7－氨基头孢烷酸粉尘爆炸特性实验研究

张金锋，刘海鑫，刘 鑫，侯利敏，郑艳敏，李春明

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018）

7－氨基头孢烷酸粉尘爆炸特性实验研究

张金锋1，2，刘海鑫1，2，刘 鑫1，2，侯利敏1，2，郑艳敏1，2，李春明1，2

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018）

选取石药集团中润制药有限公司生产的7-氨基头孢烷酸（7-ACA）粉体为研究对象，利用20 L球形爆炸测试系统进行粉尘爆炸特性实验研究。首先测定7-ACA粉体样本的粒度分布及湿度；用20 L球形爆炸装置实验测得7-ACA粉尘在2 kJ的点火能量下的爆炸下限质量浓度为18.5 g／m3，且粉尘爆炸下限随点火能量的增大呈现降低趋势；粉尘的最大爆炸压力及最大压力上升速率随着粉尘浓度的增加呈先增大再下降的规律，在775 g／m3附近达到最大值，并随点火能量的增大而增大。研究结果为中润公司及类似企业7-ACA生产车间的安全管理及防爆工程设计提供了一定的科学依据。

7-ACA；燃烧爆炸；爆炸下限；最大爆炸压力；点火能量

张金锋，刘海鑫，刘 鑫，等.7－氨基头孢烷酸粉尘爆炸特性实验研究 ［J］.河北科技大学学报，2014，35（2）：208-212.

ZHANG Jinfeng，LIU Haixin，LIU Xin，et al.Experimental research on the explosion characteristics of 7-amino-cephalosporanic-acid dust

［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（2）：208-212.

由可燃性粉尘引发的燃烧爆炸事故在国内外时有发生，造成严重的人员伤亡和财产损失，引起社会各界的广泛关注［1－4］。7-氨基头孢烷酸（简称7-ACA），分子式为C10H12N2O5S，相对分子质量为272.27，是头孢菌素关键性中间体，粉尘具有致敏性和燃爆危险性［5－6］。在通常情况下，7-ACA燃烧生成水、碳氧化物、氮氧化物和硫的氧化物，但在高温高压下燃烧的产物尚不明确。目前，所获得的国外7-ACA的安全技术说明书（MSDS）中对粉尘燃烧爆炸的规律说明不是很全面，对于我们的安全生产工作缺乏一定的指导作用［7］。

石家庄市是中国重要的制药基地，其中石药集团中润制药有限公司（以下简称中润公司）的7-ACA产量在全国排名第一，对中国头孢类药物的生产具有举足轻重的作用。中润公司采用一步酶裂解工艺制备7－ACA粉体，生产过程中在沸腾床干燥、开式沸腾床下料、磨粉机磨粉、分装等环节会产生7-ACA粉尘外露情况，存在药物粉尘爆炸的危险性。本实验以7-ACA粉体为研究对象进行粉尘爆炸特性的研究，旨在为中润公司及类似生产企业7-ACA生产车间的安全管理及防爆工程设计提供一定的科学依据。

1 实验系统及方案

1.1 实验装置

国际标准ISO 6148-1推荐使用20 L球形爆炸装置对可燃性工业粉尘爆炸极限（一般指爆炸下限），最大爆炸压力、最大压力上升速率和极限氧浓度等爆炸参数进行测定。由于20 L球形爆炸装置体积小、操作方便、实验费用低，因此实验室选用该装置进行粉尘爆炸研究已成为国际主流［8－9］。

本实验采用东北大学制作的20 L球形爆炸测试系统，测试装置包括20 L球形爆炸容器和控制与数据

采集系统。爆炸容器为不锈钢双层结构，如图1所示。容器外的底部装有可通过气体粉尘混合物的气粉两相阀，通过气动方式开启和关闭。在容器内的底部安装反射式喷嘴，可将粉尘均匀分散在爆炸容器中。

容器壁面安装有传感器，可测定喷粉进气和爆炸过程的动态压力。传感器采用美国Dytran公司制造的压电式高灵敏传感器，产品序列号为2300 V1，灵敏度为19.29 m V／psi，其测压范围为0～250 psi（1.7 MPa）。

1.2 实验原料及条件

实验所用原料为中润公司提供的某一批次的7-ACA粉体，测得该批次粉尘含湿量为0.5%。利用BT-9300H型激光粒度分析仪得到的分析结果，粉尘分布中位径为33.97μm，粒径分布如图2所示。

装置引爆火源使用化学点火头，其主要成分为锆粉、硝酸钡和过氧化钡，质量组成比为4∶3∶3，产生10 kJ能量点火头需2.4 g，相应0.24 g点火头能产生1 kJ点火能量。

