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乳化炸药现场混装系统的发展综述

引言 

乳化炸药现场混装是十四五产业结构调整的重点推广生产方式。乳化炸药现场混装系统的研制自1979年至今已有40余年历史。其按工艺路线可分成三类:第一类是1979年开始研制的“plant-mixed”(以下简称为“地乳”),即将地面站乳化的基质装上混装车再泵送进炮孔,该混装系统称为PM地乳系统;第二类是1979年同期研制的“site-mixed”(以下简称为“车乳”),基质在现场混装车上完成后再泵送进炮孔,其混装系统称为SM车乳系统;第三类是2014年开始研制的“borehole-mixing”(以下简称为“孔乳”),乳化直接在爆破工地的炮孔内完成,其混装系统称为HM孔乳系统。随着技术的发展,乳化炸药混装系统越来越简单化,本文分别介绍了这三类混装系统的主要成就和现状。

可能上世纪八十、九十年代信息不通畅之故,许多文献遗漏了我国早期乳化炸药混装系统研究历史。实际上我国乳化炸药现场混装的研究与国际同步,其乳化技术和自动控制等技术成果当时还领先于欧美(理由见正文分析)。因此本文对这些乳化炸药混装系统的研制历史试图补全。

另外,少有乳化炸药混装系统的论文言及混装系统爆炸危险性,许多文章认为现场混装是本质安全的。实际上,乳化炸药现场混装系统的基质生产、储存、转运及炸药现场混装各环节,在历史上皆发生过爆炸事故,不完全统计共造成近20人死亡,本文进行了例举。对乳化炸药现场混装生产安全性进行的分析表明,从SM车乳、到PM地乳、再到HM孔乳,随着技术的发展,乳化炸药混装系统越来安全化,混装安全技术遵从了生产过程介质从炸药、到基质、再到硝酸铵水溶液的不断降低爆炸属性,及生产设备爆炸危险性从高、到中、再到低的双重发展方向。

目前市场主流乳化炸药混装车经过四十年来的发展,虽更加可靠易用,但却始终存在高质量方面的不足,比如炸药威力较低(仅为包装型炸药的80%),爆破单耗较高(不能令爆破业者满意),产品的环保缺陷等。对乳化炸药现场混装生产高质量性进行的分析表明,混装质量技术从PM地乳、到SM车乳、再到HM孔乳,随着基质储存的取消及乳化技术的提高,乳化炸药混装系统越来越高质量化,炸药绝对能量不断提升,有毒气体含量不断降低,爆炸能量利用率不断提升,爆破炸药单耗不断降低。

现场混装的主要目的之一是降本增效,但近年来大多混装乳化炸药生产成本居高不下,甚至某些超过了包装炸药。本文对此进行了分析和综述,混装技术从地乳、到车乳、再到孔乳,随着基质从储存到现乳现用,乳化炸药混装系统越来越低成本化,乳化临界油比不断降低,炸药生产流程从长流程进展到短流程,炸药成本不断降低,能耗不断降低。比如河北某民爆公司应用HM孔乳混装系统为某铁矿提供散装乳化炸药,在产品销售价较低(4400元/吨左右)的不利情况下,2020年利润率仍达到了23.8%。

本文笔者有幸参与全部三类乳化炸药混装系统的研制与技术服务,包括参与我国第一个乳化炸药混装系统的工业试验,参与或主持我国七·五国家攻关项目SM车乳乳化炸药多功能混装系统、八·五至十三五PM地乳乳化炸药混装系统及井下乳化炸药混装系统、十一五至十四五HM孔乳乳化炸药混装系统等的研制工作,曾从事海南铁矿、湖北铜录山铜矿、香港将军澳填海工程与三峡工程的SM车乳混装系统,香港捻湾填埋工程、湖南新田岭井矿与柿竹园井矿的PM地乳混装系统,及HM孔乳混装系统河北鑫源钼矿等矿山乳化炸药现场混装的试验、技术服务或生产,执笔本文冀期促进乳化炸药现场混装技术更进一步发展,也冀期予用户选用、建设、生产应用乳化炸药现场混装系统有所帮助。


