潘功配
(南京理工大学210094)
第12章烟花爆竹安全与环保原理（连载1)
烟花爆竹的安全与环保是烟花爆竹行业发展的技术 瓶颈。烟花爆竹的安全与环保，既涉及到烟花爆竹从业 人员自身的生命财产与健康，更涉及到社会他人的安 全、健康和幸福烟花爆竹的安全与环保问题，大至人 命关天，小至经济损失，因此其重要性是不言而喻，老 少皆知解决好烟花爆竹的安全与环保问题，是全世界 人们的共同心愿。
12.1烟花爆竹安全与环保的概念
安全，意指“无危则安，无缺则全”，此乃安全。安全，意味着不危险，表明人们在所有社会活动过程中 不发生人员的伤亡、财产的损失、健康的损害和环境的 危害等。
环保，即对环境的保护人类生存的地球环境只有一个，既要开发利用（烟花爆竹属消遣娱乐），又不能 造成对地球生态环境的污染破坏。保护环境是人类自身 赖以生存的需要，此乃之伟业。
烟花爆竹的安全与环保，既涉及到烟花爆竹从业人 员自身的生命与财产，更涉及到社会他人的安全、健康 和幸福。烟花爆竹的安全与环保问题，大至人命关天，小至经济损失，因此其重要性是不言而喻，老少皆知烟花爆竹的安全与环保，归纳起来说是涉及到两个 方面的问题。一是烟花爆竹自身技术的安全与环保特性 问题；二是与烟花爆竹打交道的人的影响因素问题烟花爆竹自身技术问题，涉及到从源头上的烟火药剂配方 安全环保，一直到产品安全制造、绿制造及其使用安 全环保标准化。而与烟花爆竹打交道的人的影响因素问 题，是说人的意识与行为的影响，它可以说是烟花爆竹 安全与环保的第一要素。 关于安全，烟花爆竹作为易燃易爆危险品，其不安 全因素是客观存在，但并不等于说烟花爆竹安全事故不可避免多数情况下，烟花爆竹安全事故的发生是由于 人的影响因素所为。.如人缺乏烟火安全知识，安全经验 不足，未掌握客观规律，导致了事故的发生；或人主观 上麻痹大意，忽视安全，出现了事故；或人不尊重科 学，瞎指挥，酿成事故或人管理混乱，违章作业，发生 事故等：我们不妨从以下的事故，看看人的因素在烟花 爆竹安全中的作用与影响。
2000年3月11日，某省某县某厂在使用氯酸钾含量超标的情况下，配药工违反操作规程摩擦起火引起火药爆炸，死亡33人，伤12人，其中重伤2人 2000年月30日，某省某市某厂装配工气钉打错位置引燃火箭，发生特大爆炸事故，死亡37人，重伤12 人
2001年10月18日，某省某市某县鞭炮厂，在大组花工作间内装填烟花药饼，工人操作不当，导致药饼受到摩擦与冲击而引发爆炸，造成9人死亡，1人失踪，1人重伤，10人轻伤。
2004年川月4曰，某省某市某县花炮厂装药、压纸片的工人违规操作产生火花，瞬间引爆了厂房内的火药以及半成品造成37人死亡、52人受伤
2 0 05年9月15日，某省某市某县花炮厂（个 体），因混药工违规操作引发爆炸，又因花炮厂擅自改变工房用途导致连环爆炸，造成13人死亡、4人受伤：2(>06年1月29日下午，某省某市某花炮公司的仓库发生爆炸，造成16人当场死亡，多人受伤，原因是有人在燃放鞭炮时，引燃了附近的一个已停产的鞭炮厂存放鞭炮和其他物品的仓库，造成爆炸
2(107年3月12曰，某省某市某乡村民在家中非法组织生产烟花爆竹，并使用禁用氯酸钾药物，造成爆炸，5人当场死亡，1人受伤…
上述事故案例，足以说明人的影响因素是导致烟花 爆竹不安全的第一要素。由此也反映出，烟花爆竹自身 技术层面上的不安全因素主要体现在原材料使用的不合
30U'、炮计技与布場第二十八卷总第1〇6期2021年第1期
