基于几种可燃粉尘自燃温度与燃烧速率的研究

叶亚明，梁 峻，封昌盛，李金清，张金进

(广州特种机电设备检测研究院 国家防爆设备质量监督检验中心(广东)，广东 广州 510700)

粉尘爆炸预防和控制是当前亟待解决的课题，频发的粉尘爆炸事故对工业的发展造成严重的阻碍。国内外专家、学者对粉尘燃烧燃爆特性做了大量的研究，主要包括“粉尘燃爆敏感度”[1-3]、“粉尘爆炸强度”[4-5]、“粉尘燃爆安全防护措施”[6]、“数值模拟”[7]及“粉尘燃爆火焰传播特性”[8-9]等几个方面，对可燃粉尘自燃温度与燃烧速率的研究并不常见。

自燃是指在没有外界明火源激发条件下，依靠外界能量加热或自身发热，热量的不断积聚当温度升高到一定时发生自行燃烧的现象。根据促使可燃物升温的热量来源不同，自燃又可分为自热自燃和受热自燃两种。在实际生产加工过程中受热自燃是引起火灾事故的重要原因之一，火灾案例中，有不少是因受热自燃引起的。分析其原因主要有几个方面，可燃物靠近或接触高温热源，由于热辐射或热传导的作用，可燃物温度上升达到自燃点，引发火灾事故；化学品在热处理的过程中，由于控制不当，导致温度过高引发着火甚至爆炸；机器长时间运转部件发热形成高温热表面，散落或堆积在机器表面上的可燃物发生阴燃或着火等。在防火防爆领域中，自燃温度是判断、评价可燃物发生火灾危险性的重要指标，自燃温度越低，可燃物发生自燃火灾的危险性越大。

依据GB 19521.1-2004，燃烧速率描述为：将粉状、颗粒状或糊状的样品制成长250 mm、高10 mm、宽20 mm的连续三角柱形粉带，从一端点燃，在一定时间内火焰烧过的长度。燃烧相同的距离所用的时间越短，其危险等级越高，酿成灾害的风险越大。燃烧速率的确定对物质的分类及运输包装等级的划分具有重要意义。基于此，笔者选取几种常见的可燃粉尘对其自燃温度与燃烧速率进行试验，以期为粉尘燃烧爆炸致灾机理研究及企业安全生产提供科学的研究方法和可靠的试验数据。

1 试验设计

1.1 仪器

设备为固体自燃温度试验装置和固体燃烧速率试验装置。

1.炉温监测热电偶 2.样品温度监测热电偶 3.上通风口 4.下通风口 5.样品池 6.加热电阻丝 7.控制系统 8.触屏控图1 固体自燃温度试验装置系统示意图Fig.1 Schematic diagram of solid auto-ignition temperature test device system

固体自燃温度试验装置由加热系统和控制系统两大部分构成。加热炉膛顶、底部均设有通气孔，形成空气循环自然对流，可保证试验样品均匀受热。试验样品池为边长20 mm，孔径45 μm的立方体钢丝网，装样完成后，将立方体金属网悬挂在炉膛中央位置，热电偶1伸入式样中央，热电偶1、2分别测量样品及炉膛内实时温度变化。图1为装置系统示意图。

1.触屏控；2.碳硅点火棒；3.气体点火枪；4.三角柱形粉带；5.防护玻璃；6.低导热承烧板；7.火焰探测器；8.控制系统图2 固体燃烧速率试验装置系统示意图Fig.2 Schematic diagram of solid burning rates test device system

固体燃烧速率试验装置主要由点火系统、火焰探测系统、低导热承烧板组成。点火系统包括气体点火和加热棒点火两种模式。火焰探测器设置在三角柱形粉带侧上方，当火焰经过时开始计时，直到火焰通过下一个探测器，可进一步确定火焰传播速率和传播时间。图2为固体燃烧速率试验装置示意图。

1.2 试验样品

分别选取新型节能环保材料红木粉，烟草公司烟丝粉，实验室常用石松子粉以及农副产品稻壳粉作为试验样品，为避免粒度对试验数据产生影响，试验前将四种粉尘均通过75 μm筛网。

(1)固体自燃温度试验：将测试样品装入样品池中，轻轻压实。在试验软件中进行程序设置，目标温度设定为400.0℃，温升速率设定为0.5℃/min。

(2)固体燃烧速率试验：将试样进行干燥处理，利用堆垛型腔将试样制作成三角柱形粉带堆积在承烧板上，试验采用固体点火模式。

2 结果与讨论

2.1 可燃粉尘自燃温度

图3为四种样品自燃温度试验结果。从图像中可以看出，开始时四种粉尘温升速率与炉膛内温升速率几乎完全一致，随着炉膛内环境温度继续升高，样品温度发生突变急剧上升，且上升温度均达到了400.0℃。得到红木粉、烟丝粉、石松子粉、稻壳粉自燃温度分别是231.0、219.7、222.3、228.1℃，文献显示[10-13]四种试验样品成分如表1所示。

图3 四种粉尘自燃温度时间-温度曲线
Fig.3 Four kinds of dust auto-ignition temperature time - temperature curve