         1 乳化炸药混装系统的分类与发展史

         1.1 乳化炸药混装系统的分类

乳化炸药混装系统的工艺路线历经有3个典型的变迁:PM地乳系统、SM车乳系统、HM孔乳系统。因此,笔者认为按典型工艺路线划分乳化炸药现场混装系统类型较为合适。

乳化炸药混装系统发展40年来,可全部归纳入上述三种系统的范畴。笔者未将增加某些数字化、信息化内容的混装系统,列入分类因素,是据于这些混装系统的内核没有发生变化,数字化、信息化仅仅是乳化炸药现场混装系统的外部功能。况且,基于工艺路线不同的上述三种系统,皆是可以,而且已经具有数字化控制、信息化管理的功能。同时,数字化、信息化也是当前所有乳化炸药混装系统必须具备的内容。

1.2 乳化炸药混装系统发展史

1.2.1 国外相关发展史

国外乳化炸药混装系统的研制有二类系统:乳化在地面站完成的PM地乳系统、乳化在混装车上完成的SM车乳系统。两种系统皆是在乳化炸药工业化早期同时研制出来的。

其中PM为ICI公司、Nobel公司等,自1979年来开发的乳化炸药混装系统。这种混装系统将乳化炸药生产一分为二,乳化在“stationary plant”固定地面站生产,其主要工艺方式是动态乳化器和粗乳罐加静态精乳型(以下简称为“半静态乳化型”),及Nobel公司2005年发明的静态乳化型地面站。1987年南非AECI公司发明“静态”敏化的乳化炸药PM混装系统。另外,“井下乳化炸药混装车”是一个小型的PM乳化炸药混装系统,如ORICA公司的混装器。

SM为IRECO公司所研制,1985年获美国专利。这种混装系统是一座完整的乳化炸药移动加工厂,采用动态乳化、动态敏化,炸药泵装药到炮孔。2005年,Nobel公司发明了静态乳化、静态敏化,无基质或炸药泵的SM车乳系统,2010年获得美国专利。

1.2.2 我国乳化炸药混装系统发展史

我国乳化炸药混装系统的研制的除上述国外同类PM地乳系统、SM车乳系统外,还研制了乳化在炮孔内完成的HM孔乳系统。前两种系统也是在上世纪八十年代初,乳化炸药工业化早期同时研制出来的,第三种是2014年研制的。

我国的乳化炸药混装系统研究与国际同步,但早期研究者少。我国最早研制的混装系统是长沙矿山研究院1979年立项研制SM车乳混装系统(RHC-8型),1985年通过技术鉴定。1985年,国家经委批准山西长治矿山机械厂引进IRECO公司SM车乳混装系统制造技术。1986年,国家经委委托中国有色金属工业总公司下达长沙矿山研究院引进消化吸收美国SM车乳混装系统的研制任务,并列为国家经委 “七·五 ”重点技术开发项目,1990年通过技术鉴定。1992年、1993年该混装系统分别在香港将军澳工程和三峡工程得到应用。另外,七五期间国家科委下达长沙矿山研究院重点攻关项目“DRHC-12型多功能乳化炸药混装系统”,该车国际上首次实现了生产的数字化控制,1990年通过技术鉴定。山西长治矿山机械厂同时期将引进SM混装系统国产化,2012年所研制的数字化混装车通过技术鉴定。

我国PM地乳混装系统的研究也与国际同步。包钢矿山研究所1980年立项,1985年鉴定“常温泵送乳化炸药装药车”。长沙矿山研究院1993年也研制出PM地乳混装系统,1994年应用于香港捻湾工程。其后,山西长治矿山机械厂也研制出PM混装系统。2001年,北京矿冶研究总院研制的中小矿山用现场混装系统通过技术鉴定。进入21世纪后,石家庄成功机电有限公司、湖南金能股份有限公司、深圳金奥博科技股份有限公司、青岛拓极采矿服务有限公司、江苏澳瑞凯板桥矿山机械有限公司、山西鸿浩汽车改装有限公司纷纷研制PM地乳混装系统。

