速生杨木粉尘最小点火能的实验研究*

逄智宏，李万兆，郭 露，徐长妍，朱南峰

(南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

0 引言

杨木作为我国三大速生丰产林之一，已被广泛用于胶合板、纤维板、刨花板等木材加工行业[1]。由于在板材的锯切、铣削、刨削、砂光等生产工序中会产生大量木质伴生粉尘，细小的粉尘不仅危害员工身体健康，而且在运输和除尘的过程中极易造成重大爆炸事故，危及生命财产安全[2,4]。我国每年由于木质粉尘引起的爆炸事故有数十起，仅2010年上半年，在7起木材加工行业爆炸事故中，就有6起事故由木材粉尘燃爆而引起[3]。粉尘的最小点火能是影响爆炸敏感度的重要参数，反映了爆炸发生的难易程度[5-6]。近年来，有关粉尘最小点火能的研究受到国内外学者的广泛关注，Eckhoff等[7-9]对粉尘云爆炸特性及机理做了一系列探索；Addai等[10]研究了2种可燃气体和8种可燃粉尘混合物的最小点火能量，发现当少量可燃气体与粉尘混合时，粉尘的最小点火能显著降低并且爆炸可能性增加；Todaka等[11]研究了废咖啡渣和麻风树籽仁中脂肪油含量与最小点火能的关系，得出含油量的提高增加了粉尘爆炸的可能性；Zhang等[12]研究了氟苯尼考和替米考星以及2种药物不同比例混合物的最小点火能，发现替米考星对静电比较敏感，混合物的最小点火能与氟苯尼考的含量成正比；南京理工大学研究小组[13-16]对褐煤粉、石松子粉、小麦淀粉等粉尘的最小点火能进行了一系列测试研究。但目前对木材加工行业产生的木质粉尘最小点火能的关注仍然较少，因此，探究不同因素对速生杨木粉尘最小点火能的影响并研究其燃爆机理，对预防木材加工行业粉尘爆炸提供技术支撑，具有重要的理论和实际意义。本文选用速生杨木粉尘作为实验材料，采用1.2 L哈特曼管，通过改变点火延迟时间、喷粉压力、质量浓度和粒径分布的方式，探究不同因素对速生杨木粉尘云最小点火能的影响并分析其影响原因。为速生杨木粉尘最小点火能量的测定提供相关参数，同时为木材加工中木质粉尘爆炸预防、风险评估和防爆规范制定提供参考。

1 实验过程

1.1 实验材料制备

实验用粉碎机将山东某板材公司的速生杨木刨花粉碎成木粉。为了模拟木材工业加工过程中产生的木质粉尘，使用振动筛将木粉筛分为0～50，>50～96和>96～180 μm 3种不同粒径的粉尘样品[17-19]，分析样品粒径见表1。3种样品在75℃ 的干燥箱中干燥，使样品的含水率<5 %，并放入干燥皿中储存备用。实验室温度为(22±5)℃，湿度为40±5%。

表1 3种速生杨木粉尘样品的粒径分布Table 1 Particle size of three fast-growing poplar dust samples

1.2 实验设备

实验使用的粉尘云最小点火能实验装置(HY 16428哈特曼管)如图1所示，该装置主要包括容积为1.2 L的石英管道、脉冲点火系统、喷尘控制系统和进气系统等部分。实验中还使用激光粒度仪(BT-9300 ST)、马弗炉(BF 51866 C)、元素分析仪(2400 Ⅱ)、扫描电镜(SEM)(QUANTA 200)、振动筛(ANALYSETTE 3 PRO)、电子天平(BS 224 S)、干燥箱(MEMMERT UN 30)和粉碎机(YX 3-132 S-4)等设备。

1.1.2 L石英玻璃管；2. 点火电极；3. 粉尘样品；4.扩散器；5. 进气系统；6. 储气室；7. 电磁阀。

1.3 最小点火能测试方法与步骤

参照EN 13821-2002[20]使用1.2 L哈特曼管进行测试，实验时逐次减半降低火花能量值，直到连续10次实验均未出现着火的最大能量值E1和均出现着火的最小能量值E2。粉尘云最小点火能量MIE介于E1和E2之间，即E1

(1)

式中：E为电火花能量，J；I(t)为放电电流，A；U(t)为放电电压，V。

当电火花能量小于100 mJ时，电火花的能量值使用公式(2)计算：

(2)

式中：C为电容量，F；U为放电电压，V。

用1个单一值ES来代表能量范围(E1，E2)，ES可以通过使用点火概率公式(3)估算：

(3)

式中：I[E2]为E2处成功点火的实验次数；(NI+I)·[E2]为E2的实验总数，由EN 13821-2002可知，I[E2]=3，(NI+I)·[E2]=5。

