粉塵云最小點火能測試技術(shù)綜述

王志宇, 楊遂軍, 欒偉玲，葉樹亮*

(1.中國計量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所，杭州 310018；2.華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，石化行業(yè)動力電池系統(tǒng)與安全重點實驗室，上海 200237)

在工業(yè)生產(chǎn)中，粉塵以原料或副產(chǎn)品等形式普遍存在。當(dāng)懸浮在空氣中的可燃粉塵顆粒遇到足夠能量的點火源時，極可能發(fā)生粉塵爆炸。據(jù)統(tǒng)計，中國在2005—2018年發(fā)生82起粉塵爆炸事故，共造成523人死亡，731人受傷[1]。粉塵爆炸事故給社會帶來了重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重負(fù)面影響。

粉塵云最小點火能(minimum ignition energy, MIE)是指能夠引起粉塵云燃燒的最小點火能量，其從能量角度反映粉塵點燃的敏感程度，是表征可燃粉塵爆炸危險性的重要參數(shù)。通過測定粉塵云最小點火能，有利于粉塵爆炸控制措施開展，有效預(yù)防粉塵燃爆事故發(fā)生[2-3]。因此，粉塵云最小點火能測試技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。自1914年證實電容放電產(chǎn)生的靜電火花可引發(fā)粉塵燃爆至今的百余年間，已誕生了多種粉塵云最小點火能測試方法，為粉塵燃爆事故預(yù)防發(fā)揮了重要作用[4]。然而，多樣的粉塵云最小點火能測試方法疊加測試過程中存在諸多影響因素，不利于粉塵爆炸控制工作的開展。同時隨著納米材料、可燃?xì)怏w/粉體混雜在工業(yè)生產(chǎn)中日漸應(yīng)用，也對粉塵云最小點火能測試技術(shù)提出了新的要求[5]。為此，對粉塵云最小點火能的測試方法和測試結(jié)果的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)，以推動粉塵云最小點火能測試技術(shù)的推廣與應(yīng)用。同時總結(jié)了近五年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，以更好地探索研究發(fā)展趨勢，提高后續(xù)研究的針對性與有效性。

1 最小點火能測試方法

粉塵云最小點火能測試過程是采用一定手段使粉塵與空氣均勻混合形成粉塵云，使用一定能量的靜電火花對粉塵云進(jìn)行試點火，不斷降低點火能量，最終獲得能引起粉塵云燃燒的最敏感能量，即最小點火能。按照測試流程可分為粉塵分散、靜電火花發(fā)生、火花能量計算及最小點火能判定等階段，以下分別進(jìn)行介紹。

1.1 粉塵分散

當(dāng)前實現(xiàn)粉塵分散的方法主要有振動篩落法和氣流攜帶法，不同分散方法將影響粉塵的分散質(zhì)量和湍流度，進(jìn)而影響最小點火能的測試結(jié)果。

1.1.1 振動篩落法

振動篩落法采用自由下降方式分散粉塵，以在測試空間中盡量降低湍流度。所使用的振動篩落管為垂直安裝的有機玻璃管，管子上端通過振動篩將粉塵送入有機玻璃管中，并在振動篩下方用一定的流動空氣來改善粉塵分散質(zhì)量。在有機玻璃管下端安裝有點火電極，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到要求時使用一定能量對粉塵云點火。根據(jù)是否點燃，不斷降低點火能量重復(fù)測試，直至不再能夠點燃粉塵云[6]。

1.1.2 氣流攜帶法

氣流攜帶法，即用一定壓力的壓縮空氣通過分散器使粉塵揚起形成粉塵云。常用的裝置包括1.2 L哈特曼(Hartmann)管、20 L西維克(Siwek)球等。

哈特曼管裝置如圖1所示，上方圓柱形石英玻璃管為測試空間，下方不銹鋼半球為儲粉室，儲粉室中部設(shè)置有蘑菇型分散器，分散器與下方氣路連通。測試時，先將壓縮空氣充入容積為50 mL的儲氣室，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開出氣閥，氣流通過蘑菇型分散器將放置于儲粉室的粉塵揚起，在測試空間中形成粉塵云。點火電極位于哈特曼管垂直對稱軸線上，距底部100 mm。由于粉塵預(yù)先堆積在儲粉室中，部分研究中也將其稱為“堆積法”[7]。由于本質(zhì)上仍屬于通過高速氣流將粉塵揚起，故將其歸屬為氣流攜帶法。通過改變點火延遲時間，可測試在不同湍流度下的粉塵點燃情況。最小點火能的確定方法與振動篩落法一致，即不斷降低點火能量，重復(fù)測試，直至不再能點燃粉塵云。

圖1 哈特曼管裝置示意圖

哈特曼管裝置有多種改進(jìn)形式，其中一種是將儲粉室移至儲氣室出口處，由高速氣流攜帶粉塵通過一段管路后再由蘑菇型分散器噴出，這樣有助于降低粉塵團(tuán)聚，形成更加均勻的粉塵云[8-9]。

西維克球裝置的工作原理是：在容積為0.6 L的儲粉室中加入待測樣品，并使用壓縮空氣將儲粉室加壓至2 MPa，對容積為20 L的球形測試腔抽真空，使球內(nèi)壓力降至-0.06 MPa。打開氣粉兩相閥，儲粉室內(nèi)的高壓氣流帶動粉塵通過分散器進(jìn)入球形測試腔形成粉塵云，此時測試腔內(nèi)壓力回到大氣壓，在規(guī)定的點火延遲后對粉塵云試點火。最小點火能的確定方法與上述兩種裝置一致[10]。

1.1.3 方法對比

不同的分散方法影響著粉塵的分散質(zhì)量和湍流度，盡管振動篩落法可獲得最低的湍流度，但粉塵分散質(zhì)量差，導(dǎo)致測得的點火能高于其他兩種裝置上的測量值[6-7]。西維克球裝置上粉塵分散均勻，但湍流度較高；哈特曼管裝置上粉塵分散質(zhì)量未達(dá)到最好，但湍流度較小。在湍流度和粉塵分散質(zhì)量的綜合影響下，兩種裝置所測得的最小點火能基本相同。

