KNO3/S/C混合粉燃燒危險性實驗研究*

歐陽剛 ，葉亞明

［1.廣州特種機電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510180；2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（廣東）］

目前，黑火藥在生產(chǎn)生活中應(yīng)用較為廣泛，常被用于制作煙花、鞭炮、導(dǎo)火索、點火藥等［1］。由于對黑火藥的性質(zhì)缺乏認知和安全防范意識淡薄而造成人員傷亡的安全事故時有發(fā)生。因此，為了預(yù)防安全事故的發(fā)生，對黑火藥的危險性研究顯得尤為重要。另外，自2014年“8·2”昆山粉塵爆炸事故以來，國內(nèi)外對粉塵爆炸的關(guān)注度越來越高［2］。該類事故破壞性大，嚴(yán)重威脅著人員安全和財產(chǎn)安全。鑒于黑火藥是一種危險物質(zhì)，考慮其在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生沉積在生產(chǎn)設(shè)備表面和懸浮于空氣中的黑火藥粉塵，因此，課題組對黑火藥的主要成分硝酸鉀/硫磺/木炭（KNO3/S/C）混合粉塵層最低著火溫度和粉塵云最低著火溫度展開了研究，并探索了粉塵云濃度、KNO3粒度和KNO3/S/C質(zhì)量比對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響。

1 實驗

1.1 實驗樣品制備

先將楊木炭粉置于烘箱中，50℃下10 h烘干處理，利用球磨機研磨KNO3固體顆粒；再利用標(biāo)準(zhǔn)篩對干燥木炭粉和研磨后的KNO3顆粒分別篩分；最后將篩分后的干燥木炭粉和KNO3與高純優(yōu)等品質(zhì)硫磺粉混合均勻，得到實驗樣品KNO3/S/C混合粉。

1.2 實驗裝置

KNO3/S/C混合粉塵層最低著火溫度由IDEA SCIENCE LIT 400型恒溫加熱板（圖1）測得。

圖1 恒溫加熱板基本原理圖

KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度及影響因素采用IDEA SCIENCE LIT 1000型恒溫爐研究，如圖2所示。

圖2 恒溫爐基本原理圖

2 結(jié)果與討論

2.1 KNO3/S/C混合粉塵層最低著火溫度

選擇質(zhì)量比 m（KNO3）∶m（S）∶m（C）=75∶10∶15 的混合粉進行實驗。 其中 d50（KNO3）=90 μm、d50（S）=75 μm、d50（C）=58 μm，金屬圈高度為 5 mm，加熱板溫度從初始溫度240℃開始，以10℃為步長進行升溫實驗，同時采用熱電偶實時記錄粉塵層內(nèi)部溫度的變化，結(jié)果見表1、圖3。

表1 不同加熱板溫度下KNO3/S/C混合粉塵層內(nèi)部最高溫度及現(xiàn)象

從表1可見，當(dāng)熱板溫度從240℃升至270℃時，粉塵層內(nèi)部最高溫度由215.6℃升至238.4℃，并伴有煙氣和刺激性氣味產(chǎn)生；當(dāng)熱板溫度升至280℃時，粉塵層劇烈燃燒，熱電偶被燒斷，表明KNO3/S/C混合粉塵層最低著火溫度為280℃。實驗結(jié)果說明，KNO3/S/C混合粉在堆積狀態(tài)下對熱源較為敏感，因此在生產(chǎn)煙花、鞭炮和點火藥等涉及KNO3/S/C混合粉塵的生產(chǎn)生活中，應(yīng)重點監(jiān)控生產(chǎn)車間內(nèi)的電氣設(shè)備表面溫度，并及時清理附著在電氣設(shè)備表面上的KNO3/S/C混合粉塵，防止高溫?zé)岜砻嬉餕NO3/S/C混合粉塵層燃燒的安全事故發(fā)生。

