小苏打对红色彩跑粉粉尘云爆炸极限氧浓度的影响*

王秋红，杨宋萍，代爱萍

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054)

0 引言

粮食粉尘是1种常见的工业粉体原料，被广泛应用于医药、食品、合成材料等工业生产中。同时，随着生活的多样化，粮食粉尘也被广泛地应用于一些娱乐场所。但粮食粉尘具有可燃性，如果一定浓度的粮食粉尘在空气中被点燃，可能会发生爆燃或爆炸，从而威胁人们的生命财产安全。例如，2015年台湾新北“6·27”粉尘爆炸事故，共计524人受伤，其中重伤人员达到202人[1]。因此，有必要对彩跑粉的爆炸危险性进行研究。

粉尘爆炸是1个快速、复杂且非定常的两相动力学过程[2]，文献[3-5]通过分析粉尘爆炸的起因、预防和减轻的基本原理，将安全文化、安全管理制度和本质安全的概念联系起来。粮食粉尘爆炸的研究主要集中在粉尘浓度、粒径、点火能、点火位置以及喷粉压力等特性参数上。东淑等[6]、陈先锋等[7]、张睿冲等[8]研究粉尘云浓度对火焰传播特性的影响，发现管道内火焰传播速度、火焰峰值温度以及爆炸压力均表现出先增大后减小的特征，且不同质量浓度粉尘对应的最高火焰温度和最大火焰传播速度呈线性关系。谢恬等[9]对不同粒径的玉米淀粉进行研究，发现粒径越小，特征温度越小、粉尘云所需着火时间越短，着火特性指数越大。曹卫国等[10]研究点火能对玉米淀粉粉尘爆炸危险性的影响，发现粉尘的最小点火能量随着粉尘质量浓度的增加而降低。蒯念生等[2]、胡维西等[11]利用20 L球形装置对不同粉尘在不同点火能量时的爆炸下限浓度进行测试，研究粉尘爆炸下限浓度随点火能量的变化规律。王健等[12]、Pang等[13]在泄爆容器中进行玉米淀粉的泄爆研究，发现不同点火位置和初始压力均会对爆炸压力产生影响。文虎等[14]、张睿冲等[8]利用20 L球形试验装置对不同喷粉压力进行研究，发现随着喷粉压力的增大，粉尘云最大爆炸压力先增大后减小。Chen等[15]通过改变金属网的网数和层数研究小麦淀粉的火焰传播过程以及火焰温度变化过程。

目前，国内外学者对多类粮食粉尘爆炸进行大量研究，但是对于粮食粉尘经二次加工制作成彩色粉后的爆炸特性研究较少，主要侧重于爆炸压力、爆炸下限方面的研究，对其极限氧浓度的研究暂未见报道。因此，本文对添加食用色素的红色彩跑粉与没有添加使用色素的彩跑粉基料进行实验，并结合以往对粮食粉尘爆炸特性参数的研究进行对比分析，探究食用色素对粮食粉尘爆炸的影响。同时本文在红色彩跑粉中添加小苏打形成混合性粉尘分析其爆炸压力与不发生爆炸的最大允许氧浓度(极限氧浓度，Limiting Oxygen Concentration，LOC)的变化过程。研究结果可为彩跑粉加工厂的抑爆和惰化防爆技术提供基础数据参考。

1 实验系统与实验材料

1.1 实验装置

根据国际标准BS EN—14034—4[16]，采用20 L球型爆炸实验装置测试粉尘云爆炸压力和LOC。实验系统由全封闭的爆炸反应罐、配气系统、喷粉系统、点火系统、控制系统、数据采集系统和容器清洁系统等组成，如图1所示。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

实验采用的点火源为化学点火头，点火能量为4 kJ，化学药包中过氧化钡、硝酸钡、锆粉的质量配比为3∶3∶4。实验开始前配制好点火头。在环境压力为101 KPa，温度为22 ℃，相对湿度为40%～50%下进行实验，保证环境压力、温度以及湿度均对粉尘爆炸强度影响较小。设置喷粉压力为1 MPa，点火延迟时间为60 ms，电磁阀开启时间为200 ms。测试得到化学点火头空点压力为0.065 MPa，本文中所有爆炸压力数据均为减去化学点火头空点压力后的值。

