论文部分内容阅读
摘 要：目的 实验研究敏感因素浓度、粒径对面粉粉尘爆炸最小点火能的影响并分析其最敏感条件。方法 本文利用20L球形爆炸装置采用单因素变量法对两种敏感条件浓度（400～2000g/m3）、粒径（160 ～ 300 目）的面粉最小点火能进行测试，揭示粒径、浓度两种影响因子与最小点火能之间的影响规律，在定量分析的基础上，确定最敏感条件。结论 面粉浓度对最小点火能呈极值因素影响，面粉爆炸最小點火能随着面粉浓度的增加先减小后增大，存在最敏感值1201g/m3。当面粉浓度为1201g/m3时，最小点火能最低，为825J;面粉粒径对最小点火能的影响为单调因素影响。粉尘云的颗粒越小，越容易被点燃。当面粉粒径为48μm时，最小点火能为944J。
关键词：面粉;最小点火能;粉尘浓度;粉尘粒径
Experimental study on minimum ignition energy of flour explosion
ZENG jing1，ZHAO xiaoshuang1，LI menglan1，WANG yi1，HE junran1，ZENG fanhua1*
（1.College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China）
Abstract：Objective To study the effect of concentration and particle size of sensitive factors on the minimum ignition energy of flour dust explosion and analyze the most sensitive conditions.Methods The minimum ignition energy of flour with two kinds of sensitive concentration（400-2000g/m3）and particle size（160-300 mesh）was measured by single factor variable method in 20 L spherical explosive device.To reveal the influence law between the two factors of particle size and concentration and the minimum ignition energy.On the basis of quantitative analysis，the most sensitive conditions are determined.Conclusion Flour concentration has an extreme effect on the minimum ignition energy.The minimum ignition energy of flour explosion decreases first and then increases with the increase of flour concentration，and the most sensitive value is 1201g/m3.When the flour concentration is 1201g/m3，the minimum ignition energy is 825J.And the effect of flour particle size on the minimum ignition energy is monotonic.The smaller the dust particles are，the easier they are to ignite.When the particle size of flour is 48μm，the minimum ignition energy is 944J.
Key words：flour;minimum ignition energy;dust concentration;dust particle size.
引言
我国从十九世纪末期使用机器制造面粉，即机制面粉，至今已经发展有一百多年，工厂数也由最初的几家发展壮大到今天具规模的就有上万家，这些工厂都达到了每天 50 吨以上的小麦加工处理量[1] 。面粉作为中国北方大部分地区的主食，在其收获、储存、加工和运输过程中，能伴生出0.01%～1%的可燃性粉尘[2] 。面粉厂是典型的粉尘爆炸危险性场所，而且和人们日常生活密切相关，近年来面粉企业粉尘爆炸事故屡见不鲜[3] 。面粉爆炸问题日益突出，面粉粉尘爆炸事故频发，已到了触目惊心的地步。目前国内关于粮食粉尘爆炸特性研究较多[4，5，6]，而粮食粉尘爆炸最小点火能的相关研究报道甚少。
面粉粉尘作为一种可燃性粉尘，在国家安全监管总局办公厅下发的《工贸行业重点可燃性粉尘目录》（2015版）中，将其爆炸危险性级别列为高级的可燃性粉尘，一旦发生爆炸使粉尘爆炸极有可能引起整个工作场所的连锁爆炸，造成财产损失和人员伤亡，严重的环境污染，导致灾难性后果。本课题通过相关内容的研究，为面粉爆炸最小点火能提供一定的理论基础和科学依据，并为后续的深入研究奠定坚实的基础。
一、实验装置及样品
（一）实验装置