當(dāng)前哈特曼管裝置在粉塵云最小點火能測試方面應(yīng)用最為廣泛，《粉塵云最小能量測定方法》(GB/T 16428—1996)、ExplosiveAtmospheres-Part20-2:MaterialCharacteristics-CombustibleDustsTestMethods(ISO/IEC 80079-20-2)、StandardTestMethodforMinimumIgnitionEnergyofaDustCloudinAir(ASTM E2019-03)、PotentiallyExplosiveAtmospheres-ExplosionPreventionandProtection-DeterminationofMinimumIgnitionEnergyofDust/AirMixtures(EN 13821:2002)等中外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均采用該方法，多款商業(yè)測試設(shè)備如瑞典Kuhner公司的MIK3[11]、捷克OZM公司的MIE-D 1.2[12]、波蘭ANKO公司的MINOR 3.1、杭州仰儀公司的MIE-3000A、沈陽因斯福公司的ETD 1.2L等都采用該方法。

1.2 靜電火花發(fā)生

粉塵云最小點火能測試所需的靜電能量一般在1～1 000 mJ，部分納米級可燃粉塵的最小點火能可低于1 mJ。常用的靜電火花發(fā)生方式包括繼電器觸發(fā)、移動電極觸發(fā)、輔助電極觸發(fā)、變壓器觸發(fā)等，每種靜電火花發(fā)生方式均有一定的適用范圍。

1.2.1 繼電器觸發(fā)

繼電器觸發(fā)原理如圖2(a)[10]所示，先使用高壓電源對電容充電，當(dāng)需要點火時閉合繼電器，加載至高壓電極和地電極兩端的高壓擊穿空氣間隙，形成電火花。通常繼電器觸發(fā)方式并不適用于靜電能量高于10 mJ的情形[13]，但隨著高載流高壓繼電器的應(yīng)用，該觸發(fā)方式已可支持1 000 mJ以上靜電能量的發(fā)生[14]。

可選擇增加一支1～2 mH電感作為放電負(fù)載，如圖2(b)[10]所示。當(dāng)不采用電感負(fù)載時，放電回路電感不超過25 μH。相比純電容放電，采用電感負(fù)載后更易點燃粉塵云，但由于在實際工業(yè)環(huán)境中并不太可能產(chǎn)生高電感值，在靜電放電危險性評估時，通常不采用電感負(fù)載[4]。

C為儲能電容；V為放電前的電容電壓；L為負(fù)載電感

1.2.2 移動電極觸發(fā)

移動電極觸發(fā)原理如圖3(a)所示[10]，先將地電極移動至遠(yuǎn)端，隨后采用高壓電源對電容充電。由于高壓電極和地電極之間的距離遠(yuǎn)大于擊穿距離，即使兩電極間加載高壓，也不足以擊穿空氣。當(dāng)需要點火時，采用氣動方式迅速將地電極推至近端，高壓擊穿空氣間隙形成電火花。同樣可選擇增加額外電感作為放電負(fù)載，如圖3(b)[10]所示。

圖3 移動電極觸發(fā)原理示意圖[10]

由于地電極在向高壓電極移動的過程中產(chǎn)生電暈放電，導(dǎo)致能量損失，因此一般靜電能量低于10 mJ時并不使用該種觸發(fā)方式[13]，而且難以準(zhǔn)確獲得火花產(chǎn)生時刻兩支電極的間距[4]。

1.2.3 輔助電極觸發(fā)

輔助電極觸發(fā)方式引入一支輔助電極，輔助電極與地電極之間距離相對較近。先在高壓電極和地電極間加載高壓，但該高壓不足以擊穿空氣。需要點火時，在輔助電極上加載小能量的高壓，該高壓擊穿輔助電極和地電極之間的空氣，進(jìn)而引起高壓電極和地電極之間的火花發(fā)生。

一般要求輔助電極上加載的能量低于高壓電極加載能量的1/10[10,13]，這樣當(dāng)所需火花能量較低時，輔助電極上的能量已不足以擊穿空氣間隙，因此輔助電極觸發(fā)并不適用于火花能量低于5 mJ情形。

1.2.4 變壓器觸發(fā)

變壓器觸發(fā)方式如圖4(a)[4]所示，儲能電容和點火電極分別位于升壓變壓器的初、次級，先采用低壓對儲能電容充電，當(dāng)需要點火時閉合開關(guān)，通過變壓器作用在點火電極兩端產(chǎn)生高壓，進(jìn)而擊穿空氣產(chǎn)生電火花。該觸發(fā)方式的優(yōu)勢是無須使用高壓器件，然而，由于能量存儲在初級線圈回路的電容中，放電時有部分能量損失在升壓變壓器的產(chǎn)熱中，進(jìn)而導(dǎo)致所測量的最小點火能值偏大[4]。

Eckhoff[15]對該電路進(jìn)行了改進(jìn)，將儲能電容移至次級回路中，同時并聯(lián)二極管以確保單向放電，如圖4(b)[15]所示。當(dāng)開關(guān)閉合時，觸發(fā)電容Ctr通過變壓器作用在電極上產(chǎn)生1～2 mJ能量的放電火花，進(jìn)而引發(fā)儲能電容放電[15]。由于1～2 mJ輔助能量的存在，該方式并不適合產(chǎn)生更低的火花能量。變壓器次級線圈電感值通常取1～2 mH以獲得最佳的放電時間，因此該觸發(fā)方式也不適合無電感負(fù)載的最小點火能測試[4]。

Ctr為觸發(fā)電容

1.2.5 電壓增加觸發(fā)

電壓增加觸發(fā)與繼電器觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)上有相似性，不過取消了放電繼電器，并限制充電電流，即采用涓流充電方式。當(dāng)電極剛產(chǎn)生火花時，將待測粉塵噴入測試腔，觀察粉塵是否發(fā)生點燃。該觸發(fā)方式很難實現(xiàn)靜電火花與粉塵分散的精確同步，而且在粉塵分散過程中可能產(chǎn)生多個靜電火花[16]。

