硝酸銨水溶液配制氧化溶液工藝介紹及關(guān)鍵控制技術(shù)探討

馬文軍，薛占山

(國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)炸藥廠，內(nèi)蒙古 薛家灣 010300)

乳化炸藥是20世紀(jì)70年代才發(fā)展起來(lái)的新型爆破用藥。最早被人們研制出來(lái)的乳化炸藥是無(wú)雷管敏感的，使用時(shí)必須借助中間起爆藥來(lái)二次引爆。后來(lái)，隨著人們對(duì)乳化炸藥研究的進(jìn)一步深入，后期研究出來(lái)的乳化炸藥才具有了雷管感度。目前，乳化炸藥在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。乳化炸藥有著極好的防水性、密度靈活可調(diào)、爆破猛度大、爆轟速度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別在井下潮濕、有水的爆破作業(yè)場(chǎng)所優(yōu)越性更加突出，機(jī)械感度很低，安全性也比較好。廣泛的乳化炸藥是泛指一類用乳化技術(shù)制備的使氧化劑鹽類水溶液的微滴，均勻分散在含有分散氣泡或空心玻璃微珠等多孔物質(zhì)的油相連續(xù)介質(zhì)中，形成一種油包水型(W/O)的乳膠狀含水工業(yè)炸藥。目前，煤礦爆破用的乳化炸藥是由最主要的原料氧化溶液和復(fù)合油相通過(guò)高速率運(yùn)動(dòng)剪切再結(jié)合形成的乳膠基質(zhì)，再通過(guò)敏化與多孔硝酸銨經(jīng)過(guò)零氧平衡原理制備而成的混合物。乳膠基質(zhì)是通過(guò)氧化溶液和復(fù)合油相生產(chǎn)完成。復(fù)合油相是一種復(fù)合型油，可以通過(guò)市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)而來(lái)。則氧化溶液是通過(guò)乳化炸藥生產(chǎn)廠家工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。所以，從本質(zhì)上講，氧化溶液性能狀況直接決定了乳膠基質(zhì)的產(chǎn)品性能狀況，而乳膠基質(zhì)的性能最終決定了乳化炸藥的爆炸特性。由此判定，乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中制備氧化溶液工藝及其關(guān)鍵控制技術(shù)的重要性。

1 生產(chǎn)企業(yè)簡(jiǎn)介

國(guó)家能源準(zhǔn)能集團(tuán)炸藥廠始建于1991年，1996年5月投入生產(chǎn)，原核定生產(chǎn)能力1萬(wàn)t/年，占地面積5.6 hm2。2006年2月準(zhǔn)能公司炸藥廠改擴(kuò)建，引進(jìn)澳瑞凱澳大利亞有限公司炸藥配方與生產(chǎn)工藝系統(tǒng)技術(shù)，改擴(kuò)建后炸藥廠占地面積15.6 hm2，由三部分組成：黑岱溝炸藥地面制備站(許可生產(chǎn)乳化炸藥2萬(wàn)t/年；多孔粒狀銨油炸藥4.5萬(wàn)t/年)；哈爾烏素地面制備站(許可生產(chǎn)多孔粒狀銨油炸藥4.5萬(wàn)t/年)；爆破器材庫(kù)區(qū)。項(xiàng)目整體在2006年9月投入施工建設(shè)，2008年6月，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥地面制備站通過(guò)原國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)的全面驗(yàn)收，已正式投入生產(chǎn)。并于2014年根據(jù)工信部“爆破一體化”的要求，國(guó)家能源準(zhǔn)能集團(tuán)炸藥廠將黑岱溝露天礦爆破業(yè)務(wù)及相關(guān)人員劃入炸藥廠管理，2016年8月，炸藥廠新增3.5萬(wàn)t炸藥產(chǎn)能項(xiàng)目正式通過(guò)驗(yàn)收。改擴(kuò)建后的炸藥廠實(shí)現(xiàn)了散裝炸藥生產(chǎn)技術(shù)與世界水平同步，其核心技術(shù)是乳膠基質(zhì)制備采用低溫、常壓、低轉(zhuǎn)速大間隙乳化技術(shù)，領(lǐng)先行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向，該工藝主要特點(diǎn)是將計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)、炸藥生產(chǎn)實(shí)際工藝技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多媒體綜合技術(shù)緊密的結(jié)合，在控制上實(shí)現(xiàn)DCS；在安全上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連鎖保護(hù)；先進(jìn)的乳膠基質(zhì)制備工藝和與其配套的高效炸藥混裝車能夠?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提供重銨油、乳化、多孔粒狀銨油及其他不同配比的炸藥品種。