是否发生爆炸与点火能量大小有关，某一浓度的

粉尘产生的爆炸压力小于粉尘爆炸判据视为不爆。爆炸判据见表1。

图1 20 L爆炸测试容器示意图Fig.1 20 L explosion test vessel

表1 粉尘爆炸判据Tab.1 Criterion of dust explosion

图2 7-ACA粉体激光粒度分析仪分析结果Fig.2 Experimental results of 7-ACA powder by laser particle size analyzer

1.3 实验方案

1）爆炸下限的测定

粉尘的爆炸下限［10］是粉尘在给定能量的点火源作用下，刚好发生自动持续燃烧的最低浓度。测定设备为20 L标准爆炸容器测定爆炸下限常用的点火具为2个1 kJ的化学点火具（EN 14034-3），或2个5 kJ化学点火具（GB／T 16425—1996）。

本实验确定采用2 kJ的点火能量来测量粉尘的爆炸下限，粉尘的初始质量浓度选取0.06 g／L，若此浓度的粉尘发生爆炸则降低粉尘浓度继续实验，质量浓度值每次减少0.01 g／L。

以2 kJ的点火能量测得的粉尘爆炸下限为初始浓度值继续进行测试，进一步分析采用10 kJ的点火能量时爆炸下限随点火能量的变化情况。

2）最大爆炸压力及最大压力上升速率的测定

一种可燃粉尘的最大爆炸压力是指在一定的粉尘浓度范围内，测得的爆炸压力Pm的最大值，记为Pmax，（dP／dt）max为该种粉尘的最大压力上升速率。

根据GB／T 16426—1996测试粉尘的最大爆炸压力及最大压力上升速率时采用10 kJ的点火能量，以2 kJ点火能量下测得的粉尘爆炸下限值为测试初始浓度，确定最大压力及最大压力上升速率。

改变点火能量的大小，分别用1～9 kJ点火能量进行测试，分析不同点火能量下粉尘的最大爆炸压力及最大压力上升速率的变化规律。

2 测试结果及分析

2.1 爆炸下限的测试结果与分析

爆炸下限（lower explosion limit，LEL）浓度C1：能够靠爆炸罐中产生的压力维持火焰传播的空气中的可燃粉尘的最低浓度。实际测试C1时，为一个小的范围（Ca，Cb）。表2描述了在某一浓度范围确定7-ACA粉尘爆炸下限的过程。

根据表1所示的粉尘爆炸判据，通过分析实验数据得出7-ACA的爆炸下限值近似为18.5 g／m3，而一般的工业粉尘的爆炸下限值介于20～60 g／m3之间，说明该粉体的爆炸下限很低，很容易发生燃烧爆炸事故。

表2 2 kJ点火能量条件下7-ACA粉尘爆炸下限测试数据Tab.2 Lower explosion limit of 7-ACA dust under the ignition energy of 2 kJ

采用10 kJ点火能量，粉尘质量浓度为10 g／m3时，最大爆炸压力为0.18 MPa，粉尘质量浓度为7.5 g／m3时，未发生爆炸。相对于2 kJ点火能量的测试结果，采用10 kJ点火能量时粉尘的爆炸下限降低，爆炸浓度域增宽，粉尘的爆炸危险性增大。

2.2 最大爆炸压力及最大压力上升速率的测定结果与分析

粉尘在接受火源能量后，粒子表面温度迅速升高，使其迅速被分馏或干馏，产生的可燃气释放到粒子周围的气相中，可燃气体与空气的混合物随后被火源引燃而发生有焰燃烧，这种燃烧通常在局部发生［11］。在采样开始时，压力曲线有短时间的上升趋势，斜率相对较小，此为局部的氧化反应所生成的可燃气体造成的。图3为10 kJ点火能量，750 g／m3质量浓度条件下的爆炸参数采样图。

火焰在传播过程中，产生的热量促使越来越多的粉尘粒子分馏或者干馏，释放出越来越多的可燃气体，使燃烧加剧，最终导致粉尘爆炸过程在瞬间完成。与单纯可燃气体的爆炸过程相比较，粉尘爆炸的持续时间较长，最大压力上升速率和下降速率的变化都相对较为缓和。压力与时间的乘积（对外做功的冲量）较大，爆炸的破坏性和对周围可燃物的烧损程度更加严重［12－13］。

采用10 kJ的点火能量，以粉尘的爆炸下限质量浓度18.5 g／m3为初始浓度值，逐渐改变粉尘浓度，实验得出不同浓度下的最大爆炸压力及最大压力上升速率。由测试结果可知，在质量浓度为775 g／m3时粉尘的最大爆炸压力为0.82 MPa，最大压力上升速率为55.91 MPa／s，该值为上升速率最大值。测试浓度按一定的浓度梯度增加时，随着浓度的增大，粉尘的最大爆炸压力及最大压力的上升速率先呈现上升趋势，在达到某一爆炸浓度后，呈下降趋势变化规律，如图4所示。