1.2.6 粉塵觸發(fā)

粉塵觸發(fā)方式由Eckhoff[15]和Randeberg等[16]提出，工作方式為：先通過涓流充電方式將電極兩端電壓升高至略低于自然擊穿電壓，隨后將粉塵噴入測試腔，粉塵使電場發(fā)生畸變，進(jìn)而可能引起火花放電，引燃粉塵云。該觸發(fā)方式需觀察能穩(wěn)定引發(fā)火花放電的最低觸發(fā)電壓，該電壓隨粉塵粒徑和種類而不同[4,8-9]。

當(dāng)前繼電器觸發(fā)和移動電極觸發(fā)在粉塵云最小點火能測試方面應(yīng)用最為廣泛，也為商業(yè)測試設(shè)備所普遍采用。

1.3 火花能量計算

在最小點火能的測試中，電容存儲能量并不能全部釋放，所釋放的能量也不能完全轉(zhuǎn)換為火花能量，損耗包括電路熱損失、電磁輻射損失、放電沖擊波損失以及火花通道膨脹做功等，如圖5[17]所示。研究表明，靜電放電產(chǎn)生的火花能量遠(yuǎn)低于電容儲能，且不同能量點下的放電效率不同[18-22]。因此，計算實際火花能量十分必要。

圖5 基于熱傳導(dǎo)理論的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系[17]

1.3.1 乘積法

乘積法根據(jù)電容能量計算式，記儲能電容為C，V為放電前的電容電壓，V′為放電后的電容電壓，則火花能量E可表示為

E=0.5C(V2-V′2)

(1)

這里僅考慮儲能電容的能量未能完全釋放的情況。通常，V′遠(yuǎn)小于V，這樣放電能量近似于0.5CV2[16]。當(dāng)放電能量較小，即儲能電容較小時，還需考慮系統(tǒng)分布電容所帶來的影響。記分布電容為CP，則E可表示為

(2)

對于負(fù)載電感L的放電回路，E的計算公式為

E=0.5LI2

(3)

式(3)中：I為放電電流。

式(3)僅在負(fù)載電感大于1 mH時成立，當(dāng)負(fù)載電感低于1 mH時，電路仍以阻性為主[23]。

1.3.2 積分法

乘積法并未考慮電暈放電、回路電阻產(chǎn)熱以及電磁輻射等造成的能量損失，對于不同的測試設(shè)備，即使均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求(如回路電阻不高于5 Ω，負(fù)載電感不超過25 μH)，仍可能產(chǎn)生不同的火花能量。一種更準(zhǔn)確地計算方法是測量放電過程中的電壓波形和電流波形，將電極兩端的電壓V(t)和放電電流I(t)的乘積對時間t積分，得到E的計算公式為

(4)

該方法并不計算電容剩余能量和電路中損耗能量，所得到的能量值為火花能量的真實值。但該方法實際操作起來并不容易，原因在于所測得的電壓和電流波形相位不一致，在不同相位下電壓和電流波形的幅值存在量級上的差異，因此即使很小的相位偏差也會使火花能量計算不準(zhǔn)確[16,18]。

一些學(xué)者提出僅使用電流或僅使用電壓的積分方法，如考慮電路熱損失的計算公式為[16]

(5)

式(5)中：Rc為與火花通道相串聯(lián)的線路電阻。

也有研究表明，當(dāng)間隙空氣被電離后形成的火花通道呈現(xiàn)電阻性。Eckhoff[15]通過對多篇文獻(xiàn)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到該火花電阻Rs與放電電流關(guān)系可表示為

Rs=40lsI-1.46

(6)

式(6)中：ls為電極間距。

將式(6)代入式(4)，得到E的計算公式為

(7)

Knystautas等[24]將靜電放電回路等效為由電阻(R)、電感(L)、電容(C)構(gòu)成的RLC電路，則放電電流可表示為

(8)

式(8)中：Rt為放電回路的總電阻。

通過實際放電電流波形的角頻率、阻尼比等信息可求解總電阻Rt，以電極短接時的總電阻作為線路電阻Rc，將每次根據(jù)放電波形所解得的總電阻Rt減去線路電阻Rc即火花電阻Rs，從而得到E的表達(dá)式為

(9)

該方法所求得的能量接近于真實火花能量，避免了校正放電電壓和電流相位差，在多篇文獻(xiàn)中得到應(yīng)用[25-27]。

當(dāng)前不同測試標(biāo)準(zhǔn)中放電能量計算方法尚未統(tǒng)一，于2019年修訂的美國標(biāo)準(zhǔn)StandardTestMethodforMinimumIgnitionEnergyofaDustCloudinAir(ASTM E2019-03)中指出，最小點火能中的能量指電容釋放能量，采用式(1)計算[10]；于2016年制定的國際標(biāo)準(zhǔn)ExplosiveAtmospheres-Part20-2:MaterialCharacteristics-CombustibleDustsTestMethods(ISO/IEC 80079-20-2)則采用火花能量一詞，在能量低于100 mJ時采用電容存儲能量進(jìn)行計算，能量高于100 mJ時采用式(4)計算[28]。建議采用式(9)進(jìn)行計算，該方法僅需測量放電電流，而放電電流可通過電流互感器實現(xiàn)非接觸式測量，避免電壓測量探頭的引入對放電造成影響，也有望通過程序?qū)崿F(xiàn)真實火花能量的自動計算，更為簡單快捷。

1.4 MIE判定方法

中國國家標(biāo)準(zhǔn)《粉塵云最小能量測定方法》(GB/T 16428—1996)、國際標(biāo)準(zhǔn)ExplosiveAtmospheres-Part20-2:MaterialCharacteristics-CombustibleDustsTestMethods(ISO/IEC 80079-20-2)、美國標(biāo)準(zhǔn)StandardTestMethodforMinimumIgnitionEnergyofaDustCloudinAir(ASTM E2019-03)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)PotentiallyExplosiveAtmospheres-ExplosionPreventionandProtection-DeterminationofMinimumIgnitionEnergyofDust/AirMixtures(EN 13821:2002)等對粉塵云最小點火能的判定有以下描述。

