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從昆山“3·31”爆燃事故談固體物料熱穩定性分析的重要性

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近些年，由于物料熱失控導致的事故屢有發生，且給人民群眾財產和社會穩定發展帶來極大的負面影響。風險辨識往往聚焦于化學品儲存，而忽視了固體物料的熱穩定性。

如何確保固體物料的穩定性，尤其是固體危險廢棄物存儲和運輸環節的穩定性呢？企業在做好固體物料處理、存放和運輸等環節的風險辨識的同時，應該采用相關測試分析方法，得到固體物料穩定性相關的數據，并將該數據與實際工況結合，設定相關的風險降低措施。

首先回顧一起由于物料熱失控導致的爆燃事故。

2019年3月31日，昆山漢鼎發生了一起嚴重的鎂合金廢屑爆炸事故。官方披露的事故直接原因為：堆放在集裝箱內的鎂合金廢屑與切屑液中的水發生反應生成氫氣，同時放出熱量，因堆垛堆積緊密、散熱不良，熱累積形成高溫；高溫進一步導致氫氣、鎂合金廢屑等的爆發式噴射；受集裝箱空間所限，噴射而出的氫氣無法及時散逸，在堆垛附件空間形成氫氣與空氣的爆炸性混合物，遇高溫熱點（火源）發生爆燃，并在沖擊波作用下，鎂合金廢屑在集裝箱外形成二次爆燃，爆燃的沖擊波夾帶著燃燒的鎂合金碎屑沖入對面的CNC加工車間，造成人員傷亡。

鎂合金廢屑擅自堆放埋下嚴重安全隱患，這是一個致命的間接原因。

很多企業或工廠可能會遇到類似的問題，固體危廢放置場所如何選擇？室外還是室內？通風與否？物料堆垛高度有何要求？如何監測堆放場所溫度？應急處置如何進行？

以上這些問題涉及到物料自身的性質，本文將著重介紹固體危廢熱穩定性的測試方法。

針對化學品熱穩定性研究，目前使用最多的是差示掃描量熱儀DSC、絕熱量熱儀ARC；其中前者為物料初步熱穩定性篩選，而后者研究物料在絕熱情形下的熱力學和動力學參數。那如果選用DSC或ARC研究固體堆積合適嗎？可能會存在哪些問題？

表1.1列舉了DEKRA過程安全實驗室關于橘皮和偶氮二甲酰胺一系列熱穩定測試起始放熱溫度數據。對于偶氮二甲酰胺，類似的測試方法得到的起始放熱溫度比較接近，該物質為自熱分解，不受環境影響。而對于橘皮，該物質在更低溫度下，與空氣接觸容易氧化。從測試體系來看，橘皮在密閉體系放熱信號難以偵探到，而在有空氣接觸情況下，如擴散池測試、加氣池測試，更低溫度時就表現出放熱行為。

若生產工況需要定義橘皮物料在空氣中烘干的最大安全操作溫度，盡管ARC在密閉絕熱體系量熱靈敏度高，此時選擇ARC數據，則會過低估計物料自熱風險。由此看出，依據工藝環境選擇合適的測試方法是十分重要的。

當物料被加熱時，往往會發生以下一種或多種熱轉變。但熱轉變程度會受到工藝方法的影響，因此評估物料熱穩定性時，需考慮物料實際工況。

氧化過程，如物料體系與氧化作用，可能會引起燃燒；
自身分解，如大分子裂解成小分子，同時放出熱量；
體系自身聚合，體系分子間聚合，同時放出熱量。

自身分解和體系自身聚合通常都可以采用同一種分析方法，而氧化過程需要定制式測試來模擬空氣存在的特殊環境和物料堆放形狀，尤其針對粉狀物。

圖2為方法選擇的流程圖。暴露于高溫的所有物料都需要評估其熱穩定性，便于界定安全操作溫度。物料包括原料、中間體和最終產品。若低熔點物料僅僅暴露在高溫惰化環境中，或以溶液形式存在，推薦以下小試規模（small Scale）熱穩定性測試。

這些測試包括（按靈敏度從低到高排序）：

前兩個測試（DSC/RSD）用于粗略判斷物料體系放熱起始溫度和放熱量，一般會采用50K或100K原則界定安全操作溫度；若放熱起始溫度減去安全因子接近可能出現的最大工藝溫度或暴露溫度（如Tp），此時需要采用更為靈敏的測試模擬實際準絕熱工藝。
若物料高溫下與空氣接觸（如粉料烘干、大規模儲存等），則需定義物料最大安全溫度。這些參數需通過能模擬實際工況的測試實現，具體儀器如圖3所示。

擴散池測試（Diffusion Cell Test, DCT）:等溫或線性升溫過程中，允許預熱空氣自然擴散通過、環繞于樣品顆粒周圍。這種測試可模擬大量物料處理、烘干、儲存情形，如盤式干燥器、噴塔底部、料倉等，曲線如圖4所示。

加氣池測試（Aerated Cell Test, ACT）: 等溫或線性升溫過程中，允許預熱空氣強制對流通過樣品顆粒。這種測試可模擬流化床干燥和翻滾式干燥器（tumble type dryers）。
空氣層測試（Air Over Layer Test, AOL）:等溫或線性升溫過程中，允許預熱空氣在樣品表面（厚度15mm）循環。這種測試可模擬噴塔、氣流干燥器頂部或薄層物料存在的情形。
籃測試（Basket Test）:該測試一般為一系列測試，獲得的熱穩定性信息可按數學公式外推到大規模物料存放情形；同時也可獲得不同堆放形態物料達到起始放熱溫度的誘導時間。這類測試最少需要進行三種不同立方尺寸的測試，已獲得對于樣品體積和表面積的起始放熱溫度，從而可外推獲得任何尺寸和形狀物料堆積的安全烘干溫度或安全存儲溫度。
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