石松子粉尘爆炸危险性及抑爆研究 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１４. ０６. ００４ 石松子粉尘爆炸危险性及抑爆研究 ❋ 彭于怀① 黄丽媛② 曹卫国①③ 郑俊杰①③ 卑凤利①③ 潘 峰①③ ①南京理工大学化工学院江苏南京，２１００９４ ②邦达诚环境监测中心江苏有限公司 江苏常州，２１３０００ ③国家民用爆破器材质量监督检验中心江苏南京，２１００９４ [摘 要] 为了研究粒径对石松子粉尘爆炸危险性的影响,采用 Ｇｏｄｂｅｒｔ-Ｇｒｅｅｎｗａｌｄ Ｇ-Ｇ炉和２０ Ｌ 球爆炸装置对 石松子粉尘云进行了试验,分析了粒径对爆炸特性的影响,并探讨了 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４对石松子粉的抑爆效果。 结果表明粒径越小的粉尘着火温度越低,潜在危险性更大；粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘,在质量浓度为 ７５０ ｇ/ ｍ３时达 到最大爆炸指数 ２２. ６１ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ,其爆炸危险性为Ⅱ级,相比于粒径小于 ７５ μｍ 的粉尘,爆炸危险性更高；添加 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４后,能够显著降低石松子粉的爆炸压力和爆炸指数；与 ＳｉＯ２相比,ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４具有更好的抑爆效 果。 [关键词] 石松子粉；粉尘爆炸；着火温度；爆炸压力；爆炸指数；抑爆 [分类号] Ｘ９３２ 引言 粉尘爆炸是指可燃性粉尘悬浮在助燃环境中与 空气混合,在有限的空间内达到一定的爆炸浓度后, 被适当能量的点火源点燃发生的爆炸现象[１-６]。 粉 尘爆炸过程中火焰在粉尘云中迅速传播,同时温度 和压力也会快速升高。 在密封或半密封的有限环境 内,粉尘爆炸快速释放巨大的能量和很强的冲击波, 使粉尘爆炸过程难以控制,因此粉尘爆炸具有很大 的危害性和破坏性[３-６]。 现代工业的迅速发展,对粉体的需求逐渐增多。 若对粉体的爆炸特性以及防止粉尘爆炸机制不了 解,防护措施不到位,在粉体的生产、运输和应用过 程中都有可能发生粉尘爆炸。 近几年来粉尘爆炸事 故频繁发生。 ２０１１ 年 １ ５ 月,美国田纳西州加纳 庭市的海格纳士公司工厂发生了 ３ 起铁粉爆炸事 故,导致 ４ 死 ４ 伤[７]。 ２０１０ 年 ２ 月,秦皇岛某淀粉 工厂发生玉米淀粉粉尘爆炸事故,造成 ２１ 人死亡、 ４９ 人受伤 [８]。 不断发生的粉尘爆炸事故不仅给工 厂设施、设备造成重大破坏,还威胁着人民的生命和 财产安全,给社会稳定带来非常大的负面影响。 粉 尘爆炸的相关研究,特别是抑爆技术的开发可为工 业安全生产提供理论和实际指导依据,能在一定程 度上降低粉尘爆炸事故发生的概率。 通过添加高效 抑爆剂,可以在粉尘爆炸发生的过程中,降低燃烧爆 炸区域的温度,阻碍火焰的传播和蔓延,显著降低粉 尘爆炸的爆炸压力和爆炸指数,减小爆炸强度和破 坏性,起到抑制或避免粉尘爆炸的作用。 因此,对粉 尘爆炸特性参数、粉尘爆炸危险性以及粉尘抑爆进 行深入研究就显得十分重要,对于预防和控制此类 工业事故具有重要的理论价值和实际意义[９-１０]。 石松子粉作为可燃性粉尘,常被用作粉尘爆炸 系列研究中的爆炸物 [１１]。 本文以石松子粉为试验 对象,采用 Ｇｏｄｂｅｒｔ-ＧｒｅｅｎｗａｌｄＧ-Ｇ炉测试装置对 粒径不同的粉尘云着火温度进行了研究。 采用 ２０ Ｌ 球爆炸装置,研究了粒径大小对石松子粉爆炸压 力和爆炸指数的影响,并且初步探讨了添加 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４对石松子粉爆炸抑制程度的影响,分析 了两种物质的抑爆机制,旨在为工业安全生产提供 理论支撑。 １ 材料、仪器和试验方案 １. １ 材料及预处理 石松子粉由国家民用爆破器材质量监督检验 中心提供,试验前在常压、５０ ℃的烘箱中干燥 ２４ ｈ, 放在室温下密闭保存,分别过 ２００ 目筛粒径小于 ７５ μｍ和 ３００ 目筛粒径小于 ４８ μｍ。 标准化学点火具点火源的总能量为 １０ kＪ。 􀅰６１􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４３ 卷第 ６ 期 ❋ 收稿日期２０１４-０４-１０ 基金项目国家自然科学基金项目５１１７４０４７ 作者简介彭于怀１９８９ ,男,硕士研究生,主要从事纳米粒子制备和粉尘爆炸方面的研究。 