图3 10 kJ点火能量，750 g／m3质量浓度条件下的7-ACA粉尘爆炸参数采样图Fig.3 Sampled figure of 7-ACA dust explosion parameters under the ignition energy of 10 kJ and the concentration of 750 g／m3

最大爆炸压力及最大压力上升速率变化出现的拐点，理论上应该是7-ACA粉尘发生燃烧爆炸反应的最优当量比浓度，实验测得只能说明在775 g／m3附近存在这样一个点使得氧化还原反应完全［14］。

实验过程中，在粉尘浓度较低时，可以观察到密封盖表面没有粉尘烧焦的颗粒沉积，随着浓度的增高，开始有小范围结焦现象出现，当粉尘质量浓度超过1 100 g／m3时，结焦现象比较严重，而且有未发生反应的药物粉尘出现，呈现不充分燃烧状态，也充分验证了上述规律。

采用775 g／m3粉尘质量浓度进行实验，更换点火能量的大小，依次采用1～9 kJ的点火能量进行测试。随着点火能量的增加，最大爆炸压力及最大压力上升速率也随之发生变化，均呈上升趋势。如表3所示。

点火能量的增大本身造成了微小升压，粉尘燃烧过程因较大点火能量的诱导使得后续反应更为迅速和充分，这是造成压力升高的主要原因。

图4 10 kJ点火能量条件下ρ-Pmax与ρ-（d P／d t）max的变化规律Fig.4 Variation ofρ-Pmax andρ-（d P／d t）max under the ignition energy of 10 kJ

3 结 语

利用20 L爆炸球实验测得7-ACA粉体在2 kJ的点火能量下的爆炸下限为18.5 g／m3，粉尘爆炸下限随着点火能的增大呈现降低趋势。粉尘的最大爆炸压力及最大压力上升速率随着粉尘浓度的增加呈先增大再下降的规律，在775 g／m3附近达到最大值，并随点火能量的增大而增大。研究结果丰富了7-ACA的MSDS中未予解释的细节部分，为中润公司及类似企业7-ACA生产车间的安全管理及防爆工程设计提供了一定的科学依据。

对药物粉尘的燃爆特性的研究文献不多见［15］，尤其是对类似7-ACA这类致敏性药物粉尘燃爆特性的相关研究报道更少。针对致敏性药物粉尘燃爆特性的研究过程，保证实验安全显得格外重要。实验过程中，我们完善了独立通风设施，并将实验后的废气通过由无纺布密封的碱性水槽进行吸收，对排放的爆炸废物进行妥善处置，保证了实验人员及周围环境的安全。在7-ACA粉体生产工艺过程的沸腾床干燥环节，环境中含有易燃溶媒介质丙酮，形成一个丙酮蒸气与7-ACA粉尘共存的易燃、易爆环境。这种条件下，粉尘爆炸的浓度极限会大幅减低，从而增大了爆炸危险性，这将是我们后续研究的一个重点。

表3 775 g／m3质量浓度条件下不同点火能量的实验结果Tab.3 Experimental results under different ignition energies under the concentration of 775 g／m3

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Experimental research on the explosion characteristics of 7-amino-cephalosporanic-acid dust

ZHANG Jinfeng1，2，LIU Haixin1，2，LIU Xin1，2，HOU Limin1，2，ZHENG Yanmin1，2，LI Chunming1，2
（1.School of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

7-amino-cephalosporanic-acid（7-ACA）powders from Shijiazhuang Pharma Group are selected as the research object，and the explosion characteristics of 7-ACA dust are studied by the 20 L Spherical Explosion Test System.The size distribution and humidity of 7-ACA powders are measured.The lower explosive limit of 7-ACA under 2 kJ ignition energy is 18.5 g／m3by 20 L Spherical Explosion Test System，and it is first increased then decreased with the increasing of the ignition energy.The maximum explosion pressure and the rising rate of maximum explosion pressure are increased at first and then decreased with the increasing of dust concentration，and when the concentration is 775 g／m3，they reach the maximum and increase with the increasing of the ignition energy.The results provide some scientific basis for safety management and explosion-proof design of the 7-ACA production workshop for Zhongrun Company and other similar companies.

7-ACA；dust explosion；lower explosive limit；maximum explosion pressure；ignition energ y

X932

A

1008-1542（2014）02-0208-05

10.7535／hbkd.2014yx02017

2013-10-23；

2013-12-23；责任编辑：王海云

河北省自然科学基金（E2013208169）

张金锋（1971-），男，河北黄骅人，副教授，博士，主要从事工业气体粉尘爆炸防护技术、工业通风与除尘及安全管理等方面的研究工作。

E-mail：sprjf＠126.com