KNO3/S/C混合粉燃燒危險性實驗研究*

歐陽剛 ，葉亞明

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

目前，黑火藥在生產生活中應用較為廣泛，常被用于制作煙花、鞭炮、導火索、點火藥等［1］。由于對黑火藥的性質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生。因此，為了預防安全事故的發生，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，國內外對粉塵爆炸的關注度越來越高［2］。該類事故破壞性大，嚴重威脅著人員安全和財產安全。鑒于黑火藥是一種危險物質，考慮其在生產過程中會產生沉積在生產設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；再利用標準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與高純優等品質硫磺粉混合均勻，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 結果與討論

2.1 KNO3/S/C混合粉塵層最低著火溫度

選擇質量比 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部溫度的變化，結果見表1、圖3。

表1 不同加熱板溫度下KNO3/S/C混合粉塵層內部最高溫度及現象

從表1可見，當熱板溫度從240℃升至270℃時，粉塵層內部最高溫度由215.6℃升至238.4℃，并伴有煙氣和刺激性氣味產生；當熱板溫度升至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℃。實驗結果說明，KNO3/S/C混合粉在堆積狀態下對熱源較為敏感，因此在生產煙花、鞭炮和點火藥等涉及KNO3/S/C混合粉塵的生產生活中，應重點監控生產車間內的電氣設備表面溫度，并及時清理附著在電氣設備表面上的KNO3/S/C混合粉塵，防止高溫熱表面引起KNO3/S/C混合粉塵層燃燒的安全事故發生。

圖3 250℃下KNO3/S/C混合粉塵層內部溫度變化

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節配制KNO3/S/C混合粉，用量分別為150、250、350、450、550 mg， 對應的粉塵云質量濃度為 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，在粉塵云質量濃度為1.136 g/L處出現拐點。當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。這可能是因為當粉塵云濃度較小時，單位體積粉塵質量較少，化學反應釋放的熱量少，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，單位體積內的粉塵質量增加，化學反應釋放的熱量增加，通過火焰的自行傳播，化學反應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反應。因此，從外界吸收的能量相對減少，著火溫度降低［3］。當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拐點的現象，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，化學反應變得劇烈完全，粉塵云更容易著火，進而導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質量比對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響，結果見表4。由表4可知，當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下降的趨勢。 當 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質量比對KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度的影響

運用數學方法計算KNO3/S/C混合粉塵云最低著火溫度下降幅度（ΔMIT），結果見表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KNO3/S/C混合粉總質量一定，S含量增加到一定值后，繼續增加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過程中，應重點預防高溫熱表面引起KNO3/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，在粉塵云質量濃度為1.136 g/L處出現拐點，此時最低著火溫度為309℃。因此，在加工生產過程中，應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。