中国安全科学学报 ›› 2023, Vol. 33 ›› Issue (12): 92-103.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.12.1228
吕鹏飞1(), 谷晓珂1, 李公方1, 赵静1, 庞磊2,**(
)
收稿日期:
2023-06-10
修回日期:
2023-09-22
出版日期:
2023-12-28
通讯作者:
作者简介:
![]() |
吕鹏飞 (1986—),男,河南项城人,博士,副教授,主要从事爆炸安全方面的研究。E-mail: lvpengfei@bipt.edu.cn。 |
庞磊,教授
基金资助:
LYU Pengfei1(), GU Xiaoke1, LI Gongfang1, ZHAO Jing1, PANG Lei2,**(
)
Received:
2023-06-10
Revised:
2023-09-22
Published:
2023-12-28
摘要:
为预防和控制由可燃粉尘热量变化引发的火灾及爆炸事故,首先,通过分析国内外粉尘热稳定性相关文献,总结分析升温速率、惰性介质、粉尘粒径及其他因素对粉尘热稳定性的影响;然后,总结热分析仪与粉尘层最低着火温度试验装置、Godbert-Greenwald炉、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等多仪器联用的现状;最后,总结常用的粉尘热分析动力学方法。结果表明:升温速率增大会造成粉尘热解出现一定的延迟,惰性介质使粉尘热稳定性增强且活化能提高,粒径较小粉尘颗粒的比表面积和表面活性通常更大、热解过程中释放能量更多。
吕鹏飞, 谷晓珂, 李公方, 赵静, 庞磊. 可燃粉尘热稳定性研究进展[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(12): 92-103.
LYU Pengfei, GU Xiaoke, LI Gongfang, ZHAO Jing, PANG Lei. Research progress on thermal stability of combustible dust[J]. China Safety Science Journal, 2023, 33(12): 92-103.
表1
粉尘热稳定性分析常用方法对比
方法及对应 曲线 | 曲线横坐 标含义 | 曲线纵坐标 含义 | 曲线含义 | 方法特点 |
---|---|---|---|---|
TG法-TG 曲线 | 温度或 时间 | 质量或质量损失比例 | 质量随温度(或时间)的变化关系 | 应用范围广泛,有动态升温和静态恒温之分,通常在等速升温条件下进行 |
DTG法-DTG 曲线 | 温度或 时间 | 质量损失率 | 质量损失率随温度(或时间)的变化关系 | DTG曲线的峰值对应TG曲线变化率最大值,DTG曲线的峰面积越大则物质损失量越大 |
DTA法-DTA 曲线 | 温度或 时间 | 试样与参比物的温度差 | 试样与参比物的温度差随温度(或时间)的变化关系 | 通过峰的位置、形状、个数、面积等确定试样特征转变温度和热量,计算动力学参数,反映试样的吸放热情况,峰面积对应反应的热效应 |
DSC法-DSC 曲线 | 温度或 时间 | 能量变化率 | 试样与参比物的功率差随温度(或时间)的变化关系 | 分辨率、重现性及精度优于DTA法,用于测量物质的吸放热特性及热焓变化 |
表2
不同升温速率下粉尘热分析特性参数变化
作者 | 王秋红 等[ | 邓军 等[ | POURETEDAL 等[ | 周乐刚[ | 陈玲 等[ | SUN Hao 等[ | CHEN Yue 等[ | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
粉尘种类 | 煤粉尘 | 煤粉尘 | 金属粉尘 | 木粉尘 | 木粉尘 | 其他粉尘 | 其他粉尘 | |
粉尘名称 | 崔木长 焰煤 | 煤粉 | 镁粉 | 石松子粉 | 木粉 | 聚苯乙烯 | 赖氨酸硫 酸盐 | |
