可燃粉尘最小点火能测量中颗粒粘附现象的实际缓解方法

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Practical mitigation of particle adhesion in the minimum ignition energy measurement of combustible dusts

　　摘要：任何使用、产生或储存固体材料的工业过程都必须考虑粉尘爆炸的风险，这种风险可能导致建筑物倒塌、火灾、严重伤害甚至死亡。粉尘云最小点火能量是一个与粉尘云在空气中点燃概率相关的安全参数。为了测量粉尘云的最小点火能量，通常会使用如Kühner MIKE3这样的设备。在该设备中，粉尘云的形成往往会导致颗粒附着在管壁和电极上。这些附着的物质会排除在后续的粉尘云分散过程中，从而影响颗粒尺寸分布，并可能影响测得的最小点火能量值。许多测试实验室提出了去除附着颗粒的方法，以便它们能参与后续的分散过程。然而，目前还没有研究比较过现有的一些方法，或是评估它们对最小点火能量测量的影响。作者研究了三种清洁方法（刷洗、空气喷射、不采取任何措施）对煤粉、烟酸粉和石松粉的颗粒附着情况以及最小点火能量的影响。实验结果表明，颗粒附着会增加测得的最小点火能量值。刷洗和空气喷射清洁最能有效减少颗粒附着，这从样本质量保留率的提高、颗粒尺寸分布的一致性以及更为保守的最小点火能量结果中可以看出，而不进行任何清洁则会导致最大的差异性。这些发现凸显出需要标准化去除附着颗粒的程序，以及在最小点火能量测试中定期更换样本的重要性，而现行ASTM E2019标准并未涉及这两点。

引言：任何使用、产生或储存固体材料的工业过程都必须认真考虑可燃粉尘的危害。并非所有的工艺粉尘都具有可燃性，但许多粉尘都有引发剧烈破坏性爆炸的潜力。这类粉尘的例子包括煤粉、谷物、糖、铝、橡胶、木材、塑料以及药品（Amyotte, 2014）。粉尘爆炸的特点是细小的悬浮固体颗粒在氧化介质中，如大气空气中的快速燃烧（Bagaria等，2018；美国国家消防协会，2025）。可燃粉尘的主要危害在于其可能引发的爆炸性传播，进而导致具有破坏性的连锁反应爆炸，足以摧毁建筑物、引发火灾并造成严重伤害和死亡。可燃粉尘可能会在靠近粉尘产生过程的表面积累，这就解释了为何粉尘爆炸常常是在某种触发事件后发生的。图1展示了一个容器内的初始事件，该事件产生的压力波将附近积累的粉尘抛散到空气中，形成燃料与氧化剂的爆炸性混合物（美国职业安全与健康管理局，2015）。来自初始爆炸或其他能源，如明火、高温表面或静电放电的热量可以点燃悬浮颗粒，进而引发二次爆炸，产生更多的压力波（Eckhoff，2003）。自1785年意大利一家面粉厂发生的首起粉尘爆炸事故以来，可燃粉尘在大规模生产过程中一直构成严重威胁（Eckhoff，2003）。在美国，1980年至2015年间，每月都会发生一起以上的重大粉尘爆炸事故，累计造成1800多人伤亡（Bagaria等，2018）。此外，2025年7月29日，在内布拉斯加州弗里蒙特的一家Horizon Biofuels工厂，由于生产塔内大量木粉突然释放并发生爆炸，导致三人死亡，同时工厂的建筑也遭到损坏并起火（CSB，2025）。为降低粉尘爆炸的风险，有必要了解其引发条件。人们通常用“火三角”来说明形成火灾所需的三个要素，即燃料、氧气和热量（Nomura，2023）。类似地，可燃粉尘要发生爆炸还需要另外两个要素。如图2所示，粉尘爆炸所需的五个要素分别是燃料、氧化剂、点火源、分散条件和封闭环境（Amyotte，2014；Eckhoff，2003）。降低风险的第一步就是控制这些因素。最小点火能量是一种量化指标，通过测量在何种最低能量（通过火花传递）下，可见火焰能在分散的粉尘云中点燃并蔓延，从而确定可燃粉尘的点燃概率（Abbasi和Abbasi，2007；ASTM E2019-03，2007；Eckhoff，2003）。图3展示了在最小点火能量测试过程中粉尘分散、点火产生以及火焰蔓延的示例。准确的最小点火能量测量有助于选择适当的安全措施，如接地、连接、静电防护以及对工艺过程进行惰化处理。在最小点火能量测试中，对于给定的火花能量和质量负荷，往往需要重复进行多达10次的分散试验才能准确判断是否发生点燃现象。为了节省时间和材料，在构建由多个数据点构成的最小点火能量曲线时，研究人员可能会选择在部分或全部重复试验中重复使用初始样本。经过多次分散的粉尘样本会在设备内部，即电极和玻璃管上覆盖一层颗粒，随着样本的重复使用，返回到分散杯中的粉尘量会逐渐减少，如图4所示。这种现象被称为颗粒附着，指的是由于范德华力、毛细力和静电力的共同作用，细小的固体颗粒粘附在内部表面上的现象（Tan，2014）。目前全球范围内关于可燃粉尘最小点火能量测试的主要标准是ASTM E2019-03，2007和EN 13821，这些标准规定了设备的几何结构、分散压力、能量水平以及测试重复要求。然而，它们并未涉及颗粒附着的问题，也没有提出在测试过程中是否要去除附着颗粒的建议。这些标准默认认为，预分散样本的颗粒尺寸分布与整个测试系列中在设备内形成的粉尘云的颗粒尺寸分布是相同的（ASTM E2019-03，2007；Chaudhari，2019；Janes，2008）。由于认为附着的粉尘不会参与后续的分散过程（MIKE3-CAN手册；Bagaria等，2018），一些最小点火能量测试实验室试图通过使用刷子或压缩空气在每次分散之间进行清洁来保持测试条件不变，而其他实验室则不采取任何措施。其他缓解措施还包括在一系列分散试验中偶尔更换样本（MIKE3-CAN手册）。这些在最小点火能量测试领域内提出的补充措施仍属于非强制性的建议。先前的研究已经表明，颗粒尺寸和静电特性都会显著影响最小点火能量测试的结果（Bagaria等，2018；Choi，2016）。使用不同规格的测试装置——20升、36升、1立方米和1.2升的测试容器——的研究发现，除了1.2升的MIKE3装置外，其他装置都因压缩力作用导致的颗粒破碎而出现了颗粒尺寸分布的变化（Bagaria等，2016、2018、2019b；Yuan等，2024）。而在1.2升的装置中，观察到的颗粒尺寸分布和点火性能变化则被归因于颗粒附着导致的样本损失（Bagaria等，2018）。尽管有这些研究结果，但此前尚无文献区分不同的缓解技术，也未量化这些技术在减轻颗粒附着方面的效果，或是它们对可燃粉尘的颗粒尺寸分布和最小点火能量的影响。可燃粉尘的最小点火能量是其点燃敏感性的重要指标，也是进行粉尘爆炸风险评估的关键依据。然而，当前测试方法中的程序上的模糊性使得最小点火能量测量容易受到颗粒附着现象的影响，而这种现象会改变连续分散过程之间的粉尘样本特性。Cesana AG公司生产的Kühner MIKE3装置是目前最小点火能量测试的标准设备，其修改后的形式如图5所示。如图4所示，在测试过程中可以观察到颗粒附着在MIKE3装置的内部测试表面上。在最小点火能量测试中出现颗粒附着问题的原因在于粉尘颗粒的尺寸并不均匀。较小的颗粒具有更大的比表面积，这使它们更容易受到颗粒间作用力和静电作用力的影响（Etzler和Drelich，2012）。这些力量会导致颗粒附着在分散管、电极以及其他颗粒上，从而减少后续分散过程中小颗粒的比例。颗粒尺寸分布向更大直径方向的变化会降低粉尘云的爆炸性，进而导致测得的最小点火能量值上升，实际上低估了真正的点火风险（Eckhoff，2002；MIKE 4-CAN手册）。在常规的实验室操作中，最小点火能量测试需要从有限的粉尘库存中反复进行分散试验。为了在可行性和准确性之间取得平衡，操作人员会采用非强制性的清洁和重复使用方案。由于缺乏标准化的清洁流程，各实验室只能依靠自身的判断，这就可能导致不同实验室之间的最小点火能量测试结果出现较大差异。不准确或过高估计的最小点火能量值会对工艺设计者、操作人员以及公众构成潜在的安全隐患，因为这可能会导致对爆炸风险的低估。因此，解决颗粒附着和程序变异性问题对于提高可燃粉尘最小点火能量测试的准确性、重复性以及实际安全性至关重要。