理，药剂组成和配方的不科学，生产工艺的落后，安全 管理跟不上生产的需求，从而造成了生产、r
存、运 输、燃放安全事故不断，
关于环保，现有技术的烟花爆竹燃放时会产生出 PM10、PM2.5可吸颗粒物二氧化硫、氮氧化物、一氧化 碳和重金属粒子，对环境空气造成污染，这是不容争辩 的事实。大量燃放烟花爆竹时，空气中可吸人颗粒物、二氧化硫、氮氧化物浓度会迅速增加，人们会普遍感到 有强烈的刺激性气味，呼吸闲难此外，烟花爆竹燃放 还带来噪声污染。监测结果表明，在除夕夜23时至凌晨 1时，噪声值高达95HB，最高时达130dB，相当于波音 747客机发动机所发出的噪音，
近年来，雾S天气增多，空气质量下降，解决环保 问题迫在眉睫：因此，烟花爆竹燃放导致的环境污染问机，也给烟花爆竹行业带来很多不幸，国内外多起烟火 安全事故就与KC10，有关。
为了弄清KC10，自身的爆炸性问题，我们对化学纯 和工业级的KC10，进行了差热分析，其结果见图12-1和 图12-2。由图12-1可见，化学纯KC10，的DTA曲线在 3621(处于KC10.，熔点370T：附近）时有吸热峰（熔 化），在475 t时有放热峰（分解）。由图12-2可 见，工业级KCIO，的DTA曲线吸热峰在350T：处，放热峰 在362T处，丁业品KC10，放热峰较之化学纯提前了一百 余度=这一实验结果说明两点：一是KC10，出现放热峰，说明KC10，自身含有爆炸导体，有爆炸的可能；二是工业 品的KC10，较之化学纯的KCIO，安全性差，就其原因来 说，工业品KC10，杂质含量较之化学纯的高，杂质会使 KC10，晶格松弛，并造成裂缝或缺陷，从而提高了反应
题不容忽视。目前，世界各国已对进口烟花爆竹提出了 环保要求。如德国进口烟花爆竹除对其引火线、燃烧时 间、上升高度等作出规定外，更重要的是所有产品都要 获得环保许可；又如美国国家消费者安全委员会(CPSC )授权美国烟花标准实验所（AFSL )对进口烟 花爆竹严格检验禁用药物；日本除对进口烟花爆竹药物 成分严格限制外，还要求噪声要低，产品材料在自然条 件下能降解，可见，烟花爆竹的环保日益凸显
烟花爆竹的环保概念不像烟花爆竹安全那样为人们 所熟知、所重视。现阶段烟花爆竹环保概念应该是，首 先要实现微烟/无烟化，减少碳排放，使PM10, PM2.5颗 粒物降至最低；其次是实现无毒、无味、无揸，降低噪 音；最终是实现烟花爆竹全行业的环保化，即以 ISO14001环境管理体系认证为口标，从环保的烟花爆竹 设计到生产全过程，从运输到储存，从燃放到废弃物的 环保处理，从供货方到产品流通服务，全方位防止和减 少污染的产生和排放。
12.2烟花爆竹安全原理
欲使烟花爆竹安全，了解烟火药的危险性机理、积 极开展钝感药剂的研究，科学的开展安全管理和正确的 作出烟火药危险性评价与分类，是十分必要的：
12.2.1烟火药的危险性机理
我们以含KC10，烟火药为例来了解烟火药的危险性 机理。
KCI0，自1786年问世以来，既给烟花爆竹带来生性。
我们再来看看含KC10，烟火药的危险性，含1〇：103的 烟火药的危险性是众所皆知的。KC103与还原剂混合后即 为一种危险的爆炸物：KC10，与有机物、硫磺、硫化物、酸类或其他易氧化的物质混合后，受热或受到撞击和摩 擦均能发生强烈燃烧或爆炸。KC10，甚至在碾磨或过筛时 其粉尘与工房内外的灰尘混合后都会发生燃烧或爆炸。
