基于正交试验的谷物粉尘燃烧特性影响因素研究

赵江平，史 源

(西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

粮食粉尘爆炸是指可燃粮食粉尘快速燃烧的火焰在未燃烧粉尘云中快速传播释放能量、引起压力急剧上升的过程[1-2]。谷物粉尘作为事故多发类粉尘，具有比表面积大、有机物含量高、爆炸能量高、流动性较差等特点，在生产、运输过程中易和粮粒分离[3-4]。当一定浓度的粉尘遇到足够能量的点火源，就可能引起粉尘燃烧、爆轰等严重后果。

近年来，国内外学者对谷物粉尘燃烧爆炸特性进行了大量研究。lvaro等[5]对玉米、小麦等7种粮食粉尘的点火能和爆炸参数进行了实验研究；张洪铭[6]采用自行设计的燃烧管道系统实验，发现在非受限管道中最高火焰温度随玉米淀粉云浓度的增加先增加后减小，在粉尘浓度为0.632 kg/m3时火焰温度达到最高；沈德魁等[7]通过对4种木材在空气气氛和不同辐射热流下的热解燃烧过程进行实验研究，发现木材中的固定碳含量相似时反应机理趋于一致；曹卫国等[8]采用粉尘云着火温度实验装置等进行了研究，发现玉米淀粉粉尘云最低着火温度在380～390℃之间；谢恬等[9]采用同步热分析仪和粉尘云着火传播试验平台研究5种不同粒径的玉米淀粉粉尘云着火特性，发现粉尘粒径越小，玉米淀粉粉尘云着火所需时间越短。

国内外学者对谷物粉尘燃烧特性方面的研究中，研究对象多为粉尘云状态，对粉尘层状态物质燃烧特性的研究较少，但实际上多数粉尘的粉尘层最低着火温度远低于粉尘云最低着火温度。在工业生产过程中，设备表面或除尘管道内的堆积粉尘，在遇到足够能量的点火源时可能引起粉尘燃烧，进而引发爆炸等严重事故，因此，深入对粉尘层物质燃烧特性的研究至关重要。现阶段粉尘燃烧特性影响因素方面的研究主要集中在粉尘质量浓度、粉尘粒径、惰性介质、升温速率[10]等，对热辐射通量这一影响因素研究甚少，但在粉尘燃爆过程中，物质之间的热对流、热传导、热辐射作用是不可忽视的。故本文在前人的基础上，以普通可食用玉米淀粉为研究对象，使用锥形量热仪(CONE)，运用单因素和正交试验方法，研究了粉尘粒径、惰性介质CaCO3、热辐射通量对玉米淀粉热释放速率、引燃时间等影响，并通过数理统计方法对各因素影响程度进行排序，以期找出3个因素中对燃烧特性影响最大的因素，为粮食行业粉尘燃烧爆炸事故的预防与减少提供依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料及预处理

实验原料为上海赛翁福农业发展有限公司可食用玉米淀粉。使用101-2AB型电热鼓风干燥箱对玉米淀粉进行干燥，干燥时间为1 h，设置温度为50℃。利用振动筛将玉米淀粉分别过120目(>120～154 μm)、140目(>109～120 μm)、160目(>96～109 μm)、180目(>80～96 μm)、200目(≤80 μm)标准筛进行筛分，使用贴有标签的密封袋保存备用。实验用惰性介质CaCO3为食品级重质碳酸钙，纯度为99.3%。

1.2 实验设备

采用中国台湾中诺仪器公司生产制造的ZY6243锥形量热仪(CONE)对实验样品进行热分解燃烧实验。辐射锥额定功率5 kW，辐射强度0～100 kW/m2，实验样品盒大小为95 mm×95 mm×5 mm。锥形量热仪是以氧消耗原理为基础的新一代聚合物材料燃烧性能测定仪，通过实验可获得多种燃烧参数，包括：热释放速率、有效燃烧热、点燃时间、烟气温度和质量变化参数等[11],研究火灾和评价材料燃烧性能较为理想[12]。实验仪器还包括标准振动筛、电子天平、101-2AB型干燥箱等。

1.3 单因素实验

影响粉尘燃烧特性的因素包括粉尘自身的理化性质和外部因素，理化性质包括粉尘密度、粒径、燃烧热等；外部因素包括点火源强度、空气湿度、惰性介质等。粉尘粒径可通过标准筛进行控制，粉尘密度、燃烧热等是自身的固有性质，因此本文不做考量。实验前，对试样进行干燥处理，减少空气湿度等对实验结果的影响，改变试样中的惰性介质质量以调整试样中的惰性介质质量分数。在锥形量热仪实验条件下，辐射锥所产生的辐射热作为高温点火源，对实验样品的燃烧性能影响最大[13]，可通过控制辐射锥温度调节点火源温度。综合考虑，选取粉尘粒径、热辐射通量和惰性介质3个因素进行单因素重复性实验。实验温度为25℃。单因素实验条件如表1所示。

