王秋紅，楊宋萍，代愛萍

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054)

0 引言

糧食粉塵是1種常見的工業(yè)粉體原料，被廣泛應用于醫(yī)藥、食品、合成材料等工業(yè)生產(chǎn)中。同時，隨著生活的多樣化，糧食粉塵也被廣泛地應用于一些娛樂場所。但糧食粉塵具有可燃性，如果一定濃度的糧食粉塵在空氣中被點燃，可能會發(fā)生爆燃或爆炸，從而威脅人們的生命財產(chǎn)安全。例如，2015年臺灣新北“6·27”粉塵爆炸事故，共計524人受傷，其中重傷人員達到202人[1]。因此，有必要對彩跑粉的爆炸危險性進行研究。

粉塵爆炸是1個快速、復雜且非定常的兩相動力學過程[2]，文獻[3-5]通過分析粉塵爆炸的起因、預防和減輕的基本原理，將安全文化、安全管理制度和本質安全的概念聯(lián)系起來。糧食粉塵爆炸的研究主要集中在粉塵濃度、粒徑、點火能、點火位置以及噴粉壓力等特性參數(shù)上。東淑等[6]、陳先鋒等[7]、張睿沖等[8]研究粉塵云濃度對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀l(fā)現(xiàn)管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰峰值溫度以及爆炸壓力均表現(xiàn)出先增大后減小的特征，且不同質量濃度粉塵對應的最高火焰溫度和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸示€性關系。謝恬等[9]對不同粒徑的玉米淀粉進行研究，發(fā)現(xiàn)粒徑越小，特征溫度越小、粉塵云所需著火時間越短，著火特性指數(shù)越大。曹衛(wèi)國等[10]研究點火能對玉米淀粉粉塵爆炸危險性的影響，發(fā)現(xiàn)粉塵的最小點火能量隨著粉塵質量濃度的增加而降低。蒯念生等[2]、胡維西等[11]利用20 L球形裝置對不同粉塵在不同點火能量時的爆炸下限濃度進行測試，研究粉塵爆炸下限濃度隨點火能量的變化規(guī)律。王健等[12]、Pang等[13]在泄爆容器中進行玉米淀粉的泄爆研究，發(fā)現(xiàn)不同點火位置和初始壓力均會對爆炸壓力產(chǎn)生影響。文虎等[14]、張睿沖等[8]利用20 L球形試驗裝置對不同噴粉壓力進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴粉壓力的增大，粉塵云最大爆炸壓力先增大后減小。Chen等[15]通過改變金屬網(wǎng)的網(wǎng)數(shù)和層數(shù)研究小麥淀粉的火焰?zhèn)鞑ミ^程以及火焰溫度變化過程。

目前，國內(nèi)外學者對多類糧食粉塵爆炸進行大量研究，但是對于糧食粉塵經(jīng)二次加工制作成彩色粉后的爆炸特性研究較少，主要側重于爆炸壓力、爆炸下限方面的研究，對其極限氧濃度的研究暫未見報道。因此，本文對添加食用色素的紅色彩跑粉與沒有添加使用色素的彩跑粉基料進行實驗，并結合以往對糧食粉塵爆炸特性參數(shù)的研究進行對比分析，探究食用色素對糧食粉塵爆炸的影響。同時本文在紅色彩跑粉中添加小蘇打形成混合性粉塵分析其爆炸壓力與不發(fā)生爆炸的最大允許氧濃度(極限氧濃度，Limiting Oxygen Concentration，LOC)的變化過程。研究結果可為彩跑粉加工廠的抑爆和惰化防爆技術提供基礎數(shù)據(jù)參考。

1 實驗系統(tǒng)與實驗材料

1.1 實驗裝置

根據(jù)國際標準BS EN—14034—4[16]，采用20 L球型爆炸實驗裝置測試粉塵云爆炸壓力和LOC。實驗系統(tǒng)由全封閉的爆炸反應罐、配氣系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和容器清潔系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

實驗采用的點火源為化學點火頭，點火能量為4 kJ，化學藥包中過氧化鋇、硝酸鋇、鋯粉的質量配比為3∶3∶4。實驗開始前配制好點火頭。在環(huán)境壓力為101 KPa，溫度為22 ℃，相對濕度為40%～50%下進行實驗，保證環(huán)境壓力、溫度以及濕度均對粉塵爆炸強度影響較小。設置噴粉壓力為1 MPa，點火延遲時間為60 ms，電磁閥開啟時間為200 ms。測試得到化學點火頭空點壓力為0.065 MPa，本文中所有爆炸壓力數(shù)據(jù)均為減去化學點火頭空點壓力后的值。

