酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系最小点火能试验研究

2022-02-02徐伟巍熊静文刘柏清侯照文

火灾科学 2022年3期

徐伟巍，熊静文*，刘柏清，侯照文

(1.广州特种机电设备检测研究院，广州，510180；2.国家防爆设备质量检验检测中心(广东)，广州，510760)

0 引言

在烟草加工的加香工艺环节，常将烟用香精香料经酒精和天然油脂溶解，喷洒到烟丝中进行搅拌，使两者混合均匀。在搅拌混料过程中，酒精溶剂大部分挥发成蒸气，与烟草粉尘形成气固两相混合体系，其燃爆特性相较于单相烟草粉尘发生较大变化。研究酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系最小点火能，可以针对加香工序采取相应的爆炸防护措施，对烟草加工企业的安全生产有重要的指导意义。

对烟草粉尘的单相燃爆特性，一些专家学者进行了相关研究。何锐[1]在Hartmann管中用100 J与200 J的电点火能量，发现仅能使切片烟草粉着火(制丝与卷包粉均未发生着火)，火焰传播性差且持续时间不足。目前关于气固混合体系的燃爆特性研究，大多集中于瓦斯煤尘、甲烷石松子等。景国勋等[2]通过研究半封闭管道内的瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律，发现煤尘显著增大了火焰的传播速度，且煤质种类对传播速度有较大影响。司荣军等[3]利用20 L爆炸球试验发现，当瓦斯浓度小于最佳爆炸浓度时，燃爆猛度随煤尘浓度增加呈先增大后减小趋势，浓度越小增加越明显；大于最佳爆炸浓度时，煤尘对瓦斯的爆炸有抑制作用。喻健良等[4]利用改进的20 L爆炸装置对甲烷-石松子粉尘两相混合体系的燃爆特性进行研究，发现甲烷的添加显著提高了低浓度石松子粉尘的爆炸压力，降低了高浓度粉尘的爆炸压力，但对石松子粉尘的最大爆炸压力没有明显影响。Addai等[5]采用改进的Hartmann管，研究了小麦粉、蛋白质粉、木炭粉等8种粉尘与甲烷和丙烷混合物的最小点火能，试验方法在EN 50281的基础上进行了修改，装置的能量下限为4 mJ，测试发现当混入少量的甲烷或丙烷，粉尘的最小点火能显著下降，并且发生爆炸的可能性提高。Pang等[6]采用一个改进的Hartmann管研究了低密度聚乙烯与乙烯混合物的最小点火能，依据ASTM E2019-03进行测试，发现加入少量的乙烯后，低密度聚乙烯粉尘云的最小点火能显著下降。

国内外文献资料关于酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系最小点火能的研究报道很少，笔者在原有20 L爆炸球上增加了移动电极法电点火、酒精蒸气制备以及温度控制的功能，和高压火花发生器组合成气粉混合物最小点火能试验装置，对酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系的最小点火能进行试验研究。

1 试验装置与试验参数确定

1.1 试验装置

为模拟实际工况对酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系最小点火能的影响，对20 L爆炸球进行了部分改造，增加了以下功能：通过增加酒精滴管及滴注的两个球阀，控制液态酒精加注量；根据微压差表示数，操作压差表高低压端球阀，配置不同体积浓度的酒精蒸气。

图1 试验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of test device

装置如图1所示，通过水浴加热保温球体以及电伴热带加热保温粉尘仓，控制试验环境温度；通过控制电磁铁在竖直方向上的运动，改变移动电极与固定电极间距寻找最佳的放电间隙，实现移动电极放电；通过控制高压继电器的通断可使火花发生器在充电和放电之间切换。电火花点火试验装置如图1(b)，选择不同的电容组合，可改变电火花放电能量，当不需要移动电极时，则使用化学点火具点火，试验装置如图1(a)。

1.2 试验参数确定

GB/T 3836.12-2019《爆炸性环境第12部分：可燃性粉尘物质特性试验方法》[7]和GB/T 16428-1996《粉尘云最小着火能量测定方法》[8]均规定点燃能量为电火花放电能量。本试验采用的高压火花发生器最大输出能量为2 J。

采用电火花放电时，由于点火能较小，需调整两个关键参数：一、合适的湍流度使烟草粉尘分散良好，并与酒精蒸气均匀混合；二、设置合适的点火延迟时间，捕捉最佳的点火时机。对不同试验参数下高速摄像机影像分析后，确定粉尘仓的喷粉压力为1.0 MPa，点火延迟时间为250 ms。