表1 单因素实验条件Table 1 Single factor experimental conditions

注：x为单因素实验中的变量因素。

1.3.1 粉尘粒径单因素实验

分别称取120目(>120～154 μm)、140目(>109～120 μm)、160目(>96～109 μm)、180目(>80～96 μm)、200目(≤80 μm)5种不同粒径玉米淀粉试样8 g，平铺于100 mm×100 mm铝箔纸并修正其表面。辐射通量设置为30 kW/m2(591.7℃)，比较不同粒径对热释放速率和引燃时间的影响。

1.3.2 惰性介质CaCO3质量分数单因素实验

将200目(≤80 μm)玉米淀粉与可食用CaCO3进行混合处理，得到CaCO3质量分数分别为5%，10%，15%，20%，25%的实验样品。取8 g试样平铺于100 mm×100 mm铝箔纸并修正其表面。辐射通量设置为30 kW/m2(591.7℃)，比较不同CaCO3质量分数对热释放速率和引燃时间的影响。

1.3.3 热辐射通量单因素实验

分别称取200目(≤80 μm)玉米淀粉试样8 g，平铺于100 mm×100 mm铝箔纸并修正其表面。在本文实验条件下，玉米淀粉于热辐射通量22 kW/m2(525℃)时开始着火燃烧，且仪器最高温度上限为600℃，故分别设置热辐射通量为22，24，26，28，30 kW/m2(分别对应温度为525，541.7，558.3，575，591.7℃)，比较不同热辐射通量对热释放速率和引燃时间的影响。

1.4 正交试验设计

正交试验设计法是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，利用标准化的正交表来安排实验方案，并对试验结果进行计算分析，最终达到减少实验次数、缩短试验周期、迅速找到优化方案的1种科学计算方法，多用来研究多因素多水平实验[14-16]。根据正交性从全面多次实验中挑选出具有代表性的水平组合，即通过较少次数实验得到多次实验相同的结果，并用数理统计的方法处理以便找到诸因素中对观测值有显著影响的主要因素。本文为3因素3水平，可选用L9(34)正交表进行正交试验。正交试验各因素对应水平如表2所示，正交试验设计方案如表3所示。

表2 正交试验各因素的水平参数Table 2 The horizontal parameters of each factor in the orthogonal test

表3 正交试验设计方案Table 3 Orthogonal experimental design scheme

2 实验结果与分析

2.1 粉尘粒径单因素实验结果与分析

图1为不同粒径玉米淀粉单位面积热释放速率随时间变化曲线。如图1所示，热辐射通量为30 kW/m2(591.7℃)，粉尘粒径为120～200目时，玉米淀粉热释放速率峰值从64.023 kW/m2升高到73.656 2 kW/m2，引燃时间从85 s下降到58 s。在燃烧过程中，热释放速率曲线呈明显单峰，随着粉尘粒径的减小，单位面积热释放速率增大，引燃时间逐渐减小。这是因为粉尘燃烧热分解从颗粒表面开始，随着粉尘粒径的减小，比表面积增大，加大了颗粒表面与氧气的接触面积，粉尘内部传热加快热分解，燃烧更充分。

图1 不同粒径单位面积热释放速率随时间变化曲线Fig.1 The change curve of heat release rate per unit area with time at different particle sizes

2.2 惰性介质CaCO3质量分数单因素实验结果与分析

图2为不同惰性介质CaCO3质量分数下单位面积热释放速率随时间变化曲线。如图2所示，热辐射通量为30 kW/m2(591.7℃)，粉尘粒径200目，惰性介质CaCO3质量分数从5%升到25%时，玉米淀粉热释放速率峰值从57.443 40 kW/m2下降到30.732 9 kW/m2，说明CaCO3对玉米淀粉有明显的惰化作用。随着CaCO3质量分数的增加，单位面积热释放速率减小，引燃时间减小。CaCO3质量分数从5%升到25%时，引燃时间从91 s逐渐减小至60 s。

图2 不同质量分数CaCO3单位面积热释放速率随时间变化曲线Fig.2 The change curve of heat release rate per unit area with time under different CaCO3 mass fraction

玉米淀粉的燃烧为气相燃烧，颗粒表面在高温下热分解产生的可燃气体与周围氧气结合燃烧，产生的热量进一步促进了玉米淀粉的热分解燃烧。由于惰性介质CaCO3不可燃，仅吸收热量发生热解。在玉米淀粉燃烧的过程中CaCO3吸收了部分热量，使颗粒周围环境温度降低，导致未燃颗粒不能快速得到足够热量发生反应，燃烧速率减小。此外，CaCO3质量分数的增加减少了可燃粉尘质量，且增大了试样孔隙率，颗粒热分解后产生的可燃气体更易与周围氧气发生反应，故引燃时间减小。CaCO3质量分数越高，惰化作用越明显。