PM混装系统的前段地面站工艺,目前有三种方式:动态乳化类型、半静态乳化型、静态乳化型。长沙矿山研究院、湖南金能股份有限公司研制了动态乳化方式,青岛拓极采矿服务有限公司、深圳金奥博科技股份有限公司、江苏澳瑞凯板桥矿山机械有限公司研究了半静态乳化型,北京矿冶研究总院、山西长治矿山机械厂分别研究了动态乳化型与半静态乳化型2种方式,石家庄成功机电有限公司分别研究了动态乳化型与静态乳化型2种方式。

进入21世纪以来,我国长沙矿山研究院、山西长治矿山机械厂、北京矿冶研究总院、石家庄成功机电有限公司、湖南长斧众和科技有限公司、湖南金能股份有限公司、青岛拓极采矿服务有限公司、深圳金奥博科技股份有限公司等分别研究井下乳化炸药混装车。为配合井下混装车的使用,石家庄成功机电有限公司还配套研制了基质公路运输转运车、不锈钢基质吨桶、基质转运泵等。

石家庄成功公司2006年立项,2014年披露了一种“borehole-mixing”孔内乳化的新型乳化炸药混装系统(已获中国、美国、欧洲、澳大利亚专利授权),炸药乳化在炮孔内完成,该混装系统称为HM孔乳系统。

1.3 PM乳化炸药混装系统的技术进展

北美洲的乳化炸药混装车,其PM地乳混装系统一般包括4个部分:基质地面站、基质公路运输服务站、基质储存分站和现场混装车。远程使用时,所建设的基质公路运输服务站,目的是给基质运输车在运输途中,提供驾驶员休息场所和给基质加热保温提供能源,后者能帮助实现精细敏化:促进敏化发泡的质量稳定,以保障爆破质量。基质储存分站向各个爆破作业点提供乳胶基质。我国PM地乳系统没有服务站和基质加热、敏化补偿系统部分。

1.3.1 基质地面站的进展

地面站的技术发展大致可划分为二个阶段:第一阶段,1979年至2005年,乳化为动态搅拌器类型;第二阶段,2005年至今,乳化为静态装置。

1)研制第一阶段的基质地面站乳化器有2种:动态乳化器、半静态乳化型。其中前者的剪切线速度一般为10~25m/s,所得基质胶滴粒径2~3µm;后者的构成为100~150L粗乳罐、基质泵和静态混合器,其中基质泵一般为螺杆泵和活塞泵,基质胶滴粒径有研究单位测得为1.1µm。这2种乳化技术设备皆是乳化炸药1980年前后研制,目前全球仍有使用。

2)研制第二阶段的基质地面站是静态乳化器。查询乳化专利文献,近40年来乳化炸药的静态乳化的专利更多,典型进展如下:

1990年,英国ICI公司发明射流连续乳化装置(美国专利US4911770),其工艺参数和技术指标为:产能12.5T/h,水相射流流速20m/s,水相压力5.2Mpa,基质胶滴粒径5µm。

2005年,Dyno Nobel, Inc.发明“fuel-rich emulsion”富油乳化的基质地面站(美国专利US 7,771,550 B2),其工艺参数和技术指标为:产能5.4T/h,水相压力2.62Mpa,基质粘度13000cP。

2014年,石家庄成功机电有限公司发明了超级富油连续乳化的基质地面站(专利PCT/CN 2014/088730),其工艺参数和技术指标为:产能25T/h,水相压力1.5Mpa,测得基质胶滴粒径0.38µm,基质粘度35000cP。

