CN110183295A - 一种环保烟花发射剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环保烟花发射剂，其组份为：氢气、烷烃和/或烯烃类可燃气体，体积比为2％～80％；氧气，体积比为20％～98％。用于解决现有技术中烟花燃放过程中产生烟尘颗粒和有毒气体等污染问题。实现降低发射剂成本，且大大降低烟尘颗粒并避免有毒害气体产生，环保无污染。

Description

一种环保烟花发射剂

技术领域

本发明涉及烟花发射技术领域，具体是一种环保烟花发射剂。

背景技术

烟花燃放会产生烟雾和有害气体，对自然环境造成污染，因此虽然烟花是中国最具代表性的传统文化代表之一，但是为了减少环境污染，目前我国各大中城市均对烟花燃放做了较为严格个限制，严格限制烟花燃放虽然部分解决了节庆期间的空气污染问题，但是也使得节日缺少了以往的欢庆氛围，同时也使得发源于我国也是我国最具特色的烟花传统文化的发展面临困境，同时也使得我国的烟花产业的发展受到了很大限制，为了让我国的烟花传统文化继续发展传承下去，使得烟花继续成为我国对外文化交往的一张亮丽的名片，使得烟花产业能够健康持续发展，目前必须彻底解决烟花燃放产生的烟雾和有害气体对环境的污染。

烟花在中国已有数千年的历史，我国的烟花研制与生产历史悠久、驰名中外。早在春秋战国时期就已经出现了爆竹，自从黑火药发明后，我国的烟花技术开始进入了飞速的发展时期，至明朝时已达到了相当高的水平。只不过那时候的烟花药剂，可供选择的原材料极少，黑火药出现后，才利用黑火药或黑火药配方中的硝石、木炭、硫磺，加上天然有机物和铁屑等制造烟花发射药剂。

随着人类物质文明的发展和化学工业的出现，18世纪末出现了KCl，19世纪有了Mg、Al粉，此后又有了Na、Sr、8a、Cu等化合物，用于烟花制造的化学物质日益增多，随之，烟花药剂的配方也日趋复杂旧。

烟花药剂通常由氧化剂、可燃剂、粘合剂和功能添加剂(如火焰着色剂、燃速促进剂、钝化剂、产气剂等)组成。目前的烟花多使用黑火药作为发射或喷射能源，不同的烟花品种对黑火药的形状、尺寸、配方、燃速要求不同。根据中华人民共和国国标GBl0631-89的规定，烟花按无烟烟花药剂特性(以下简称无烟药剂)和市场销售份额可分为五类：(1)喷花类(2)地面礼花、升空类(3)吐珠类(4)旋转类(5)线香类及其他。

(1)喷花类烟花对药剂的要求

用于喷花中的黑火药俗称喷花药。喷花药按燃速快慢(燃速的快慢俗称为力道大小)可分为三个等级，通常称1、2、3号喷花药。喷花药通常为粉状，粒度小于100目。为达到燃放效果，要求喷花药必须与效果药相匹配，否则会出现效果药未被点燃等现象。地面喷花要求喷射高度不大于3m，烧成率大于93％。

目前所使用的喷花药，通常呈负氧平衡状态，氧含量不足，燃烧剂燃烧不完全，会产生较多的有毒气体，如CO、H2S等，生成物残渣多，烟雾大，这些既影响了观赏效果，也对环境污染严重。

(2)地面礼花类、升空类烟花对药剂的要求

用于地面礼花中的黑火药俗称发射药。为提高发射药的能量利用率，目前主要使用燃速很快的粒状发射药，俗称“军工硝”，其技术要求为：

①外观

药粒有光泽，颜色为灰黑色至黑色；药粒中不含肉眼可见的杂质；不允许存在药粒结块现象；药粒表面无结晶析出；药粒均匀一致；

②组成(质量百分比wt％)