温度特 性参数1 | 升温速率/(℃·min-1) | 5 | 2.5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
热失(增)重起始温度/℃ | — | 175.10 | — | 185 | 229.5 | 167 | 221.18 | |
峰值温度/℃ | 374.17 | 480.40 | 470.55 | 353 | 334.7 | 202 | 266 | |
热失(增)重终止温度/℃ | 574.17 | 600.20 | — | 546 | — | 227 | — | |
温度特 性参数2 | 升温速率/(℃·min-1) | 10 | 5 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
热失(增)重起始温度/℃ | — | 251.42 | — | 200 | 234.5 | 174 | 240.71 | |
峰值温度/℃ | 384.23 | 532.42 | 490.24 | 383 | 361.0 | 215 | 284.5 | |
热失(增)重终止温度/℃ | 594.23 | 629.08 | — | 617 | — | 242 | — | |
温度特 性参数3 | 升温速率/(℃·min-1) | 15 | 10 | 15 | 15 | 20 | 20 | 15 |
热失(增)重起始温度/℃ | — | 204.90 | — | 188 | 241.7 | 190 | 246.91 | |
峰值温度/℃ | 414.05 | 551.10 | 502.65 | 410 | 372.5 | 231 | 295 | |
热失(增)重终止温度/℃ | 624.05 | 689.80 | — | 645 | — | 251 | — | |
温度特 性参数4 | 升温速率/(℃·min-1) | 20 | 15 | 20 | 20 | 40 | 50 | 20 |
热失(增)重起始温度/℃ | — | 225.4 | — | 233 | 243.9 | 211 | 253.18 | |
峰值温度/℃ | 424.59 | 574.00 | 511.74 | 449 | 387.3 | 249 | 304.7 | |
热失(增)重终止温度/℃ | 614.59 | 758.30 | — | 652 | — | 280 | — |
表3
不同惰性介质对粉尘热稳定性状态的影响
作者 | 粉尘 种类 | 粉尘名称 | 惰化类型 及惰化介质 | 惰化前粉尘热稳定性状态 | 惰化后粉尘热稳定性状态 |
---|---|---|---|---|---|
LU Kunlun等[ | 煤粉尘 | 煤粉 | 固体惰化- 碳酸氢钠 | 温度为482.32 ℃时,煤尘的最大热流29.37 mW/mg、放热量8 908 J/g | 温度为513.35 ℃时,煤尘的最大热流12.22 mW/mg、放热量 2 868 J/g |
王秋红等[ | 金属 粉尘 | 铝粉 | 固体惰化- MPP | 突破氧化膜开始氧化的起始温度560.4 ℃,放热速率最大的温度612.5 ℃ | 突破氧化膜开始氧化的起始温度612.5 ℃,放热速率最大的温度644 ℃ |
员亚龙等[ | 农副产 品粉尘 | 糖粉 | 固体惰化- 聚磷酸铵 | 热解产物的残余量是0.71% | 热解产物的残余量是16.06% |
HUANG Chuyuan 等[ | 木粉尘 | 木粉 | 固体惰化- 氢氧化锆 | 质量损失5%、10%、50%的温度分别为220、254 和334 ℃ | 质量损失5%、10%、50%的温度分别为229、259 和378 ℃ |
ZHOU Jianhua 等[ | 其他 粉尘 | 纳米聚甲 基丙烯酸 甲酯粉尘 | 固体惰化- ABC粉尘 | 粉尘爆炸的最高火焰温度 1 305 ℃ | 粉尘爆炸的最高火焰温度1 047 ℃ |
张洪铭[ | 农副产 品粉尘 | 玉米淀粉 | 气体惰化- 氮气 | 活化能179.04 kJ/mol | 活化能246.67 kJ/mol |