从基质胶滴粒径看,当前静态乳化的乳化质量已经超过动态乳化、半静态乳化。

1.3.2 PM露天混装车的进展

PM混装车的发展也大致可划分为二个阶段:第一阶段,1979年至1987年,敏化为动态搅拌器;第二阶段,1987年至今,敏化为静态装置。二者的分界线是1987年,南非AECI公司发明“静态”敏化的乳化炸药PM混装车(英国专利GB2204343A)。

目前PM混装车的静态敏化装置大同小异,射流孔数2~20个不等,喷射角度有斜向管壁外喷的、有斜向管心内喷相互撞击的,表现在敏化效果上为均匀性和炸药爆速差别。

关于基质泵,有螺杆泵、转子泵、柱塞泵、活塞泵几种泵送方式。

1.3.3 PM井下混装车的进展

PM井下混装车目前有2种泵送方式:一种是单螺杆泵、发泡剂泵和催化剂泵三个单独动力泵送基质、发泡剂、催化剂,另一种是单动力联动驱动基质、发泡剂、催化剂双向柱塞泵。前者流量更平稳,后者三相配比更准确。目前我国井下混装车大多沿用第二种泵送方式。

1.4 SM车乳混装系统的进展

SM车乳系统一般包括2个部分:半成品地面站和混装车。

1.4.1 SM地面站的进展

SM车乳系统的地面站简单,仅制备水相、油相、发泡剂相半成品。四十年来,其工艺、机械设备基本未变,仅在数字化方面有些变化。

1.4.2 SM混装车的进展

SM车乳混装车的发展也大致可划分为二个阶段:第一阶段,1979年至2005年,乳化、敏化为动态搅拌器,螺杆泵泵送炸药到炮孔;第二阶段,2005年至今,无机械搅拌、无泵送炸药。二者的分界线是2005年,Dyno Nobel公司发明“pumpless delivery”无泵装药的乳化炸药SM混装车(美国专利US 7,771,550 B2)。

1)研制第一阶段。这一阶段是机械搅拌乳化敏化、炸药泵送装药。

1979年,我国和美国相继展开SM混装车的研究。我国长沙矿山研究院SM车采用立式乳化罐乳化;美国IRECO公司采用卧式多组定转子结构搅拌乳化器,我国相继有南芬铁矿、德兴铜矿、平朔煤矿引进该混装系统。理论和实际应用表明立式乳化罐乳化安全性和乳化可靠性更高些。

2)研制第二阶段。这一阶段是静态乳化敏化、无装药泵装药。

2005年,Dyno Nobel公司发明“pumpless delivery”无泵装药的SM车乳混装车,其静态乳化器由二级乳化芯组成,水油相加压后进入乳化室:第一级仅40%水相参与乳化,形成富油乳化(若油相比例为5.5%,则第一级乳化芯区域形成12.1%的富油区);第二级剩余60%水相。乳化后的基质加入发泡剂,与静态敏化器射流混合后进入炮孔。据披露,水相泵压2.6Mpa,粘度13000cp。可见乳化压头在中压区,粘度也相对较小,乳化质量和可靠性相对较低,可能因为该原因,未见“pumpless delivery”无泵装药的SM车的实际应用报道。

1.5 HM乳化炸药混装系统的技术进展

2014年,石家庄成功机电有限公司发明了HM乳化炸药混装系统(专利PCT/CN2014/ 087504)。HM车乳系统一般包括2个部分:半成品地面站和混装车。

1.5.1 HM地面站的进展

HM孔乳系统的地面站简单,仅制备水相、油相、发泡剂相半成品。为适应北方严寒地区,该地面站增加了乳化剂桶预热室,方便直接抽送配料。为达到十四五规划要求,地面站增加了安全指标在线测控、半成品质量数字化在线检测、质量在线评估、质量不合格及时预警、质量随动调控、信息实时上报等智能化信息化手段,如水相硝酸铵浓度与PH值、油相乳化剂浓度、发泡剂亚硝酸钠浓度等,以实现地面站现场操作无人化,及与混装车等的信息化沟通调度。

