火焰更飽滿，火焰前鋒更光滑，且在火焰?zhèn)鞑サ南嗤瑫r(shí)刻，硬脂酸粉塵球狀火焰體積更大。這是因?yàn)橄鄬?duì)于活化能及熱解溫度均較低的月桂酸粉塵，硬脂酸粉塵在快速熱解階段的指前因子更大，更多的活性中心參與了熱解和氧化反應(yīng)，釋放出遠(yuǎn)高于月桂酸粉塵快速熱解氧化的熱量，以支持火焰的快速發(fā)展傳播。隨著火焰持續(xù)向上傳播，月桂酸與硬脂酸粉塵云的火焰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較大差異。在火焰?zhèn)鞑サ闹泻笃冢鹿鹚岱蹓m的火焰前鋒逐漸光滑且明亮，而硬脂酸粉塵的火焰前鋒結(jié)構(gòu)則逐漸趨于離散且亮度變暗，且硬脂酸粉塵的火焰結(jié)構(gòu)連續(xù)性強(qiáng)于月桂酸。此外，通過(guò)對(duì)比火焰?zhèn)鞑r(shí)長(zhǎng)可以看出，此質(zhì)量濃度條件下，半封閉豎直管道內(nèi)硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ミh(yuǎn)快于月桂酸粉塵，尤其是在火焰?zhèn)鞑サ闹泻笃冢鹿鹚岱蹓m云火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)緩慢，使得火焰前鋒預(yù)熱區(qū)內(nèi)的月桂酸粒子受熱分解及揮發(fā)的時(shí)間相對(duì)充分，進(jìn)行類似于預(yù)混燃燒的均相燃燒反應(yīng)，從而形成光滑連續(xù)的發(fā)光火焰前鋒；而硬脂酸粉塵火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)增大，使得火焰前鋒預(yù)熱區(qū)內(nèi)的硬脂酸粉塵粒子受熱分解的時(shí)間不足，火焰前鋒到達(dá)時(shí)未能完全熱解揮發(fā)，而以一種邊熱解氣化、邊擴(kuò)散燃燒的非均相燃燒方式向上傳播。因此，硬脂酸粉塵的火焰前鋒結(jié)構(gòu)逐漸趨于離散且亮度變暗。

圖6 粉塵云質(zhì)量濃度125 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig. 6 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 125 g/m3

隨著粉塵云質(zhì)量濃度增加至375 g/m，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰結(jié)構(gòu)差異逐漸顯著，如圖7 所示。可以看出，點(diǎn)火初期的月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰的形成與發(fā)展過(guò)程與粉塵質(zhì)量濃度125 g/m時(shí)相似，火焰基本呈球狀傳播，但火焰亮度較125 g/m粉塵云火焰而言均有所下降。一方面是因?yàn)殡S著粉塵云質(zhì)量濃度的增大，點(diǎn)火電極附近的粉塵粒子數(shù)密度增大，點(diǎn)火能量被更多冷粒子所吸收，點(diǎn)火能量對(duì)傳播火焰的點(diǎn)火效應(yīng)被部分削弱；另一方面，較高質(zhì)量濃度的粉塵云也可能對(duì)豎直管道的透光性造成一定影響。隨著火焰持續(xù)向上傳播，火焰鋒面燃燒區(qū)內(nèi)發(fā)生的類似于均相預(yù)混燃燒逐漸向非均相擴(kuò)散燃燒轉(zhuǎn)變，月桂酸與硬脂酸粉塵光滑連續(xù)的火焰前鋒結(jié)構(gòu)逐漸趨于離散，且月桂酸粉塵云火焰鋒面離散程度更大，鋒面結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。這是由于隨著粉塵云質(zhì)量濃度的增大，單位時(shí)間單位體積內(nèi)參與燃燒反應(yīng)的粉塵粒子數(shù)增多，使得月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅虼藭?huì)縮短火焰前鋒預(yù)熱區(qū)內(nèi)的粉塵粒子用于受熱分解及揮發(fā)的時(shí)間，容易導(dǎo)致火焰前鋒到達(dá)時(shí)這些粉塵粒子未能完全熱解揮發(fā)，而以一種邊熱解氣化、邊擴(kuò)散燃燒的非均相燃燒方式向上傳播。與硬脂酸粉塵相比，月桂酸粉塵雖然更易發(fā)生熱解，活化能更低，但其在熱解氧化過(guò)程中的釋熱量及釋熱速率遠(yuǎn)低于硬脂酸，所以在火焰快速傳播的豎直管道內(nèi)，已燃月桂酸粉塵粒子的燃燒效率及未燃月桂酸粉塵粒子的熱解效率均低于硬脂酸粉塵。這可能是導(dǎo)致月桂酸與硬脂酸粉塵火焰結(jié)構(gòu)差異顯著的主要原因。