硝酸钾：75±1％，硫磺：10±1％，木炭：15±1％；

③物理性能

含水量：≤1.O％，吸湿性：≤1.5％，密度：≥1.759/cm³，堆积密度：≥O.969/cm³；

④燃放指标

a)手持吐珠产品的亮珠发射水平距离大于5m。地面吐珠产品亮珠发射垂直高度大于4m，烧成率≥90％；

b)地面礼花产品发射高度大于lOm，烧成率≥93％；

c)小礼花弹类产品发射高度：直径为25mm的，大于20m；直径为38mm的，大于25m，烧成率≥96％；

d)火箭产品类，大型火箭发射高度大于30m，烧成率>96％；中型火箭发射高度大于20m，烧成率≥93％；小型火箭发射高度大于lOm，烧成率≥90％；

总之，在传统烟花行业中所使用的粒状或粉状黑火药部分沿用了黑火药的部标，其内容仅限于对黑火药的原料配比、粒度、水分、密度等方面的要求。

(3)其它类

礼花弹中用作开包的黑药俗称开包药。礼花弹对开包药的技术要求是：燃速快，能量高，烟雾小。但现有的开包药燃烧时烟雾过大，影响了观赏效果，在无风时，烟雾甚至能挡住礼花弹燃放时所发出的珠光和火花。

由以上分析可见，虽然现在可供选择的烟花药剂原材料种类繁多，但是黑火药仍然是用途最广、用量最大的烟花发射药剂，这主要是由于黑火药原料价廉易得，工业化大规模生产黑火药成本相对较低。然而，黑火药是易燃、易爆、机械感度、摩擦感度和静电感度都很高的发射药，在生产操作中稍加不注意就可能发生爆炸等严重事故，许多重大伤亡事故都与处理黑火药有关。另一方面，人们在烟花燃放现场往往会看到浓烟滚滚、硝烟弥漫的场景，尤其在湿度大、风力较小的气候条件下进行大型烟火燃放时，遮天蔽日的浓烟会严重影响烟火燃放的观赏效果，正是在这样的气候条件下，黑火药燃烧产生的大量凝聚态物质与水蒸气作用形成气溶胶，这些悬浮在空气中的气溶胶体系对光具有吸收、散射衰减作用，形成我们通常所见到的“烟雾”。近些年来，烟花带来的环保问题也愈发受到重视，目前已经有大量的研究表明，烟花燃放时空气中的可吸入颗粒物浓度(PM10)急剧上升，高出正常水平的数十倍甚至上千倍，可吸入颗粒物(PM10)有着粒径小、滞空时间长、携带大量致病性细菌等特点，极易进入人体肺泡，相关的流行病学研究表明，PM10对人体内心血管系统、呼吸系统功能具有极大的损害，甚至造成死亡。因此，研制新型环保烟花药剂、开发无烟烟花是未来烟花技术发展的方向之一。

为了解决黑火药带来的烟花燃放大气固体颗粒物和有害气体对大气的污染问题，许多学者在此方面做了大量的研究工作，也取得了一定的成绩，部分解决了烟花燃放带来的大气污染问题，烟花的环保燃放研究主要是利用退役废旧枪弹发射药替代黑火药，减少烟花燃放时的固体颗粒物。

枪弹发射药主要为以硝化纤维素为主的单基药，或以硝化纤维素和硝化甘油为主的双基药。单、双基药由于燃烧产物较为洁净，燃烧无烟雾，因此习惯上称其为“无烟药"。与黑火药相比，报废无烟发射药作为烟花发射药剂具有能量高、燃烧生成固体颗粒物少、火焰感度低等优势，但是在点传火能力上弱于黑火药，这是由无烟药固有性能决定的。无烟药点火传火能力的不足对烟花产品的燃放效果带来以下问题：