最小點火能(minimum ignition energy，MIE)處于不能點燃的最大能量E1和能點燃的最小能量E2之間，即

E1

(10)

然而，不同標(biāo)準(zhǔn)對于能點燃或者不能點燃的判定卻有所差異，ISO/IEC 80079-20-2、ASTM E2019-03、EN 13821:2002等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在某點火能量下10次試點火均不出現(xiàn)著火則為不能點燃，10次試點火中任何一次出現(xiàn)著火則為能點燃。而GB/T 16428—1996規(guī)定，連續(xù)20次試點火均不出現(xiàn)著火則為不能點燃，連續(xù)20次試點火均出現(xiàn)著火則為能點燃[29]。相較而言，GB/T 16428—1996對能點燃或不能點燃的判定更嚴(yán)格，這可能導(dǎo)致測得的最小點火能范圍更寬。

出于對不同設(shè)備測試結(jié)果進(jìn)行對比的目的，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13821:2002給出一種根據(jù)不同濃度下點燃或不點燃情況計算最小點火能統(tǒng)計值Es的方法，可表示為

(11)

式(11)中：Nig為能發(fā)生點燃的濃度數(shù)；Ntotal為總的測試濃度數(shù)，Ntotal應(yīng)最少為5[13]。

近年來有學(xué)者提出，點火結(jié)果應(yīng)看作概率事件，而不是把能否點著當(dāng)作最后確定最小點火能的標(biāo)準(zhǔn)[30-34]。Moffett等[30]研究發(fā)現(xiàn)，點火概率隨火花能量而變化，基于Logistic回歸模型得到最小點火能為

(12)

式(12)中：β0、β1為極大似然估計系數(shù)；p為給定火花能量所引起點燃的概率。

李磊等[35]利用該方法對煙酸粉塵云的最小點火能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后認(rèn)為，采用Logistic回歸模型得到的最小點火能可以將式(10)和式(11)得到的結(jié)果按不同點火成功概率對應(yīng)起來，式(11)所得到的最小點火能對應(yīng)15%的點火成功概率。

2 影響因素

粉塵云最小點火能測試結(jié)果受多種因素影響，包括粉塵自身性質(zhì)、粉塵分散狀態(tài)、火花發(fā)生參數(shù)以及環(huán)境特征等。

2.1 粉塵性質(zhì)

2.1.1 顆粒粒徑

粒徑越小的粉塵顆粒，比表面積越大，與空氣接觸越充分，在相同火花能量下，更容易引燃[36-37]。Siwek等[38]總結(jié)了最小點火能與中位粒徑之間的關(guān)系，可表示為

EM2=EM1(M2/M1)2.5

(13)

式(13)中：EM1、EM2分別為中位粒徑為M1、M2時的最小點火能。

由此可根據(jù)已知中位粒徑的最小點火能估算1～500 μm范圍內(nèi)其他中位粒徑的最小點火能。

Wu等[39]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬粉塵粒徑下降至納米量級時，爆炸敏感性顯著增加。當(dāng)鈦粉粒徑分別為100 nm、3、8、20、45 μm時，MIE分別為<1、3、100、300、>1 000 mJ。隨后，文獻(xiàn)[40-42]研究表明，其他粉塵也有相似規(guī)律。有機粉塵則以揮發(fā)份在氣相燃燒為主，當(dāng)粉塵顆粒小至一定程度后，揮發(fā)份燃燒不再主要控制燃燒速度，繼續(xù)減小粉塵顆粒對粉塵云的點火特性沒有明顯影響[2,43]。

2.1.2 顆粒密度

顆粒密度主要影響粉塵云運動狀態(tài)，進(jìn)而影響其爆炸參數(shù)。Prasad等[44]采用兩種相似顆粒粒徑和形狀但密度不同的粉塵測試發(fā)現(xiàn)，在相同的點火延遲后，密度較高的粉塵的運動速度和濃度均低于密度較低的粉塵，因此在設(shè)置點火延遲時應(yīng)考慮測試粉塵的顆粒密度，以獲得一致的成云狀態(tài)和測試結(jié)果。

2.1.3 顆粒形狀

相同中位粒徑但不同形狀的粉塵顆?？赡芫哂胁煌缺砻娣e，從而最小點火能測量結(jié)果不同。Bagaria等[45]使用具有相似的粒徑分布、分散性和化學(xué)性質(zhì)但形狀不同的鋁粉測試發(fā)現(xiàn)，與球形粉塵相比，不規(guī)則形狀粉塵的最小點火能更低。分析認(rèn)為，不規(guī)則顆粒具有更大的比表面積，這導(dǎo)致更低的熱阻抗，有利于粉塵的點燃和火焰的傳播。

2.1.4 含水量

粉塵含水量對最小點火能的影響包括兩個方面：一是粉塵含水量影響粉塵顆粒的分散程度，影響粉塵云的粒徑分布[2]；二是由于水分的蒸發(fā)吸收熱量，影響所測得的最小點火能[43]。研究表明，粉塵云最小點火能隨著粉塵含水量增加而急劇上升，在含水量為5%～15%時，最小點火能相差一個數(shù)量級。任純力實驗發(fā)現(xiàn)，玉米粉在含水量分別為2%、7%、12%時，最小點火能分別為7、25、200 mJ[18]。因此在測試中，要求待測樣品在真空環(huán)境下以50 ℃或在大氣環(huán)境下以75 ℃干燥，直至待測樣品質(zhì)量不再改變[10,13]。