圖7 粉塵云質(zhì)量濃度375 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig. 7 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 375 g/m3

當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度增加至500 g/m時(shí)，月桂酸與硬脂酸粉塵云爆炸火焰結(jié)構(gòu)差異進(jìn)一步顯現(xiàn)，月桂酸粉塵云火焰結(jié)構(gòu)的連續(xù)性明顯降低，如圖8 所示，可以看出點(diǎn)火初期的月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰形成與發(fā)展過(guò)程與粉塵質(zhì)量濃度為375 g/m時(shí)的相似，但又略有不同，主要表現(xiàn)為在火焰?zhèn)鞑サ?～15 ms 時(shí)間內(nèi)，月桂酸與硬脂酸粉塵以點(diǎn)火電極為中心形成和發(fā)展的球狀火焰在火焰輪廓、亮度及火焰前鋒光滑程度方面均較為相似。隨著火焰進(jìn)一步傳播，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰鋒面結(jié)構(gòu)逐漸離散，火焰結(jié)構(gòu)差異顯著，月桂酸粉塵云火焰鋒面結(jié)構(gòu)的離散程度更大，亮度更低，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。尤其在火焰?zhèn)鞑サ闹泻笃冢鹿鹚岱蹓m云火焰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，管道中下部火焰明亮且連續(xù)，中上部火焰昏暗且離散；而硬脂酸粉塵云火焰結(jié)構(gòu)變化主要體現(xiàn)為火焰鋒面離散程度加劇，并未出現(xiàn)明顯的火焰結(jié)構(gòu)分層。這是由于，一方面根據(jù)Gao 等對(duì)豎直管道內(nèi)火焰前鋒粉塵粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析可知，粒子的運(yùn)動(dòng)速度取決于粒子的大小和空間位置。隨著粉塵云質(zhì)量濃度的增大，豎直管道內(nèi)粉塵粒子間距縮小，粒子團(tuán)聚效應(yīng)增強(qiáng)，使得位于豎直管道中上部的粉塵粒子更易較早沉降下來(lái)，引發(fā)火焰的分層。另一方面由于2 種粉塵快速熱解氧化階段釋熱量及釋熱速率的差異，硬脂酸粉塵的指前因子更大，參與熱解和氧化過(guò)程的活性中心更多，從而釋放出更多的反應(yīng)熱和更快的放熱速率，使得反應(yīng)體系具有更高的反應(yīng)強(qiáng)度，火焰?zhèn)鞑ジ烨覀鞑セ鹧鎸?duì)沉降中粉塵粒子的向上的熱膨脹作用越強(qiáng)，因此，硬脂酸粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)的連續(xù)性及亮度均強(qiáng)于月桂酸粉塵。

圖8 粉塵云質(zhì)量濃度500 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig. 8 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 500 g/m3