含KC10，烟火药危险性的内在因素是KCI0，化学性质 上的低熔点（ 3701)和低分解温度，且在分解反应过 程中为放热反应，它的自放热的热输出可以加速烟火药 的反应速率，并使得含KC10，烟火药能以很低的外部能量 输人（如点火刺激等）而反应（燃烧或爆炸）。含 KC10，烟火药对各种化学物质相当敏感，一滴浓H2S04加 到含KC10，的烟火药中，立即引起着火燃烧，这是因为酸 的加人使含KCI0，的烟火药会生成C10：和氯酸，它们是比 KC10，更为活泼的氧化剂含KC10，烟火药中的KC10，在一 定温度和酸度条件下也能分解生成C10；和氯酸，所以含 KCI0，的烟火药长贮性较差。
含KC10，的烟火药机械敏感度普遍高，发火点（热 敏感度）亦低。表12-1为含KC10，烟火药的机械敏感度
第二十八卷总第1〇6期2〇21年第1期Y、地奸技•^湯丨3
1
柔性线路
和发火点。
表12-1含KCIO ，烟火药的机械敏感度和发火点
k c i o 3
«%、撞击感度<%)
摩擦感度<%、
点火点〃C 、备注
137482254 土 5
16.77688241 土 5
(D 还原剂中包含硫20.07696225 ±5
©撞山感丨S »*10k g.28.692100222 ±5
落商 Q 50±l 、mm 33.3100100218±5
(D 摩擦感度挖神60°、42.010******* 土 5
IK/J 145.2MPa 58.8
100
100
240±5
由表12-1可见，随KCIO ，含量增大，机械敏感度增高。
A . A . Shidlovskiy 研究了含KC 10，烟火药的爆炸性 能。他指出，KC 103，含量超过60%时，含KC 1C V 烟火药不 仅爆炸反应容易激发，而且爆炸尚能很好地传播，其结 果见表12-2。
表12-2 KCI 0，和各种可燃物的混合物的爆炸示性数
可燃物
药剂中可燃物的含量
爆轰速度试验
t
%^
金桥通联轴器药剂密度
爆轰速度《m /s 、
硫磺28 1.361600木炭13 1.271620木粉250.92600石墨13 1.44500铝粉
25
0.9
1500T N T
6700
基于上述，我们冉来看看含KCIO ,-S -AI -Sh 2S ，爆竹烟 火药的安全性。
烟花爆竹生产中常采用KC 10,-S -A 1制造电光鞭，为 了进一步提高鸣爆率，经验的制造者往往再添加 (易于点火），这就构成了含KC 10,-S -Al -Sh 2S ，的爆竹 用烟火药。
含KC 10,-S -Al -Sll 2S 3的爆竹烟火药极不安全，对其 进行差热分析，DTA 试验曲线如图12-3、图12-4、图 12-5和图12-6所示。图 12-2、图12-4、图12-5、图12- 6为该药剂的原材料DTA 试验曲线。
440*C
图12-3含KCIOj -S —AI —Sb 2S 3爆竹用烟火药图12-4含Sb 2S 3(化学纯）DTA 曲线
依据（美）Hnnywell 公司所提出的差热分析方法来
判定其相容性，得到表12-3中的结论：因此，含ic a o ,- S -A 1-S …2S ，爆竹用烟火药是极不安全的，应禁止使用
制作交通工具图12-5 AI 粉(片状)D T A 曲线 图12-6 S 粉(工业级)D T A 曲线
表12-3 K a 〇,_S -Al -Sh 2S ，爆竹烟火药的相容性
图号药物名称
吸热峰（t
)放热峰（t
