比表面测试在粉尘行业的应用

1.      粉尘爆炸研究背景

近年来，我国发生过多起粉尘爆炸事故，造成一定的人员伤亡和经济损失。

2010年2月，河北省秦皇岛发生的玉米淀粉粉尘爆炸事故，造成19人死亡、49人受伤。2011年5月，富士康抛光车间发生可燃粉尘意外爆炸事故，造成3人死亡，16人受伤。2012年8月，温州市瓯海区一幢民房在生产中发生铝粉尘爆炸，导致坍塌并燃烧，造成13人死亡、15人受伤。2014年4月，江苏省南通市如皋市东陈镇发生硬脂酸粉尘爆炸事故，造成8人死亡，9人受伤。 2014年8月2日，江苏昆山工厂爆炸致75人死亡。2015年6月27日，台湾游乐园粉尘爆炸致使516人伤。2016年9月9日，贝宁一处焚烧场发生面粉爆炸，近百人遇难。

频发的粉尘爆炸事故逐渐引起人们对粉尘爆炸研究的重视。粉尘爆炸，指可燃性粉尘在粉尘云浓度达到一定程度时，遇到点火源，火焰瞬间传播于整个混合粉尘空间，同时释放大量的热，形成高温、高压，系统的能量转化为机械能以及光和热的辐射，具有极强破坏性且爆炸过程伴随有毒有害气体。粉尘爆炸多在伴有铝粉、锌粉、铝材加工研磨粉、各种塑料粉末、有机合成药品的中间体、小麦粉、糖、木屑、染料、胶木灰、奶粉、茶叶粉末、烟草粉末、煤尘、植物纤维等产生的生产加工场所，只要满足粉尘爆炸的五要素（可燃粉尘、粉尘云、引火源、助燃物、空间受限），则有可能引发粉尘爆炸事故^[1]。

2.      比表面积测定对粉尘爆炸研究的重要性

粉尘爆炸的基本原理为：1）粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从点火源获得点火能量，使表面温度急剧上升，达到粉尘粒子的加速分解温度或蒸发温度，形成粉尘蒸汽或分解气体；2）粉尘蒸汽或粉尘分解产生的气体与空气混合，形成爆炸性混合气体，引起点火；3）粉尘粒子本身从表面一直到内部（直到粒子中心点），相继发生熔融和气化，迸发出微小的火花，成为周围未燃烧粉尘的点火源，使粉尘着火，从而扩大了爆炸火焰范围，如图1所示。

图1粉尘爆炸原理示意图

粉体粒度是粉尘爆炸敏感性和事故严重性的重要影响因素之一^[2]。由于绝大多数粉尘并非球形、表面光滑颗粒，单纯的粒度分布测试不足以说明其对粉尘爆炸特征参数的影响性，所以通过测试比表面积来表征粉尘表面的物理特性在粉尘爆炸研究领域具有重要意义。

左前明^[3]在煤尘爆炸特性及相应抑爆技术的研究中，对所研究煤矿的煤样的比表面积和孔径进行了表征。研究表明粉尘比表面越大，热传导和热辐射速率越快，越容易产生挥发分形成爆炸性气体源；同时比表面积越大，意味着粉尘材料与空气的接触面积越大，这就加速了粉尘表面与氧的反应，增加了粉尘的化学活性，使粉尘点火后燃烧更快，爆炸猛烈度更高。

3.      比表面积测试在粉尘爆炸研究中的应用实例

北京精微高博公司成立于2004年，是由知名的材料科学家钟家湘教授领衔创建，集研发、生产、销售于一体的国家级高新技术企业，在国内率先研发成功动态全自动比表面仪、BET比表面仪、阶梯法动态比表面仪、单气路常压孔径分析仪、静态容量法介孔分析仪、静态四站比表面测定仪、高性能静态微孔分析仪、气体法真密度仪、高压吸附仪等，如图2所示，被誉为“中国氮吸附仪的开拓者”，是我国纳米新材料表征与测试仪器领域的领航者。

精微高博实验室曾对几种爆炸性粉尘的比表面进行了测定，如表1所示，由表1可知，对于同一类粉尘，产地、类型、生产批次、粒度均为比表面积的重要影响因素。由于单纯的粒度分布测试不能准确地表征粉尘表面属性，因而在粉尘爆炸研究领域，为更准确地表征所研究粉尘的表面物理属性，比表面测试成为一类必不可少的工具。例如，北京石油化工学院曾借助精微高博的静态比表面测定仪测试系列聚乙烯粉体，并基于测试结果对比分析不同比表面的聚乙烯粉尘爆炸火焰传播过程。

表1 可燃性粉尘比表面积测定结果

参考文献

[1] 安全监管总局人事司. 安监总局发布昆山“8·2”爆炸事故调查报告[EB/OL], 1998-08-16/1998-10-01.

[2] Li Q Z, Yuan CC, Tao Q L, et al. Experimental analysis on post-explosion residues for evaluating coal dust explosion severity and flame propagation behaviors[J]. Fuel, 2018, 215: 417­­‑428.

[3] 左前明. 煤尘爆炸特性及抑爆技术实验研究[D]. 山东科技大学, 2010.