灰分分析过程中烟的危害因素探讨

摘要 本文通过对烟产生的机理、过程及其危害进行了较详细的探讨，结合化验生产实际情况，分析了烟在灰分分析过程对分析质量和安全造成的影响，为有关的安全和质量人士提供借鉴依据。

关键词 灰份；分析过程；危害因素

中图分类号X510 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）46-0031-02

0 引言

所谓灰分，指在规定条件下灼烧后，所剩的不燃物质，以百分数表示。油品中的灰分主要是各种金属、非金属、形成的盐化合物等矿物。塑料、橡胶灰分主要来自聚合加入的催化剂和凝聚水中的金属盐类。而这些灰分杂质对石油化工产品的质量有着较大影响，因此，经常性的对出厂产品的灰分进行分析就成为化验的日常工作。

灰分分析过程一般需经过试样加热燃烧碳化、高温煅烧成灰，恒重，称量，计算等步骤。通常测定石油化工产品灰分的国家标准有《塑料灰分通用测定方法GB9345》、《石油产品灰分测定法GB508》和《有机化工产品灰分的测定GB/T7531》等，其中塑料灰分的分析过程，由于分子量高，燃烧不完全，产生的烟较大，对化验分析产生诸多危害。因此，本文结合生产实际经验，重点对塑料灰分的分析过程中烟的危害进行探讨。

1 试验部分

1.1 《塑料灰分通用测定方法GB9345》测定原理的基本方法[1]

常用的基本方法有3种。第一种是直接煅烧法，即燃烧有机物并在高温下（750℃±50℃）处理其残留物直至恒重；第二种是燃烧后用硫酸处理法，即燃烧有机物，用浓硫酸使无几残留物转变成硫酸盐，再在高温下处理该残留物直至恒重；第三种是燃烧前用硫酸处理法，即把有机物与浓硫酸一起加热至冒烟，接着有机物燃烧，最后在高温下处理残留物直至恒重。

1.2 仪器

1）坩埚：与试验物不起作用的陶瓷坩埚；

2）电炉；

3）马福炉：能适合控制750℃±50℃范围内；

4）分析天平：准确到0.1mg；

5）干燥器：盛有与灰分不起作用的有效干燥剂；

6）称量瓶。

1.3 操作步骤

1）把坩埚放在马福炉内，在试验条件下加热到恒重，放入干燥器内至少1小时，使其冷却至室温，并在分析天平上称重，正确至0.1mg；

2）将试样放入已知质量的称量瓶中，称重，准确至0.1mg；

3）把试样放入坩埚中，不能超过坩埚高度的一半，然后直接在电炉上加热，使其缓慢地燃烧。燃烧不可太剧烈，以免灰分颗粒损失。冷却后再加入其余的试样，重复上述操作直到全部试样烧完；

4）把坩埚放入已预热至规定温度的马福炉内，煅烧半小时；

5）把坩埚放入干燥器内1小时，使其冷却至室温，并在分析天平上称重，准确至0.1mg；

6）在相同的条件下，每次再煅烧半小时，直至恒重，即相继二次称重结果之差不大于0.5mg。

1.4 结果计算

灰分以质量百分数表示：×100%

式中：m0为试样质量，g；

m1为所得灰分质量，g。

2 讨论部分

由以上试验部分得知，在进行塑料灰分分析过程中，需要使用电炉进行加热灼烧塑料样品，必然会产生烟，而烟本身具有一定的形态等理化特性，如果控制不好将对分析质量、人员健康、设备设施安全产生不良影响。

2.1 烟的形态

所谓烟是指可燃物在燃烧时含有的瓦斯液体微粒子及固体粒子等物质，当他们悬浮扩散在空气中时便形成烟。烟粒子在表面及内部吸附多种有毒气体和容易发生反应的热分解生成物。烟的液状粒子由于表面张力，形成略呈球状的液状物，此时主要成分为水或油类为主的粒子构成，使能溶在内部及附在表面的毒气量较有限。而固体粒子的形状与液体粒子的形状不同，固体粒子有时为多孔质状，这样的烟粒比实心粒子能吸附较多的各种气体。因此，在灰分分析灼烧时，可燃物试样的种类、燃烧时的温度、环境的氧气量等因素，直接影响着烟的毒性高低，浓度大小。

一般塑料材料在燃烧时产生的烟粒子，能吸附约有20%的挥发物，当有火焰而氧气不足时黑烟就多，这种粒子与白烟的形状、大小有显著不同，其直径通常在0.1至数十微米之间，不定形粒子中常有多数球形粒子凝集成为一团，白烟粒子当两个以上的粒子碰撞时，很容易成为一个粒子而迅速沉降。