2.1.5 揮發(fā)份含量

有機粉塵云在點火過程中一般有揮發(fā)份逸出并在氣相中被點燃。若揮發(fā)份含量大，則在點火開始階段氣相燃燒釋放熱量增大，有利于點火成功，使最小點火能下降[43]。通過對長焰煤、不粘煤、氣煤、焦煤、瘦煤、貧煤6種不同煙煤測試發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)份越高，其最小點火能越低，6種煙煤對應(yīng)的最小點火能分別為60、100、160、180、210、250 mJ[46-47]。

2.1.6 粉塵云濃度

當(dāng)粉塵云濃度低于爆炸下限時，并不能使粉塵發(fā)生燃爆；當(dāng)粉塵濃度高于爆炸下限但高于或低于敏感濃度時，所需點火能量均高于敏感濃度時的最小點火能[48-52]。Nifuku等[53]研究認(rèn)為，當(dāng)粉塵顆粒之間距離足夠小時，燃燒顆粒的能量向未燃顆粒傳播速度較快，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度后，雖然顆粒間距較短，但參與燃燒的顆粒數(shù)目也較多，每個顆粒從點火源平均獲得的能量減小，同樣不利于點燃。

2.2 粉塵分散狀態(tài)

2.2.1 湍流度

湍流度對粉塵云最小點火能的測試影響體現(xiàn)在：更高的湍流度可以實現(xiàn)更為均勻的粉塵分散，獲得更好的粉塵分散質(zhì)量；但更高的湍流度將會有相當(dāng)部分能量在點火時刻被帶離點火區(qū)域，減弱了靜電火花的點火能力，從而使最小點火能增加[2]。

可通過調(diào)節(jié)噴粉壓力改變粉塵云初始湍流度，噴粉壓力越大，初始湍流度越高。在當(dāng)前相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)中，噴粉壓力均默認(rèn)為表壓0.7 MPa。更為常用的方法是調(diào)節(jié)噴粉與火花發(fā)生之間的時間間隔[54-56]，也即點火延遲時間，更低的點火延遲意味著更高的湍流度。

2.2.2 分散質(zhì)量

粉塵分散質(zhì)量對粉塵云最小點火能的影響與粉塵粒徑的影響類似，當(dāng)粉塵分散質(zhì)量較差時，粉塵顆粒的表象直徑增大，最小點火能升高[43]。李新光等[6-7]的測試也支持了這一觀點。Kosinski等[57]通過模擬氣流分散粉塵過程認(rèn)為，粒子之間的碰撞對粉塵云形成和分散質(zhì)量有顯著影響。

然而，低湍流度與高分散質(zhì)量相互矛盾。要獲得最佳的分散質(zhì)量則需要強有力的氣流，那么將產(chǎn)生較高湍流度。如果通過延長點火延遲時間使粉塵云恢復(fù)至較低的湍流度，對于細(xì)微粉塵顆粒，則再一次發(fā)生團(tuán)聚形成較大顆粒，分散質(zhì)量下降[4,36]。

2.3 火花發(fā)生參數(shù)

2.3.1 放電電壓

根據(jù)電容能量計算式，可通過改變電容和電壓的組合使之產(chǎn)生相同的電容能量。Liu等[22]測試了在相同電容能量但不同電容電壓組合時的放電特性，發(fā)現(xiàn)在充電電容為60 nF時的放電效率和火花電阻均高于充電電容為30 nF時的情況，且隨著電容能量的增大，充電電容為30 nF時放電效率和火花電阻的衰減均更快。因此建議在保證高壓擊穿的前提下，盡量選擇更高的充電電容以達(dá)到更高的放電效率。

2.3.2 放電負(fù)載

在無負(fù)載時，放電火花持續(xù)時間較短，被稱為“短火花”；電感負(fù)載時，放電火花持續(xù)時間較長，被稱為“長火花”。Eckhoff[15]根據(jù)理論預(yù)測，使用短火花點燃石松子粉塵云時，靠近放電火花的粉塵顆粒將被放電沖擊波推遠(yuǎn)，從而在放電火花引起的熱流半徑內(nèi)形成“無塵區(qū)”，這使粉塵難以點燃。

Eckhoff[58]通過在電極間隙處懸掛紙片實驗發(fā)現(xiàn)，能量高于25 mJ的短火花放電即可引起紙片明顯的位移，能量越高，位移越遠(yuǎn)，而300 mJ能量的長火花放電尚未引起紙片顯著位移。因而長火花放電時，隨著較長時間的放電持續(xù)，將有更多的揮發(fā)份從粉塵顆粒中逸出，并與空氣混合形成可燃混合物，增加點燃可能性[58]。

Eckhoff[4]使用200 g/m3石松子粉在1.2 L哈特曼管測試顯示，當(dāng)不使用額外電感負(fù)載時，最小點火能約為75 mJ；當(dāng)負(fù)載電感在1～5 mH時，最小點火能下降至2 mJ。但并非所有粉塵測試結(jié)果均符合該規(guī)律，越易燃燒的粉塵，電感負(fù)載的作用越弱，對于可燃?xì)怏w，電感負(fù)載的影響可忽略[38]。

當(dāng)放電回路中存在電阻負(fù)載時，也會顯著降低所測得的最小點火能。研究發(fā)現(xiàn)，在電阻負(fù)載為10～100 kΩ時，鋁粉和鎂粉的最小點火能下降約10倍。盡管電阻負(fù)載消耗一定能量，但延長了靜電火花放電持續(xù)時間，改變了火花能量密度[4]。

當(dāng)前中外相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)中，均推薦不使用負(fù)載進(jìn)行靜電放電危險性評估。Eckhoff[5]研究認(rèn)為，在實際工業(yè)環(huán)境中可能因金屬部件腐蝕或?qū)щ娐瘦^低材料導(dǎo)致放電回路含有客觀的電阻負(fù)載，因此應(yīng)增加額外電阻負(fù)載進(jìn)行最小點火能測試，以避免低估靜電放電火花引燃危險性，但目前尚未形成共識。