(1)无烟药在替代黑火药作为地面礼花、礼花弹等烟花品种的发射药使用时，无烟药自身易被引线点燃，但因其燃速和传火速率俱慢，装药不易瞬间全部着火，大量的无烟药在燃放结束时没能燃尽。即使将无烟药粉碎成粉状，其结果能有好转，但燃烧后仍有不少未烬残渣，因此无烟药作为烟花发射药使用，其能量利用率低下，无法满足礼花弹规定的发射高度要求。另一方面，由于无烟药燃烧产物为高温气体，其点火能力薄弱，大量亮珠不能有效点着，造成礼花弹燃放时烧成率不高，或者出现点火延迟，部分亮珠落地时还未燃尽，遇到可燃物时易于引起火灾等二次危害。

(2)无烟药替代黑药型开苞药时，同样由于其点传火能力薄弱，会造成开苞直径变小，大量亮珠不能点着，造成空中的烟花花型图案残缺，礼花弹燃放的观赏效果大打折扣。

此外，由于枪弹发射药价格昂贵，不可能直接将其运用到烟花的发射中去，只能利用将退役火药用作烟花发射药，但是由于退役单基发射药数量有限，难以满足无烟或微烟类烟花产品的持续需求。基于上述原因，现已研制出了以竹浆纤维为原料的竹浆涂料硝化棉，其成本相对低廉，具备在烟花中运用的潜力。

虽然以枪弹发射药为代表的硝化棉类发射药燃烧后固体颗粒产物较少，但是仍有部分固体颗粒产物存在，此外枪弹发射药燃烧时由于外界条件的影响往往还会生成CO等有害气体，因此不能完全解决固体颗粒物和有害气体对大气的污染。

现有烟花发射药主要是黑火药，黑火药主要由硝酸钾、硫磺和木炭等固体颗粒组成，且组份为负氧平衡，燃烧过程中不仅生成许多固体颗粒，导致大量烟雾产生，而且还会产生硫的氧化物和一氧化碳等有害气体，因此会对环境产生一定的污染，烟花燃放对环境污染问题已验证制约了该产生的健康发展，现在急需研制一种自身环保无害且廉价易得的烟花发射剂，并且此种发射剂燃烧后不产生烟尘颗粒，不产生有害气体。

发明内容

本发明提供一种环保烟花发射剂，用于克服现有技术中成本高、产生有毒气体和烟尘颗粒等缺陷，降低发射剂成本，并且大大降低烟尘，完全不产生有害气体，有效解决环境污染问题。

为实现上述目的，本发明提供环保烟花发射剂，其组成为：

氢气、烷烃和/或烯烃类可燃气体，体积比为2％～80％；

氧气，20％～98％。

优选地，作为一具体实施例，可燃气体和氧气的体积比依次为2％、98％；作为另一具体实施例，可燃气体和氧气的体积比依次为8％、92％；作为又一具体实施例，可燃气体和氧气的体积比依次为45％、55％；作为再一具体实施例，可燃气体和氧气的体积比依次为68％、32％；作为再一具体实施例，所述可燃气体的体积比为80％、20％。

优选地，所述烷烃类可燃气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷气体中至少一种；所述烯烃类可燃气体包括乙烯、丙烯和丁烯气体中至少一种。

在上述实施例的基础上，还包括体积比为2％～45％的惰性气体，所述惰性气体包括氮气和二氧化碳中至少一种；其中，所述可燃气体的体积比为2％～78％，氧气的体积比为20％～96％。为了降低混合可燃气体的反应猛度，可加入一定量的惰性气体，如氮气、二氧化碳等；将混合好的混合气体封装在塑料薄膜袋、塑料瓶或其他密闭容器中即可作为烟花发射剂替代黑火药。

