KNO3/S/C混合粉燃烧危险性实验研究*

欧阳刚 ，叶亚明

［1.广州特种机电设备检测研究院，广东广州510180；2.国家防爆设备质量监督检验中心（广东）］

目前，黑火药在生产生活中应用较为广泛，常被用于制作烟花、鞭炮、导火索、点火药等［1］。由于对黑火药的性质缺乏认知和安全防范意识淡薄而造成人员伤亡的安全事故时有发生。因此，为了预防安全事故的发生，对黑火药的危险性研究显得尤为重要。另外，自2014年“8·2”昆山粉尘爆炸事故以来，国内外对粉尘爆炸的关注度越来越高［2］。该类事故破坏性大，严重威胁着人员安全和财产安全。鉴于黑火药是一种危险物质，考虑其在生产过程中会产生沉积在生产设备表面和悬浮于空气中的黑火药粉尘，因此，课题组对黑火药的主要成分硝酸钾/硫磺/木炭（KNO3/S/C）混合粉尘层最低着火温度和粉尘云最低着火温度展开了研究，并探索了粉尘云浓度、KNO3粒度和KNO3/S/C质量比对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响。

1 实验

1.1 实验样品制备

先将杨木炭粉置于烘箱中，50℃下10 h烘干处理，利用球磨机研磨KNO3固体颗粒；再利用标准筛对干燥木炭粉和研磨后的KNO3颗粒分别筛分；最后将筛分后的干燥木炭粉和KNO3与高纯优等品质硫磺粉混合均匀，得到实验样品KNO3/S/C混合粉。

1.2 实验装置

KNO3/S/C混合粉尘层最低着火温度由IDEA SCIENCE LIT 400型恒温加热板（图1）测得。

图1 恒温加热板基本原理图

KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度及影响因素采用IDEA SCIENCE LIT 1000型恒温炉研究，如图2所示。

图2 恒温炉基本原理图

2 结果与讨论

2.1 KNO3/S/C混合粉尘层最低着火温度

选择质量比 m（KNO3）∶m（S）∶m（C）=75∶10∶15 的混合粉进行实验。 其中 d50（KNO3）=90 μm、d50（S）=75 μm、d50（C）=58 μm，金属圈高度为 5 mm，加热板温度从初始温度240℃开始，以10℃为步长进行升温实验，同时采用热电偶实时记录粉尘层内部温度的变化，结果见表1、图3。

表1 不同加热板温度下KNO3/S/C混合粉尘层内部最高温度及现象

从表1可见，当热板温度从240℃升至270℃时，粉尘层内部最高温度由215.6℃升至238.4℃，并伴有烟气和刺激性气味产生；当热板温度升至280℃时，粉尘层剧烈燃烧，热电偶被烧断，表明KNO3/S/C混合粉尘层最低着火温度为280℃。实验结果说明，KNO3/S/C混合粉在堆积状态下对热源较为敏感，因此在生产烟花、鞭炮和点火药等涉及KNO3/S/C混合粉尘的生产生活中，应重点监控生产车间内的电气设备表面温度，并及时清理附着在电气设备表面上的KNO3/S/C混合粉尘，防止高温热表面引起KNO3/S/C混合粉尘层燃烧的安全事故发生。

图3 250℃下KNO3/S/C混合粉尘层内部温度变化

2.2 KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度

2.2.1 粉尘云浓度对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响

参照2.1节配制KNO3/S/C混合粉，用量分别为150、250、350、450、550 mg， 对应的粉尘云质量浓度为 0.682、1.136、1.591、2.045、2.500 g/L，吹散压力为30 kPa。实验考察了粉尘云浓度对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响，结果见表2。从表2可见，随着粉尘云浓度的增加，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度呈先降再升的趋势，在粉尘云质量浓度为1.136 g/L处出现拐点。当粉尘云浓度低于拐点浓度时，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度增加而降低。这可能是因为当粉尘云浓度较小时，单位体积粉尘质量较少，化学反应释放的热量少，需从外界吸收较多的能量使粉尘充分燃烧，因此着火温度偏高；随着粉尘云浓度增加，单位体积内的粉尘质量增加，化学反应释放的热量增加，通过火焰的自行传播，化学反应释放的热量辐射给其他粉尘颗粒，使更多的粉尘颗粒参与化学反应。因此，从外界吸收的能量相对减少，着火温度降低［3］。当粉尘云浓度高于拐点浓度时，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度增加而升高。这可能是由于粉尘云浓度过高时，一方面，恒温炉内的氧气不足以支持高浓度粉尘云充分燃烧［3］；另一方面，在分散压力一定的条件下，粉尘浓度越大，越不易被分散，导致粉尘颗粒聚集，阻碍燃烧，着火温度偏高［4］。

表2 粉尘云浓度对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响

对于粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度变化出现拐点的现象，在不同种类的粉尘研究中，同样有报道［5-6］，一定程度上验证了本文实验结果的可靠性。

2.2.2 KNO3粒度对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响

在 m（KNO3）∶m（S）∶m（C）=75∶10∶15、粉尘云质量浓度为 1.136 g/L、吹散压力为 30 kPa、d50（S）=75 μm、d50（C）=58 μm 的条件下，考察了 KNO3粒度（d50）对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响，结果见表 3。由表 3 可知，随着 KNO3粒度（d50）的减小，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度逐渐降低。这可能是因为粉尘颗粒粒度减小，颗粒比表面积增大，则与氧接触的面积变大，化学反应变得剧烈完全，粉尘云更容易着火，进而导致粉尘云最低着火温度降低［7］。

表 3 不同KNO3粒度（d50）下KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度

2.2.3 KNO3/S/C质量比对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响

在粉尘云质量浓度为1.136 g/L、吹散压力为30kPa、d50（KNO3）=45μm、d50（S）=75 μm、d50（C）=58 μm的条件下，考察了KNO3/S/C质量比对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响，结果见表4。由表4可知，当C的含量不变时，随着S含量的增加，KNO3含量的减少，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度呈现下降的趋势。 当 m（KNO3）∶m（S）∶m（C）=35∶50∶15 时，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度最低，为282℃。

表4 KNO3/S/C质量比对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响

运用数学方法计算KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度下降幅度（ΔMIT），结果见表5。由表5可知，随着S含量的增加，KNO3含量的减少，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度下降幅度总体上逐渐变小。表明S含量越多对KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度的影响越小。当KNO3/S/C混合粉总质量一定，S含量增加到一定值后，继续增加S的含量，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度可能不再发生变化，接近纯硫磺粉的粉尘云最低着火温度［8］。

表5 KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度下降幅度（ΔMIT）

3 结论

1）实验测得KNO3/S/C混合粉尘层最低着火温度为280℃，着火温度较低。因此，在涉及KNO3/S/C混合粉尘的实际生产过程中，应重点预防高温热表面引起KNO3/S/C混合粉尘层燃烧的安全事故。2）KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的增加，呈先降再升的变化趋势，在粉尘云质量浓度为1.136 g/L处出现拐点，此时最低着火温度为309℃。因此，在加工生产过程中，应避免形成较高浓度的粉尘云。3）KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度随KNO3粒度的减小而逐渐降低。4）当木炭粉含量不变，随着硫磺粉含量的增加及KNO3含量的减少，KNO3/S/C混合粉尘云最低着火温度呈下降趋势。