圖3 250℃下KNO3/S/C混合粉塵層內(nèi)部溫度變化

2.2 KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度

2.2.1 粉塵云濃度對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響

參照2.1節(jié)配制KNO3/S/C混合粉，用量分別為150、250、350、450、550 mg， 對應(yīng)的粉塵云質(zhì)量濃度為 0.682、1.136、1.591、2.045、2.500 g/L，吹散壓力為30 kPa。實驗考察了粉塵云濃度對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響，結(jié)果見表2。從表2可見，隨著粉塵云濃度的增加，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度呈先降再升的趨勢，在粉塵云質(zhì)量濃度為1.136 g/L處出現(xiàn)拐點。當(dāng)粉塵云濃度低于拐點濃度時，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度增加而降低。這可能是因為當(dāng)粉塵云濃度較小時，單位體積粉塵質(zhì)量較少，化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量少，需從外界吸收較多的能量使粉塵充分燃燒，因此著火溫度偏高；隨著粉塵云濃度增加，單位體積內(nèi)的粉塵質(zhì)量增加，化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量增加，通過火焰的自行傳播，化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量輻射給其他粉塵顆粒，使更多的粉塵顆粒參與化學(xué)反應(yīng)。因此，從外界吸收的能量相對減少，著火溫度降低［3］。當(dāng)粉塵云濃度高于拐點濃度時，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度增加而升高。這可能是由于粉塵云濃度過高時，一方面，恒溫爐內(nèi)的氧氣不足以支持高濃度粉塵云充分燃燒［3］；另一方面，在分散壓力一定的條件下，粉塵濃度越大，越不易被分散，導(dǎo)致粉塵顆粒聚集，阻礙燃燒，著火溫度偏高［4］。

表2 粉塵云濃度對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響

對于粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度變化出現(xiàn)拐點的現(xiàn)象，在不同種類的粉塵研究中，同樣有報道［5-6］，一定程度上驗證了本文實驗結(jié)果的可靠性。

2.2.2 KNO3粒度對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響

在 m（KNO3）∶m（S）∶m（C）=75∶10∶15、粉塵云質(zhì)量濃度為 1.136 g/L、吹散壓力為 30 kPa、d50（S）=75 μm、d50（C）=58 μm 的條件下，考察了 KNO3粒度（d50）對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響，結(jié)果見表 3。由表 3 可知，隨著 KNO3粒度（d50）的減小，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度逐漸降低。這可能是因為粉塵顆粒粒度減小，顆粒比表面積增大，則與氧接觸的面積變大，化學(xué)反應(yīng)變得劇烈完全，粉塵云更容易著火，進而導(dǎo)致粉塵云最低著火溫度降低［7］。

表 3 不同KNO3粒度（d50）下KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度

2.2.3 KNO3/S/C質(zhì)量比對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響

在粉塵云質(zhì)量濃度為1.136 g/L、吹散壓力為30kPa、d50（KNO3）=45μm、d50（S）=75 μm、d50（C）=58 μm的條件下，考察了KNO3/S/C質(zhì)量比對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響，結(jié)果見表4。由表4可知，當(dāng)C的含量不變時，隨著S含量的增加，KNO3含量的減少，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度呈現(xiàn)下降的趨勢。 當(dāng) m（KNO3）∶m（S）∶m（C）=35∶50∶15 時，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度最低，為282℃。

表4 KNO3/S/C質(zhì)量比對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響

運用數(shù)學(xué)方法計算KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度下降幅度（ΔMIT），結(jié)果見表5。由表5可知，隨著S含量的增加，KNO3含量的減少，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度下降幅度總體上逐漸變小。表明S含量越多對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響越小。當(dāng)KNO3/S/C混合粉總質(zhì)量一定，S含量增加到一定值后，繼續(xù)增加S的含量，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度可能不再發(fā)生變化，接近純硫磺粉的粉塵云最低著火溫度［8］。

表5 KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度下降幅度（ΔMIT）

3 結(jié)論

1）實驗測得KNO3/S/C混合粉塵層最低著火溫度為280℃，著火溫度較低。因此，在涉及KNO3/S/C混合粉塵的實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)重點預(yù)防高溫?zé)岜砻嬉餕NO3/S/C混合粉塵層燃燒的安全事故。2）KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度隨粉塵云濃度的增加，呈先降再升的變化趨勢，在粉塵云質(zhì)量濃度為1.136 g/L處出現(xiàn)拐點，此時最低著火溫度為309℃。因此，在加工生產(chǎn)過程中，應(yīng)避免形成較高濃度的粉塵云。3）KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度隨KNO3粒度的減小而逐漸降低。4）當(dāng)木炭粉含量不變，隨著硫磺粉含量的增加及KNO3含量的減少，KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度呈下降趨勢。