本发明提供的环保烟花发射剂，采用氢气、烷烃类和烯烃类可燃气体中的一种或几种按照一定比例与氧气混合，为了调节混合气体的反应速度还可加入氮气、二氧化碳等惰性气体，按照烟花发射力的要求，将配制好的一定量的气体冲入所料袋(瓶)或气体密闭容器中，并将其放入烟花发射的外筒，取代黑火药即可；采用可燃混合气体作为发射药剂替代黑火药后不改变现有烟花引燃方式，仍可使用现有引线点火的方式，也可采用电引火头点火方式，此外由于混合可燃气体点燃所需能量小，因此还可利用电火花点燃烟花；可燃气体与氧气混合后燃烧产物为水和二氧化碳，不会产生有毒害气体和烟尘颗粒，解决了污染问题，且此类可燃气体成本相对较低；为提高生产的安全性，生产过程中可燃气体可以单独存放，待制备烟花厂区与氧气再行混合，混合后的安装于烟花发射的外筒内，由于用量较小，通常不存在爆炸危险；相对现有技术也大大提高了生产过程的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1a为本发明实施例一提供的实施例一的烟花发射剂作为1.2寸盆花发射剂将内筒刚发射出外筒时的实验图片；

图1b为实施例一的烟花发射剂作为1.2寸盆花发射剂在图1a经历9ms后内筒达到的高度的实验图片；

图2为对比实验中黑火药作为1.2寸盆花发射剂在发射后所形成烟雾的实验图片；

图3为发射剂发射3寸礼花弹仿真模型；

图4为发射剂将3寸礼花弹发射出外筒的仿真计算结果图；

图5为发射剂发射3寸礼花弹过程中3寸礼花弹发射速度随时间变化的历程曲线。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

本发明提供一种环保烟花发射剂，丁烷：氧气＝1:6(体积比)，混合气体90ml，塑料薄膜袋包装，作为1.2寸盆花发射剂，发射35g左右柱形内筒，试验内筒为外形质量与实际内筒一直的配重体，不能引燃爆炸，利用高速摄像测量得到的出口速度大于50m/s,估算发射高度大于60m。发射初始状态下内筒刚被抛射出外筒时，参见图1a；9ms后内筒到达的高度位置，参见图1b。图1a、图1b均为采用高速相机拍摄的图片，具体参数参见图1a、图1b中的参数显示。

对比实验

黑火药4g，作为盆花发射剂，发射35g作用柱形内筒，验内筒为外形质量与实际内筒一直的配重体，不能引燃爆炸，利用高速摄像测量得到的出口速度约35m/s，估算发射高度大于50m。内筒被抛射出外筒的某一瞬间，参见图2。

实施例二

丁烷：氧气：氮气＝1:6:2(体积比)，混合气体90ml，塑料薄膜袋包装，作为1.2寸盆花发射剂，发射35g柱形内筒，出口速度大于35m/s,发射高度大于50m。

实施例三

丙烷：氧气＝1:5(体积比)，混合气体800ml，塑料薄膜袋包装，作为3寸礼花弹发射剂，发射150g球形烟花弹，出口速度大于50m/s,发射高度大于80m。

实施例四

丙烷：氧气：二氧化碳＝1:5:1(体积比)，混合气体900ml，塑料薄膜袋包装，作为3寸礼花弹发射剂，发射150g球形烟花弹，出口速度大于60m/s,发射高度大于90m。礼花弹初始状态仿真效果参见图3，通过仿真计算模型计算礼花弹出筒时刻状态参见图4，对内筒发射速度的仿真计算结果参见图5，由此看出内筒在出筒后所到达的发射速度为65m/s。

下面提供几种环保烟花发射剂的具体组份：

作为优选实施例一：

氢气，体积比为5％～75％；氧气，体积比为20％～90％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～45％。提供两种具体组份：氢气、氧气、二氧化碳气体体积比依次为：5％、65％、30％；氢气、氧气、二氧化碳气体体积比依次为：15％、80％、5％。；

作为优选实施例二：

甲烷，体积比为6％～51％；氧气，体积比为45％～90％；氮气或二氧化碳气体，体积比为4％～35％。提供两种具体组份：甲烷、氧气、二氧化碳气体体积比依次为：10％、75％、15％；甲烷、氧气、二氧化碳气体体积比依次为：6％、60％、34％。