2 原材料特性介紹

2.1 硝酸銨

硝酸銨(NH4NO3)是一種銨鹽類化合物，是一種強(qiáng)氧化劑，為白色或灰白色顆粒，極易溶于水，易結(jié)塊，易吸濕，硝酸銨溶解是吸熱反應(yīng)，吸收周圍大量的熱。硝酸銨對(duì)人體呼吸道、眼睛及皮膚都有一定的刺激性。接觸后可引起惡心、嘔吐、頭痛、虛弱、無(wú)力和虛脫等。大量接觸可引起高鐵血紅蛋白血癥，影響血液的攜氧能力，出現(xiàn)紫紺、頭痛、頭暈、虛脫，甚至死亡。遇到可燃物著火時(shí)，能助長(zhǎng)火勢(shì)，與可燃物粉末混合、受強(qiáng)烈震動(dòng)、急劇加熱時(shí)可能發(fā)生激烈反應(yīng)進(jìn)而爆炸。與有機(jī)物、還原劑、易燃物如硫、磷或活潑金屬粉末等混合可形成爆炸性混合物。主要用途可作為農(nóng)用化肥、化工原料、工業(yè)炸藥和軍用炸藥等。

2.2 硝酸銨水溶液

硝酸銨水溶液為透明澄清水溶液，具有硝酸銨一切本質(zhì)特性。工業(yè)炸藥對(duì)硝酸銨水溶液的指標(biāo)主要是濃度、酸度和溫度，一般規(guī)定硝酸銨在水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89%～93%、含水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～14%，濃度太高防止有晶體析出，酸度為偏酸性，pH控制在3.8～6.0之間。溫度控制在110 ℃～130 ℃之間。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原料硝酸銨水溶液各工藝參數(shù)

2.3 配料添加劑

碳酸鈉：分子量105.99?；瘜W(xué)品的純度多在99.5%以上(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。是一種重要的無(wú)機(jī)化工原料，主要用于平板玻璃、玻璃制品和陶瓷釉的生產(chǎn)。硫腺：白色而有光澤的晶體，味苦，密度1.41，熔點(diǎn)176 ℃～178 ℃，更熱時(shí)分解。檸檬酸：一種重要的有機(jī)酸，又名枸櫞酸，無(wú)色晶體，常含一分子結(jié)晶水，無(wú)臭，有很強(qiáng)的酸味，易溶于水，在工業(yè)，食品業(yè)，化妝業(yè)等具有極多的用途。

3 氧化溶液配制工藝介紹

利用到貨的高溫硝酸銨水溶液配制氧化溶液分為原材料檢測(cè)、溶液輸送、溶液配制、溶液轉(zhuǎn)存4個(gè)主要工藝部分。

3.1 原材料檢測(cè)

高濃度硝酸銨水溶液通過(guò)由罐車運(yùn)輸?shù)秸ㄋ幧a(chǎn)廠家，先行駛到地磅系統(tǒng)中，稱取其總重量，等完全將原料卸完后，再通過(guò)地磅秤取其重量，兩次質(zhì)量差即為硝酸銨水溶液到貨質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員通過(guò)讀取硝酸銨水溶液罐車上的溫度顯示儀讀取其到貨溫度并用溫度檢測(cè)儀檢測(cè)物料確認(rèn)其溫度，確保溫度冬季溫度≥120 ℃，夏季≥115 ℃。并對(duì)硝酸銨濃度進(jìn)行檢測(cè)，確保溶液濃度為89%～93%方可使用。

3.2 溶液輸送

罐車底部出口設(shè)置有出口管路與閥門(mén)，與炸藥生產(chǎn)廠家防高溫耐腐蝕管通過(guò)快速接口連接，并通過(guò)自吸泵將高溫高濃度硝酸銨水溶液輸送到硝酸銨水溶液存儲(chǔ)罐。輸送過(guò)程中工作人員時(shí)刻觀察現(xiàn)場(chǎng)各儀表儀器流量數(shù)據(jù)、槽車罐及儲(chǔ)存罐液位、溫度顯示，以防止高濃度硝酸銨結(jié)晶而堵塞管路。卸車完成后，用75 ℃的熱水進(jìn)行沖洗，確保管路暢通，無(wú)殘液存在。

3.3 氧化溶液配制

先加適量的冷水，將溶液進(jìn)行稀釋并降溫，將硝酸銨水溶液溫度降到剛好75 ℃～80 ℃，依次將通過(guò)理論計(jì)算得出一定量的碳酸鈉、硫腺、檸檬酸分3個(gè)批次(每批次至少隔10 min)加入溶液罐中。為了將加入的配料添加劑混合均勻和防止局部反應(yīng)過(guò)熱造成安全事故，溶液罐頂部還設(shè)置有攪拌裝置，且在加入過(guò)程中不斷進(jìn)行攪拌。等溶液反應(yīng)完全后，對(duì)溶液的pH值和析晶點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，pH值要控制在3.8～4.0，析晶點(diǎn)控制在59℃～61℃，若溶液低于3.8則加碳酸鈉，其高于4.0則添加適當(dāng)?shù)臋幟仕帷?/p>