本文主要采用20L球形爆炸实验装置测试面粉粉尘的最小点火能，主要包括20L爆炸球、控制箱、储粉罐、压力传感器、数据采集卡等几个部分。工作原理是储粉罐内的压缩空气将其中的粉尘经气粉两相阀迅速吹到容器中形成粉尘云，在容器中被化学点火具（锆粉、硝酸钡、过氧化钡的比例为4：3：3）点燃引爆。 （二）试验样品
本实验研究对象为小麦粉尘，用筛子进行筛分，选用目数为160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）的筛子，将筛分后的粉尘放在真空干燥箱中烘干。设定干燥箱温度为 80℃，干燥时间为30min。把烘干的面粉粉尘置于密封的玻璃瓶中冷却。玻璃瓶也应在干燥箱中进行干燥处理，以防瓶壁上的水蒸气被粉尘吸收而使粉尘湿度变大[7] 。
二、实验方法及步骤
（一）实验方法
本实验研究2个因素：面粉粉尘浓度、粒径。实验过程中，先选用目数为250目（粒径为58μm）的面粉，改变面粉浓度，测试不同浓度条件下面粉粉尘的最小点火能;然后选用面粉浓度为400g/m3，改变面粉粒径，测试不同粒径条件下面粉粉尘的最小点火能。
（二）实验步骤
1.系统检查
检查的项目包括控制系统的线路，采样系统的线路，气路系统（喷粉阀控制压力调为2.0MPa，将储粉罐电接点压力表调整为2.0MPa，并关闭所有阀门。），确保连接良好，各个环节不漏气。
2.打开控制箱的电源，同时启动PLC程序控制系统
3.称量化学点火具的质量（2.4g化学点火具产生10KJ能量），根据实验称取相应质量的点火具制作化学点火装置，将20升球形爆炸装置开启盖取下，安装点火装置，再把相关的开关阀门合上，插上电极引线。
4.装粉
将已经处理好的面粉按要求称取，装入储粉罐，将O型圈周围清扫干净，随后把盖旋紧。
5.抽真空
启动真空泵抽至负压为-0.06MPa，随后关闭真空压力表开关及连接真空软管阀门。
6.启动计算机采样系统，填写采样数据，并使采样程序处于等待状态。
7.运行
将手动/自定按钮旋转到自动位置，按下运行按钮即完成一次爆炸。
8.数据记录
程序会自动记录数据。
9.清洗
打开20升装置上出气阀门，将手动/自动按钮扭向手动位置，按下进气按钮，然后按下清洗按钮，打开装置上盖，用吸尘器仔细清洗。
10.如果获得点火，则再降低能量水平后再次进行测试。如果没有点火，实验在相同的条件下重复10次。
三、实验结果及分析
（一）浓度对面粉粉尘最小点火能的影响
本实验先选用目数为250目（粒径为58μm）的面粉，改变面粉浓度分别为400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3、2000g/m3进行试验，测试不同浓度条件下面粉粉尘的最小点火能，实验结果见表1。
面粉浓度对最小点火能呈极值因素影响，面粉爆炸最小点火能随着面粉浓度的增加先减小后增大，存在最敏感值1201g/m3。当面粉浓度为1201g/m3时，最小点火能最低，为825J。
当面粉浓度小于1201g/m3时，随着面粉浓度的增加，悬浮于空气中的面粉颗粒增加，颗粒间距相对减小，能更有效地将能量传播开来，于是最小点火能逐渐变小;当面粉浓度大于1201g/m3时，随着面粉浓度的增加，悬浮于空气中的面粉颗粒增加，导致能量供應不足，面粉颗粒不能完全被点燃，于是最小点火能逐渐增大。秦涧[8] 利用哈特曼以静电点火的方式对小麦淀粉最小点火能进行实验研究，研究表明小麦淀粉最小点火能随浓度增大先减小后增大，敏感浓度为1200g/m3，与本文实验结果几乎一致。
（二）粒径对面粉粉尘最小点火能的影响
本实验选用面粉浓度为400g/m3，改变面粉粒径分别为160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）进行实验，测试不同粒径条件下面粉粉尘的最小点火能，实验结果见表2。
当面粉粒径为96μm时，最小点火能为1272J;当面粉粒径为75μm时，最小点火能为1208J;当面粉粒径为58μm时，最小点火能为1092J;当面粉粒径为48μm时，最小点火能为944J。
面粉粒径对最小点火能的影响为单调因素影响。粉尘云的颗粒越小，越容易被点燃。由于面粉粉尘在质量相同的情况下，粒径越小，粉尘颗粒数目越大，总比表面积也随着增大，粉尘颗粒与氧接触的机会越多，粉尘云也越容易爆炸。陈金健[9] 、陈成[10] 和任纯力[11] 分别对钛粉、铝粉及TNT粉尘等进行实验研究，发现粉尘的最小点火能随粉尘粒度增大而增大，与本文实验结果一致。
四、结论
最小点火能作为粉尘爆炸较为重要的一个特性参数，它具有评估粉尘爆炸危险性及从源头上预防粉尘爆炸的重要意义。将点火源的能量控制到小于最小点火能，即能安全有效地避免造成财产损失、人员伤亡、严重的环境污染，甚至灾难性后果的粉尘爆炸事故的发生。本文采用20L球形爆炸装置爆测试两种不同敏感条件（浓度、粒径）对面粉爆炸最小点火能的变化;揭示粒径、浓度两种影响因子与最小点火能之间的影响规律，结论如下：
（1）面粉浓度对最小点火能呈极值因素影响，面粉爆炸最小点火能随着面粉浓度的增加先减小后增大，存在最敏感值1201g/m3。当面粉浓度为1201g/m3时，最小点火能最低，为825J。
（2）面粉粒径对最小点火能的影响为单调因素影响。粉尘云的颗粒越小，越容易被点燃。当面粉粒径为48μm时，最小点火能为944J。
基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目（YKJCX17 20707）。
参考文献：
[1] 王昕.基于Niche分析的面粉生产企业竞争定位战略研究——以天津DM公司为例[D].天津大学，2014.