2 试验结果及分析

2.1 试验样品

试验用烟草粉尘样品选自某卷烟厂，在50 ℃真空干燥箱烘干8 h，样品含水率在5%以下。试验选用烘丝、加香烟草原样粉尘及研磨后过200 μm筛网的加香烟草粉尘，三种粉尘的粒度分布如图2所示。

图2 烘丝、加香原样粉尘及过筛加香烟草粉尘粒度分布Fig. 2 Particle size distribution of silk drying, flavoring and flavored tobacco dust after screening

从图2可以看出，加香烟草原样粉尘的中位径为205 μm，比中位径为535 μm的烘丝烟草原样粉尘细，主要是因为加香工序中加入了香精香料，酒精挥发后固态香料颗粒物从烟草粉尘中析出。初步试验发现，单相的烘丝烟草粉尘和加香烟草粉尘最小点火能均远大于2 J，为了更贴近生产实际，在单相烟草粉尘和低浓度酒精蒸气混合体系使用原样粉尘和化学点火具进行试验。

2.2 环境温度对烟草原样粉尘最小点火能的影响

烘丝/加香烟草原样粉尘的试验浓度为250 g/m3，通过温控器模拟不同的环境温度。采用二分查找法，可快速逼近设定温度下烘丝/加香烟草原样粉尘的最小点火能Wmin。以连续10次均不发生点燃的能量为不发生点燃的最高能量W1，在此基础上以10 J步长增加能量，在连续10次试验中发生1次点燃为发生点燃的最低能量W2，W1

图3 烘丝/加香烟草原样粉尘最小点火能随环境温度变化趋势图Fig. 3 Variation trend of minimum ignition energy of dried silk/flavored tobacco original dust with ambient temperature

从图3中可以看出，两种粉尘的最小点火能均随环境温度的升高而降低，变化趋势一致。环境温度从30 ℃升高到70℃过程中，烘丝与加香烟草粉尘最小点火能的降幅分别达61.1%与61.6%；和其他温度区间相比，50 ℃～60 ℃区间降幅更大。对于相同的环境温度，加香烟草粉尘的最小点火能均比烘丝烟草粉尘小，但两者相差较小，最大不超过8.5%。

化学点火具点火的能量是按点火药的质量来计算的，单位质量混合物的放热量为q=4.310 kJ/g[9]，即4.31 J/mg。称重时电子天平的精度和化学点火具包药的一致性会影响点火具的能量，给试验带来误差和不确定性。

2.3 环境温度对酒精蒸气/加香烟草粉尘混合体系最小点火能的影响

烃类气体的最小点火能均随温度升高呈显著的线性下降趋势[10]，乙醇蒸气的体积分数为7.8%时，最小点火能为0.45 mJ[11]。和气体相比，粉尘的最小点火能要大得多，温度对气粉混合体系最小点火能的影响中对粉尘的影响起决定性作用。文中以酒精蒸气爆炸下限(LEL)的百分数表示混合体系中酒精蒸气的浓度。2J的电火花不能点燃25%LEL及以下的混合体系，因此研究温度对混合体系最小点火能的影响选用10%LEL低浓度的酒精蒸气/加香烟草原样粉尘混合体系和化学点火具来试验。

试验浓度：粉尘250 g/m3，酒精蒸气10%LEL。图4为单相加香烟草原样粉尘和添加10%LEL酒精蒸气混合体系的最小点火能随环境温度的变化趋势图。由图4可知，加入10%LEL的酒精蒸气后，气粉混合体系的点燃能量均低于单相的烟草粉尘；随着环境温度的升高，二者的差值逐渐减小，酒精蒸气诱导烟草粉尘最小点火能降低的能力逐步减小甚至消失。30 ℃～50 ℃的温度区间，降幅约为45%，而60 ℃～70 ℃的温度区间，降幅约为13%。相较于单相烟草粉尘最小点火能随环境温度的变化趋势，加入10%LEL酒精蒸气后的气粉两相混合体系的最小点火能受环境温度的影响变小，表明对温度的敏感性变低。

图4 有无10%LEL酒精蒸气参与时，加香烟草原样粉尘最小点火能随环境温度变化趋势图Fig. 4 Variation trend of minimum ignition energy of flavored tobacco dust with ambient temperature with or without 10%LEL alcohol vapor