根據(jù)BS EN—14034—1[17]和GB/T 16425[18]，用爆炸壓力確定彩跑粉是否發(fā)生爆炸，當爆炸壓力增加0.03～0.05 MPa以上時，認為粉塵發(fā)生爆炸。為安全考慮，將p粉塵>0.03 MPa作為爆炸發(fā)生的依據(jù)，否則認為未爆炸。

1.2 實驗材料

彩跑粉由玉米粉和食用色素制成，其基料是不添加食用色素的純天然玉米粉。根據(jù)文獻[19]，發(fā)現(xiàn)在紅色、無色、藍色、黃色、橙色5種顏色的彩跑粉中，紅色彩跑粉爆炸產(chǎn)生的壓力最大，威力最強。因此，在基料中添加紅色食用色素形成紅色彩跑粉，并作為實驗材料。

小蘇打是1種無毒、無害的粉末，因此選擇食用小蘇打(化學式：NaHCO3)作為粉末抑爆劑[20]。食用小蘇打與彩跑粉混合后，對原有彩跑粉的顏色外觀影響較小，且具有減弱爆炸威力的作用，是預防彩跑粉爆炸的優(yōu)選材料。

彩跑粉基料、紅色彩跑粉、食用小蘇打3種粉末樣品在真空干燥箱中以60 ℃恒溫干燥12 h。干燥結束后將粉末樣品裝入密封袋并立即開展后續(xù)實驗。采用馬爾文激光粒度分析儀分別確定3種粉末樣品的粒度分布，如圖2～3所示，樣品粒度特征見表1。

圖2 可燃性粉塵粒度分布Fig.2 Particle size distribution of combustible dust

圖3 食用小蘇打粒度分布Fig.3 Particle size distribution of edible baking soda

表1 粉末樣品的粒度特征Table 1 Particle size characteristics of powder samples

從圖2可以得出，2種彩跑粉粒度主要在10～110 μm之間，但是添加食用色素的紅色彩跑粉粒度大多數(shù)分布在14～18 μm之間，在16.4 μm時體積密度最大，所占比例為7.82%。而沒有添加食用色素的彩跑粉基料粒度大多分布在18～22 μm之間，在18.7 μm時體積密度最大，所占比例為5.64%。從圖3中可以得到小蘇打的粒徑主要分布在10～450 μm之間，在111 μm時體積密度最大，所占比例為6.79%。由表1得到，彩跑粉基料、紅色彩跑粉的d50值分別為32.7，19.4 μm，其比表面積分別為446.6，1 087.0 m2/kg。小蘇打的d50值為103.0 μm，比表面積為99.8 m2/kg。由此可知，當前工藝制備出的含色素的彩跑粉比彩跑粉基料的顆粒粒度小且顆粒比表面積偏高。

1.3 實驗過程

1)測定彩跑粉基料、紅色彩跑粉以及紅色彩跑粉與小蘇打混合后的爆炸強度。將經(jīng)過干燥的一定質量的可燃性粉塵放入儲粉器中，設定點火延遲時間與電磁閥開啟時間，按下啟動鍵，電磁閥打開，可燃性粉塵噴入全封閉的爆炸反應罐中形成粉塵云，隨即被點火頭點燃，發(fā)生爆炸,此時計算機采集到爆炸壓力數(shù)據(jù)，完成1次實驗。

2)通過加入惰性氣體N2采用分壓配氣的方式調節(jié)爆炸容器中的氧濃度，來測定紅色彩跑粉以及紅色彩跑粉與小蘇打在不同粉塵云濃度和摻混比下的LOC值，每個氧濃度至少測試3次，若均不發(fā)生爆炸則認為該氧濃度為此粉塵濃度下的LOC。

2 實驗結果與討論

針對紅色彩跑粉，進行食用小蘇打添加前后紅色彩跑粉爆炸極限氧濃度測定。

2.1 紅色彩跑粉爆炸壓力測定

根據(jù)文獻[21]中彩跑粉基料爆炸實驗數(shù)據(jù)，對比紅色彩跑粉和彩跑粉基料在50～400 g/m3粉塵云濃度范圍內(nèi)的爆炸壓力曲線，如圖4所示。

圖4 不同粉塵云濃度條件下彩跑粉基料與紅色彩跑粉爆炸壓力曲線Fig.4 Explosion pressure curves of color run powder base material and red color run powder under different dust cloud concentrations

由圖4可知，隨粉塵云濃度的增加彩跑粉基料與紅色彩跑粉爆炸后產(chǎn)生的爆炸壓力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在190，180 g/m3的粉塵云濃度條件下爆炸壓力達到最大值，分別為p彩跑粉基料=0.368 MPa，p紅色彩跑粉=0.49 MPa；不同粉塵云濃度下的彩跑粉基料爆炸壓力均小于紅色彩跑粉爆炸壓力。