塑料烟均为不定形粒子组成。由热分解及燃烧产生的烟，根据可燃物的材质、量、燃烧温度、氧气浓度等条件不同，所产生的烟成分各异。

2.2 烟的流动性

烟粒子的密度比空气大，在空气中由大粒子至小粒子依次沉降，粒子半径在1μm以下的较能长久悬浮在空气中。烟粒子有布朗运动关系，烟粒子时常互相碰撞并凝集成为1μm以上粒子而开始下沉。粒径0.01μm以下的，因扩散快，当遭遇障碍物时，易附着于表面不定形且多孔质物体上。由此可见，烟的浓度常在变化之中。当烟遇到障碍物，部分烟粒子被吸附，烟浓度降低。但吸附烟粒子的障碍物随着吸附的烟粒子的增多，火灾危险性也逐步增加。塑料灰分分析过程中由于使用通风柜，加热燃烧时含烟的空气成为热气流带烟移动，当遇到通风柜壁、管壁等障碍物时，便沉积在其上。如果柜壁、管壁粗糟，产生的烟，特别是燃烧不充分的含碳烟粒子就会大量沉降聚积。由于强排式抽风，烟粒子沉降的多少，受到排风管道结构的影响。当抽风时，在管道拐弯、过滤网、隔火阀、风扇等处，由于碰装和吸附，烟粒子大量沉降，成为火灾发生的潜在着火点。烟的流动和沉降如图1所示。

2.3 烟的化学性

燃烧时，烟的生成有两种径路，其一为热分解生成物在气相中未燃烧前被冷却，凝集而被排出。另一路径为热分解生成物在火焰中生成游离碳。属于前者的烟沸点高，由分子量大的液体粒子所形成，后者以煤烟为主成分的固体微粒子。

烟的化学成分依燃烧物的材质、构成成分、化学结构、共存物的种类、燃烧物、氧气量而异。虽属单一材质，但燃烧温度的高低则产生不同产物，对生成物间的比例也有变化。煤烟的生成“乙炔学说”认为：燃烧时产生乙炔，经聚合，再脱氢，而成为煤烟。火焰中的碳粒常在火焰内被氧化而消失，但分解生成物中有过多的含碳物时部分未完全氧化而排出于火焰外成为煤烟。高分子可燃固体的燃烧能生成液体系及固体系烟，同时也伴随着气体的产生。液体系烟在无焰燃烧时发生，固体系烟则在有焰燃烧时发生。 其燃烧过程如图所示。它们在燃烧时，首先受热分解生成气态和液态产物，然后气态和液态产物的蒸汽再发生氧化燃烧。

塑料属于高分子可燃固体，在燃烧时依合成原料产生不同种类的毒气，其本身又属于高分子，故黑烟多。塑料在不同温度下亦产生不同种类及不同比例的热分解生成物。以酚树脂为例，一氧化碳在300℃时产生3.5%，在800℃时增至16.2%，1200℃时达到24.6%。乙炔、乙烯等含量在温度愈高的情况下有增加的趋势。依乙炔学说，在高温下，聚合再脱氢，以未完全燃烧的方式排出于火焰外，成为黑色烟的主要来源。塑料在燃烧时产生的烟含有不同种类的毒气，如800℃时聚乙烯能释放出一氧化碳、醛类；氯聚乙烯能释放出一氧化碳、醛、氰化物、氨气等，压克力系则有氰化物、一氧化碳等释放出。这些毒气在火灾时对人体的健康和安全构成威胁。因此，在发生火灾时，必须对火场的烟要正确判断其流动方向、量、成分等，以便采取恰当措施进行逃生。

2.4 塑料的发烟特性

火灾时产生何种烟则视发生燃烧材料的种类而定。其发烟特性可用单位重量的发烟量及对单位时间的发烟量表示。至于发烟量则受材质的化学组成、形状、燃烧温度、氧气浓度而异。

通常塑料材料在燃烧时分解比木质材料快速，虽有着焰燃烧的现象，但可认为发烟速度的增加归纳为氧化反应不完全所致。

据文献聚乙烯、聚丙烯在500℃，空气量220mL/min，试样100mg下其热分解生成瓦斯（mg/g）种类及产生的量如下由上表可见，塑料高分子材料在燃烧过程中会产生许多副产物，其中大部分为有毒有害物质。塑料高分子材料如果燃烧不充分，会产生大量的烟，部分可燃气体或蒸汽会与产生的烟粒结合，随着气流在合适的障碍物处聚积。