[2] 李刚，刘晓燕，钟圣俊，等.粮食伴生粉尘最低着火温度的实验研究[J].东北大学学报（自然科学版），2005，26（2）：145-147.
[3] 贾玉涛.面粉企业粮食粉尘爆炸及防治[D].东北大学，2011.
[4] 曹卫国，潘峰，徐森，等.小麦淀粉粉尘爆炸特性参数的研究[J].安全与环境学报，2012（2）：215-218.
[5] 肖国清，王琼慧，梁李，等.糖粉粒径对其爆炸特性影响的试验研究[J].中国安全科学学报，2015，25（9）：85-90.
[6] 王玉娇，赵江平，WANGYujiao，等.谷物粉尘爆炸特性试验研究[J].中国安全科学学报，2017（4）：77-81.
[7] 孙雅薇.几种非金属粉尘的最小点火能研究[D].中北大学，2012.
[8] 秦涧，谭迎新，孙雅薇，等.四类粉尘最小点火能的实验研究[C]// 全国强动载效应及防护学术会议暨2014年复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会.2014.
[9] 陈金健，胡立双，胡双启，等.钛粉尘云最小点火能及抑制技术研究[J].消防科学与技术，2015（5）：566-569.
[10] 陈成.铝粉及TNT粉尘的最小点火能和爆炸下限研究[D].中北大学，2013.
[11] 任纯力，李新光，王福利，等.敏感条件对粉尘云最小点火能的影响规律分析[J].中国安全科学学报，2009，19（8）：77.
作者简介：
曾静（1993-），女，硕士研究生;通讯作者：曾繁华（1970-），女，副教授。
（作者单位：重庆科技学院安全工程学院）
关键词：面粉;最小点火能;粉尘浓度;粉尘粒径
Experimental study on minimum ignition energy of flour explosion
ZENG jing1，ZHAO xiaoshuang1，LI menglan1，WANG yi1，HE junran1，ZENG fanhua1*
（1.College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China）
Abstract：Objective To study the effect of concentration and particle size of sensitive factors on the minimum ignition energy of flour dust explosion and analyze the most sensitive conditions.Methods The minimum ignition energy of flour with two kinds of sensitive concentration（400-2000g/m3）and particle size（160-300 mesh）was measured by single factor variable method in 20 L spherical explosive device.To reveal the influence law between the two factors of particle size and concentration and the minimum ignition energy.On the basis of quantitative analysis，the most sensitive conditions are determined.Conclusion Flour concentration has an extreme effect on the minimum ignition energy.The minimum ignition energy of flour explosion decreases first and then increases with the increase of flour concentration，and the most sensitive value is 1201g/m3.When the flour concentration is 1201g/m3，the minimum ignition energy is 825J.And the effect of flour particle size on the minimum ignition energy is monotonic.The smaller the dust particles are，the easier they are to ignite.When the particle size of flour is 48μm，the minimum ignition energy is 944J.
Key words：flour;minimum ignition energy;dust concentration;dust particle size.