Ｅ-ｍａｉｌｐ２５２３４９７９８＠１６３. ｃｏｍ 通信作者郑俊杰１９７３ ,女,工程师,主要从事含能材料方面的研究。 Ｅ-ｍａｉｌｚｈｅｎｇｊｕｎｊｉｅ１９７４＠１６３. ｃｏｍ ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４粉体均过 ２００ 目筛备用。 １. ２ 粉尘云着火温度测试 粉尘云着火温度试验在 Ｇ-Ｇ 炉内测定,测试装 置见文献[１２]。 Ｇ-Ｇ 炉由加热石英炉管组成,石英 管垂直安装,其中炉管壁绕有电阻丝,炉膛体积为 ０. ２７ Ｌ,其下部开口与外部大气相通,上端与压缩空 气喷粉控制系统相连接。 试验时,首先称取一定质 量的石松子粉尘,加入到储尘罐中,再将加热炉加热 到预先设定的试验温度,然后将储气罐内的气压调 到试验压力。 当电磁阀开启时,储气罐内的压缩空 气将储尘罐内待测粉尘快速喷入加热炉内,形成粉 尘云。 通过炉子下方的反射镜可以观察到炉内是否 着火。 １. ３ ２０ Ｌ 球形爆炸试验 爆炸压力和爆炸指数通过 ２０ Ｌ 球形爆炸装 置[１３]测试得到。 在环境温度为２０ ５℃ 条件下,将一定量的 石松子粉加入到储粉罐内,加压到 ２ ＭＰａ。 将爆炸 罐内抽成一定真空状态,以确保喷粉后爆炸罐内的 压力在点燃时处于大气压状态下。 粉尘被点燃后, 罐内的压力由安装在器壁上的压力传感器检测,传 感器与数据记录系统相连。 通过软件记录爆炸过程 中的压力-时间曲线,得到爆炸压力 ｐｍ和压力上升 速率ｄｐ/ ｄｔｍ,然后根据下述公式可以得到爆炸指 数 Ｋｍ Ｋｍ＝ ｄｐ/ ｄｔｍ Ｖ ０. ３３。 １ 式中Ｖ 为球形装置的体积。 改变粉尘的质量浓度进行爆炸测试,得到爆炸 压力和爆炸指数与质量浓度的关系,作图可以得到 最大爆炸压力 ｐｍａｘ与最大爆炸指数 Ｋｍａｘ。 ２ 粉尘爆炸特性研究 ２. １ 粉尘云最低着火温度 在环境温度为２０ ５℃、喷粉压力为 ０. ０８ ＭＰａ 的条件下,分别对粒径小于 ７５ μｍ 和 ４８ μｍ 的 石松子粉进行测试。 通过改变石松子粉浓度来测量 粉尘云的最低着火温度,每组试验重复 １０ 次。 在任 一粉尘浓度下,粉尘云最低着火温度介于连续 １０ 次 试验均未发生着火时的温度和连续 １０ 次试验至少 有一次着火时的温度之间。 若温度高于 ３００ ℃,则 应该减去 ２０ ℃；若不高于 ３００ ℃,则应该减去 １０ ℃,最后作为粉尘云的最低着火温度被记录下 来[１４]。 不同浓度下粉尘云在不同温度下的着火试 验结果如表 １。 由表 １ 分析得到 １ 对于粒径小于７５ μｍ 的粉尘,在试验温度为 表 １ 粉尘云着火温度测试 Ｔａｂ. １ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｄｕｓｔ ｃｌｏｕｄ 粉尘粒径 质量浓度 / ｇ􀅰ｍ －３ 温度 / ℃ 试验结果 过 ２００ 目筛 小于 ７５ μｍ ２５０ ５００ ７５０ ２５０ ５００ ７５０ ２５０ ５００ ７５０ ５００ ５００ ５００ ４９０ ４９０ ４９０ ４８０ ４８０ ４８０ 􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫 􀳫 􀳫􀳫 􀳫 􀳫􀳫􀳫 􀳫 过 ３００ 目筛 小于 ４８ μｍ ２５０ ５００ ７５０ ２５０ ５００ ７５０ ２５０ ５００ ７５０ ４８０ ４８０ ４８０ ４７０ ４７０ ４７０ ４６０ ４６０ ４６０ 􀳫􀳫 􀳫 􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫 􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫 􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫 􀳫 􀳫 􀳫􀳫 􀳫􀳫􀳫􀳫􀳫 􀳫 􀳫 􀳫􀳫􀳫 􀳫 注“􀳫”代表着火；“ ”代表未着火。 ４８０ ℃下,３ 种不同浓度条件下进行的 １０ 次试验均 未发生着火,说明试验温度较低,不足将粉尘引燃。 在 ４９０ ℃ 的试验温度下,质量浓度为 ２５０ ｇ/ ｍ３和 ７５０ ｇ/ ｍ３的粉尘均未着火；而 ５００ ｇ/ ｍ３的粉尘着火 ５ 次。 这是由于在２５０ ７５０ ｇ/ ｍ３范围内,质量浓度 较低时,爆炸产生的热量不足以维持火焰传播,粉尘 云不发生着火。 质量浓度较高时,单位体积内的粉 尘颗粒增加,使有效参与燃烧反应的粉尘减少,燃烧 粒子周围未参与燃烧反应的粉尘数量相对增加,吸 收部分反应热,并对炉膛内氧气流通起到一定的阻 碍作用,使粒子燃烧反应速率降低,粉尘云未被点 燃。 在质量浓度为 ５００ ｇ/ ｍ３时,粉尘被点燃多次, 发生着火概率最大,说明这是粉尘云的最佳着火浓 度。 在试验温度为 ５００ ℃时,２５０ ｇ/ ｍ３的粉尘着火 ０ 次、７５０ ｇ/ ｍ３的粉尘着火 ３ 次、５００ ｇ/ ｍ３的粉尘全 部发生着火。 