根据BS EN—14034—1[17]和GB/T 16425[18]，用爆炸压力确定彩跑粉是否发生爆炸，当爆炸压力增加0.03～0.05 MPa以上时，认为粉尘发生爆炸。为安全考虑，将p粉尘>0.03 MPa作为爆炸发生的依据，否则认为未爆炸。

1.2 实验材料

彩跑粉由玉米粉和食用色素制成，其基料是不添加食用色素的纯天然玉米粉。根据文献[19]，发现在红色、无色、蓝色、黄色、橙色5种颜色的彩跑粉中，红色彩跑粉爆炸产生的压力最大，威力最强。因此，在基料中添加红色食用色素形成红色彩跑粉，并作为实验材料。

小苏打是1种无毒、无害的粉末，因此选择食用小苏打(化学式：NaHCO3)作为粉末抑爆剂[20]。食用小苏打与彩跑粉混合后，对原有彩跑粉的颜色外观影响较小，且具有减弱爆炸威力的作用，是预防彩跑粉爆炸的优选材料。

彩跑粉基料、红色彩跑粉、食用小苏打3种粉末样品在真空干燥箱中以60 ℃恒温干燥12 h。干燥结束后将粉末样品装入密封袋并立即开展后续实验。采用马尔文激光粒度分析仪分别确定3种粉末样品的粒度分布，如图2～3所示，样品粒度特征见表1。

图2 可燃性粉尘粒度分布Fig.2 Particle size distribution of combustible dust

图3 食用小苏打粒度分布Fig.3 Particle size distribution of edible baking soda

表1 粉末样品的粒度特征Table 1 Particle size characteristics of powder samples

从图2可以得出，2种彩跑粉粒度主要在10～110 μm之间，但是添加食用色素的红色彩跑粉粒度大多数分布在14～18 μm之间，在16.4 μm时体积密度最大，所占比例为7.82%。而没有添加食用色素的彩跑粉基料粒度大多分布在18～22 μm之间，在18.7 μm时体积密度最大，所占比例为5.64%。从图3中可以得到小苏打的粒径主要分布在10～450 μm之间，在111 μm时体积密度最大，所占比例为6.79%。由表1得到，彩跑粉基料、红色彩跑粉的d50值分别为32.7，19.4 μm，其比表面积分别为446.6，1 087.0 m2/kg。小苏打的d50值为103.0 μm，比表面积为99.8 m2/kg。由此可知，当前工艺制备出的含色素的彩跑粉比彩跑粉基料的颗粒粒度小且颗粒比表面积偏高。

1.3 实验过程

1)测定彩跑粉基料、红色彩跑粉以及红色彩跑粉与小苏打混合后的爆炸强度。将经过干燥的一定质量的可燃性粉尘放入储粉器中，设定点火延迟时间与电磁阀开启时间，按下启动键，电磁阀打开，可燃性粉尘喷入全封闭的爆炸反应罐中形成粉尘云，随即被点火头点燃，发生爆炸,此时计算机采集到爆炸压力数据，完成1次实验。

2)通过加入惰性气体N2采用分压配气的方式调节爆炸容器中的氧浓度，来测定红色彩跑粉以及红色彩跑粉与小苏打在不同粉尘云浓度和掺混比下的LOC值，每个氧浓度至少测试3次，若均不发生爆炸则认为该氧浓度为此粉尘浓度下的LOC。

2 实验结果与讨论

针对红色彩跑粉，进行食用小苏打添加前后红色彩跑粉爆炸极限氧浓度测定。

2.1 红色彩跑粉爆炸压力测定

根据文献[21]中彩跑粉基料爆炸实验数据，对比红色彩跑粉和彩跑粉基料在50～400 g/m3粉尘云浓度范围内的爆炸压力曲线，如图4所示。

图4 不同粉尘云浓度条件下彩跑粉基料与红色彩跑粉爆炸压力曲线Fig.4 Explosion pressure curves of color run powder base material and red color run powder under different dust cloud concentrations

由图4可知，随粉尘云浓度的增加彩跑粉基料与红色彩跑粉爆炸后产生的爆炸压力均呈现先增大后减小的趋势，在190，180 g/m3的粉尘云浓度条件下爆炸压力达到最大值，分别为p彩跑粉基料=0.368 MPa，p红色彩跑粉=0.49 MPa；不同粉尘云浓度下的彩跑粉基料爆炸压力均小于红色彩跑粉爆炸压力。