2.3.3 觸發(fā)方式

根據(jù)PotentiallyExplosiveAtmospheres-ExplosionPreventionandProtection-DeterminationofMinimumIgnitionEnergyofDust/AirMixtures(EN 13821:2002)，高于10 mJ可使用移動電極觸發(fā)方式，低于10 mJ則可使用高壓繼電器觸發(fā)方式，多款商業(yè)的測試設(shè)備也采用該分類方法。在不同的靜電火花觸發(fā)方式下，放電效率略有不同。Wang等[14]通過實驗發(fā)現(xiàn)，在無負(fù)載時，移動電極觸發(fā)和高壓繼電器觸發(fā)兩種方式下放電效率差異在5%～25%，由于測量能量通常以3倍臺階變化，最終所給出的最小點火能范圍幾乎一致。但對于極細(xì)粒徑粉塵，由于靜電的吸附作用導(dǎo)致粉塵顆粒吸附在高壓電極上，進(jìn)而難以產(chǎn)生放電火花，此時移動電極觸發(fā)方式得到的MIE結(jié)果略大。

2.3.4 點火延遲

點火延遲影響著粉塵相對電極間隙的位置和粉塵云的湍流度，點火延時過短則粉塵尚未到達(dá)電極間隙，點火延時過長則粉塵發(fā)生沉降，均不利于粉塵點燃。西維克球裝置測試表明，在一定范圍內(nèi)隨著點火延遲的減少，多種粉塵存在最小點火能增大趨勢[2]。黃麗媛等[59]研究發(fā)現(xiàn)，對于石松子粉塵，當(dāng)點火延遲在90 ms時所測得的MIE最小。蘇浩等[60]研究表明，對于中位徑為33.49 μm的鋯粉，當(dāng)點火延遲在60 ms時所測得的MIE最小。由此可見，點火延遲并非固定常數(shù)，而取決于測試粉塵顆粒的密度、粒徑等因素。ExplosiveAtmospheres-Part20-2:MaterialCharacteristics-CombustibleDustsTestMethods(ISO/IEC 80079-20-2)推薦使用60、120、180 ms點火延遲重復(fù)測試。

2.3.5 電極間距

電極間距對放電能量的影響主要體現(xiàn)在：影響火花電阻的大小和高壓擊穿空氣的作用時間。高壓擊穿空氣所形成的火花通道可適用歐姆定律，火花通道的長度、直徑和電導(dǎo)率影響著火花電阻[61]，因此即使在相同的電容儲能但不同的電極間距時，實際放電火花能量并不相同。Liu等[22]通過實驗也證實了這點，隨著電極間隙增加，火花電阻增大。在電容儲能為640 mJ，電極由2 mm增大至6 mm時，放電效率增加5.55%。

但這也不意味著越短或越長的電極間距越有利于粉塵云最小點火能的測量。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極間距由1.2 mm減小至0.35 mm時，石松子粉的最小點火能增加了5倍；通過對鈦粉、鋁粉、鎂粉等測試發(fā)現(xiàn)，存在可獲得最低MIE的電極間距，當(dāng)電極間距高于或低于該值時，測得的最小點火能則相對較高[4]。Shy等[62]通過靜電火花發(fā)生時的高速紋影圖像發(fā)現(xiàn)，在小電極間距下放電火花的曲率半徑更小，因此除了克服電極熱散失外，還需克服火花熱能的初期耗散。在長電極間距時誘導(dǎo)時間較長，因電暈放電逐漸消耗充電電容上的電荷，電極兩端的電壓逐漸下降，進(jìn)而使實際放電火花能量降低。當(dāng)前中外標(biāo)準(zhǔn)均推薦電極間距為6 mm，可調(diào)整電極間距范圍為2～8 mm。

2.3.6 電極形狀

電極的直徑、末端曲率等對測試結(jié)果的影響體現(xiàn)在：影響電場分布和空氣擊穿后的火花形狀。Liu等[22]通過COMSOL仿真和實際測試發(fā)現(xiàn)，銳角電極比球形電極、平面電極更容易引起空氣擊穿，但不同電極對所產(chǎn)生的火花能量并不顯著影響。Nifuku等[53]則發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極末端曲率在30°時，所測得的點火能最低。

2.3.7 電極材質(zhì)

不同的金屬電極材質(zhì)對放電能量幾乎不造成影響[22]，對有機粉塵最小點火能影響很小。但對于金屬粉塵，不同材料的電極對金屬顆粒粉吸附能力不同，會導(dǎo)致使用不同材質(zhì)電極測試的結(jié)果有所區(qū)別[18]。由于金屬在放電高溫下產(chǎn)生不同程度氧化，目前傾向于采用鎢、不銹鋼或黃銅等電極。

2.4 環(huán)境特征

2.4.1 環(huán)境溫度

在工業(yè)生產(chǎn)中，粉塵本身可能處于較高溫度，導(dǎo)致粉塵更易被點燃。Bartnecht通過實驗發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度每升高100 ℃，可燃粉塵最小點火能約下降一個數(shù)量級，且在雙對數(shù)坐標(biāo)下最小點火能隨溫度線性變化[38]。但對于含有揮發(fā)份的粉塵來說，揮發(fā)份含量有限，當(dāng)溫度上升至某種程度時，揮發(fā)份已全部揮發(fā)，若繼續(xù)增溫反而不利于點火[18]。

2.4.2 環(huán)境濕度

環(huán)境濕度對粉塵云最小點火能的影響原因與粉塵含水量影響原因類似，但除影響粉塵顆粒的分散程度和水分蒸發(fā)吸收熱量外，環(huán)境濕度還影響電極端電荷的釋放和火花電阻值[14,63]。普遍地，最小點火能隨著環(huán)境濕度的增加而顯著增加。張偉等[64]研究發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境濕度由40%～45%增加至60%～65%，所測試粉塵的最小點火能增加3～6倍。其他實驗也顯示了最小點火能隨環(huán)境濕度升高而有不同程度的增加[65-66]。

2.4.3 環(huán)境氣壓

當(dāng)氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，隨著壓力的降低，最小點火能增大。對于碳粉、鋁粉和鎂粉，最小點火能MIE與環(huán)境氣壓P之間的關(guān)系可表示為[67]