為便于觀察，研究190 g/m3粉塵云濃度下的彩跑粉基料與紅色彩跑粉的爆炸壓力，如圖5所示。

圖5 190 g/m3粉塵云濃度下彩跑粉基料與紅色彩跑粉爆炸壓力-時間曲線Fig.5 Explosion pressure-time curves of color run powder base material and red color run powder under dust cloud concentration of 190 g/m3

從圖5得到190 g/m3的粉塵云濃度條件下紅色彩跑粉的爆炸壓力為0.452 MPa，明顯高于彩跑粉基料的爆炸壓力，且紅色彩跑粉達到最大爆炸壓力的時間更快。表示粉塵爆炸猛烈度的粉塵爆炸指數(shù)Kst可用式(1)進行計算：

Kst=V1/3(dp/dt)max

(1)

式中：V為爆炸容器的體積，m3；(dp/dt)max表示最大爆炸壓力上升速率，MPa/s。

計算得到彩跑粉基料與紅色彩跑粉的爆炸指數(shù)分別為3.39，4.07 MPa·m/s。參照國際標準BS EN—14034—1[17]，上述2種彩跑粉的Kst值在(1,20)之間，故二者的爆炸猛烈度都屬于St1級，這與文獻[10]測出結果一致。

2.2 紅色彩跑粉爆炸極限氧濃度測定

圖6 不同氧濃度條件下的190 g/m3紅色彩跑粉爆炸壓力-時間曲線Fig.6 Explosion pressure-time curves of 190 g/m3 red color run powder under different oxygen concentration conditions

首先，以190 g/m3濃度的紅色彩跑粉為例，研究紅色彩跑粉在9%～14%以及16%氧濃度下的爆炸壓力-時間曲線，如圖6所示。由圖6可知，紅色彩跑粉爆炸壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且都在300 ms內(nèi)達到最大值；在同一粉塵濃度下，紅色彩跑粉的爆炸壓力隨氧氣濃度的減小而減?。划斞鹾吭?%時，紅色彩跑粉產(chǎn)生的最大爆炸壓力為0.029 MPa，小于0.03 MPa，此時粉塵不發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

其次，測量50～400 g/m3粉塵云濃度范圍內(nèi)的紅色彩跑粉的LOC值，如圖7所示。圖7中，空心球代表發(fā)生爆炸時的氧氣濃度，叉號代表不發(fā)生爆炸時的氧氣濃度。

圖7 紅色彩跑粉LOC曲線Fig.7 LOC curve of red color run powder

從圖7可以得出，隨著粉塵云濃度的增加，紅色彩跑粉不發(fā)生爆炸的最大氧氣濃度先減小后增大；當氧氣濃度在10%及以下時，無論何種粉塵云濃度，紅色彩跑粉都不會發(fā)生爆炸。

2.3 小蘇打對紅色彩跑粉爆炸極限氧濃度的影響規(guī)律

將小蘇打以摻混的方式加入到紅色彩跑粉中形成混合粉末，小蘇打在混合粉末中的質量百分比為摻混比。混合粉末在罐中彌散會形成混合性粉塵，當摻混比為10%時，混合性粉塵在12%～14%、16%以及21%氧濃度下的爆炸壓力-時間曲線，如圖8所示。

圖8 摻混比為10%時的爆炸壓力-時間曲線Fig.8 Explosion pressure-time curves with mixing ratio of 10%

由圖8可知，不同氧濃度下的紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的爆炸壓力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在同一粉塵濃度下，紅色彩跑粉的爆炸壓力隨氧氣濃度的減小而減?。划斞鹾吭?2%時，產(chǎn)生的最大爆炸壓力為0.019 MPa，此時混合性粉塵不再發(fā)生爆炸。相比不添加小蘇打的紅色彩跑粉來說，同一粉塵云濃度下不能爆炸所需的最大氧濃度有所提升，說明小蘇打的加入在一定程度上降低紅色彩跑粉爆炸的敏感性。

不同氧濃度條件下紅色彩跑粉、紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的爆炸壓力值以及爆炸壓力峰值達到時間值，如表2所示。

表2 添加小蘇打前后紅色彩跑粉在不同氧濃度條件下的爆炸壓力值以及爆炸壓力峰值達到時間值Table 2 Explosion pressure values and time reaching peak explosion pressure of red color run powder before and after adding baking soda under different oxygen concentration conditions

從表2可以得到，在同一氧濃度條件下，紅色彩跑粉產(chǎn)生的爆炸壓力均大于紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵產(chǎn)生的爆炸壓力，且爆炸壓力峰值達到時間均小于紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的爆炸壓力峰值時間，再次說明小蘇打的加入能夠降低紅色彩跑粉的爆炸威力與爆炸敏感性。

