幾種乳化基質(zhì)冷卻方式的可行性研究

夏 光，楊民剛

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幾種乳化基質(zhì)冷卻方式的可行性研究

夏 光，楊民剛

（中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北，235000）

針對(duì)乳化炸藥全連續(xù)生產(chǎn)線中乳化基質(zhì)冷卻裝置占地面積大、維護(hù)費(fèi)用高等缺陷，探討一種適合乳化基質(zhì)高效冷卻的基質(zhì)冷卻裝置。通過(guò)采用對(duì)輥式機(jī)構(gòu)，以及輥?zhàn)由显O(shè)置矩形槽，乳化基質(zhì)進(jìn)入兩輥之間時(shí)被擠壓分散成若干細(xì)條，增大了基質(zhì)與冷卻介質(zhì)的接觸面積，且輥?zhàn)酉旅嬖O(shè)有引風(fēng)圓筒，通過(guò)風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)了乳化基質(zhì)的高效冷卻。

乳化炸藥；基質(zhì)；冷卻；裝置

在乳化炸藥連續(xù)化生產(chǎn)過(guò)程中，冷卻工序是對(duì)乳化工序中產(chǎn)生的乳化基質(zhì)進(jìn)行冷卻以達(dá)到敏化工藝所需的溫度。目前國(guó)內(nèi)常用的乳化基質(zhì)冷卻工藝方式主要有鋼帶冷卻和皮帶過(guò)水冷卻兩種工藝。鋼帶冷卻是用膠輥將高溫乳膠基質(zhì)鋪成厚5~12mm、寬1 200 mm的薄層，鋼帶上方設(shè)有風(fēng)筒，鋼帶下面設(shè)有噴水噴嘴，乳化基質(zhì)與冷卻風(fēng)和鋼帶發(fā)生熱交換以實(shí)現(xiàn)降溫。皮帶過(guò)水冷卻是用膠輥將高溫乳膠基質(zhì)在皮帶上鋪成厚5~12mm、寬1 200 mm 的薄層，皮帶與乳膠基質(zhì)從冷卻水中通過(guò)，乳膠基質(zhì)與冷卻水發(fā)生熱交換以實(shí)現(xiàn)降溫[1]。

鋼帶冷卻工藝既避免了封閉式冷卻方式的種種弊端，同時(shí)提高了冷卻效果。但由于乳化基質(zhì)本身屬于粘稠類物質(zhì)，導(dǎo)熱性能差，不易傳熱和降溫，要使得基質(zhì)以熱傳遞的方式從85~95℃降到 45~55℃，鋼帶長(zhǎng)度需達(dá)十幾米才能達(dá)到效果，因此該冷卻方式具有占地面積大、設(shè)備投資費(fèi)用高、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)[2]。對(duì)于皮帶過(guò)水冷卻工藝，基質(zhì)表面帶入的水珠無(wú)法處理干凈，這些大顆粒的水珠混入到炸藥體系中會(huì)包裹小顆粒的基質(zhì)，實(shí)際形成“水包油”，在長(zhǎng)期存放過(guò)程中，必然對(duì)本已形成的“油包水”的油膜產(chǎn)生作用，而使基質(zhì)破乳，某種程度上影響炸藥的貯存性。尤其在低溫環(huán)境下，炸藥體系中的這些水珠易結(jié)冰，造成藥卷硬化。另外，基質(zhì)過(guò)水冷卻過(guò)程中，部分炸藥成分會(huì)溶入冷卻水中，對(duì)冷卻介質(zhì)造成污染[2]。本文就現(xiàn)行乳化炸藥基質(zhì)冷卻工藝存在的不足，探討一種乳化基質(zhì)冷卻工藝的可行性。

1 乳化基質(zhì)特性及對(duì)傳熱的影響

1.1 傳熱效果的表述

由傳熱理論知，換熱設(shè)備的傳熱效果用熱量傳遞公式表示：

=··Δt（1）

式（1）中：為傳熱速率，kJ/h；為傳熱系數(shù)，kJ/( m2·h·℃)；為傳熱面積，m2；Δt為傳熱推動(dòng)力，℃?？梢?jiàn)，與、和Δm成正比。

在工藝條件確定之后，需進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體的進(jìn)出口溫度隨之確定，溫度差就成為一個(gè)定值，傳熱推動(dòng)力也是一定的。

乳化炸藥基質(zhì)的冷卻問(wèn)題實(shí)際上是一間壁傳熱過(guò)程。熱量傳遞采用對(duì)流和導(dǎo)熱兩種方式，即通過(guò)對(duì)流換熱的方式經(jīng)邊界層傳給金屬面AB，然后以導(dǎo)熱方式從AB面?zhèn)鬟f到CD面，再經(jīng)過(guò)邊界層通過(guò)對(duì)流傳熱給冷流體。通常把邊界層的熱傳導(dǎo)和邊界層外的對(duì)流傳熱合并考慮，并稱之為給熱。

