基于交互正交试验的全麦粉粉尘云最低着火温度的影响研究

赵江平 高鑫 杨锦扬 倪雯宇

（西安建筑科技大学资源工程学院，陕西西安 710055）

0 引言

在过去的几十年里，我国粮食储运、食品和饲料加工工业发展迅速的同时也存在着一定的安全隐患。饲料粉尘是一种事故多发粉尘，生产运输中极易发生爆炸，其种类多且成分复杂，并且我国部分饲料企业存在设备陈旧且企业人员粉尘防爆意识不强，一旦发生事故就会对人身财产造成巨大威胁［1］。国内外学者对混合粉尘燃爆特性有进一步的研究，ADDAI E K等［2］在2017 年使用Godbert-Greenwald 炉研究了双组分和三组分混合物的最低点火温度和爆炸下限并得出如果存在具有不同聚集状态的物质，不能依靠单一物质的爆炸特性来确保对设备或过程的充分保护的概念。ZHAO Q 等［3］为了揭示（NH4）2HPO4对小麦粉尘爆炸的抑制作用，首次提出建立了垂直管道，研究了（NH4）2HPO4添加对不同粒径分布小麦粉尘爆炸的抑制作用。郭柯惊等［4］利用G-G 恒温炉实验装置采用控制变量法得到了混合粉尘的最低着火温度。赵江平等［5］通过试验，研究了玉米淀粉燃烧特性并得出各因素对玉米淀粉放热效率峰值的影响。王嘉辉等［6］使用粉尘着火温度实验装置研究得出惰性介质含量、粒径等因素对煤尘着火温度的影响程度。陈金健等［7］采用G-G 恒温炉装置实验得到随惰性介质碳酸钙、二氧化硅质量分数的增加使得镁粉尘MITC而先升高后趋于稳定。郭柯惊［8］首次提出利用FCY-Ⅱ型测试仪进行煤粉的最低着火温度实验，得出当岩粉含量不断增加的同时，煤岩混合粉尘最低着火温度会有一定程度的升高。丁莉英等［9］在2017 年利用HY16429 实验装置和HY16430 实验装置得出随着混合合金粉尘中铝粉含量的增加而导致Mg-Al合金粉尘的最低着火温度在不断升高，且最低着火温度逐渐趋于铝粉着火温度。

以上对粉尘云最低着火温度（MITC）的研究主要是探究单因素对混合粉尘MITC 的影响，并未考虑混合粉尘各因素之间的交互作用对混合粉尘MITC 的影响。本文以全麦粉为研究对象，使用GG 恒温炉装置从粉尘粒径、质量浓度、惰性介质碳酸钙质量分数这3 个因素找出对全麦粉尘MITC 的影响效应。利用交互正交试验通过直观分析法和方差分析法得出各因素及其交互作用对全麦粉尘MITC的影响程度，旨在为饲料粉尘防火防爆提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验原料为粗全麦粉和碳酸钙粉。全麦粉一般用于饲料加工行业，主成分是由麸皮和麦粉混合而成的。选用的碳酸钙粉是轻质碳酸钙，主要原料为石灰石，碳酸钙质量分数≥98%，同样可以用于饲料加工。

1.2 试验设备

采用实验室现有的粉尘云着火温度测试装置GG 恒温炉（容积236 mL）进行试验，喷粉压力设置为0.06 MPa，实验仪器还包括振动筛、电子天平、吸尘器、刮板、粉尘托盘、空压机、干燥箱等。G-G 恒温炉装置如图1 所示。该实验仪器操作方法可以查阅实验室粉尘云最低着火温度测定实验方法后再进行试验［10］。

1.3 试验预处理

1）粉尘筛选：将试验用全麦粉及碳酸钙粉分别过80、100、120 目标准筛进行简单的筛分后进行分类包装并储藏在在密闭空间备用。

2）粉尘干燥：将筛好的粉尘放置在实验室干燥箱中干燥，温度设置在80 ℃并干燥7 h，干燥后的粉尘用密封袋包装并保存起来备用。

1.4 试验内容

由于企业日常生产运输粉尘都是在常压常温条件下，所以在此对试验环境气体量和空气温湿度这些影响因素不进行理论探究。在试验条件下能够进行控制的试验因素有粉尘质量浓度、粒径、惰性介质质量分数等，因此本文选择以上3 个主要影响因素（质量浓度、粒径、碳酸钙质量分数）为变量来对全麦粉尘MITC 进行深入探讨，目的是找到全麦粉尘MITC 的这3 个重要因素及其交互作用对该粉尘的影响程度大小或者规律，为饲料行业粉尘燃烧爆炸事故的预防提供一定依据。