表1 样品组成成分Table 1 Sample composition

根据反应物质组分特征建立反应过程模型，主要有以下五个反应步骤，见式(1)。

① Fuel → H2O + Fueldry

△h>0；

② Fueldry→ Char + Gases

△h>0；

③ Char + O2→ CO2+ CO

△h<0；

④ CO + O2→ CO2

△h<0；

⑤ Gases + O2→ CO + CO2+ NxOy+ H2O + Gasesothers

△h<0。 (1)

四种粉尘颗粒在炉膛内由于受到热辐射作用温度不断上升，依附在颗粒表面和内部的自由水分开始缓慢蒸发，该过程表现为吸热过程，主要以水蒸气的形式散失，由于样品水分蒸发体积收缩和水蒸气释放的冲击作用，样品池内部出现孔隙通道或裂隙，增大了试验样品与空气接触面积。随着温度继续升高热辐射变得越来越强烈，干燥样品温度不断积聚，由于自加热作用，粉体颗粒开始出现碳化现象并释放出可燃气体，在炉膛内炽热的空气作用下，碳颗粒、可燃气体与氧发生氧化还原反应，即样品发生燃烧。

根据文献[12]，空气中堆积在热表面上的可燃粉尘首先在顶部发生燃烧，随后燃烧逐渐向下传播直至粉尘完全燃尽。本试验由于样品池内的粉尘粒度相对较小，颗粒排列密集，导致样品内部含氧量较低，且分布在样品池表面的样品颗粒受到热辐射效应明显，氧气充足。因此，认为试样的主要燃烧传播方向为由表层向内部燃烧。由于试验样品都含有较高的纤维素等有机物，在发生自燃时所需外界提供的热量也比较接近，因此自燃温度差别不大。

2.2 可燃粉尘燃烧速率

图4为初始阶段(0～80 mm)四种粉尘燃烧火焰传播特征。试验记录表明，石松子粉燃烧火焰可持续传播整个承烧板长度，红木粉、烟丝粉及稻壳粉在点燃后48、60、32 s时火焰熄灭，燃烧火焰传播的距离依次为36、30、18 mm。

图4 初始阶段四种粉尘燃烧火焰传播
Fig.4 Four kinds of dust combustion flame propagation in the initial stage

由图4中看出，稻壳粉燃烧火焰强度相对微弱，石松子粉火焰最强且相同时间内火焰传播距离最远。三角柱形粉带燃烧方式主要为水平燃烧，粉尘颗粒在点火棒高温激发条件下在初始阶段发生着火，样品燃烧区产生的燃烧波对原始材料区起到烘干、热分解作用，促进了燃烧向右传播。以上试验可以发现红木粉、烟丝粉、稻壳粉不具备传播燃烧的能力，初始阶段能够起火，主要原因是点火棒温度较高，补充了短距离内粉尘维持燃烧的热量，但由于试样本身理化性质和结构等因素影响，导致红木粉、烟丝粉及稻壳粉火焰产生的能量不足以支持燃烧的持续进行，致使火焰熄灭，该三种粉尘在燃烧的过程主要表现为阴燃。

依据GB/T 21618，燃烧在主反应阶段80～180 mm燃烧速率小于或等于2.2 mm/s，或者主反应阶段燃烧时间大于或等于45s，判断为该物质不属于易燃固体，根据平均燃烧速率计算公式(2)：

V=L(80-180)/T(80-180)

(2)

得到石松子粉的燃烧速率为1.74 mm/s，由于红木粉、烟丝粉、稻壳粉在点燃后两分钟内燃烧距离均未达到80 mm处，因此判定该四种可燃粉尘均不属于易燃固体。

2.3 自燃温度对燃烧速率的影响

将以上两组试验结果进行对比分析，得到四种可燃粉尘自燃温度与主反应阶段燃烧速率之间的关系曲线，如图5所示。

图5 四种粉尘自燃温度-燃烧速率曲线Fig.5 Four kinds of dust auto-ignition temperature - burning rates curve

由图5可以看出，四种可燃粉尘的燃烧速率随自燃温度的升高呈现先增大后减小趋势，且红木粉、烟丝粉、稻壳粉主反应阶段燃烧火焰传播速率均为0 mm/s。粒度相当，固体自燃温度的高低取决于物质易燃组分含量、热分解温度及外界环境等因素，与燃烧速率影响因素之间存在一定的联系。但由于可燃粉尘燃烧过程复杂，燃烧速率的大小不仅与物质理化性质、结构等因素相关，燃烧方式、点火模式对燃烧速率也会产生一定的影响，因此得出燃烧过程中燃烧速率与自燃温度之间表现为弱依赖关系，后者对前者不起主导作用。

3 结论

(1)加热炉温升速率恒定，75 μm筛下的红木粉、烟丝粉、石松子粉以及稻壳粉自燃温度分别是231.0、219.7、222.3、228.1℃。

(2)将四种可燃粉尘进行干燥处理，在固体点火模式下，石松子粉火焰传播速率为1.74 mm/s，红木粉、烟丝粉、以及稻壳粉在两分钟内燃烧传播距离均小于80 mm，判定该四种粉尘均不属于易燃固体。

(3)通过研究自燃温度对燃烧速率的影响发现，燃烧过程中四种可燃粉尘燃烧速率与自燃温度之间表现为弱依赖关系，后者对前者不起主导作用。