引言
我国从十九世纪末期使用机器制造面粉，即机制面粉，至今已经发展有一百多年，工厂数也由最初的几家发展壮大到今天具规模的就有上万家，这些工厂都达到了每天 50 吨以上的小麦加工处理量[1] 。面粉作为中国北方大部分地区的主食，在其收获、储存、加工和运输过程中，能伴生出0.01%～1%的可燃性粉尘[2] 。面粉厂是典型的粉尘爆炸危险性场所，而且和人们日常生活密切相关，近年来面粉企业粉尘爆炸事故屡见不鲜[3] 。面粉爆炸问题日益突出，面粉粉尘爆炸事故频发，已到了触目惊心的地步。目前国内关于粮食粉尘爆炸特性研究较多[4，5，6]，而粮食粉尘爆炸最小点火能的相关研究报道甚少。
面粉粉尘作为一种可燃性粉尘，在国家安全监管总局办公厅下发的《工贸行业重点可燃性粉尘目录》（2015版）中，将其爆炸危险性级别列为高级的可燃性粉尘，一旦发生爆炸使粉尘爆炸极有可能引起整个工作场所的连锁爆炸，造成财产损失和人员伤亡，严重的环境污染，导致灾难性后果。本课题通过相关内容的研究，为面粉爆炸最小点火能提供一定的理论基础和科学依据，并为后续的深入研究奠定坚实的基础。
一、实验装置及样品
（一）实验装置
本文主要采用20L球形爆炸实验装置测试面粉粉尘的最小点火能，主要包括20L爆炸球、控制箱、储粉罐、压力传感器、数据采集卡等几个部分。工作原理是储粉罐内的压缩空气将其中的粉尘经气粉两相阀迅速吹到容器中形成粉尘云，在容器中被化学点火具（锆粉、硝酸钡、过氧化钡的比例为4：3：3）点燃引爆。 （二）试验样品
本实验研究对象为小麦粉尘，用筛子进行筛分，选用目数为160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）的筛子，将筛分后的粉尘放在真空干燥箱中烘干。设定干燥箱温度为 80℃，干燥时间为30min。把烘干的面粉粉尘置于密封的玻璃瓶中冷却。玻璃瓶也应在干燥箱中进行干燥处理，以防瓶壁上的水蒸气被粉尘吸收而使粉尘湿度变大[7] 。
二、实验方法及步骤
（一）实验方法
本实验研究2个因素：面粉粉尘浓度、粒径。实验过程中，先选用目数为250目（粒径为58μm）的面粉，改变面粉浓度，测试不同浓度条件下面粉粉尘的最小点火能;然后选用面粉浓度为400g/m3，改变面粉粒径，测试不同粒径条件下面粉粉尘的最小点火能。
（二）实验步骤
1.系统检查
检查的项目包括控制系统的线路，采样系统的线路，气路系统（喷粉阀控制压力调为2.0MPa，将储粉罐电接点压力表调整为2.0MPa，并关闭所有阀门。），确保连接良好，各个环节不漏气。
2.打开控制箱的电源，同时启动PLC程序控制系统
3.称量化学点火具的质量（2.4g化学点火具产生10KJ能量），根据实验称取相应质量的点火具制作化学点火装置，将20升球形爆炸装置开启盖取下，安装点火装置，再把相关的开关阀门合上，插上电极引线。
4.装粉
将已经处理好的面粉按要求称取，装入储粉罐，将O型圈周围清扫干净，随后把盖旋紧。
5.抽真空
启动真空泵抽至负压为-0.06MPa，随后关闭真空压力表开关及连接真空软管阀门。
6.启动计算机采样系统，填写采样数据，并使采样程序处于等待状态。
7.运行
将手动/自定按钮旋转到自动位置，按下运行按钮即完成一次爆炸。
8.数据记录
程序会自动记录数据。
9.清洗
打开20升装置上出气阀门，将手动/自动按钮扭向手动位置，按下进气按钮，然后按下清洗按钮，打开装置上盖，用吸尘器仔细清洗。
10.如果获得点火，则再降低能量水平后再次进行测试。如果没有点火，实验在相同的条件下重复10次。
三、实验结果及分析
（一）浓度对面粉粉尘最小点火能的影响
本实验先选用目数为250目（粒径为58μm）的面粉，改变面粉浓度分别为400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3、2000g/m3进行试验，测试不同浓度条件下面粉粉尘的最小点火能，实验结果见表1。
面粉浓度对最小点火能呈极值因素影响，面粉爆炸最小点火能随着面粉浓度的增加先减小后增大，存在最敏感值1201g/m3。当面粉浓度为1201g/m3时，最小点火能最低，为825J。