當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加至750 g/m時(shí)，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程如圖9 所示。點(diǎn)火初期，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰的形成與發(fā)展與粉塵質(zhì)量濃度500 g/m時(shí)較為相似。值得注意的是，在火焰形成和發(fā)展的20 ms 時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的月桂酸粉塵的球狀火焰亮度及體積均大于硬脂酸粉塵。由熱解氧化特性可知，由于硬脂酸粉塵在燃燒爆炸過(guò)程中耗氧量遠(yuǎn)大于月桂酸粉塵，氧含量的不足限制了硬脂酸粉塵燃燒過(guò)程的釋熱量及釋熱速率；且月桂酸粉塵在快速熱解階段的熱解溫度及活化能較低，使得月桂酸粉塵即使在點(diǎn)火強(qiáng)度較低的條件下，仍能保持較快的燃燒速率。隨著火焰進(jìn)一步傳播發(fā)展，月桂酸與硬脂酸粉塵呈現(xiàn)出相似的火焰結(jié)構(gòu)，即火焰自下而上傳播至豎直管道中部開(kāi)始出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。這是由于粉塵云質(zhì)量濃度過(guò)大，粒子團(tuán)聚效應(yīng)加劇，加快了豎直管道中上部未燃粉塵粒子的沉降速率，參與燃燒反應(yīng)的粉塵粒子數(shù)減少。因此，月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)明顯的分層。與粉塵云質(zhì)量濃度為500 g/m時(shí)相比，硬脂酸粉塵的火焰結(jié)構(gòu)連續(xù)性明顯降低，除了粉塵粒子沉降因素外，火焰前鋒氧氣的質(zhì)量輸運(yùn)過(guò)程顯著影響了硬脂酸粉塵爆炸火焰的傳播，導(dǎo)致火焰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯分層。

圖9 粉塵云質(zhì)量濃度750 g/m3 條件下月桂酸和硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig. 9 Flame propagation processes of lauric acid and stearic acid dusts at the dust cloud concentration of 750 g/m3

2.2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣炔町?/p>

基于Matlab 程序，采用圖像邊緣檢測(cè)算法對(duì)月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰進(jìn)行識(shí)別并提取火焰邊緣，跟蹤獲取火焰前鋒位置，然后通過(guò)火焰前鋒向上移動(dòng)的距離計(jì)算出火焰前鋒向上移動(dòng)的速度，即為火焰?zhèn)鞑ニ俣取D10 所示為粉塵云質(zhì)量濃度125、375、500 及750 g/m條件下月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)比圖。可以看出，當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度為125 g/m時(shí)，月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸火焰的平均傳播速度差異最大。硬脂酸粉塵在火焰初始形成和發(fā)展的40 ms 范圍內(nèi)，瞬時(shí)火焰速度增幅較緩；隨后硬脂酸粉塵云火焰開(kāi)始進(jìn)入快速傳播階段，火焰速度迅速增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?8 ms 時(shí)達(dá)到最大，隨后出現(xiàn)衰減。月桂酸粉塵云火焰在初始傳播的60 ms 時(shí)間內(nèi)，傳播速度緩慢增大；隨后火焰快速向上傳播，傳播速度快速增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?0 ms 時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸衰減。此質(zhì)量濃度下硬脂酸與月桂酸粉塵的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為7.86 和4.05 m/s，硬脂酸粉塵的火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著大于月桂酸粉塵；且在火焰快速傳播階段，硬脂酸與月桂酸粉塵在豎直管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪凳诛@著。當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度為375 g/m時(shí)，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先緩慢增大后快速增大的趨勢(shì)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為10.82 和12.76 m/s，2 種粉體的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钣兴鶞p小。當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度為500 g/m時(shí)，月桂酸與硬脂酸粉塵云的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為12.05 和12.38 m/s，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钸M(jìn)一步減小。當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度為750 g/m時(shí)，月桂酸與硬脂酸粉塵云的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為14.14 和11.94 m/s，此時(shí)月桂酸粉塵云的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫迅哂谟仓岬模以诨鹧鎮(zhèn)鞑サ闹泻笃冢鹿鹚岱蹓m云火焰的瞬時(shí)傳播速度明顯高于硬脂酸粉塵云的。