傳熱系數(shù)主要取決于冷熱流體的給熱系數(shù)，即

=(1/1+/+1/2)-1（2）

式（2）中：1、2為給熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；為壁厚，m；為導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/( m·h·℃)。

在設(shè)備材質(zhì)及厚度確定后，/便是一常量。給熱系數(shù)與設(shè)備的長(zhǎng)度、流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及性質(zhì)有密切關(guān)系，是影響值的主要參數(shù)。

傳熱面積依賴于冷卻工藝與設(shè)備的設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，影響單位時(shí)間傳熱量主要是傳熱面積和冷熱流體的給熱系數(shù)。換熱面積與給熱系數(shù)在很大程度上取決于傳熱工藝與設(shè)備的設(shè)計(jì)，同時(shí)給熱系數(shù)還與流體性質(zhì)有關(guān)[3]。

1.2 粘度

在常溫下乳化炸藥基質(zhì)的粘度高達(dá)500～700 Pa·s，當(dāng)它與固體表面接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的粘附作用，因此會(huì)在傳熱壁上產(chǎn)生較厚的滯流層，易形成熱阻。熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，與平板厚度成正比。乳化基質(zhì)的為0.96 kJ/( m·h·℃)左右，是相當(dāng)小的，因此熱阻大。另外，粘附作用使流體流動(dòng)阻力增大，增加了輸送壓力，很難形成湍流。這兩種結(jié)果都會(huì)影響給熱系數(shù)的提高，從而大大降低了傳熱系數(shù)。由上述分析可知，乳化炸藥基質(zhì)特性決定了其降溫困難。因此只能從工藝裝備技術(shù)上增大傳熱面積和給熱系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)乳化基質(zhì)的高效冷卻。

2 基質(zhì)冷卻工藝選擇與比較

目前國(guó)內(nèi)主流乳化炸藥生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力約5t·h-1，對(duì)基質(zhì)冷卻設(shè)備有較高要求，除了要滿足使乳化基質(zhì)溫度降至敏化工藝要求外，還應(yīng)該具有體積小、占地面積小、在線存藥量小、投資維護(hù)費(fèi)用低，且要能適應(yīng)不同生產(chǎn)能力的要求。增大傳熱系數(shù)、傳熱面積、傳熱推動(dòng)力都可以提高冷卻效率。對(duì)同樣的冷卻介質(zhì)，傳熱系數(shù)是一定的，制備的乳化基質(zhì)的溫度是一定的，敏化要求的工藝溫度也是一定的，因此傳熱推動(dòng)力△也是一定的，不難看出增大傳熱面積是實(shí)現(xiàn)基質(zhì)高效冷卻的理想途徑。

2.1 風(fēng)筒式乳化基質(zhì)冷卻工藝

工藝裝置圖如圖1所示，該裝置包括基質(zhì)輸送泵、基質(zhì)料斗、輸送管路、引風(fēng)圓筒、輸料皮帶和分料螺旋盤。

圖1 風(fēng)筒式乳化基質(zhì)冷卻裝置圖

基質(zhì)通過(guò)輸送管路輸送至分料螺旋盤中心，在泵壓力的作用下，慢慢被輸送至分料螺旋盤里面，分料螺旋盤下面設(shè)有直徑約4mm的圓孔，分料螺旋盤末端封死。根據(jù)流體流動(dòng)原理可知，基質(zhì)只有通過(guò)分料螺旋盤下面的出料孔流出，基質(zhì)被擠壓成若干的細(xì)圓柱狀，分料螺旋盤下面設(shè)有集料皮帶，同時(shí)引風(fēng)圓筒上面設(shè)有引風(fēng)風(fēng)機(jī)，乳化基質(zhì)在從出料孔落至集料皮帶的過(guò)程中被冷卻。試驗(yàn)表明基質(zhì)很難被輸送至分料螺旋盤的末端，只有靠近分料螺旋盤中心位置的出料孔出料，且圓柱狀基質(zhì)細(xì)條在下落過(guò)程中很難被冷卻至后續(xù)敏化工序所需的溫度。此冷卻工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、冷卻效率高等特點(diǎn)，但要實(shí)現(xiàn)螺旋盤下面的圓孔均勻出料存在一定的難度。