当面粉浓度小于1201g/m3时，随着面粉浓度的增加，悬浮于空气中的面粉颗粒增加，颗粒间距相对减小，能更有效地将能量传播开来，于是最小点火能逐渐变小;当面粉浓度大于1201g/m3时，随着面粉浓度的增加，悬浮于空气中的面粉颗粒增加，导致能量供應不足，面粉颗粒不能完全被点燃，于是最小点火能逐渐增大。秦涧[8] 利用哈特曼以静电点火的方式对小麦淀粉最小点火能进行实验研究，研究表明小麦淀粉最小点火能随浓度增大先减小后增大，敏感浓度为1200g/m3，与本文实验结果几乎一致。
（二）粒径对面粉粉尘最小点火能的影响
本实验选用面粉浓度为400g/m3，改变面粉粒径分别为160目（96μm）、200（75μm）目、250目（58μm）、300目（48μm）进行实验，测试不同粒径条件下面粉粉尘的最小点火能，实验结果见表2。
当面粉粒径为96μm时，最小点火能为1272J;当面粉粒径为75μm时，最小点火能为1208J;当面粉粒径为58μm时，最小点火能为1092J;当面粉粒径为48μm时，最小点火能为944J。
面粉粒径对最小点火能的影响为单调因素影响。粉尘云的颗粒越小，越容易被点燃。由于面粉粉尘在质量相同的情况下，粒径越小，粉尘颗粒数目越大，总比表面积也随着增大，粉尘颗粒与氧接触的机会越多，粉尘云也越容易爆炸。陈金健[9] 、陈成[10] 和任纯力[11] 分别对钛粉、铝粉及TNT粉尘等进行实验研究，发现粉尘的最小点火能随粉尘粒度增大而增大，与本文实验结果一致。
四、结论
最小点火能作为粉尘爆炸较为重要的一个特性参数，它具有评估粉尘爆炸危险性及从源头上预防粉尘爆炸的重要意义。将点火源的能量控制到小于最小点火能，即能安全有效地避免造成财产损失、人员伤亡、严重的环境污染，甚至灾难性后果的粉尘爆炸事故的发生。本文采用20L球形爆炸装置爆测试两种不同敏感条件（浓度、粒径）对面粉爆炸最小点火能的变化;揭示粒径、浓度两种影响因子与最小点火能之间的影响规律，结论如下：
（1）面粉浓度对最小点火能呈极值因素影响，面粉爆炸最小点火能随着面粉浓度的增加先减小后增大，存在最敏感值1201g/m3。当面粉浓度为1201g/m3时，最小点火能最低，为825J。
（2）面粉粒径对最小点火能的影响为单调因素影响。粉尘云的颗粒越小，越容易被点燃。当面粉粒径为48μm时，最小点火能为944J。
基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目（YKJCX17 20707）。
参考文献：
[1] 王昕.基于Niche分析的面粉生产企业竞争定位战略研究——以天津DM公司为例[D].天津大学，2014.
[2] 李刚，刘晓燕，钟圣俊，等.粮食伴生粉尘最低着火温度的实验研究[J].东北大学学报（自然科学版），2005，26（2）：145-147.
[3] 贾玉涛.面粉企业粮食粉尘爆炸及防治[D].东北大学，2011.
[4] 曹卫国，潘峰，徐森，等.小麦淀粉粉尘爆炸特性参数的研究[J].安全与环境学报，2012（2）：215-218.
[5] 肖国清，王琼慧，梁李，等.糖粉粒径对其爆炸特性影响的试验研究[J].中国安全科学学报，2015，25（9）：85-90.
[6] 王玉娇，赵江平，WANGYujiao，等.谷物粉尘爆炸特性试验研究[J].中国安全科学学报，2017（4）：77-81.
[7] 孙雅薇.几种非金属粉尘的最小点火能研究[D].中北大学，2012.
[8] 秦涧，谭迎新，孙雅薇，等.四类粉尘最小点火能的实验研究[C]// 全国强动载效应及防护学术会议暨2014年复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会.2014.
[9] 陈金健，胡立双，胡双启，等.钛粉尘云最小点火能及抑制技术研究[J].消防科学与技术，2015（5）：566-569.
[10] 陈成.铝粉及TNT粉尘的最小点火能和爆炸下限研究[D].中北大学，2013.
[11] 任纯力，李新光，王福利，等.敏感条件对粉尘云最小点火能的影响规律分析[J].中国安全科学学报，2009，19（8）：77.
作者简介：
曾静（1993-），女，硕士研究生;通讯作者：曾繁华（1970-），女，副教授。
（作者单位：重庆科技学院安全工程学院）