2.5 烟对人员的影响

火灾发生时环境周围弥漫大量烟对受困人员而言，视线受阻无法判断楼梯、标志、出入口、逃生方向而在心理上产生恐惧感。当呛到含有毒气体的烟，又有缺氧的环境下，受困时间延长，引起生理上的不适，以致中毒昏倒、窒息等。火灾通常在于心理上毫无准备的情况下发生，尤其进入不熟悉建筑物内遭遇火灾时易产生恐慌失措。

在国内发生的死伤较多案件中可发现避难人员在心理上有共同点，即避难时对火焰及烟有恐惧感而一直想向明亮方向移动，并选择空间较大的场所避难，在常出入的建筑物内本能选择常用的出入口逃生，当发觉一时无法逃生时，试寻找狭小偏僻处藏匿，危急时或有出现跳楼的异常行为，导致不必要的伤亡。

2.6 烟对设备设施的影响

烟常常在设备设施中聚积，一方面腐蚀设备或影响设备的正常运行；另外一方面，当条件合适时，聚积的烟成为积炭，发生自燃或爆炸导致火灾或设备损坏事故，严重影响正常生产。

比如，积炭自燃通常发生在压缩机生产系统中，它可以导致火灾爆炸事故，危险性比较大，需要注意预防。空气压缩机（含其它物料的压缩机）运行时，气缸内温度通常可达150℃~160℃，缸体内的油蒸汽在此高温下会热裂解产生烟形成炭，随同压缩空气流出，沉积在缸体、压缩机各段冷却盘管。缓冲器和气体管道里，成为积炭。油闪点越低，油蒸发量越大，随气流带出的炭越多，因此，形成的积炭层越厚。积炭在一定温度下，在含氧气流（空气）的作用下，会发生氧化反应，温度、压力越高，积炭层就会越厚，氧化反应速度就越快。当反应系统向环境散热小于氧化反应放出热量时，积炭温度会不断上升，引起自燃。在上述过程中，还会产生可燃气（如一氧化碳），当它们的浓度达到爆炸极限时，会发生燃烧和爆炸。

再比如，塑料灰分分析过程中会产生大量的烟，这些烟主要以煤烟的形式出现，在通风管道内长期、缓慢不断聚积，附着在管壁上，形成吸附有大量可燃气体和蒸汽的积炭层，形成可燃物。在夏季，环境温度较高，在做分析进行加热的过程中，样品从加热到自燃燃烧后，烟气中的燃烧热量迅速增加，使弯头等处聚积较多的积炭受高热达到自燃温度后起火，火势顺着通风道而上，引燃管壁上附着烟灰的积碳，并将楼顶部通风管道的玻璃钢材料弯头和风机软连接处的帆布和风机烧毁，损坏设备。

2.7 烟对分析质量的影响

仅就塑料产品灰分分析过程而言，在分析过程中要严格控制电炉的加热速度，使其缓慢地燃烧。如果燃烧速度控制不好，会使燃烧过于剧烈，大量的烟会带走灰分颗粒，使灰分损失，影响分析结果的准确。

2.8 烟对环境的影响

烟无论是在分析过程中还是在火灾等异常情况下，对环境空气的质量都有着或多或少的影响，轻者空气质量下降，重者空气质量局部或大面积污染，其区域中的生命安全受到威胁。

3 结论

通过对烟的性质和危害探讨，得知在塑料灰分分析过程中产生的烟会对人员安全健康、设施设备、分析质量、环境有着不同程度的危害。因此，针对灰分分析必须采取以下措施，预防烟的危害。

1）组织职工学习灰分分析过程中烟的危害，提高自我保护意识；

2）对灰分分析项目使用的通风设施单独设置，材料宜为不燃的铁质材料，其风道宜短，宜直排室外，防止管道过长形成烟尘积炭，从源头上杜绝可燃物的形成，防止火灾危害；

3）建立对加热、燃烧用通风橱、通风管道及风机等设施的定期检查制度，加强设备维护管理，定期清扫烟道积炭，从制度上保证管道彻底不存在积炭；

4）建立固定用火点的防火安全制度，要求在加热、燃烧、用火作业期间岗位人员或监护人员要坚守岗位，严禁离岗、脱岗，确保各项防火安全措施到位；

5）灰分分析过程要严格控制火焰高度，控制好电炉的加热速度，防止塑料产品燃烧过于剧烈带走灰分颗粒，造成分析误差，影响分析质量。

参考文献

[1]周卓纯，王金妹.塑料灰分通用测定方法GB9345.

[2]匡永春主编.石油化工安全技术[M].中国石化出版社.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文