有效磷含量对硝酸铵溶液临界爆温的影响规律研究

张凯

化工安全

有效磷含量对硝酸铵溶液临界爆温的影响规律研究

张凯

（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）

采取硝酸铵水溶液热爆炸装置研究了在不同有效磷含量下硝酸铵水溶液的热爆炸规律，分别设置了2℃/min、3℃/min和5℃/min三个温度梯度。结果表明：有效磷的加入可以适当提高硝酸铵溶液的稳定性，在3℃/min升温速率下，临界爆温整体比在其他加热速率时要高。在2℃/min时，整体临界爆温是三组中最低的，研究数据对指导硝酸铵的安全生产具有重要意义。

有效磷；硝酸铵溶液；临界爆温

随着农业的发展，我国对高浓度复合肥的需求量日益增加。硝铵磷肥便是其中一种，其主要成分硝酸铵（AN）主要用作肥料、工业用和军用炸药[1]。由于其原料来源丰富、制造工艺简单、成本低廉、加工方便，以硝酸铵作为原料的炸药已经成为最主要的工业炸药。与此同时，由于硝酸铵的自反应特性及其强氧化特性，国内外曾经发生过多起重大事故[2]。

在很多工业生产中，用磷酸一铵、洗涤液和硝铵磷（含90%硝酸铵和10%磷酸一铵）按一定比例合成的硝铵共浆溶液来生产复合肥[4]。其主要成分中含有硝酸铵，使得复合肥在配制、储存、运输和使用过程中，可能会因为硝酸铵的分解放出热量而导致燃烧或爆炸，从而造成严重的人员和财产损失[5]。本课题主要针对其中一点，即不同有效磷含量对AN溶液临界爆温的影响规律展开研究，以期对AN的安全性评估提供理论指导，从理论上丰富硝酸铵溶液的爆炸机理。

1 实验部分

1.1 实验仪器

图1 实验装置原理图

实验采用的是小容量加热试验法。用到的装置有：加热炉、爆炸罐、温控仪、热电偶、防护箱和计算机。

实验装置原理：将装有磷酸一铵和硝酸铵混合溶液样品的爆炸罐置于加热炉中，通过调节温控仪来控制加热炉的升温速率等参数（如3℃/min），在绝热状态下对爆炸罐进行加热，使罐内的样品溶液按照一定的升温速率升温，发生化学反应，爆炸罐上装有E型热电偶测量溶液样品的温度，温控仪的一边连着热电偶，另一边连着计算机。当温度升至预设的初始温度后，按照“自行加热-恒温等待-加热”的方式循环操作，直至样品溶液发生爆炸。在计算机上通过动态数据采集系统自行绘制出温度随时间的变化规律曲线（包括升温标准线、罐温和内温）。

1.2 实验步骤

考虑到仪器的局限性及药品的经济实用性，实验药品选用硝酸铵和磷酸一铵（有效五氧化二磷含量为45%），以磷酸一铵中P2O5含量作为有效磷含量。实验采用的是2℃/min、3℃/min及5℃/min三个温度梯度进行测试。

1.2.1 配溶液

实验采取的是浓度为85%的硝酸铵溶液。向85%硝酸铵溶液（其中蒸馏水质量为1.5 g，硝酸铵质量为8.5 g）中分别加入磷酸一铵，配置成含量为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%有效磷的混合溶液，另外设空白组进行对照。通过计算所得各实验小组配方如表1。

表1 实验配方

1.2.2 装药

取配好既定浓度的溶液置于反应罐中，用石棉垫、密封胶带和螺栓将其密封装配好，螺栓一定要紧固至少两次，然后放入绝热加热炉中，把热电偶插到指定位置，闭合防护箱。

1.2.3 数据记录及图像采集

计算机开启温度动态数据采集系统，根据初始温度设置好直接加热的温度和设置P（比例）参数，温控表在预先设定的运行参数的控制下，很快将温度上升到预设的初始温度，然后按照自行加热-恒温等待-加热的方式操作，直到爆炸或400℃为止。观察温度的变化，待到快要爆炸时注意温度的突变，并记下爆炸温度。待采集结束后将数据和图像保存至指定文件夹。

1.3 实验结果

（1）在3℃/min升温速率下，10 g 85%AN溶液临界爆温为：罐温：286.5℃；内温：285.4℃；加入不同浓度P2O5临界爆温情况见表2。

表23 ℃/min下不同浓度P2O5对硝酸铵临界爆温的影响

根据表2测得的结果，可以得出在3℃/min下不同浓度有效磷含量对AN临界爆温的影响，由此可绘出浓度与爆温的关系，见图2（光滑曲线为趋势线）:

图23 ℃/min下不同浓度P2O5对硝酸铵临界爆温的影响

在3℃/min下，85%AN溶液随温度变化的温度-时间曲线见图3，含3%浓度的P2O5与85%硝酸铵混合溶液的温度-时间曲线见图4。

图385 %AN溶液温度-时间曲线

图4 含有3%P2O5温度-时间曲线

（2）在2℃/min升温速率下，10 g 85%硝酸铵溶液临界爆温为：罐温：279.8℃；内温：283.9℃。含不同浓度P2O5混合溶液的临界爆温情况见表3。

表32 ℃/min下不同浓度P2O5对硝酸铵临界爆温的影响

根据表3测得的结果，可以在2℃/min下得出不同浓度有效磷含量对AN临界爆温的影响，由此可绘出浓度与爆温的关系，如图5所示（光滑曲线为趋势线）:

图5 2℃/min下P2O5对AN临界爆温的影响

在2℃/min下，85%AN溶液随温度变化的温度-时间曲线如图6所示，含3%浓度的P2O5与85%AN混合溶液的温度-时间曲线见图7。

（3）在5℃/min升温速率下，10 g的85%硝酸铵溶液临界爆温为：罐温：288.8℃；内温：287.5℃。含不同浓度P2O5混合溶液的临界爆温情况见表5。

根据表5测得的结果，可绘出在5℃/min下不同浓度有效磷含量对AN临界爆温的影响曲线，如图8（光滑曲线为趋势线）。

图685 %硝酸铵溶液温度-时间曲线

图7 含有3%P2O5温度-时间曲线

表45 ℃/min下不同浓度P2O5对硝酸铵临界爆温的影响

图85 ℃/min下不同浓度P2O5对硝酸铵临界爆温的影响

在5℃/min下，85%AN溶液随温度变化的温度-时间曲线见图9，3%浓度的P2O5与AN混合溶液的温度-时间曲线见图10。

图9 85%硝酸铵溶液温度-时间曲线

图10 含3%P2O5温度-时间曲线

（4）不同升温速率的临界爆温对比曲线见图11。

图11 不同升温速率的对比曲线

1.4 实验结果分析

（1）由实验结果可知：在研究范围内，随着有效磷含量的变化，AN溶液的临界爆温并没有发生明显的线性变化，而是随曲线变化的。在浓度为1%～4%时，临界爆温随浓度增大而增大。分析数据可知，在P2O5含量为4%时，硝酸铵溶液临界爆温出现了极大值。而在3℃/min和5℃/min实验中，有效磷浓度为6%时临界爆温出现了另一个极大值。

（2）在三个温度梯度下，不加磷酸一铵时85%硝酸铵溶液临界爆温与加磷酸一铵溶液临界爆温对比，发现磷酸一铵的加入可以适当提高硝酸铵溶液的稳定性。

（3）在3℃/min升温速率下，临界爆温整体比其他加热速率时要高。在2℃/min时，整体临界爆温是三组中最低的。

（4）在所有数据图像中，大约在加热到93℃时，图像会出现一小段斜率为零的线段，这是由于此时温控仪进行功率转换出现的采集延迟。

2 结论

实验通过小容量加热试验法[3]对不同有效磷含量的AN溶液展开研究，分别采用了2℃/min、3℃/min和5℃/min三个温度加热梯度。结果表明：向浓度为85%AN溶液中加入不同浓度磷酸一铵，均可使得原溶液临界爆温增高。随着浓度的递增，混合溶液的临界爆温并非线性变化的，而是在有效磷含量为4%和6%时，混合溶液的临界爆温出现了极大值。经分析可得以下结论。

（1）向85%的硝酸铵溶液中加入有效磷可以提高硝酸铵溶液的临界爆温，说明有效磷的加入可以加强硝酸铵溶液的热稳定性和热安全性。

（2）随着加入的有效磷浓度的变化，混合溶液的临界爆温非线性变化。在有效磷含量为4%和6%时，混合溶液的临界爆温出现了两个极大值，说明此刻混合溶液的热稳定性和安全性较高；在浓度为5%时，临界爆温出现了极小值，说明此时安全性较低。

（3）在实验结果分析中，以多组实验数据的最小温度作为对象，并没有选取平均温度，是因为考虑到实际应用中的安全性和可靠性，旨在为现实生产提供更有指导意义的理论数据。

[1]王立庆.硝酸铵的安全管理[J].劳动保护，2013，（10）:95.

[2]孙占辉，孙金华，陆守香，等.无机酸对硝酸铵热稳定性影响的研究[J].中国安全科学学报，2005，15（9）:57.

[3]王悦，曹雄，刘冰，等.硝铵共浆溶液热安全性研究[J].工业安全与环保，2013，39（3）:28.

[4]Turcotte R，Lightfoot P D，Fouchard R，et al.Thermal hazard assessment of AN and AN-based explosives[J].Journal of Hazardous Materials，2003，101（1）:26.

[5]Jimmie C O，James L S，Evan R，et al.Ammonium nitrate:thermal stability and explosivity modifiers[J].T hermochimica Acta，2002，384（1-2）:45.

The Influence of Available Phosphorus on the Critical Explosion Temperature of Ammonium Nitrate Solution

ZHANG Kai
（College of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

The thermal explosion of ammonium nitrate aqueous solution under different effective phosphorus contents was studied by using ammonium nitrate aqueous solution thermal explosion device.Three temperature gradients were set at 2℃/min，3℃/min and 5℃/min，respectively.The results showed that the addition of available phosphorus can improve the stability of ammonium nitrate solution，and the critical explosion temperature is higher than that of other heating rate at the heating rate of 3℃/min.At 2℃/min，the whole critical explosion temperature is the lowest among the three groups.The research data are of great significance to guide the safe production of ammonium nitrate.

available phosphorus;ammonium nitrate;critical temperature

1006-4184（2017）3-0038-04

2016-12-05

张凯（1993-），女，山西晋城人，在读硕士研究生，主要从事化工及消防安全管理研究。E-mail：457848635@qq.com。