2.2 噴射式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝

噴射式乳化基質(zhì)冷卻工藝是利用壓縮空氣與乳化基質(zhì)的摩擦，產(chǎn)生比較均勻和細(xì)密的噴射效果，平均的霧化顆粒直徑可達(dá)100μm左右。噴嘴由連接本體和噴霧裝置組合而成，噴射形狀有圓形、扇形和360°環(huán)形，連接本體可選裝調(diào)節(jié)針閥用以調(diào)節(jié)流量。工藝裝置示意如圖2所示，該裝置包括基質(zhì)輸送泵、基質(zhì)料斗、噴嘴、儲(chǔ)氣罐、空氣壓縮機(jī)、涼料倉(cāng)和刮板?；|(zhì)通過(guò)基質(zhì)輸送泵被輸送至噴嘴側(cè)面進(jìn)料口，壓縮空氣由儲(chǔ)氣罐通過(guò)氣管與噴嘴的上端進(jìn)氣口連接，當(dāng)基質(zhì)被輸送至噴嘴內(nèi)部時(shí)，壓縮空氣將基質(zhì)吹散成細(xì)小的顆粒，基質(zhì)顆粒在落至涼料倉(cāng)底部的過(guò)程中被冷卻。涼料倉(cāng)底部設(shè)有刮板，刮板將基質(zhì)聚集在涼料倉(cāng)出口，然后進(jìn)入下一道敏化工序。

由于基質(zhì)具有粘滯性強(qiáng)、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，從噴嘴的抗堵塞性考慮，選用空心圓錐空氣噴霧噴嘴。噴射式基質(zhì)冷卻工藝具有基質(zhì)顆粒小、與冷卻介質(zhì)空氣的接觸面積大、冷卻效率高等特點(diǎn)，在基質(zhì)落至涼料倉(cāng)底部的時(shí)候基質(zhì)的溫度即可降至敏化工序所需的溫度，產(chǎn)能可達(dá)6~8 t·h-1，且由于采用壓縮空氣作為動(dòng)力，噴嘴口較大，不易堵塞，易拆卸清理。但基質(zhì)噴射過(guò)程中涼料倉(cāng)側(cè)壁容易粘有基質(zhì)顆粒，由于基質(zhì)粘滯性太強(qiáng)，越粘越多，很難被清除，且噪聲較大，應(yīng)用起來(lái)存在較大困難。噴射效果如圖3所示。

圖2 噴射式冷卻工藝裝置圖

圖3 噴射風(fēng)冷乳化工藝效果圖

2.3 對(duì)輥式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝

對(duì)輥敞開(kāi)式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝是將乳化基質(zhì)輸送至兩個(gè)開(kāi)有矩形槽的圓輥之間，兩輥?zhàn)泳匦尾巯嗷Ш?，并有一定的間隙，基質(zhì)進(jìn)入兩輥?zhàn)又g的時(shí)候，被擠壓成方條狀，同時(shí)輥?zhàn)酉旅嬖O(shè)置有引風(fēng)圓筒，基質(zhì)下落至引風(fēng)圓筒下方集料皮帶的過(guò)程中被風(fēng)冷卻，然后進(jìn)入下一道敏化工序。工藝裝置示意圖如圖4所示。

圖4 對(duì)輥式風(fēng)冷冷卻工藝裝置圖

為確定該冷卻工藝的可行性，加工了試驗(yàn)樣機(jī)，如圖5所示，冷卻后基質(zhì)狀態(tài)如圖6所示。輥?zhàn)娱L(zhǎng)度500mm，兩輥?zhàn)又g間隙4mm，樣機(jī)放置距地面約1 500mm，樣機(jī)上設(shè)置有調(diào)速裝置，轉(zhuǎn)速0~60rpm可調(diào)，下面設(shè)有風(fēng)扇吹風(fēng)冷卻。試驗(yàn)環(huán)境溫度為15℃，共進(jìn)行了2個(gè)試樣，1次20kg。將做好的乳膠基質(zhì)均勻地放置在兩對(duì)輥之間，在兩對(duì)輥擠壓的條件下，乳化基質(zhì)被分成若干細(xì)條，在風(fēng)冷的條件下得到冷卻，試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。試驗(yàn)中樣機(jī)尺寸較小，產(chǎn)能3 kg/min（1.8t/h），可將103℃的乳膠基質(zhì)冷卻至敏化工序所需溫度；且該冷卻工藝可在常溫、常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)乳化基質(zhì)的冷卻，具有安全性高、能耗低等特點(diǎn)，并且設(shè)備體積小、占地面積小、投資費(fèi)用低、拆裝檢修簡(jiǎn)單。將試樣樣機(jī)放大，圓筒上設(shè)有引風(fēng)風(fēng)機(jī)，引風(fēng)圓筒長(zhǎng)度約3m，環(huán)境溫度約20℃，105℃的乳化基質(zhì)在經(jīng)該裝置下落至集料皮帶的過(guò)程中即可滿足敏化工序所需的溫度，產(chǎn)能可達(dá)4~8t·h-1。