MIE(P)∝P-n

(14)

式(14)中：系數(shù)n取值為0.43～0.60。

2.4.4 環(huán)境氣體組分

氧氣作為助燃物，是粉塵燃爆的必要要素之一。當(dāng)環(huán)境氧濃度低于極限氧濃度時，粉塵云將不能點燃，而隨著氧濃度的增加，最小點火能有所降低。美國標(biāo)準(zhǔn)StandardTestMethodforMinimumIgnitionEnergyofaDustCloudinAir(ASTM E2019-03)要求在粉塵最小點火能測試中需保證氧濃度在20.9%±0.5%[10]。

當(dāng)環(huán)境氣體中含有可燃?xì)怏w時，即使該可燃?xì)怏w濃度低于爆炸下限，也將顯著降低測試粉塵的最小點火能[68-69]。

2.5 小結(jié)

表1總結(jié)了上述諸多因素對測試結(jié)果的影響程度，并將影響程度大致分為高、中、低3個等級。需要說明的是，部分影響因素并未歸納，一是有些因素并非直接原因，如火花持續(xù)時間[70]和火花能量密度這兩個因素均受放電負(fù)載影響，只采用放電負(fù)載這一因素；二是有些因素雖從不同角度描述但本質(zhì)一致，如噴粉壓力[43]、氣流速度等影響湍流度和分散質(zhì)量，采用后兩個因素描述；再者不同性質(zhì)粉塵進(jìn)行混雜也可使最小點火能發(fā)生顯著變化，利用這一特點可實現(xiàn)對粉塵的惰化[71-72]。

表1 粉塵云最小點火能測試影響因素

3 當(dāng)前研究熱點

盡管粉塵云最小點火能測試技術(shù)已有近百年發(fā)展歷史，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也幾經(jīng)修改完善，但當(dāng)前仍有部分問題未充分解決。

3.1 粉塵云分散狀態(tài)分析

對粉塵分散狀態(tài)的實驗研究通常采用高速攝像、粒子圖像測速或者激光多普勒測速等方法，但是難以對粉塵云內(nèi)部的粒子運動狀態(tài)進(jìn)行分析，近年來學(xué)者開始采用多種新的實驗和分析手段。

Berg等[73]將追蹤粒子放入待測粉塵中，隨后將哈特曼管裝置整體放入放射斷層掃描儀追蹤粒子運動狀態(tài)，在使用不同分散壓力重復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，粉塵顆粒的運動狀態(tài)呈現(xiàn)高度隨機性。Schweizer等[74]通過高速數(shù)字在線全息技術(shù)(digital in-line holography, DIH)對哈特曼管中的粉塵云形成、點燃和火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行研究，DIH測量結(jié)果與激光衍射粒度分析儀得到的粒徑分布結(jié)果一致，展示了DIH技術(shù)在點火區(qū)域粉塵云的瞬態(tài)體積、濃度和速度分布研究上的應(yīng)用潛力。

Murillo等[75]基于歐拉-拉格朗日方法對微米級鋁粉進(jìn)行計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)仿真后認(rèn)為，微米鋁粉的最小點火延遲時間不能低于60 ms，且最小點火延遲時間與粉塵性質(zhì)有極大關(guān)聯(lián)。Murillo等[76]還以小麥粉為對象，利用CFD仿真分析了噴粉壓力、點火延遲和電極高度等參數(shù)對最小點火能測試的影響，研究發(fā)現(xiàn)，分散壓力為0.5 MPa、延遲時間為80～120 ms時可提高實驗重復(fù)性。Chaudhari等[77]通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用惰性氣體對粉塵進(jìn)行惰化時應(yīng)進(jìn)行的最小吹掃時間不低于40 s，并利用CFD仿真確認(rèn)了該吹掃時間。CFD仿真已成為粉塵分散狀態(tài)、火焰?zhèn)鞑サ冗^程分析的有力工具。

3.2 最小點火能數(shù)值模擬與預(yù)測

目前獲取粉塵云最小點火能數(shù)據(jù)主要依靠實驗手段，對最小點火能的數(shù)值模擬有助于深入了解粉塵云的著火機理和定量分析最小點火能的影響因素，也有望根據(jù)已知數(shù)據(jù)實現(xiàn)更多物質(zhì)的最小點火能參數(shù)的理論預(yù)測。

文獻(xiàn)[78-80]分別通過多元線性回歸和支持向量機方法建立了61種化學(xué)物質(zhì)的定量結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系(quantitative structure-property relationship, QSPR)模型，發(fā)現(xiàn)這兩種方法均具有在無實驗數(shù)據(jù)情況下預(yù)測最小點火能的潛力。Chaudhari等[81]利用機器學(xué)習(xí)隨機森林算法和決策樹算法建立了65種可燃粉塵的分類模型，其按最小點火能將可燃粉塵分為兩類：MIE >10 mJ粉塵和MIE<10 mJ粉塵，隨機森林算法和決策樹算法均顯示了在二元MIE分類中良好的預(yù)測能力。Chaudhari等[82]還分別通過隨機森林算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳函數(shù)逼近建立了60種可燃粉塵的QSPR回歸模型，對比發(fā)現(xiàn)，隨機森林算法可識別最重要的描述符，從而實現(xiàn)QSPR的特征縮減，而在小數(shù)據(jù)集時人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比隨機森林算法更可靠[82]。

Hosseinzadeh等[83]通過粉塵的物理和化學(xué)特性的分析，基于顆粒熱行為建立了最小點火能理論預(yù)測模型，得到了最小點火能和最低著火溫度之間的關(guān)系。通過對煤粉、可可粉、煙酸粉、石松子粉、鋯粉、橡木粉6種不同粉塵的最小點火能測試發(fā)現(xiàn)，所建立模型在考慮40%～60%的放電能量損失后可與實測值有較好一致性。Chen等[84]建立了粉塵云點燃過程的物理模型，其最小點火能計算值隨粉塵粒徑和濃度的變化趨勢與實驗結(jié)果一致。模型還顯示，在低粉塵濃度時隨著粉塵濃度上升，粉塵云燃燒熱增加，最小點火能下降；當(dāng)粉塵濃度到達(dá)一定程度后，粉塵云燃燒熱不再增加，顆粒熱沉效應(yīng)越加顯著，最小點火能將隨著粉塵濃度增加而上升。