)结论
12-2k c i o
3 (工业品）一• 一，
350一，一，
362
12-6S (工业品）60, —
, 119, 180-
12-5AI (片状}—，一,312—,—,570
12-4S b 2S 3
—
,
—,160
—
,
384 , 440
12-3
KCI 03-S -AI -Sb 2S 3
55, 102, 120, 160215,310,345
不相容，危险
综上所述，KC 10，自身的化学危险性应该说在其分 解温度以下不具备爆炸性，而在高温即超过熔点达到分 解温度时，KCI 0,tq 身就具有爆炸性KC 10，中杂质含量 是影响KCI 0，安全性的重要因素，在选用以KCI 0，作氧化 剂时应充分注意到其化学纯度：含KC 10，的烟火药机械敏 感度高，发火点低，且随着KC 10，含M 的增大安全性大大 降低鉴于含KC 10，的烟火药的危险性GB 10631—2013已
明确规定一般烟花爆竹产品不得使用KC 10,(烟雾、摩擦 的过火药、结鞭爆竹中纸引和擦火药头除外）。
12.2.2纯感烟花爆竹药剂研究原理
钝感药剂研究在军用火、烟火药中开展得很普 遍，但钝感的烟花爆竹药剂研究却起步较晚。鉴于
此， 目前烟花爆竹钝感药剂研究应侧重于对钝感作用机理的 了解和最基础的药剂配方材料筛选与药剂的包覆技术研究。
了解钝感药剂的钝感机理，对烟花爆竹药剂的钝感 研究具有实际意义只有根据不同钝感剂的钝感作用机 理，选择合适的钝感包覆材料和方法，才能开发研究出 高安全性、低感度的钝感烟花爆竹药剂由于烟花爆竹 药剂的钝感研究文献资料较少，我们只能借助研究 成果来谈钝感机理。
在生产、运输和使用过程中常遇到跌落、碰 撞、挤压或摩擦等机械力的作用，正常情况下这些作用
32丨Y 、地计技与啐碭第二十八卷总第106期2021年第1
期
的速度都不大，即便是把全部机械能转化为热能，也远不能把药剂引爆，然而往往意外的燃烧与爆炸还是发生。针对这一现象，在广泛实验的基础上，研究人员提出了热点起爆机理。在机械力的作用下，分子或晶体间的运动，导致了的局部加热，形成热点，而后热点在体相中不断地扩大、传播，最终引起了全部的爆炸。该爆炸是以快速燃烧和燃烧向爆轰转变(D D T)方式而实现的。，在传播过程中，热点以高温火球方式或以平板式热爆炸机理进行传播，即的爆炸要经历一
个热点的形成与热点的传播过程。由此机理推出，只要想办法阻止爆炸过程或爆炸过程中的某个环节，就能阻止爆炸的发生，即达到钝感的目的。
依据上述钝感机理，有人对六硝基六氮杂异伍兹烷选用石蜡作钝感剂，石蜡包覆颗粒后，降低了撞击晶体颗料之间的摩擦作用；同时，石蜡的熔点较低，易于吸热熔化，有助于降低晶体内的热的积累，从而降低了热点产生的概率；另外，易流动的石蜡在流动中能吸收其热量，阻止热量的传播，降低热点的传播率，从而达到钝感的效果。这就是所谓的吸热钝感机理。实验测试表明，石蜡包覆后的撞击感度明显下降。根据石蜡的吸热钝感机理，人们在感度非常高的P B X中加少量石蜡可明显的起到降感作用。
除吸热钝感外，还可以利用绝热来钝感。在中添加绝热物质也可以起到阻止热点传播的作用，将石墨添加在中即能起到钝感作用。石墨为层状结构，是 润滑剂，当有外力作用时，可以减少颗粒间的摩擦以及与周围介质间的摩擦，使中的应力均匀分布，还能使摩擦产生的热基本上集中在石墨层中，减少r热点产生的可能性。石墨同时能够起到绝热屏蔽作用，减缓未反应的热分解，从而阻止热点的传播，阻止由燃烧转变为爆炸。