因此,粒径小于 ７５ μｍ 的粉尘云最低 着火温度在 ４６０ ４７０ ℃范围内。 ２ 对于粒径小于４８ μｍ 的粉尘,在试验温度为 ４６０ ℃时,３ 种不同质量浓度条件下进行的 １０ 次试 验均未发生着火。 在 ４７０ ℃的试验温度下,质量浓 度为 ２５０ ｇ/ ｍ３的粉尘着火 ２ 次、７５０ ｇ/ ｍ３的粉尘着 火５ 次、５００ ｇ/ ｍ３的粉尘着火８ 次,这说明质量浓度 在 ２５０ ７５０ ｇ/ ｍ３范围内,存在一个最佳着火浓度。 在 ５００ ｇ/ ｍ３时,着火次数最多,发生着火的概率最 大,表明该质量浓度为粉尘最佳着火浓度。 在 ４８０ ℃的试验温度下,质量浓度为 ２５０ ｇ/ ｍ３的粉尘着火 􀅰７１􀅰２０１４ 年 １２ 月 石松子粉尘爆炸危险性及抑爆研究 彭于怀,等 ８ 次、５００ ｇ/ ｍ３和 ７５０ ｇ/ ｍ３的粉尘全部发生着火。 因此,粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘云最低着火温度在 ４４０ ４５０ ℃范围内。 由以上分析可知,粒径小于 ７５ μｍ 和粒径小于 ４８ μｍ 粉尘的粉尘云的最佳着火质量浓度均为 ５００ ｇ/ ｍ３。 粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘云着火温度比粒径 小于 ７５ μｍ 的粉尘云着火温度更低,主要原因是粉 尘的燃烧主要在颗粒表面,粉尘粒子越小,粉尘的比 表面积越大,与空气接触更充分,反应更完全。 此外 粉尘粒子越小,相同体积内的粉尘粒子数增加,有效 参与反应的粉尘颗粒增加,产生的热量更多,反应更 加剧烈,使最低着火温度降低,粉尘更容易被点燃, 发生粉尘爆炸的潜在危险性增加。 ２. ２ 粉尘云爆炸压力和爆炸指数 试验环境温度２０ ５℃,喷粉压力 ２. ０ ＭＰａ, 点火能量为１０ kＪ,喷粉后点火延时６０ ｍｓ。 试验前, 需对点火能量为 １０ kＪ 的点火具进行爆炸压力空白 试验,先将爆炸罐内气压抽到 － ０. ０６ ＭＰａ,在不加 粉尘的条件下,喷粉后,球罐内的气压逐渐升高,当 刚好达到一个大气压时压力为 ０. ００ ＭＰａ,引燃化 学点火具,点火具产生的压力为 ０. １０ ＭＰａ。 在粉尘 质量浓度为 １２５、２５０、５００、７５０、１０００ 和 １２５０ ｇ/ ｍ３ 的条件下,对粒径小于 ４８ μｍ 粉尘进行爆炸压力和 爆炸指数测试,同时与本课题组已发表的文献[１３] 上的粒径小于 ７５ μｍ 的粉尘相应质量浓度的爆炸 压力和爆炸指数相比较,结果如图 １ 所示。 １ － 试验值粒径小于 ４８ μｍ 爆炸压力曲线； ２ － 文献值粒径小于 ７５ μｍ 爆炸压力曲线； ３ － 试验值粒径小于 ４８ μｍ 爆炸指数曲线； ４ － 文献值粒径小于 ７５ μｍ 爆炸指数曲线 图 １ 不同粒径粉尘爆炸压力和爆炸指数随 质量浓度的变化关系 Ｆｉｇ. １ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｄｅｘ ｆｏｒ ｄｕｓｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ 分析图 １ 可知,对于粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘, 粉尘质量浓度为 １２５ ｇ/ ｍ３时,爆炸压力为 ０. ４４ ＭＰａ,爆炸压力在质量浓度为 ５００ ｇ/ ｍ３时达到其最 大值为 ０. ７５ ＭＰａ。 在 １２５ ５００ ｇ/ ｍ３范围内,爆炸 压力的增长速率较快。 若进一步增加粉尘质量浓 度,爆炸压力则开始逐步降低。 比较图中 １、２ 两条 曲线可知,与文献[１３]中粒径小于 ７５ μｍ 的粉尘相 比,在任一质量浓度下,粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘产 生的爆炸压力更大。 对于粒径小于 ４８ μｍ 的石松子粉,在质量浓度 为 １２５ ｇ/ ｍ３时,爆炸指数为 １５. ７５ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ；在质 量浓度为 ７５０ ｇ/ ｍ３时达到最大爆炸指数 ２２. ６１ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ。 在一定的质量浓度范围内１２５ ７５０ ｇ/ ｍ３,爆炸指数随着粉尘质量浓度的增加而急速 上升。 此后进一步增大粉尘质量浓度,爆炸指数开 始逐步降低。 同文献[１３]中粒径小于 ７５ μｍ 的最 大爆炸指数１７. ２０ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ相比,粒径小于 ４８ μｍ 的最大爆炸指数更大,粉尘爆炸的剧烈程度更 强。 粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘最大爆炸指数为 ２２. ６１ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ,根据 ＩＳＯ６１８４１１９８５ 危险性分级标 准规定,其危险性应为Ⅱ级。 粒径小于 ４８ μｍ 石松子粉尘的最大爆炸压力 和最大爆炸指数均大于文献[１３]中粒径小于７５ μｍ 粉尘,危险性等级也增加了一级。 这可能是因为粒 径小的粉尘比表面积较大,与氧气接触充分,爆炸燃 烧较易发生,燃烧反应剧烈,单位时间内产生的热量 更多,爆炸压力增大,剧烈程度增加。 因此,粒径小 的石松子粉,爆炸过程中产生的爆炸压力和爆炸指 数更大,其破坏性和危险性也进一步增加。 ３ 石松子粉的抑爆研究 ３. １ 惰性粉体对石松子粉尘爆炸的影响 粉尘抑爆主要方式是添加高效抑爆剂,在粉尘 爆炸发生的过程中,能够有效吸收粉尘爆炸产生的 热量,使爆炸区域内的温度降低,阻碍火焰的传播和 蔓延,起到抑制粉尘爆炸和降低粉尘爆炸强度的作 用。 因此,粉尘的抑爆研究对于有效预防和控制工 业粉尘爆炸事故具有重要的意义。 对工业粉尘而言,无机盐粉体具有较好的抑爆 效果。 本试验主要从粉尘源着手,采用抑爆法比较 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４对石松子粉的抑爆效果。 添加抑 爆剂后,粉尘爆炸压力及其爆炸压力上升速率的下 降幅度,分别用 Δω 和 Δυ 来表示,如式２和式３ 所示 Δω ＝ ｐｍ１－ ｐｍ０ ｐｍ０ １００％；２ Δυ ＝ Ｋｍ１－ Ｋｍ０ Ｋｍ０ １００％。３ 式中Δω 和 Δυ 分别指添加抑爆剂后粉尘的爆炸压 􀅰８１􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４３ 卷第 ６ 期 力和爆炸指数的变化率；ｐｍ０和 Ｋｍ０分别指无抑爆剂 存在条件下粉尘的爆炸压力ＭＰａ 和爆炸指数 ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ；ｐｍ１和 Ｋｍ１分别指添加抑爆剂后的粉尘 爆炸压力ＭＰａ和爆炸指数ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ。 用 ２０ Ｌ 球测试装置,分别研究了外加 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４对粒径小于 ７５ μｍ、 质量浓度为 ５００ ｇ/ ｍ３的 石 松 子 粉 的 抑 爆 效 果, 其 中 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４均小于 ７５ μｍ。 试验中石松子粉的质量 一定,外加的抑爆剂相对于石松子粉的质量分数分 别为 ０、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％。 试验结果见 图 ２ 和图 ３。 图 ２ ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４添加量对 石松子粉爆炸压力的影响 Ｆｉｇ. ２ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＯ２ａｎｄ ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ｐｏｗｄｅｒｓ ｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｌｙｃｏｐｏｄｉｕｍ 图 ３ ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４添加量 对石松子粉爆炸指数的影响 Ｆｉｇ. ３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＯ２ａｎｄ ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ｐｏｗｄｅｒｓ ｏｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｌｙｃｏｐｏｄｉｕｍ 由图 ２ 和图 ３ 可知,当 ＳｉＯ２的相对质量分数为 ２０％时,爆炸压力和爆炸指数相对于无添加下的下 降幅度分别是 ２３. ０％ 和 ２２. ８％。 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的相 对质量分数为 ２０％时,爆炸压力和爆炸指数相对于 无添加下的下降幅度分别是 ３０. ７％ 和 ３０. ９％。 