針對10%～70% 7種摻混比，190 g/m3濃度下紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的LOC值，如圖9所示。圖9中，空心球代表發(fā)生爆炸的氧氣濃度，叉號代表不發(fā)生爆炸的氧氣濃度。具體數(shù)據(jù)詳見表3。

圖9 不同摻混比下紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的LOCFig.9 LOC of mixed dust with red color run powder and baking soda under different mixing ratios

表3 紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的LOC值Table 3 LOC values of mixed dust with red color run powder and baking soda

從圖9可以看出，在190 g/m3粉塵云濃度下，隨著摻混比的增大，LOC逐漸增大，并當摻混比為50%時，混合粉塵爆炸的LOC值為21%，說明此時紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵在空氣中點燃后不會發(fā)生爆炸。50%摻混比可作為添加小蘇打抑制彩跑粉爆炸的1個參考標準；不同摻混比下的LOC呈現(xiàn)近似一次線性函數(shù)的形式。對不同摻混比下的LOC進行擬合得到式(2)：

y=0.24x+8.71(R2=0.969 7)

(2)

式中：y表示紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的LOC值，%；x表示摻混比，%;R2=0.969 7，符合擬合方程的標準。

粉塵爆炸本質上屬于氣-固兩相混合反應[22-23]。在化學點火頭能量(4 kJ)的誘導下使得粉塵顆粒表面溫度升高。當溫度達到一定值時顆粒表面就會受熱分解揮發(fā)產(chǎn)生可燃性氣體，遇熱源便迅速燃燒。隨著燃燒后熱量的增加、能量的集聚，顆粒表面加速熱解，析出大量可燃的揮發(fā)分氣體參與燃燒，繼而發(fā)生爆炸。

紅色彩跑粉、紅色彩跑粉和小蘇打混合性粉塵摻混比為50%時的DSC-TG曲線，如圖10所示。

圖10 紅色彩跑粉與紅色彩跑粉和小蘇打混合性粉塵的DSC-TG曲線Fig.10 DSC-TG curves of red color run powder and mixed dust with red color run powder and baking soda

從圖10得出：紅色彩跑粉熱分解過程為吸熱-放熱過程，在240～427.8 ℃時出現(xiàn)明顯的失重。紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵熱分解過程為吸熱-放熱-吸熱過程，在100～172.9 ℃和240～410.5 ℃時出現(xiàn)明顯失重。相比單獨紅色彩跑粉明顯失重溫度降低140 ℃，說明小蘇打在紅色彩跑粉爆炸階段起到抑制作用，主要因為小蘇打受熱分解，產(chǎn)生CO2、Na2CO3以及水蒸氣，其受熱分解化學式如式(3)所示；

(3)

小蘇打分解產(chǎn)生CO2和氣態(tài)水協(xié)同降低反應容器內(nèi)的溫度，抑制紅色彩跑粉的分解，同時小蘇打在分解過程中能夠產(chǎn)生Na·、Na2O·自由基，易與糧食粉塵分解產(chǎn)生的H·、HO·自由基結合，阻斷鏈式反應的進行，從而使得爆炸反應難以發(fā)生。

3 結論

1)在50～400 g/m3粉塵濃度范圍內(nèi)，紅色彩跑粉的最大爆炸壓力值明顯高于彩跑粉基料，且在180，190 g/m3時分別達到最大值，分別為p紅色彩跑粉=0.49 MPa，p彩跑粉基料=0.368 MPa。根據(jù)BS EN—14034—1，其爆炸猛烈度屬于St1級。

2)紅色彩跑粉的LOC隨著粉塵濃度的增大呈先減小后增大的趨勢，并在200 g/m3時達到最小值，此時LOC為9%。當添加不同比例的小蘇打對紅色彩跑粉進行抑制時，其爆炸強度隨抑制比的增加而降低，當紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵的摻混比為10%時，紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵LOC為12%，且隨著抑制比的逐漸增大而增大，并在抑制比為50%時，LOC為21%，此時的紅色彩跑粉在空氣中不發(fā)生爆炸。在實際生產(chǎn)過程中，彩跑粉與小蘇打混合性粉塵可通過控制氧氣濃度低于9%，或者使紅色彩跑粉與小蘇打的摻混比大于50%用以抑制彩跑粉的爆炸。這為彩跑粉加工廠的抑爆和惰化防爆技術提供數(shù)據(jù)參考。

3)紅色彩跑粉在240～427.8 ℃時出現(xiàn)明顯失重，紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵在100～172.9 ℃和240～410.5 ℃時出現(xiàn)明顯失重。小蘇打的存在使得紅色彩跑粉與小蘇打混合性粉塵初始分解溫度相比單獨的紅色彩跑粉初始分解溫度降低140 ℃，說明小蘇打在紅色彩跑粉爆炸階段起到抑制作用。