2 结果与分析

2.1 速生杨木粉尘的基本特性

实验用速生杨木粉尘的工业分析和元素分析结果如表2所示。表中Mad代表水分；Aad代表灰分；Vad代表挥发分；FCad代表固定碳。挥发分越多的粉尘越容易爆炸，速生杨木粉尘的挥发分含量为82.52%，高于砂光粉尘的挥发分含量。速生杨木粉尘主要是由可燃元素C、H、O、N组成，受热分解可产生CO、CH2O、CH4等可燃性气体，与已有文献结论基本一致[21-22]，因此，可得出速生杨木粉尘比砂光粉尘易爆。为揭示速生杨木粉尘颗粒的表面结构，对3种样品单个颗粒进行了SEM测试(见图2)，发现速生杨木粉尘颗粒保持了木材的多孔性结构，使颗粒形状不规则，表面不平整，这易增大粉尘与空气的接触面积，并可进一步诱发速生杨木粉尘爆炸。

2.2 点火延迟时间对速生杨木粉最小点火能量的影响

点火延迟时间是指开始喷粉到电极打火的时间[23]。点火延迟时间不同，粉尘在哈特曼管中的气相湍流度、粉尘分散度和粉尘沉降度也不同[24-25]，因此，最小点火能会随着点火延迟时间的改变发生变化。在喷粉压力为120 kPa、质量浓度为500 g/m3时，分别在60，90，120，150，180和210 ms的点火延迟时间下对3种样品进行最小点火能测试。结果如图3所示，3种样品的最小点火能随着点火延迟时间增加都呈现出先减小后增大的趋势，当点火延迟时间为120 ms时，对应3种样品的最小点火能最小，粒径对最佳点火延迟时间无显著影响。

表2 速生杨木粉尘的工业分析和元素分析Table 2 Proximate and ultimate analyses of fast-growing poplar dust %

图2 3种速生杨木粉尘单个颗粒SEMFig.2 SEM of individual particle with three fast-growing poplar dust

当点火延迟时间小于120 ms时，最小点火能随着点火延迟时间的增大而减小，且变化趋势和区域范围波动较大，这是因为在粉尘扩散初期初始湍流度较大，会从点火电极处移除大量的热，而传播到粉尘表面的能量较少，且使得粉尘在点火电极处的质量浓度波动较大，粉尘颗粒与空气混合不均匀，导致点火能量波动范围较大。随着点火延迟时间的增加，粉尘云的湍流度降低，逐渐趋于稳定，初始湍流对热量的影响减弱，点火电极处的质量浓度也趋于稳定，粉尘最小点火能和能量波动范围都相对较小。当点火延迟时间为120 ms时，初始湍流对点火电极热量的损失影响很小，粉尘均匀分散在点火电极周围，与空气充分混合，此时粉尘所需要的最小点火能量最低。当点火延迟时间大于120 ms时，粉尘的最小点火能随着点火延迟时间的增大而增大，这是因为初始湍流越来越弱，粉尘由于自身重力原因开始沉降和团聚，电极周围的粉尘浓度降低，需要的点火能量较大。此外，由于1#和2#样品颗粒直径较3#小，质量浓度较低，在达到最佳分散状态后，残余的湍流作用使得粉尘颗粒沉降较缓，粉尘浓度降低缓慢，最小点火能量变化趋势和区域范围波动没有3#明显。

图3 不同点火延迟时间下3种样品的最小点火能Fig.3 Minimum ignition energy of three samples with different ignition delay times

2.3 喷粉压力对速生杨木粉最小点火能量的影响

喷粉压力是由小型气泵的压缩空气产生，喷粉压力与粉尘的湍流度和分散在哈特曼管中的质量浓度有关[26]。在点火延迟时间为120 ms、粉尘浓度为500 g/m3的条件下，分别在60，90，120，150，180和210 kPa的喷粉压力下对3种样品进行最小点火能测试。结果如图4所示，3种样品的最小点火能随着喷粉压力的增加都呈现出先减小后增大的趋势，当喷粉压力为120 kPa时，对应3种样品的最小点火能最小，粒径对最佳喷粉压力无显著影响。

当喷粉压力小于120 kPa时，最小点火能随着喷粉压力的增大而减小，这是因为喷粉压力所产生的初始湍流不能将粉尘喷射到点火电极处，且残余湍流对粉尘沉降影响较小，粉尘在点火电极处的质量浓度较低，所需的最小点火能较大。随着喷粉压力的增大，大部分粉尘被喷射到点火电极处，残余湍流对粉尘沉降影响增大，点火电极处粉尘浓度逐渐增大，粉尘云较易被点燃，所需点火能量减少。当喷粉压力为120 kPa时，此时喷粉压力能使0.6 g粉尘充满哈特曼管，粉尘在点火电极两端的分散程度和质量浓度达到最佳，能与氧气充分接触，所以粉尘的最小点火能最小。当喷粉压力大于120 kPa时，3种样品的最小点火能随着喷粉压力的增大而增大，且变化趋势和区域范围波动较大，这是因为哈特曼管是半封闭状态，喷粉压力过大导致部分粉尘喷出哈特曼管，粉尘在点火电极处质量浓度较低且不稳定，颗粒间距离增大，不利于能量的传播，此外，残余湍流度较大导致大量的能量会从点火电极处移除，传播到粉尘表面的能量较少。