为便于观察，研究190 g/m3粉尘云浓度下的彩跑粉基料与红色彩跑粉的爆炸压力，如图5所示。

图5 190 g/m3粉尘云浓度下彩跑粉基料与红色彩跑粉爆炸压力-时间曲线Fig.5 Explosion pressure-time curves of color run powder base material and red color run powder under dust cloud concentration of 190 g/m3

从图5得到190 g/m3的粉尘云浓度条件下红色彩跑粉的爆炸压力为0.452 MPa，明显高于彩跑粉基料的爆炸压力，且红色彩跑粉达到最大爆炸压力的时间更快。表示粉尘爆炸猛烈度的粉尘爆炸指数Kst可用式(1)进行计算：

Kst=V1/3(dp/dt)max

(1)

式中：V为爆炸容器的体积，m3；(dp/dt)max表示最大爆炸压力上升速率，MPa/s。

计算得到彩跑粉基料与红色彩跑粉的爆炸指数分别为3.39，4.07 MPa·m/s。参照国际标准BS EN—14034—1[17]，上述2种彩跑粉的Kst值在(1,20)之间，故二者的爆炸猛烈度都属于St1级，这与文献[10]测出结果一致。

2.2 红色彩跑粉爆炸极限氧浓度测定

图6 不同氧浓度条件下的190 g/m3红色彩跑粉爆炸压力-时间曲线Fig.6 Explosion pressure-time curves of 190 g/m3 red color run powder under different oxygen concentration conditions

首先，以190 g/m3浓度的红色彩跑粉为例，研究红色彩跑粉在9%～14%以及16%氧浓度下的爆炸压力-时间曲线，如图6所示。由图6可知，红色彩跑粉爆炸压力呈现先增大后减小的趋势，且都在300 ms内达到最大值；在同一粉尘浓度下，红色彩跑粉的爆炸压力随氧气浓度的减小而减小；当氧含量在9%时，红色彩跑粉产生的最大爆炸压力为0.029 MPa，小于0.03 MPa，此时粉尘不发生爆炸现象。

其次，测量50～400 g/m3粉尘云浓度范围内的红色彩跑粉的LOC值，如图7所示。图7中，空心球代表发生爆炸时的氧气浓度，叉号代表不发生爆炸时的氧气浓度。

图7 红色彩跑粉LOC曲线Fig.7 LOC curve of red color run powder

从图7可以得出，随着粉尘云浓度的增加，红色彩跑粉不发生爆炸的最大氧气浓度先减小后增大；当氧气浓度在10%及以下时，无论何种粉尘云浓度，红色彩跑粉都不会发生爆炸。

2.3 小苏打对红色彩跑粉爆炸极限氧浓度的影响规律

将小苏打以掺混的方式加入到红色彩跑粉中形成混合粉末，小苏打在混合粉末中的质量百分比为掺混比。混合粉末在罐中弥散会形成混合性粉尘，当掺混比为10%时，混合性粉尘在12%～14%、16%以及21%氧浓度下的爆炸压力-时间曲线，如图8所示。

图8 掺混比为10%时的爆炸压力-时间曲线Fig.8 Explosion pressure-time curves with mixing ratio of 10%

由图8可知，不同氧浓度下的红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的爆炸压力均呈现先增大后减小的趋势；在同一粉尘浓度下，红色彩跑粉的爆炸压力随氧气浓度的减小而减小；当氧含量在12%时，产生的最大爆炸压力为0.019 MPa，此时混合性粉尘不再发生爆炸。相比不添加小苏打的红色彩跑粉来说，同一粉尘云浓度下不能爆炸所需的最大氧浓度有所提升，说明小苏打的加入在一定程度上降低红色彩跑粉爆炸的敏感性。

不同氧浓度条件下红色彩跑粉、红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的爆炸压力值以及爆炸压力峰值达到时间值，如表2所示。

表2 添加小苏打前后红色彩跑粉在不同氧浓度条件下的爆炸压力值以及爆炸压力峰值达到时间值Table 2 Explosion pressure values and time reaching peak explosion pressure of red color run powder before and after adding baking soda under different oxygen concentration conditions

从表2可以得到，在同一氧浓度条件下，红色彩跑粉产生的爆炸压力均大于红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘产生的爆炸压力，且爆炸压力峰值达到时间均小于红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的爆炸压力峰值时间，再次说明小苏打的加入能够降低红色彩跑粉的爆炸威力与爆炸敏感性。