李畅等[ | 金属 粉尘 | 钛粉 | 气体惰化- 氮气 | 着火点718 ℃,最大增重速率温度915 ℃,最大放热效应温度822 ℃ | 着火点725 ℃,最大增重速率温度923 ℃,最大放热效应温度833 ℃ |
CHEN Yue等[ | 其他 粉尘 | 赖氨酸硫 酸盐 | 气体惰化- 氮气 | 分解起始温度145 ℃,总失重率96.5% | 分解起始温度155 ℃,总失重率84.1% |
表4
不同粒径对粉尘热分析特性及燃爆风险的影响
作者 | 粉尘种类 | 粉尘名称 | 粒径1/μm | 粒径2/μm | 热分析特性及燃爆风险变化(随粉尘粒径的减小) |
---|---|---|---|---|---|
毛晓飞等[ | 煤粉尘 | 无烟煤粉 | >90 | >20 | 着火温度、燃尽温度减小,综合燃烧特性指数增大 |
陈攀[ | 金属粉尘 | 钛粉 | 微米级 | 纳米级 | 着火点、最大增重速率温度、最大放热效应温度、表观活化能和指前因子减小,放热量增大 |
徐海顺等[ | 农副产品粉尘 | 菌粉 | 中位径369 | 中位径311 | 第二和第三质量损失阶段菌粉的质量损失速率加快,爆炸危险性增大 |
MARKOVÁ等[ | 木粉尘 | 木屑 | 125 | <32 | 发生热分解的温度降低,爆炸风险增加 |
杨剑等[ | 其他粉尘 | 叶红素 干渣 | 中位径 339.7 | 中位径17.2 | 燃烧分解更完全,分解过程更快捷,释放的总能量密度、能量释放速率更大 |
表5
热分析仪与其他仪器联用情况
作者 | 粉尘种类 | 粉尘名称 | 使用仪器(除热分析仪外) | 研究目的 |
---|---|---|---|---|
LIANG Yuntao等[ | 煤粉尘 | 煤粉 | FTIR仪 | 协助研究煤粉在好氧加热过程后的 微观变化 |
王秋红等[ | 金属粉尘 | 锆粉 | 粉尘云最低着火温度试验装置 | 研究ABC粉对锆粉的惰化机制 |
谢恬等[ | 农副产品 粉尘 | 玉米淀粉 | 粉尘云着火传播试验平台 | 研究粒径对粉尘云着火机制和 燃烧行为的影响 |
ZHENG Liju等[ | 木粉尘 | 木粉 | TG-FTIR联用仪 | 研究MPP粉对木粉的抑爆机制 |
张小良等[ | 其他粉尘 | 聚酰胺纤 维粉尘 | 粉尘层最低着火温度试验装置、 粉尘云最低着火温度试验装置 | 研究聚酰胺纤维粉 尘爆炸危险性 |
ZHANG Gongyan等[ | 其他粉尘 | 月桂酸和硬 脂酸粉尘 | Godbert-Greenwald恒温炉 | 研究热解和氧化特性对月桂酸 和硬脂酸粉尘爆炸特性的影响 |
表6
粉尘热分析动力学方法
作者 | 粉尘种类 | 粉尘名称 | 使用的热力学方法 | 目的 |
---|---|---|---|---|
肖旸等[ | 煤粉尘 | 煤粉 | Flynn-Wall-Ozawa法;Popescu法 | 采用Flynn-Wall-Ozawa法计算煤氧化表观活化能和指前因子;用Popescu法计算机理函数 |
常凤等[ | 金属 粉尘 | 电炉 粉尘 | Kissinger法;Flynn-Wall-Ozawa 法;Coats-Redfern法 | 使用Kissinger法计算表观活化能、指前因子、反应级数;使用Flynn-Wall-Ozawa法计算表观活化能;使用Coats-Redfern法确定了电炉粉尘热分解过程 |
王鑫阳等[ | 金属 粉尘 | 铝粉 | 差分法;交叉点温度法 | 使用差分法计算反应动力学参数;使用交叉点温度法对比差分法计算结果,检验其准确性 |
陶可通[ | 农副产 品粉尘 | 小麦 淀粉 | Popescu法;Coats-Redfern法 | 采用Popescu法求解小麦淀粉的最概然机理函数;采用Coats-Redfern法求解小麦淀粉在不同粒径条件下的活化能和指前因子 |
张延松等[ | 其他 粉尘 | 月桂酸与硬 脂酸粉尘 | Coats-Redfern法 | 采用Coats-Redfern法求解月桂酸与硬脂酸粉尘热解氧化过程的动力学参数 |
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