图4 不同喷粉压力3下种样品的最小点火能Fig.4 Minimum ignition energy of three sample with different spray pressure

2.4 质量浓度对速生杨木粉最小点火能量的影响

在点火延迟时间为120 ms、喷粉压力为120 kPa条件下，分别在250，500，750，1 000，1 250和1 500 g/m3的质量浓度下对3种样品的最小点火能进行测试。结果如图5所示，3种样品的最小点火能随质量浓度的增加先减小后增大，当粉尘的质量浓度为500，750和1 250 g/m3时，分别对应1#，2#和3#粉尘的最小点火能为1～3，1～3 和7～13 mJ。

最小点火能随质量浓度的增加先减小后增大，当粉尘质量浓度较低时，单位体积内粉尘的颗粒数目较少，颗粒间相对距离较大，不利于热量的传播，所需要的最小点火能较高。随着粉尘质量浓度的增大，单位体积内粉尘颗粒数目增多，颗粒间相对距离减小，热量传递距离变短，点燃粉尘所需要的最小点火能逐渐减低。当粉尘的质量浓度达到敏感浓度时，单位体积内粉尘颗粒数目达到最佳状态，点燃粉尘所需要的点火能量最小。随着粉尘质量浓度进一步增加，单位体积粉尘颗粒含量过多，阻碍了与氧气的接触，同时粉尘过多会导致团聚现象，减小了颗粒的比表面积，另外，过多的粉尘颗粒会黏附于电极表面，吸收了电极释放的能量，点燃粉尘所需要的最小点火能增大。

图5 不同质量浓度下3种样品的最小点火能Fig.5 Minimum ignition energy of three sample with different concentration

速生杨木粉尘的最小点火能为1～3 mJ，该值已接近于可燃气体的最小点火能量，根据《粉尘火灾和粉尘爆炸；危险，评估，保护措施；测试方法的安全特性粉尘测定》(VDI2263)标准内容，已属于特别着火敏感性粉尘。Siwek和Cecsana[27]的研究指出，最小点火能小于或等于10 mJ的粉尘云容易因碰撞、摩擦和磨损而着火，应避免接触有效的点火源。

2.5 粒径分布对速生杨木粉最小点火能量的影响

粒径分布是影响粉尘云最小点火能量的重要特征之一[28]。图6为粒径分布与最小点火能的关系，可以看出，随着粒径的增加，速生杨木粉尘最小点火能总趋势逐渐升高，这是因为速生杨木粉尘的燃爆属于气相和非均相燃烧[23]。由表1可知，1#和2#样品颗粒粒径较小，其比表面积较大，粉尘与空气接触更充分，当颗粒表面受热时，速生杨木粉尘更容易通过脱挥发分热解产生可燃气体，均相燃烧占主导地位，所需点火能较小，且2种样品的最小点火能相同。正如Eckhoff[29]研究所述，如果粉尘颗粒很小，导致脱挥发分对爆炸速率的影响较小，则减小颗粒尺寸不会提高总体燃烧能量。3#样品颗粒较大，其比表面积较小，产生的脱挥发分较少，加热速率较慢，非均相燃烧占主导作用，所需的点火能量较大。粒径越大的速生杨木对应的敏感浓度越大，粒径和质量浓度也可能存在交互作用，导致不同粒径速生杨木粉尘的敏感浓度不同。

图6 粒径分布与最小点火能的关系Fig.6 Relationship between particle size and the minimum ignition energy

3 结论

1)在质量浓度为500 g/m3的条件下，速生杨木粉尘的最小点火能随点火延迟时间和喷粉压力的增加先减小后增大。最佳点火延迟时间和最佳喷粉压力分别为120 ms和120 kPa，粒径对最佳点火延迟时间和最佳喷粉压力无显著影响。

2)在点火延迟时间为120 ms、喷粉压力为120 kPa的条件下，速生杨木粉尘的最小点火能随质量浓度的增加先减小后增大。当粉尘的质量浓度为500，750和1 250 g/m3时，分别对应0～50，>50～96和>96～180 μm速生杨木粉尘的最小点火能为1～3，1～3，7～13 mJ，根据VDI2263标准内容，属于特别着火敏感性粉尘，应避免接触有效的点火源。

3)随着粒径的增加，速生杨木粉尘最小点火能总趋势逐渐升高。粉尘颗粒较小时，粒径和质量浓度对速生杨木粉尘的最小点火能影响不明显，粒径和质量浓度间的交互作用可导致不同粒径速生杨木粉尘的敏感浓度不同。