针对10%～70% 7种掺混比，190 g/m3浓度下红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的LOC值，如图9所示。图9中，空心球代表发生爆炸的氧气浓度，叉号代表不发生爆炸的氧气浓度。具体数据详见表3。

图9 不同掺混比下红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的LOCFig.9 LOC of mixed dust with red color run powder and baking soda under different mixing ratios

表3 红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的LOC值Table 3 LOC values of mixed dust with red color run powder and baking soda

从图9可以看出，在190 g/m3粉尘云浓度下，随着掺混比的增大，LOC逐渐增大，并当掺混比为50%时，混合粉尘爆炸的LOC值为21%，说明此时红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘在空气中点燃后不会发生爆炸。50%掺混比可作为添加小苏打抑制彩跑粉爆炸的1个参考标准；不同掺混比下的LOC呈现近似一次线性函数的形式。对不同掺混比下的LOC进行拟合得到式(2)：

y=0.24x+8.71(R2=0.969 7)

(2)

式中：y表示红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的LOC值，%；x表示掺混比，%;R2=0.969 7，符合拟合方程的标准。

粉尘爆炸本质上属于气-固两相混合反应[22-23]。在化学点火头能量(4 kJ)的诱导下使得粉尘颗粒表面温度升高。当温度达到一定值时颗粒表面就会受热分解挥发产生可燃性气体，遇热源便迅速燃烧。随着燃烧后热量的增加、能量的集聚，颗粒表面加速热解，析出大量可燃的挥发分气体参与燃烧，继而发生爆炸。

红色彩跑粉、红色彩跑粉和小苏打混合性粉尘掺混比为50%时的DSC-TG曲线，如图10所示。

图10 红色彩跑粉与红色彩跑粉和小苏打混合性粉尘的DSC-TG曲线Fig.10 DSC-TG curves of red color run powder and mixed dust with red color run powder and baking soda

从图10得出：红色彩跑粉热分解过程为吸热-放热过程，在240～427.8 ℃时出现明显的失重。红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘热分解过程为吸热-放热-吸热过程，在100～172.9 ℃和240～410.5 ℃时出现明显失重。相比单独红色彩跑粉明显失重温度降低140 ℃，说明小苏打在红色彩跑粉爆炸阶段起到抑制作用，主要因为小苏打受热分解，产生CO2、Na2CO3以及水蒸气，其受热分解化学式如式(3)所示；

(3)

小苏打分解产生CO2和气态水协同降低反应容器内的温度，抑制红色彩跑粉的分解，同时小苏打在分解过程中能够产生Na·、Na2O·自由基，易与粮食粉尘分解产生的H·、HO·自由基结合，阻断链式反应的进行，从而使得爆炸反应难以发生。

3 结论

1)在50～400 g/m3粉尘浓度范围内，红色彩跑粉的最大爆炸压力值明显高于彩跑粉基料，且在180，190 g/m3时分别达到最大值，分别为p红色彩跑粉=0.49 MPa，p彩跑粉基料=0.368 MPa。根据BS EN—14034—1，其爆炸猛烈度属于St1级。

2)红色彩跑粉的LOC随着粉尘浓度的增大呈先减小后增大的趋势，并在200 g/m3时达到最小值，此时LOC为9%。当添加不同比例的小苏打对红色彩跑粉进行抑制时，其爆炸强度随抑制比的增加而降低，当红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘的掺混比为10%时，红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘LOC为12%，且随着抑制比的逐渐增大而增大，并在抑制比为50%时，LOC为21%，此时的红色彩跑粉在空气中不发生爆炸。在实际生产过程中，彩跑粉与小苏打混合性粉尘可通过控制氧气浓度低于9%，或者使红色彩跑粉与小苏打的掺混比大于50%用以抑制彩跑粉的爆炸。这为彩跑粉加工厂的抑爆和惰化防爆技术提供数据参考。

3)红色彩跑粉在240～427.8 ℃时出现明显失重，红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘在100～172.9 ℃和240～410.5 ℃时出现明显失重。小苏打的存在使得红色彩跑粉与小苏打混合性粉尘初始分解温度相比单独的红色彩跑粉初始分解温度降低140 ℃，说明小苏打在红色彩跑粉爆炸阶段起到抑制作用。