3.4 溶液轉(zhuǎn)存

將配制好的氧化溶液配制罐，通過(guò)泵送，出口管路，轉(zhuǎn)存至氧化溶液儲(chǔ)存罐，為乳膠基質(zhì)的生產(chǎn)做準(zhǔn)備，并做好檢測(cè)與記錄。

4 關(guān)鍵技術(shù)探討

4.1 析晶點(diǎn)控制

硝酸銨水溶液析晶點(diǎn)受濃度影響很大，不同濃度和物料析晶點(diǎn)都不一樣。乳膠基質(zhì)生產(chǎn)工藝要求硝酸銨水溶液析晶點(diǎn)控制在59 ℃～61 ℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸銨水溶液與析晶點(diǎn)測(cè)試對(duì)比，最終確定硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在78%～80%時(shí)，析晶點(diǎn)為59 ℃～61 ℃。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與析晶點(diǎn)對(duì)比

所以配制溶液時(shí)，先以硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在上述范圍內(nèi)進(jìn)行配制。待溶液穩(wěn)定后，進(jìn)行測(cè)量，析晶點(diǎn)控制即達(dá)到工藝指標(biāo)要求。硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，則加水稀釋；若偏低，則加高濃度硝酸銨水溶液提高百分比。

4.2 溶液溫度

利用外部供來(lái)的低壓蒸汽，與循環(huán)熱水溫度設(shè)置聯(lián)鎖，將循環(huán)熱水系統(tǒng)的水加熱并控制到75 ℃左右，控制熱水循環(huán)在75 ℃時(shí)保持恒溫并設(shè)置泵自動(dòng)循環(huán)保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。75 ℃的循環(huán)熱水系統(tǒng)將作為反應(yīng)溶液的溫度控制源，如果硝酸銨水溶液溫度偏低，則系統(tǒng)自動(dòng)加大循環(huán)熱水系統(tǒng)流量，對(duì)溶液進(jìn)行加熱。若溫度偏高，則同樣加大循環(huán)熱水流量來(lái)降低溶液溫度到75 ℃。利用雙向循環(huán)系統(tǒng)對(duì)溶液溫度控制，在實(shí)際操作中有著極其重要的作用，由于硝酸銨具有爆炸性，防止硝酸銨溶液操作過(guò)程中溫度過(guò)高引起爆炸或溫度過(guò)低結(jié)晶堵塞管道等生產(chǎn)事故。

4.3 酸堿度pH控制

由于到貨高濃度硝酸銨水溶液屬于強(qiáng)酸弱堿鹽，顯酸性，工藝要求控制在3.9±0.1?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)先加入適量的碳酸鈉，適當(dāng)提高溶液的pH值，然后再加入檸檬酸。將pH值調(diào)節(jié)到工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。待測(cè)溶液pH值達(dá)不到工藝要求，可按照每批次硝酸銨溶液pH值降低0.07需添加檸檬酸0.4 kg，pH值每提高0.07需添加0.2 kg的碳酸鈉的方法來(lái)添加。這里先加碳酸鈉提高pH值，再加入檸檬酸的降低pH值，而不直接加檸檬酸，主要是為了提高溶液的反應(yīng)活性，對(duì)下一步氧化溶液生產(chǎn)乳膠基質(zhì)，乳膠基質(zhì)與敏化劑反應(yīng)生產(chǎn)乳化炸藥增加發(fā)泡活躍度，最終提高乳化炸藥對(duì)起爆器具的敏感度。從而生產(chǎn)出合格的乳化炸藥，為露天煤礦的各種爆破提供起爆能量。

5 結(jié)論與展望

利用硝酸銨水溶液配制氧化溶液制備出來(lái)乳化炸藥，是以前溶解固體硝酸銨顆粒制備乳化炸藥工藝的進(jìn)一步升級(jí)，這種生產(chǎn)工藝操作簡(jiǎn)單，效率高，將生產(chǎn)效率提高了1倍。這種生產(chǎn)乳化炸藥工藝符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)鏈一體化政策，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效的根本措施，是民爆行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展和支持的對(duì)象。由于炸藥生產(chǎn)屬于民爆范疇，所以對(duì)關(guān)鍵操作技術(shù)指標(biāo)的把控上必須嚴(yán)格。筆者通過(guò)對(duì)關(guān)鍵控制技術(shù)的梳理，進(jìn)一步說(shuō)明了關(guān)鍵控制技術(shù)的重要性和必要性，以及未來(lái)的合理性。