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)
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(lè)活動(dòng)。2015年6月27日,臺(tái)灣新北市八仙樂(lè)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(chǎng)爆炸是目前世界上記錄最早的糧食粉塵爆炸事故。近年來(lái),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(kāi)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(lèi)似事故的發(fā)生。
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(chǎng))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。
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。
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(guò)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(guò)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。
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(jiàn)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(guò)程中應(yīng)注意對(duì)溫度的控制??紤]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。
圖3為黃色彩虹粉溫度和壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。
圖3 樣品溫度、壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)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(guò)程,升溫速率為2.5℃/min。82 min后樣品溫度及壓力曲線(xiàn)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(kāi)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(méi)有明顯波動(dòng)。若分解過(guò)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(guò)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(guò)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。
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(xiàn)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(xiàn)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(guò)大時(shí),懸浮在管內(nèi)的粉塵粒子數(shù)目過(guò)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(guò)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。
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(guò)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?chē)姺蹓毫头垠w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(guò)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(guò)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
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(lái)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(jiàn),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。
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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