2.3 热辐射通量单因素实验结果与分析

图3为不同热辐射通量下玉米淀粉单位面积热释放速率随时间变化的曲线。由图3可知，粉尘粒径为200目，热辐射通量从22 kW/m2升到30 kW/m2时，玉米淀粉热释放速率峰值从67.115 4 kW/m2上升到79.857 6 kW/m2，引燃时间从98 s减少至55 s。随着热辐射通量的增加，热释放速率增大，引燃时间减小。热辐射通量的增大提高了玉米淀粉燃烧反应的升温速率，使试样内部温度迅速升高，加快了粉尘的热分解进程，促使有机物快速热解释放出大量的可燃气体，当与足够氧气发生反应时，热解反应由无焰燃烧转为有焰燃烧。

图3 不同热辐射通量单位面积热释放速率随时间变化曲线Fig.3 The change curve of heat release rate per unit area with time under different heat radiation flux

2.4 正交试验结果与分析

依据表3正交试验设计方案测得玉米淀粉热释放速率峰值，如表4所示。分析结果可知，玉米淀粉热释放速率峰值分布在52.501 4～98.126 7 kW/m2之间，一般采用直观分析法或方差分析法对正交试验结果进行分析，以便比较观测值影响因素的强弱，得到最优解。

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

2.4.1 直观分析法

直观分析法即极差分析法，通过计算各因素的极差R来判断粉尘燃烧各因素在不同水平时对观测值的影响。极差大小能够反映不同因素水平对观测值的影响强弱，极差越大，影响越大，反之亦然。极差值T是指各因素相同水平观测值的累加，对其取平均值得到同一水平平均值t，各因素不同水平最大值tmax减去最小值tmin即为极差R。对正交试验结果中影响粉尘燃烧热释放速率峰值的各因素各水平求均值t和极差R，结果如表5所示。

由表5可知，惰性介质CaCO3质量分数的最大R值为28.450 1，热辐射通量的最小R值为7.241 5，即惰性介质CaCO3质量分数对玉米淀粉热释放速率峰值的影响程度最大，热辐射通量的影响最小。各因素对玉米淀粉热释放速率峰值的影响程度依次为：惰性介质CaCO3质量分数>粉尘粒径>热辐射通量。最敏感水平组合为A2B1C2，即粉尘粒径180目、CaCO3质量分数5%、热辐射通量28 kW/m2时，热释放速率峰值最高。

2.4.2 方差分析法

方差分析即通过计算方法，求得各因素离差、自由度、均方离差等值，构造统计量F并将各因素对观测值的影响效应做显著性检验。极差分析仅通过极差的大小来评估不同因素对观测值的影响程度，极差的大小为1个客观的标准值，属于定性分析。方差分析弥补了极差分析的不足，能够更加准确地确定影响玉米淀粉燃烧特性的最敏感因素。对玉米淀粉热释放速率峰值做方差分析如表6所示。

由表6可知，FA>F0.05(2,2)、FB>F0.05(2,2)、FC>F0.05(2,2)，说明粉尘粒径、CaCO3质量分数和热辐射通量对玉米淀粉热释放速率峰值影响均效应显著。通过显著性分析可知，各因素对玉米淀粉热释放速率峰值的影响程度依次为：CaCO3质量分数>粉尘粒径>热辐射通量，与极差分析结果一致。

由此可知，3个影响因素中惰性介质CaCO3质量分数对玉米淀粉热释放速率峰值的影响效果最显著。谷物生产企业在生产、运输等过程中，通过添加少量惰性粉尘CaCO3来降低谷物粉尘的燃烧敏感性效果最佳。

3 结论

1)一定条件下，玉米淀粉的单位面积热释放速率随粉尘粒径的减小而增大；随惰性介质CaCO3质量分数的增大而减小；随热辐射通量的增大而增大。在玉米淀粉燃烧过程中，由于惰性介质CaCO3未参加反应且自身热分解吸收部分热量，减缓物质燃烧速率，惰化作用明显。

2)玉米淀粉的引燃时间随粉尘粒径的减小而减小；随惰性介质CaCO3质量分数增加而先增大后减小；随热辐射通量的增大而减小。

3)使用正交试验方法，通过极差和方差分析研究了3个因素对玉米淀粉热释放速率峰值的影响大小，发现各因素对热释放速率峰值的程度强弱依次为：CaCO3质量分数>粉尘粒径>热辐射通量，其中惰性介质CaCO3的影响最为显著。谷物生产加工企业可通过添加适量惰性介质CaCO3、增大粉尘粒径或减小设备热辐射温度等方法降低粉尘燃烧敏感性。