当 ＳｉＯ２的相对质量分数为 １００％ 时,爆炸压力和爆炸 指数相对于无添加下分别下降 ７３. ３％ 和 ８０. １％。 当 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的相对质量分数为 １００％ 时,爆炸压 力和爆炸指数相对于无添加下分别下降 ７９. ８％ 和 ８３. ２％。 随着 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４在样品混合物中 添加量的逐渐增大,石松子粉的爆炸压力和爆炸指 数均不断降低,说明 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４对石松子粉 的抑爆作用均有较为明显的效果。 在相同的添加量 下,ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的爆炸压力和爆炸指数均比 ＳｉＯ２的 爆炸压力和爆炸指数小,可知添加 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４后石 松子粉粉尘爆炸的爆炸压力和爆炸指数下降幅度均 比 ＳｉＯ２的大。 对比两种抑爆剂的抑爆效果,可知相 对于 ＳｉＯ２,ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４具有更好的抑爆效果。 ３. ２ 惰性粉体的抑爆机理 ＳｉＯ２并不参与燃烧爆炸反应。 一方面,它通过 吸收粉尘爆炸释放的热量[１５],使爆炸温度降低,延 缓燃烧爆炸反应速率,由于部分反应热被 ＳｉＯ２所夺 走,导致火焰温度下降,使火焰传播蔓延的能力降 低；另一方面,ＳｉＯ２增加了氧气在粉尘爆炸反应过 程中传递阻力,这等同于增加反应罐中局部粉尘的 浓度,使石松子粉浓度大于其爆炸上限[１６],让部分 粉尘不能有效地参与燃烧爆炸反应。 此外由于石松 子粉燃烧爆炸过程中产生的部分自由基与 ＳｉＯ２颗 粒表面碰撞而消耗,降低了参与爆炸链式反应的自 由基,中断了部分链式反应。 这些都会使石松子粉 尘的爆炸压力和爆炸指数降低,进而达到抑爆效果。 该抑爆机制是物理抑爆。 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４比 ＳｉＯ２具有更好的抑爆效果,原因 是 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４抑爆机制是物理-化学混合抑爆[１７]。 在高温环境下,ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４粉体会大量吸收周围的 热量,发生如下反应 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４→ＮＨ３↑ ＋ Ｈ３ＰＯ４；４ ３Ｈ３ＰＯ４→Ｈ４Ｐ２Ｏ７＋ ＨＰＯ３＋２Ｈ２Ｏ↑；５ Ｈ４Ｐ２Ｏ７→Ｐ２Ｏ５＋２Ｈ２Ｏ↑；６ ２ＨＰＯ３→Ｐ２Ｏ５＋ Ｈ２Ｏ↑。７ ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的物理抑爆机制主要有以下几个方 面 一是上述每步反应都会吸收石松子粉燃烧爆炸 反应放出的较多的热量,并产生水蒸气,起到冷却降 温作用,使爆炸区域温度降低,从而减缓了爆炸反应 速率, 降 低 燃 烧 爆 炸 反 应 的 猛 烈 程 度, 即 是 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的分解冷却作用； 二是分解生成的 Ｐ２Ｏ５惰性氧化物,热稳定性较 好,覆盖在石松子粉颗粒表面,起到热屏障的作用, 通过阻隔热量的传递和降低与 Ｏ２的接触来有效阻 止爆炸的发展以及火焰的传播,即 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的分 解阻隔传导作用； 三是 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４分解产生大量的水蒸气和惰性 气体ＮＨ３,能够稀释氧气浓度,能够减缓可燃物质 􀅰９１􀅰２０１４ 年 １２ 月 石松子粉尘爆炸危险性及抑爆研究 彭于怀,等 的燃烧速率,即 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的分解稀释作用。 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的吸热分解是物理抑爆的主要形 式。 