微米级煤尘云最低着火温度特性试验研究＊

孙睿成，刘天奇，孙溢阳

（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁 沈阳 110136）

工业粉尘爆炸事故的危害及其严重，不仅可破坏工作环境，还可以造成巨大的财产损失。意大利面粉仓库曾发生历史上第一次有记载的粉尘爆炸事故，此后粉尘爆炸非但没减少，反而日趋严重[1]。1987年哈尔滨亚麻厂发生亚麻粉尘爆炸，造成58人死亡；2010年河北某淀粉厂发生淀粉爆炸，造成19人死亡[2]；2014年昆山市昆山中荣金属制品有限公司发生粉尘爆炸事故，造成146人死亡[3]。工业粉尘爆炸事故危害严重，本文选定微米级煤尘并对其云团着火特性展开研究。

煤矿在进行筛选、运输等时会产生大量煤尘[4]，煤尘以层状和云团状存在于生产场所[5]，许多学者通过向可燃性粉尘中加入惰性粉尘来提高煤尘云最低着火温度，主要对金属粉尘[6-9]、煤粉[10-12]的抑制燃烧爆炸进行了研究。同时，由于煤尘云最低着火温度受喷粉压力、质量浓度、粒径大小及分散度等因素[6-12]影响，因此对煤尘云最低着火温度影响因素的研究成果逐年增多，对影响作用的研究逐渐全面。

笔者以煤尘云为研究对象，主要研究煤尘云质量浓度、喷粉压力、惰性粉尘添加量对煤尘云最低着火温度的影响作用，以期评估煤尘着火燃烧危险性，揭示惰性粉尘对煤尘云着火、燃烧的作用及抑制规律。

1 试验样品与测试原理

1.1 试验样品

制样过程可以控制煤尘的粒径大小，经过筛选，煤尘试样的粒径为75μm。此外，使用激光粒度分析仪进行煤尘粒度分析发现，煤尘颗粒的平均粒度为36μm。采用的惰性粉尘主要是碳酸钙粉尘，该粉尘具有显著的抑制着火和燃烧的效果，是很好的抑爆剂。经检测，碳酸钙粉尘的平均粒度为28μm。试验前，为减少煤尘外水分对试验结果产生的不良影响，根据相应国家标准，在试验前将煤尘放入干燥箱内干燥12 h，随后取出进行测试。

1.2 试验测试原理

本试验采用的试验装置是恒温炉，该装置可以设置的温度上限为1 000℃，可以设置的温度递增步长为10℃。试验时，先将一定质量的煤尘放入储粉室，然后通过电阻丝以100℃的步长逐渐将加热炉加热，随后压缩空气携带煤尘进入加热炉，通过反射镜可以观察到煤尘云是否着火。

在试验过程中，喷粉压力、粉尘质量浓度、碳酸钙添加量作为影响煤尘云着火温度的3个重要因素，每个因素分别取3个水平做实验，因此需要进行9次试验才能达到试验结果的要求。

2 实验分析

2.1 实验结果

根据上述试验方案测试得到的煤尘云最低着火温度数据如表1所示。由表1可知，设置的喷粉压力分别为0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa，而粉尘云质量浓度分别为748 g/m3、1 110 g/m3、1 856 g/m3，添加的惰性粉尘量分别占煤尘质量的10%、30%和50%。通过改变这些影响煤尘云最低着火温度的影响因素，可以从测试结果清晰地看到测试结果数据，进而分析出不同的影响因素对煤尘云最低着火温度的影响作用。以喷尘压力和煤尘云质量浓度为例，喷尘压力和煤尘云质量浓度在该范围内越大，测得的煤尘云最低着火温度数据随之减小，说明喷尘压力的增大对煤尘云着火敏感度起到促进作用，而煤尘云质量浓度的增大，也从一定程度上增大煤尘云的着火敏感度。

表1 实验结果

2.2 结果分析

通过计算极差来判定各因素的重要程度，极差体现了因素对目标值的影响程度，因为极差表示测试结果的最大值和最小值的差值，因此极差越大，表明该因素对煤尘云最低着火温度的影响作用就越大。

计算结果如表2所示。从表中可以看出，惰性粉尘极差最大，质量浓度其次，喷粉压力最小。所以，各因素的重要程度依次为惰性粉尘添加量、粉尘质量浓度、喷粉压力。

表2 试验数据结果分析

不同因素对煤尘云最低着火温度的影响如图1所示。由图可知，煤尘云最低着火温度随喷粉压力增大而减小，但变化幅度较小。随着喷粉压力增加，更多氧气进入系统，粉尘云的分散程度更大，相应的湍流程度也加大，因此，更有利于粉尘的燃烧，所以随着喷粉压力增加，煤尘云最低着火温度随之降低。

图1 不同因素对煤尘云最低着火温度的影响

煤尘云最低着火温度随质量浓度增大而降低，煤尘云质量浓度在一定范围内增大时，煤尘云最低着火温度随之降低，说明煤尘云质量浓度增大时产生了更多的可燃物，单位时间内会生成更多的可燃挥发分气体物质，因此就更容易被点着。所以，随着煤尘云质量浓度增加，煤尘云最低着火温度会随之降低。

煤尘云最低着火温度随惰性粉尘添加量的增加而增加，这是因为碳酸钙属于不可燃物质，在煤尘燃烧过程中充当冷却剂，同时会降低氧的质量浓度，阻碍热量向火焰阵面发展，碳酸钙依靠物理性吸收热量，阻止煤尘燃烧。

2.3 惰性粉尘含量对煤尘云最低着火温度的影响

试验前制备质量分数分别为0%、10%、30%、50%、70%的碳酸钙与煤尘的混合物，喷粉压力设置为0.05 MPa，混合物质量为3 g，即煤尘云的质量浓度为固定值，惰性粉尘含量对煤尘云最低着火温度的影响如图2所示。

图2 惰性粉尘含量对煤尘云最低着火温度的影响

由图2可知，随着碳酸钙质量分数增加，混合物最低着火温度逐渐升高。当碳酸钙质量分数为50%，由原先碳酸钙质量分数为30%时的520℃增加至560℃，说明碳酸钙这种惰性粉尘对煤尘云最低着火温度具有很好的惰化作用，会降低煤尘云的着火敏感度。

当惰性粉尘的含量小于50%时，可以看出煤尘云最低着火温度随碳酸钙质量分数的增大呈缓慢增加的趋势，这是因为高温下煤尘云分解出可燃气体，可燃气体与氧气发生燃烧，低含量的惰性粉尘对煤尘云着火和燃烧过程的抑制效果并不明显。但是当惰性粉尘的含量大于50%时，可以看出氧气含量会明显减少，此时抑制着火的效果更显著。

3 结论

通过分析喷粉压力、粉尘质量浓度、惰性粉尘添加量对煤尘云最低着火温度的影响，表明惰性粉尘添加量和粉尘质量浓度对煤尘云最低着火温度的影响较为显著。

煤尘云燃烧属于气相燃烧，随着煤尘云质量浓度增加，煤尘云最低着火温度降低；当喷粉压力在0.03 MPa以上时，随着喷粉压力增大，煤尘云最低着火温度逐渐变大。

碳酸钙作为一种抑爆剂，对煤尘燃烧可起到物理抑制作用，且随着惰性粉尘碳酸钙含量增加，煤尘云最低着火温度会提高，碳酸钙含量大于50%时，抑制着火的效果十分明显。