项目目标：本研究旨在探讨最小点火能量测试中的程序灵活性如何引入结果差异，尤其是通过颗粒附着导致的样本损失在多次分散之间的影响。本文并非旨在研究颗粒附着的物理原理，而是通过实验来考察清洁技术对粉尘云最小点火能量测量的影响。为此，研究了最小点火能量测试实验室中使用的三种清洁方法（第2.5节）。

样本质量的变化：先前的研究以及MIKE3手册都指出，反复分散会导致样本因附着或流失而减少，从而使粉尘浓度下降，进而引入误差（MIKE3-CAN手册；Bagaria等，2018）。然而，之前的研究仅记录了一些非正式的补救措施，如刷洗或更换样本，但并未量化因表面附着导致的样本损失所造成的误差程度，也未评估所采用的清洁技术的有效性。

结论：本研究解决了由于Kühner MIKE3测试装置内的颗粒附着而导致最小点火能量测量不准确的问题。自1999年ASTM E2019标准发布以来，人们就已经定性认识到最小点火能量测试中的颗粒附着现象，但在本研究之前，这一现象尚未被量化。通过对比分析样本质量保留率、颗粒尺寸分布以及最终的最小点火能量值，研究表明颗粒附着确实会影响最小点火能量测试的结果。

对ASTM的标准建议：本研究的结果揭示了ASTM E2019-03，2007标准中存在的程序缺陷，该标准目前并未要求在测试之间进行清洁或更换样本，这些决策完全由研究人员自行决定。这种缺失导致了由于颗粒附着问题未得到解决而出现的最小点火能量测量值差异。实验结果表明，实施在多次分散之间进行清洁的措施——尤其是使用天然纤维刷子进行的刷洗技术——能够有效解决这一问题。

CRediT作者贡献声明：Benjamin H. Poe：概念构建、研究实施、初稿撰写、审稿与编辑。Chad V. Mashuga：概念构建、资金获取、研究实施、方法设计、项目管理、监督、可视化处理、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明：作者声明自己没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢：作者感谢Fauske & Associates, LLC的Ashok Ghose Dastidar博士捐赠的测试材料，以支持这项研究。作者还感谢Colson Johnson博士在研究开展过程中提供的经验指导。此外，作者还要感谢以下本科生研究助理：Erick Guadarrama、Hannah Marcus、Brooklyn Panneck和Nitya Hosur。

Benjamin H. Poe | Chad V. Mashuga
Artie McFerrin
德克萨斯A&M大学化学工程系，美国德克萨斯州学院站，77843