近年来的发展，一种以自由基理论为基础的钝感理论，颇受人们的重视。该机理认为燃烧与爆炸的实质是自由基的相关反应过程。在外界冲击下发生爆炸的过程为：冲击通过----压缩、加热和切
变-----错位、自由基化或离子化一一起爆点一一分解反应开始—爆炸。由此可见，要实现的钝感，最重要的就是必须抑制自由基的出现，即使出现也必须想办法把它“扼杀”。抑制自由基出现和“扼杀”自由基的办法就是往中加吸气剂，以此预防自由基的出现和捕获已经出现的自由基，终止链反应，实现的钝感。这 是从微观角度抓住燃烧与爆炸的本质，采用化学的方法来研究与设计低易损性。有人据此作了相关研究，以（R D X)为主体开展了“吸气剂”钝感作用试验。选择硬脂酸和顺丁橡胶作为“吸气剂”对R D X进行包覆，结果表明“吸气剂”能明显降低和减弱R D X的自 由基信号，其中硬脂酸的“吸气剂”效果比顺丁橡胶更为明显。
上述的钝感机理研究成果，适用于烟花爆竹钝感药剂研究。目前烟花爆竹药剂钝感研究，在药剂配方材料筛选与药剂的包覆技术研究方面也取得了一定进展。如传统的爆音剂以氯酸钾65%、雄黄35%为配比，敏感度极高，摩擦感度为100%，采用高氯酸钾替代氯酸钾和采用镁铝合金粉或铝银粉替代雄黄后的配方，如高氯酸钾71%、镁铝合金15%、铝粉14%的爆音剂，冲击与摩擦感度由原来的1〇〇%降低到80%以下；笛音剂敏感度高，使用苯二甲酸氢钾使药剂的摩擦感度得到下降，苯二甲酸氢钾28%、高氯酸钾64% ~ 70%、酚醛树脂4%~ 8%笛音剂的冲击感度为96%，摩擦感度为12%，比 原有的笛音剂钝感。采用石蜡油、硬脂酸等对药剂包覆可使药剂钝感，同时也可减少水分吸入而防潮。有试验研究表明，采用聚硫橡胶代替淀粉作粘合剂时，不仅感度下降，而且烟花效应更佳。英国哈德斯菲尔德焰火公司用酚醛树脂和高氯酸钾制备出代替的安全药剂，可挤压制成所需要的形状，性能稳定，安全性好，成本低。
值得一提的是，以硝酸钡替代氯酸钾作氧化剂已研究成功。硝酸钡是烟花爆竹中常用氧化剂，与现有的烟花用原材料相容，价廉，化学性能稳定，因热分解为吸热反应，故而以硝酸钡为氧化剂的烟火药机械敏感度不高，安全性好。若以硝酸钡替代氯酸钾作氧化剂，就安全性来说是一种安全的氧化剂。但硝酸钡存在熔点(592尤）高，而氯酸钾熔点低（ 3701)，同等条件下硝酸钡药剂反应活性和点火可靠性远不及氯酸钾药剂，加之硝酸钡的密度（3.29g/c m3)较氯酸钾的密度(2.12g A V)大，装药存在分层现象，影响产品质量。为此，开展了提高硝酸钡反应活性和降低硝酸钡密度使之轻质化的改性研究。目前已研究出了一种无机盐发泡膨化法降低密度改性工艺和采用添加金属氧化物燃烧催化剂法提高硝酸钡热分解活性的活化改性工艺。改性前
第二十八卷总第1〇6期2〇21年第1期&地计技与淖場丨33
后硝酸钡原材料试样的外观形貌如图12-7所示：
垃圾分类器图12-7改性前后硝酸钡原材料试样的外观形貌
折叠浴巾架
改性前
改性后电池修复器
以改性硝酸钡配制成的爆竹药剂，经检测撞击感度 (依据标准SM/T 1731.5—2006测定）为4%，摩擦
感度 (依据标准31\/1'173丨.6—20〇6测定）为0%，吸湿性（依 据标准QB/T 1941.5—1994测定）为0.2%，爆响率（检测 方法：以100个爆竹为一组，记录爆响爆竹的数B ，换 算成爆响率；重复试验10次，以平均值为产品爆响 率）为96%，碎纸率（检测方法：以100个爆竹为一 组，记录粉碎爆竹的数目，换算成碎纸率；重复试验 10次，以平均值为产品碎纸率）92%，基本性能达到了 氯酸钾应用水平，是一种可以替代氯酸钾的安全氧化 剂。