圖10 不同質(zhì)量濃度條件下月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig. 10 Comparison of flame propagation speeds between lauric acid and stearic acid dusts at different dust cloud concentrations

這是因?yàn)樵诘唾|(zhì)量濃度范圍內(nèi)，硬脂酸與月桂酸粉塵云火焰的傳播速度主要受粒子釋熱量與釋熱速率的影響。此時(shí)由于硬脂酸粉塵具有較大的指前因子，使得火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中有更多的活性中心參與熱解和氧化反應(yīng)，釋放出更多的熱量以支持火焰快速的傳播，因此硬脂酸粉塵云的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谠鹿鹚帷６S著粉塵云質(zhì)量濃度的增大，參與燃燒反應(yīng)的粉塵粒子逐漸增多，粒子間距減小，激活所有粒子所需的能量增加，火焰燃燒的需氧量增加，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_(kāi)始受活化能及火焰前鋒預(yù)熱區(qū)內(nèi)氧氣質(zhì)量輸運(yùn)過(guò)程的控制。當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度達(dá)到一定值后，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大，之后粉塵云質(zhì)量濃度的增大會(huì)引起支持火焰?zhèn)鞑グl(fā)展的能量與氧氣量不足，進(jìn)而導(dǎo)致粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南陆怠Ｓ捎谟仓岱蹓m的活化能較大，且燃燒爆炸過(guò)程中的耗氧量遠(yuǎn)大于月桂酸粉塵的，因此硬脂酸粉塵云的拐點(diǎn)質(zhì)量濃度較月桂酸粉塵的更低。

3 結(jié) 論

本文中采用同步熱分析儀及改進(jìn)的哈特曼爆炸測(cè)試裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，研究月桂酸與硬脂酸粉塵爆炸燃燒過(guò)程中熱解動(dòng)力學(xué)與火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘年P(guān)系，得到的主要結(jié)論如下。

(1) 不同升溫速率下月桂酸與硬脂酸粉塵均經(jīng)歷快速熱解階段與慢速熱解階段，硬脂酸粉塵的平均活化能和指前因子均大于月桂酸，月桂酸粉塵更易發(fā)生熱解，硬脂酸粉塵氧化放熱量更高。

(2) 與硬脂酸粉塵相比，低質(zhì)量濃度月桂酸粉塵云火焰鋒面結(jié)構(gòu)更加光滑，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小；隨粉塵云質(zhì)量濃度的增大，月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰鋒面趨于離散，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，速度差異逐漸縮小；當(dāng)粉塵云質(zhì)量濃度達(dá)到750 g/m時(shí)，月桂酸粉塵云的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣融s超硬脂酸，火焰結(jié)構(gòu)連續(xù)性降低。

(3) 低質(zhì)量濃度月桂酸與硬脂酸粉塵云火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆町愔饕煽焖贌峤怆A段的氧化放熱特性決定；指前因子越大，參與反應(yīng)的活性中心越多，釋熱量越大，釋熱速率越快，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇欤鹧驿h面結(jié)構(gòu)由光滑連續(xù)向離散復(fù)雜的轉(zhuǎn)變?cè)娇欤浑S粉塵云質(zhì)量濃度的增加，月桂酸與硬脂酸粉塵火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆町愔饾u由活化能及火焰前鋒預(yù)熱區(qū)內(nèi)氧氣的質(zhì)量輸運(yùn)過(guò)程決定；活化能越大，耗氧量越大，耗氧速率越快，越易導(dǎo)致支持火焰?zhèn)鞑グl(fā)展的能量與氧氣量不足，進(jìn)而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担鹧驿h面趨于復(fù)雜，火焰結(jié)構(gòu)連續(xù)性降低。