2.4 酒精蒸气浓度对酒精蒸气/加香烟草粉尘混合体系最小点火能的影响

为模拟实际生产环境，使试验数据对安全生产有较强的指导性，加香烟草粉尘没有按标准要求过63 μm筛网，而是研磨后过200 μm筛网。筛分后除纤维类杂质外均可通过筛网，符合生产现场实际情况。以下均采用过200 μm筛网后的加香烟草粉尘试验，采用移动电极法电火花放电，探究<1 J的低点火能、50%LEL及以上浓度酒精蒸气混合体系的最小点火能的变化规律。试验装置如图1(b)所示，电火花放电试验中未考虑高压线缆和高压继电器开关触点的能量损耗，这些损耗会导致试验值高于实际值，最小点火能的真值低于试验值。

试验以连续10次测试中发生1次点燃作为点燃的判据。首先以75%LEL的混合体系开始试验，常温、粉仓喷粉压力1.0 MPa、浓度250 g/m3，气粉混合体系发生点燃的情况，见表1。

表1 75%LEL酒精蒸气/粉尘混合体系不同点火能的点燃情况

从表1可以看出，电火花能量从1 500 mJ逐渐降低到50 mJ的过程中，气粉混合体系均被有效点燃。当电火花能量降低到30 mJ时，混合体系无法被点燃，表明75%LEL的酒精蒸气/加香烟草粉尘混合体系的最小点火能在30 mJ～50 mJ之间。

为探究气粉混合体系最小点火能随酒精蒸气浓度变化的规律，列举了150 mJ、500 mJ、750 mJ、1 000 mJ的点火能和10%LEL、25%LEL、50%LEL、75%LEL的酒精蒸气浓度组合的试验结果，如图5所示。

图5 气粉混合体系点火能随酒精蒸气浓度变化趋势图Fig. 5 Variation trend of ignition energy of air powder mixture system with alcohol vapor concentration

从图5与表1中数据可看出：在小能量电火花放电条件下，酒精蒸气浓度对混合体系的点燃起决定性作用。酒精蒸气浓度高于75%LEL时，混合体系的最小点火能显著降低；当酒精蒸气浓度为50%LEL时，最小点火能增大到接近1 000 mJ；当酒精蒸气浓度为25%LEL及以下时，最小点火能远大于2 000 mJ。最小点火能大于1 J，该物质难以被点燃[7]，可以把1 J作为粉尘对点燃能量是否敏感的阈值。根据有限的试验数据分析，50%LEL为酒精蒸气临界浓度，当酒精蒸气浓度大于该值时，气粉混合体系对点燃能量较为敏感，当酒精蒸气浓度小于该值时，气粉混合体系对点燃能量不敏感。

2.5 试验结果分析

挥发性、半挥发性成分是烟草中重要的化学组成部分。金玉善等[12]采用气流吹扫微注射器萃取技术联用GC-MS对不同地区烟叶中挥发性成分进行分析并比较其含量：烤烟和白肋烟鉴定出67种和62种挥发性成分，其中以醇类和杂环化合物为主。烤烟中，杂环化合物的含量最高，达36.42%，其次为醇类化合物，含量为23.38%；白肋烟以醇类化合物为主，含量为32.88%，其次为杂环化合物，含量为16.17%；其余挥发性成分含量相差不大，在6.41%～8.94%范围之间。烟草挥发性物质的释放速率受温度影响较大，从图3可看出，在50 ℃～60 ℃区间，烟草粉尘的最小点火能变化率最大，是烟叶中的挥发性物质在此温度下释放速率变大的缘故，与有关对烤烟挥发性成分的研究文献相符。

可燃气体或蒸气分子式一般用CαHβOγ表示，在完全燃烧的情况下，燃烧反应式可写成如下形式[13]：

(1)

根据n值按X=20.9/(0.209+n)计算出在空气中的化学当量浓度，根据当量浓度按L下=0.55X估算在空气中的爆炸下限L下。随分子式中含碳数的增多爆炸下限呈降低趋势。烟草中醇类化合物的含碳平均数比乙醇多，它的参与会拉低混合物的爆炸下限。

酒精蒸气在50%LEL及以下时，气体可燃物严重缺乏，要保持持续燃烧需要烟草粉尘释放出足量的可燃气体或蒸气来补足这个缺口。点火时，在电极附近因火花放电产生的高温或其他作用激发烟草粉尘分解释放出醇类、烃类等可燃蒸气和气体，加上已有的酒精蒸气，达到或超过混合气体的爆炸下限发生爆炸从而引燃烟草粉尘。低浓度酒精蒸气条件下，可燃物的缺口需要更大的点火能来激发粉尘产生更多的可燃气体或蒸气来补充。当酒精蒸气在75%LEL及以上时，可燃物浓度距爆炸下限差值较小，很小的点火能激发烟草粉尘放出的可燃气体就可补齐该差值。因此酒精蒸气浓度越高需要的点火能越小。