热表面PMMA粉尘层堆积引燃特性及阻燃研究

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实际工业生产中,可燃粉尘由于生产或者管理不当等原因将可能沉积在工业设备或管道的高温热表面上,在一定条件下可诱发火灾甚至爆炸事故,引起重大人员伤亡及财产损失。为了有效预防和减小热表面粉尘堆积引燃的危险性,从源头上减少事故发生的可能性,本研究立足于研究热表面PMMA粉尘层在不同条件下的着火行为,揭示粉尘粒径、粉尘层直径以及粉尘层厚度对着火敏感性的影响规律,同时研究KHCO3和ABC粉对PMMA粉尘层的阻燃作用,并揭示其阻燃机理,主要工作和结论如下:(1)PMMA热解生成包括C2H4、CO和MMA在内的多种可燃成分,当浓度达到燃烧极限,在点火源作用下可引起粉尘燃烧。更细的粉尘粒子表面反应更密集,热解温度更低,同时点火延迟时间更短。随着加热温度的升高,粉尘层点火延迟时间逐渐减小。(2)PMMA粉尘层点火延迟时间以及临界加热温度随着粉尘层厚度的增加而增加。粉尘层厚度的增加,会导致气体扩散深度增加,造成可燃气体无法有效扩散,最终导致点火延迟时间的增加。对于10 mm厚粉尘层,100 nm、5μm和30μm PMMA的临界加热温度分别为330℃、300℃和320℃。当粉尘层厚度增加到30 mm,100 nm、5μm和30μm PMMA粉尘层的临界加热温度分别增加30℃、80℃和110℃。(3)粉尘层直径的增加对粉尘层内的传热以及热解过程有一定影响。当粉尘层直径由50 mm增加到100 mm,粉尘层内温度变化微小,同时环境温度有小幅下降,导致可燃气体燃烧下限有所升高,最终粉尘层点火延迟时间增加小于7.5%。(4)KHCO3和ABC可以有效延长PMMA粉尘层的点火延迟时间并提高粉尘层的临界加热温度,其中ABC的阻燃效果要优于KHCO3。对于10 mm厚5μm和30μm PMMA粉尘层,当加热温度为400℃时,40%的KHCO3可使5μm和30μm PMMA的点火延迟时间分别增加288.3%和750%。在加入40%ABC后,5μm PMMA点火延迟时间提高398.3%,而30μm PMMA已经无法被引燃。加入10%KHCO3可使5μm和30μm PMMA的临界加热温度分别增加60℃和40℃,加入10%ABC可使5μm和30μm PMMA临界加热温度分别增加80℃和60℃。(5)KHCO3和ABC分解吸热过程可抑制PMMA热解。KHCO3分解产生大量CO2可以有效稀释PMMA热解产生的可燃气体,减小可燃气体浓度,从而延长点火延迟时间甚至阻止粉尘层燃烧。ABC受热分解所产生的P2O5和HPO3可覆盖在粉尘颗粒及凝聚体表面形成致密球壳,阻止了传热传质过程,从而抑制燃烧。
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