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４化学抑爆机理为ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４通过吸 热分解产生 Ｎ、Ｐ 等活性原子,与石松子粉爆炸反应 产生的 Ｏ 和 Ｈ 自由基或其他活性基团作用而终止 链反应,使参与燃烧爆炸反应的自由基数量急剧减 少,从而中断反应链,起到抑制爆炸的作用 Ｎ ＋３Ｈ 􀅰 →ＮＨ３；８ ２Ｐ ＋５Ｏ 􀅰 →Ｐ２Ｏ５。 ９ 由于球形密闭容器内存在大量的 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４, 石松子粉燃烧爆炸反应产生的自由基与 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ 粉体表面碰撞而被吸附,使得有效参与燃烧爆炸反 应的自由基减少,中断了部分链式反应,从而整体的 反应 速 率 降 低, 起 到 抑 制 爆 炸 的 作 用。 由 于 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４的物理-化学混合抑爆机制,使其能够有 效地降低对石松子粉的爆炸压力和爆炸指数。 因而 添加 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４后对石松子粉尘爆炸的抑制效果要 好于 ＳｉＯ２。 ４ 结论 １对于过 ２００ 目筛粒径小于 ７５ μｍ的粉尘 云,最低着火温度在 ４６０ ４７０ ℃范围内。 过 ３００ 目 筛粒径小于 ４８ μｍ 的粉尘云最低着火温度在 ４４０ ４５０ ℃范围内。 说明粒径小的石松子粉最低 着火温度更低,随着粉尘粒径的减小,粉尘的比表面 积增大,与空气接触更充分,发生粉尘爆炸的潜在危 险性更大。 ２过３００ 目筛的石松子粉爆炸压力在粉尘质量 浓度为 ５００ ｇ/ ｍ３时达到其最大值为 ０. ７５ ＭＰａ。 过 ３００ 目筛的粉尘的最大爆炸压力比过 ２００ 目筛的更 大,产生的爆炸强度和破坏力也更大。 过 ３００ 目筛 的粉尘,在粉尘质量浓度为 ７５０ ｇ/ ｍ３时达到最大爆 炸指数 ２２. ６１ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ,粉尘爆炸危险性等级为Ⅱ 级。 与过 ２００ 目筛的粉尘相比,过 ３００ 目筛的粉尘 最大爆炸指数更大,危险性等级更高。 说明粒径小 的石松子粉尘,发生粉尘爆炸危险性越高,产生的破 坏力越大。 ３随着 ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４在样品混合物中添 加量的逐渐增大,石松子粉的爆炸压力和爆炸指数 均不断降低,ＳｉＯ２和 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４对石松子粉的抑爆 作用均有较为明显的效果。 ＳｉＯ２属于物理抑爆机 制,而 ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４属于物理-化学混合抑爆机制。 相 对于 ＳｉＯ２,ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４具有更好的抑爆效果。 参 考 文 献 [１] Ｅｃkｈｏｆｆ Ｒ Ｋ. 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Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ, ２１３０００ ③Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ＭａｔｅｒｉａｌｓＪｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ, ２１００９４ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｏｎ ｌｙｃｏｐｏｄｉｕｍ ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｈａｚａｒｄｓ, ｔｈｅ ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ Ｇｏｄｂｅｒｔ-Ｇｒｅｅｎｗａｌｄ Ｇ-Ｇ ｆｕｒｎａｃｅ ａｎｄ ａ ２０ Ｌ ｓｐｈｅｒｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｕｎｉｔ, ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｌｙｃｏｐｏｄｉｕｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｍｏｒｅｏｖｅｒ,ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＳｉＯ２ａｎｄ ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ｏｎ ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｄｕｓｔ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ, ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ, ａｎｄ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｈａｚａｒｄｓ. Ｄｕｓｔ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｉｎ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ４８ μｍ ａｔ ａ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ７５０ ｇ/ ｍ３ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ２２. ６１ ＭＰａ􀅰ｍ/ ｓ, ｗｈｉｃｈ ｒａｎkｓ ａ ｇｒａｄｅ Ⅱｅｘｐｌｏ- ｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｓk ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｇｒａｄｅ ｏｆ ｈａｚａｒｄ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｈｅ ｄｕｓｔ ｓｉｚｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ７５ μｍ. Ａｄｄｉｎｇ ＳｉＯ２ａｎｄ ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ｃａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｌｙｃｏｐｏｄｉｕｍ ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘ, ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｕｐ- ｐｒｅｓｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ａｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ＳｉＯ２. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｌｙｃｏｐｏｄｉｕｍ； ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ； ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ； ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘ； ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｕｐ- ｐｒｅｓｓｉｏｎ 􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒􀤒 􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎 􀤎􀤎 􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎􀤎 􀤎􀤎􀦎 􀦎 􀦎 􀦎 文 摘 １ 碳/ 硝酸钾Ｃ/ ＫＮＯ３点火剂的研究 火工品，２００１２，３１-３２中文 对碳/ 硝酸钾点火剂和黑火药的理化性能和输 出特性作出了对比研究，并对该点火剂的适用性进 行了讨论和预测。 ２ 铅-硼Ｐｂ-Ｂ点火剂的成分测定 火工品，２００１２，３８-３９中文 用分离法和络合滴定法进行了铅-硼点火剂的 成分测定。 相对偏差为 ０. １７％ ０. ３０％，回收率为 ９９. ４％ １００. ３％。 ３ 雷管用延期药 捷克专利，ＣＺ２８７３２２，２０００ 年 １０ 月 １１ 日，共 ３ 页捷克文 电雷管和非电雷管的延期药中分别含有硅铬铁 ｆｅｒｒｏｓｉｌｉｃｏｃｈｒｏｍｉｕｍ４０％ ６０％、Ｐｂ３Ｏ４４０％ ６０％