1.5 着火判据

试验时首先打开空气压缩机通入气体，然后调整好试验所需的气压值（0.06 MPa），接下来等待试验装置温度稳定至待检温度，最后点击喷粉按钮即可。该装置着火判定的判据是，利用反射镜查看壁炉下方有无火焰喷出，有显著火焰喷出即为着火，若无明显火焰喷出或火焰滞后时间较长，就可以判定未发生着火。全麦粉尘MITC 的有效数据是在多次重复试验后得到的，通常来说是待检测温度多次试验后着火1 ～2 次，试验温度递减组多次试验未着火即可，然后上一测试温度值即为粉尘云的最低着火温度。接着通过改变粉尘粒径、质量浓度、惰性介质碳酸钙质量分数这3 个因素的3 水平进行多次试验后得出能使该全麦粉尘云着火的最低温度即为所求全麦粉尘MITC。

2 全麦粉尘MITC 交互正交试验设计

正交设计表选取的目的是为了得到自己所需的试验结果的同时耗费相对较少的精力，如果涉及到各因素之间的交互作用还会有更多的试验组，可以利用交互正交试验减少试验次数，利用少量的试验去得出数据进行分析从而对全麦粉尘MITC 的影响因素进行研究。

2.1 试验因素和水平

影响粉尘燃烧的因素很多，如粉尘粒径、气体量、含水率、空间内粉尘质量浓度和碳酸钙质量分数等因素。本文选取粒径、质量浓度、碳酸钙质量分数这3 个因素各取3 水平作正交表进行研究，因素和水平见表1。

表1 试验因素和水平

2.2 交互正交试验设计方案

针对3 因素3 水平的试验本文选用交互正交表L27（313）［11］。交互正交表如表2 所示，试验结果指标定为全麦粉尘MITC/℃，空白列用于误差分析，根据正交表共设计了27 种试验，结果见表2、图2（惰性介质碳酸钙百分比为横轴，全麦粉尘MITC 为纵轴，以粉尘粒径和质量浓度的3 水平为变量作图）。

表2 交互正交试验方案及结果

图2 交互正交试验结果

3 试验结果和讨论

正交实验是比较常用的一种效率比较高的实验设计方法，一般可以利用直观分析和方差分析这2 种方法进行数据分析得出结论。

3.1 直观分析法

直观分析法就是利用数据计算极差进行比较分析，极差能够反映该因素对整体的影响大小，极差越大，影响越强，相反极差越小，影响越弱［12］。各因素的极差R 可通过式（1）计算得到：

式中，m 为水平数，n 为因素数，Kmn为因素n 在水平m 下各试验结果的平均值。具有交互作用的R 为相应列的极差之和，试验数据计算结果见表3。

表3 试验结果直观分析

利用直观分析表得出的试验数据利用Origin 2021 作图软件作出极差散点图可以观察得出结论，见图3。

从图3 中可以很直观的看出：极差R 最大的是惰性介质碳酸钙质量分数C，为37.222，也就是说惰性介质碳酸钙质量分数对全麦粉尘MITC 的影响程度最大；其次是粒径R（A）=22.778，粉尘质量浓度R（B）=12.778，这2 个仅次于惰性介质碳酸钙质量分数对全麦粉尘的影响；质量浓度和惰性介质碳酸钙质量分数的交互即 B×C 的极差值 R 最小=3.888，表明质量浓度和惰性介质碳酸钙质量分数的交互对全麦粉尘MITC 的影响程度最小。试验得出3 因素跟因素之间的交互对全麦粉尘MITC 的影响程度由高到低依次是：C、A、B、A×B、A×C、B×C，即惰性介质碳酸钙质量分数、粒径、质量浓度、粒径及质量浓度的交互、粒径及惰性介质碳酸钙质量分数的交互、质量浓度及惰性介质碳酸钙质量分数的交互。