然而，當(dāng)前無論是基于統(tǒng)計方法的QSPR模型，還是基于粉塵理化性質(zhì)的熱行為模型，預(yù)測結(jié)果雖與實驗數(shù)據(jù)趨勢一致，但存在不少偏差，且驗證所用的數(shù)據(jù)偏少，仍待進(jìn)一步深入研究。

3.3 最小點火能測試影響因素分析

盡管最小點火能測試的影響因素已被探討多年，但由于影響因素眾多，該問題一直未能得到徹底解決。

近年來，美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Mashuga團(tuán)隊先后研究了粉塵粒徑、顆粒形狀、顆粒密度等因素對最小點火能測試結(jié)果的影響，主要結(jié)論有：①在1 m3粉塵爆炸測試裝置中，分散過程將導(dǎo)致粉塵顆粒破碎，粒徑減小，進(jìn)而影響所測得的最小點火能[85]；②粉塵顆粒形狀對最小點火能有一定影響，不規(guī)則顆粒具有更大的比表面積和更低的熱阻抗，有利于粉塵的點燃和火焰的傳播，因而最小點火能更低[45]；③相比常采用的中位徑d50，加權(quán)平均直徑D(3,2)與最小點火能的相關(guān)性更高，原因是細(xì)顆粒粉塵更有助于降低最小點火能，對于粒徑分散的粉塵，D(3,2)可提供更好的粒徑分布描述[86]；④相同顆粒數(shù)量但不同密度的粉塵在120 ms點火延遲后，低密度粉塵表現(xiàn)出更高的濃度和湍流，因此在設(shè)置點火延遲時應(yīng)考慮測試粉塵的顆粒密度，以獲得一致的成云狀態(tài)和測試結(jié)果[44]。

多位學(xué)者還對火花能量的影響因素進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。Li等[61]研究發(fā)現(xiàn)，火花電阻與電極間距和環(huán)境氣壓相關(guān)，更小的電極間距和環(huán)境氣壓時火花電阻更??；Bane等[87]研究表明，電極尺寸對火花通道產(chǎn)生影響，火花通道在電極表面產(chǎn)生球形沖擊波，在電極間隙中心產(chǎn)生圓柱形沖擊波。Liu等[21]進(jìn)行大能量火花放電時發(fā)現(xiàn)，實際火花能量僅占電容儲能的8%～14%。文獻(xiàn)[22,88]對放電過程中的多種因素進(jìn)行了仿真和實驗研究，發(fā)現(xiàn)在相同充電能量下，提高充電電容可獲得更高的放電效率。文獻(xiàn)[14,89-90]研究發(fā)現(xiàn)，火花通道呈阻性和感性，火花電阻和火花電感與放電時間存在指數(shù)關(guān)系，也對不同觸發(fā)方式和負(fù)載電感對火花能量的影響進(jìn)行了測試分析。

3.4 納米粉塵及混雜粉塵云最小點火能測試

現(xiàn)有商業(yè)化的粉塵云最小點火能測試裝置針對微米粒徑粉塵測試而研發(fā)，對于納米粉塵以及氣粉混合物的最小點火能并不十分適用。Eckhoff[4,91]研究認(rèn)為，對于納米粉塵，由于極強的顆粒間作用力，需產(chǎn)生較強的剪切力以將粉塵完全分散為單級顆粒，而當(dāng)前的粉塵分散系統(tǒng)并不能產(chǎn)生這種剪切力。

Addai等[68,92]對商業(yè)化粉塵云最小點火能測試裝置進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)道爾頓分壓方法將可燃?xì)怏w與空氣進(jìn)行預(yù)混合作為噴粉的氣源，其測試了多種粉塵、可燃?xì)怏w和空氣混雜粉塵云的最小點火能，發(fā)現(xiàn)即使僅混合低于爆炸下限濃度的少量可燃?xì)怏w，也可顯著降低混雜體系的最小點火能。Pang等[93]對乙烯/低密度聚乙烯混雜粉塵云測試也得到了相同的結(jié)論，但在這種測試方法中，可燃?xì)怏w與粉塵云并不能可靠地均勻混合。Chaudhari等[94]則通過在MIKE3增加清洗裝置以實現(xiàn)對混雜體系的最小點火能測試，發(fā)現(xiàn)預(yù)清洗對混雜體系的最小點火能有較大影響。文獻(xiàn)[95-96]沿用該裝置測試了匹茲堡煤、甲烷和空氣的混雜體系最小點火能，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行預(yù)清洗所測得的最小點火能更保守，因而建議在粉塵/可燃?xì)怏w/空氣的混雜體系測試中增加預(yù)清洗操作。這些工作有望促使混雜體系的最小點火能測試進(jìn)一步規(guī)范化。

4 結(jié)論

(1)粉塵云最小點火能測試技術(shù)一直是粉塵燃爆安全性研究關(guān)注的熱點，總結(jié)了在粉塵云最小點火能測試中粉塵分散、靜電火花發(fā)生、火花能量計算及最小點火能判定等階段不同方法的原理和特點，分析了粉塵理化性質(zhì)、粉塵分散狀態(tài)、火花發(fā)生參數(shù)以及測試環(huán)境等因素對最小點火能測試結(jié)果的影響，為相關(guān)人員提供參考及借鑒。

(2)最小點火能數(shù)值模擬與預(yù)測有助于定量分析最小點火能的影響因素，展示了根據(jù)已知數(shù)據(jù)實現(xiàn)最小點火能預(yù)測的可能，可為風(fēng)險評估提供全新的技術(shù)手段，但目前尚處于起步階段，今后還有很大的發(fā)展空間。