圖5 試驗(yàn)裝置

圖6 乳膠基質(zhì)冷卻后狀態(tài)圖

表1 乳化基質(zhì)風(fēng)冷冷卻情況

Tab.1 Condition of emulsion matrix after air cooling

2.4 討論

由以上分析研究得知，風(fēng)筒式乳化基質(zhì)冷卻工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小等特點(diǎn)，但乳化基質(zhì)只有靠近螺旋盤進(jìn)口處的圓孔出料，且很難被冷卻至后續(xù)敏化工序所需的溫度。噴射式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝具有占地面積小、冷卻效率高、產(chǎn)能大等特點(diǎn)，但在冷卻的過(guò)程中涼料倉(cāng)側(cè)壁容易粘有乳化基質(zhì)顆粒，基質(zhì)粘滯性太強(qiáng)，很難被清除，且噪聲較大，應(yīng)用起來(lái)存在較大困難。對(duì)輥式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝具有占地面積小、易于檢修、維護(hù)費(fèi)用低、冷卻效率高等特點(diǎn)，筆者認(rèn)為對(duì)輥式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝優(yōu)于另外兩種乳化基質(zhì)冷卻工藝。

3 對(duì)輥式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于乳化基質(zhì)冷卻設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先要考慮如何保證乳化基質(zhì)從乳化機(jī)制備出來(lái)至敏化工序的溫度滿足工藝要求，其次，需考慮該冷卻工藝方式能適應(yīng)各種產(chǎn)能的乳化炸藥生產(chǎn)線，并要求在一定范圍內(nèi)可調(diào)。冷卻裝置下面集料皮帶上設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)生產(chǎn)線的產(chǎn)能一定時(shí)，如果冷卻后基質(zhì)溫度過(guò)高，溫度傳感器會(huì)自動(dòng)給控制系統(tǒng)信號(hào)，控制系統(tǒng)給引風(fēng)風(fēng)機(jī)一個(gè)調(diào)速信號(hào)，減少引風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；反之則提高引風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高風(fēng)量，配合邏輯控制功能復(fù)合控制系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的實(shí)際使用要求完成各式各樣的邏輯控制功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)輥式風(fēng)冷乳化基質(zhì)冷卻工藝可滿足乳化基質(zhì)從制備到敏化工序冷卻的要求，該工藝方式采用對(duì)輥式結(jié)構(gòu)，下面設(shè)有引風(fēng)圓筒，引風(fēng)圓筒上設(shè)有引風(fēng)風(fēng)機(jī)，基質(zhì)經(jīng)過(guò)一對(duì)輥?zhàn)颖粩D壓成若干細(xì)條狀，基質(zhì)在從下落至集料皮帶的過(guò)程沖被冷卻。該冷卻工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、產(chǎn)能大、投資維護(hù)費(fèi)用低、便于拆裝維護(hù)等特點(diǎn)，且產(chǎn)能在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

[1] 陳飛,邢光武,等.敞開(kāi)式無(wú)動(dòng)力冷卻器的研制[J].爆破器材，2011(4):8-12.

[2] 周康波,周小溪,等.乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦爆破,2012(2):14.

[3] 楊民剛,劉德全.試論乳化炸藥基質(zhì)連續(xù)冷卻工藝[J].爆破，2001(3):89-90.

[4] 許志壯,鬲子江.乳化基質(zhì)冷卻的初步探討[J].金屬礦山，1999(5):10-11.

The Feasibility of Some Cooling Methods for Emulsion Matrix

XIA Guang，YANG Min-gang

(China Coal Technology Engineering Group Huaibei Blasting Technology Institute, Huaibei, 235000)

According to the defects of emulsified substrate cooling device on the emulsion explosive continuous production line, such as large area of pharmaceutical equipments, high cost of maintenance, a high effective cooling device fit to emulsified substrate was explored. Through using roller type mechanism, setting rectangular groove in the roller, the emulsion matrix into the two rollers was dispersed into a number of small pieces, so the contact area of the matrix with cooling medium was increased, and the air cylinder is arranged below the roller, then emulsion matrix is cooled by the air effectively.

Emulsion explosive；Emulsion matrix；Cooling；Device

1003-1480（2014）05-0047-04

TQ560.5

B

2014-05-12

夏光（1972-），男，工程師，從事民用爆破器材專用設(shè)備的研究。

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2012QNJJ35）