3.2 方差分析法

利用组间和组内的离差平方和与自由度的比值构成F 统计量，生成分析表，然后对各试验因素通过F 检验，而得出各组均数间差异有无显著性的结论（常用的显著性水平有0.01、0.05、0.1，如表4 所示F 分布临界值），而且方法分析法可以很好地弥补直观分析的不足。将各因素试验得到的数据结果列成方差分析表，如表5 所示。表5 中Ss为离差平方和、df为自由度、Ms为均方、F 为统计量，e 为误差。

表4 分布临界值

表5 方差分析

Fa(df，8）是本试验的分布临界值。若某因素的F＞F0.01（df，8），说明该因素对试验有较高程度的影响（p=99% ），若F ＞F0.05（df，8），则该因素对试验有影响（p=95%），若F＞F0.1（df，8），则该因素对试验有微弱程度的影响（p=90%），若F＜F0.1（df，8），说明该因素对试验影响不显著。由对照表可知，先讨论单因素试验，通过图表得出FA、FB、FC都＞F0.01（2，8），则粉尘粒径A、质量浓度B、惰性介质碳酸钙质量分数C 这3 个因素都对全麦粉尘MITC 影响较显著（p=99%），其中惰性介质碳酸钙质量分数最为显著；在交互试验中还有FA×B＞F0.01（4，8），所以可以得出粒径与质量浓度的交互对全麦粉尘MITC 有较高程度的影响（p=99%）。F0.05（4，8）＜FA×C＜F0.01（4，8），说明粉尘粒径与惰性介质碳酸钙质量分数的交互对全麦粉尘MITC 的有一定程度的影响（p=95%）。由于FB×C＜F0.1（4，8），说明粉尘质量浓度与惰性介质碳酸钙质量分数的交互对全麦粉尘MITC 的影响不显著。由方差分析表计算得出的试验数据利用显著性分析后可以轻松的得出各因素及其交互作用对全麦粉尘MITC 的影响从强到弱依次是：C、A、B、A×B、A×C、B×C，即惰性介质碳酸钙质量分数、粉尘粒径、质量浓度、粒径及质量浓度的交互、粒径及惰性介质碳酸钙质量分数的交互、质量浓度及惰性介质碳酸钙质量分数的交互对全麦粉尘MITC的影响程度依次降低，与直观分析法的结果基本一致。所以在粉尘云不可避免的出现饲料生产中的情况下，通过向部分全麦粉尘添加适合的惰性粉尘来有效的降低可燃性粉尘的燃爆敏感度的举措是可行的。

4 结论

本文利用G-G 恒温炉实验装置进行试验，研究了粒径、质量浓度、惰性介质碳酸钙质量分数对全麦粉尘MITC 的影响，采用正交设计中的交互正交试验避免了大量的试验组，分析试验数据得出了各因素对全麦粉尘MITC 的影响程度。具体结论如下：

1）由上文得出直观分析法和方差分析法这2 种方法分析得出的试验结论是相同的，即惰性介质碳酸钙质量分数、粒径、质量浓度、粒径及质量浓度的交互、粒径及惰性介质碳酸钙质量分数的交互、质量浓度及惰性介质碳酸钙质量分数的交互对全麦粉尘MITC 的显著性依次降低。其中在饲料配方中碳酸钙含量约束下随着碳酸钙含量的增加，全麦粉尘的MITC在不断上升但是依然可以燃烧，说明碳酸钙含量的增减不影响该饲料粉尘是否燃烧。

2）本文所探讨的3 个试验因素即粒径、质量浓度、惰性介质碳酸钙质量分数都对全麦粉尘粉尘云最低着火温度的敏感性有着显著影响，特别是惰性介质碳酸钙质量分数对全麦粉尘MITC 的影响最为显著。粉尘粒径与质量浓度对全麦粉尘粉尘云最低着火温度存在交互作用。

所以在饲料行业生产过程中，可以对部分粉尘例如全麦粉、糠粉等添加合适的惰性粉尘用来降低该粉尘的燃爆敏感性。同时应重点注意粉尘云质量浓度和粉尘粒径的耦合场所，可以有效避免事故的发生。