12.2.3烟花爆竹安全管理原理
烟花爆竹安全管理，涉及到烟花爆竹的生产、经 营、运输和燃放诸多方面的安全管理。为此，中华人民 共和国国务院出台有《国务院烟花爆竹安全管理条 例），国家安全生产监督局、公安部、国标委、行业协 会等相关部门制定有法令、法规和标准，对此不再叙 述。
烟花爆竹安全管理的关键是两点：一是从源头上杜 绝事故的发生；二是万一出现事故苗头，立即将其消除 在萌芽之中。以下仅从技术上的安全管理、生产贮运中 的安全管理、安全规章制度方面作进一步的补充说明。
1.技术上的安全管理
技术上的安全管理（智力、人才略去）应体现在科 学地设计药剂配方，严格地选用合格的原材料和积极地 采用安全工艺与设备。
(1)科学地设计药剂配方：配方设计应开展理论计 算，所设计的配方在投人生产前应测定其机械敏感度、
热敏感度以及化学性等；所设计的配方在性能上尽 可能使用较安全的材料代替不安全的材料，如用高氯酸
钾代替氯酸钾，用苯二甲酸二氢押代替苯甲酸钾或没食 子酸，用树脂胶代替浆糊等。
(2)
严格地选用合格的原材料：凡选用的原材料必须
要有产品合格证书，对选用的具有合格证书的原材料， 应抽样进行理化分析；凡含重金属、水不溶物和氯酸盐 等物质超过技术指标的原材料，应禁止选用，因为它们 会增大药剂的机械敏感度，带来危险性；凡含氯化物、
钙、镁、钠盐等杂质，超过技术指标的原材料，应禁止 选用，因为它们易吸湿，会降低药剂化学性。
(3)
积极地采用安全丁.艺与设备：使用活性较大的金
属粉（如M g 粉），应采用钝化处理工艺；积极地采用能 隔离操作的具有安全措施的混药机、球磨机、造粒机、 粉碎机、振动筛等安全工艺生产设备：
2.生产P C 运中的安全管理
生产贮运中的安全管理应包括从烟火原材料到成品 加工、贮存、运输的全过程作业的安全管理。
(1)
生产中的安全管理：除管好人按安全规范作业
外，还应注意作业过程中产生的热能、机械能、电能等 激发能导致燃烧或爆炸的防范管理：对热能的防范措 施：严禁携带易燃品（香烟、火柴、打火机等）进入生 产工房；严禁在生产区及其附近吸烟；严禁使用明火
(火炕、火炉等）烘烤原材料、药剂、零部件及成品； 严禁将具有能引燃烟火药剂、零部件和成品的放热物质 带进工房；严禁用明火取暖或照明；严禁在生产区进行 燃放试验。对机械能的防范措施：在生产过程中避免具 有强烈冲击、摩擦作用的作业，一切操作必须轻拿轻 放；禁止使用铁制、石制、瓷制1：具。对电能防范措 施：主要是防止电火花和静电或雷电。
(2)
贮存中的安全管理：烟火制品在贮存中的安全，
既取决于烟火药剂的相容性，又取决于贮存中的安全规 范管理。贮存中的安全规范管理：一是要隔绝火源；二 是要防止强烈地冲击、摩擦或碰撞；三是要防潮；四是 要防鼠虫害。烟火药及其成品、半成品均应分库贮存， 不得混存，不得超量贮存
(3)
运输中的安全管理：烟火药及其产品的装卸、运
输应有专人负责；车辆运输必须有专人押车护送敏感 度不同的烟火药，应分别运输，不得混装；运输时的装 载量，机动车不得超过该车额定载重量的三分之二，人
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