作为优选实施例三：

乙烷，体积比为4％～50％；氧气，体积比为45％～91％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

作为优选实施例四：

丙烷，体积比为3％～43％；氧气，体积比为55％～95％；氮气或二氧化碳气体，体积比为2％～25％。

作为优选实施例五：

丁烷，体积比为2％～35％；氧气，体积比为60％～93％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～25％。

作为优选实施例六：

乙炔，体积比为3％～75％；氧气，体积比为20％～92％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～35％。

作为优选实施例七：

乙烯，体积比为4％～65％；氧气，体积比为30％～90％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

作为优选实施例八：

丙烯，体积比为5％～65％；氧气，体积比为30％～90％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

作为优选实施例九：

丁烯，体积比为5％～55％；氧气，体积比为30％～90％；氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

实施例五

可燃气体还可以采用氢气和甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙炔气体中两种以上与氧气混合，并适量加入惰性气体；例如：氢气、甲烷和氧气制成的混合气体：氢气、乙烷和氧气制成的混合气体：氢气、丙烷和氧气制成的混合气体：氢气、丁烷和氧气制成的混合气体：甲烷、乙烷和氧气制成的混合气体：甲烷、丙烷和氧气制成的混合气体：甲烷、丁烷和氧气制成的混合气体：乙烷、丙烷和氧气制成的混合气体：乙烷、丁烷和氧气制成的混合气体：丙烷、丁烷和氧气制成的混合气体：甲烷、乙烷、丙烷和氧气制成的混合气体：甲烷、乙烷、丁烷和氧气制成的混合气体：甲烷、丁烷、丙烷和氧气制成的混合气体：乙烷、丙烷、丁烷和氧气制成的混合气体：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氧气制成的混合气体。

新型环保烟花发射剂主要由氢气、烷烃和/或烯烃类可燃体与氧气及二氧化碳和氮气等惰性气体混合而成，原料无毒无味、廉价、易于获取，燃烧后产物主要为水和二氧化碳，产物均为无毒气体，且燃烧无任何固体颗粒物，可解决现有黑火药作为发射药的烟花燃放带来的环境污染污染问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

氢气和/或烷烃和/或烯烃类可燃气体，体积比为2％～80％；

氧气，体积比为20％～98％。

2.如权利要求1所述的环保烟花发射剂，其特征在于，所述烷烃类可燃气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷气体中至少一种；所述烯烃类可燃气体包括乙烯、丙烯和丁烯气体中至少一种。

3.如权利要求1所述的环保烟花发射剂，其特征在于，还包括体积比为2％～45％的惰性气体，所述惰性气体包括氮气和二氧化碳中至少一种；其中所述可燃气体的体积比为2％～78％，氧气的体积比为20％～96％。

4.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

氢气，体积比为5％～75％；

氧气，体积比为20％～90％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～45％。

5.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

甲烷，体积比为6％～51％；

氧气，体积比为45％～90％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为4％～35％。

6.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

乙烷，体积比为4％～50％；

氧气，体积比为45％～91％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

7.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

丙烷，体积比为3％～43％；

氧气，体积比为55％～95％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为2％～25％。

8.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

丁烷，体积比为2％～35％；

氧气，体积比为60％～93％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～25％。

9.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

乙炔，体积比为3％～75％；

氧气，体积比为20％～92％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～35％。

10.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

乙烯，体积比为4％～65％；

氧气，体积比为30％～90％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

11.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

丙烯，体积比为5％～65％；

氧气，体积比为30％～90％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。

12.如权利要求3所述的环保烟花发射剂，其特征在于，其组份为：

丁烯，体积比为5％～55％；

氧气，体积比为30％～90％；

氮气或二氧化碳气体，体积比为5％～30％。