1.5.2 HM混装车的进展

HM车乳混装车的发展也大致可划分为二个阶段:第一阶段,2013年至2016年,粗乳器采用五级乳化芯;第二阶段,2016年至今,粗乳器采用七级乳化芯。

1)研制第一阶段。这一阶段是五级乳化芯。

2007年,石家庄成功公司开展了静态混合器、射流孔版等结构的连续静态乳化的工业试验。2013年开展富油、超级富油形成连续乳种的研究。其主要特征粗乳芯为5级,水相分成5部分喷射入相应级数乳化芯,自第一级至第五级乳化芯,水相每级射入量约20%,相应每级乳化芯的油相含量分别为23.1%、13.0%、9.1%、7.0%、6.0%(以HM混装乳化炸药油比6%计)。如此在管式粗乳器的前端形成高于正常油比3倍的过程超级富油乳化室1个,形成可持续连续乳种。在中、前端形成3个富油区,且每级水相射入量不太大,保障这些水相在乳种帮助下继续成乳。如此粗乳压头明显降低,如0.7Mpa即可乳化。

2)研制第二阶段。这一阶段是七级乳化芯。

2016年,为进一步提高乳化可靠性,成功公司将粗乳芯增加至7级或以上时,水相分成7部分喷射入相应级数乳化芯,自第一级至第七级乳化芯,水相每级射入量10%~15%,相应每级乳化芯的油相含量分别为32.4%、19.2%、12%、8.7%、6.9%、5.6%、4.8%(以HM混装乳化炸药零氧平衡的4.8%计)。如此在管式粗乳器的前端、中部形成高于正常油比3倍的超级富油乳化室2个,极易成乳,形成可持续连续乳种。在中、后端形成富油区4个,且每级水相射入量不大,保障这些水相在乳种帮助下更易继续成乳。如此粗乳压头明显降低,如0.2Mpa即可乳化,同时将乳化临界油比降至4%以下。

多个“超级富油初乳”与多个“富油初乳”的出现,不仅确保低压头稳定连续乳化,也减小了原料泵和粗乳器、精乳器大小,实现炮孔内乳化(乳化器的外径小于¢57mm)目标。另外将乳化临界油比降至4%以下,有利于提高乳化可靠性、消除乳化药头药尾、使用廉价且含量低的乳化剂与可燃剂,及实现炸药零氧平衡,以提高混装炸药威力、降低炸药成本、提高环保水平。另外,低压头粗乳,也有助于提高精乳敏化强度,如射流流速至15m/s~25m/s,可将炸药胶滴和气泡平均粒径分别降低至0.5µm以下、10µm以下,将爆速提高至5800m/s以上,以提高炸药波阻抗、改善爆破质量。

HM孔乳系统还开发了“水相替代水环”技术,用15%炸药产能的水相形成水环,将通用水环的厚度增加5倍以上,避免了装药软管堵塞意外发生,也进一步降低了管道输送压力。


         2 乳化炸药混装生产安全的分析和技术进展

2.1 乳化炸药混装系统爆炸事故案例与分析

历史上SM车乳系统发生过1起、PM地乳系统发生过多起爆炸事故,具体案例如下:

2.1.1 SM车乳系统的爆炸事故与分析

2006年9月15日,美国某铜矿SM混装车生产作业时,液压油管破裂起火,燃烧40分钟、70分钟后分别发生2次爆炸。爆炸后,未发现乳化器、敏化器及炸药螺杆泵残骸,发现水相罐残骸,爆坑周边有硝酸铵白色结晶。这可能启示如下:

1)炸药螺杆泵漏斗内有70余公斤炸药,螺杆泵与敏化器因介质爆炸属性性高而发生爆炸;

2)乳化器发生爆炸,说明即使含18.8%水的混装乳化炸药基质爆炸属性也较高;

3)水相罐没有发生爆炸,说明水相溶液爆炸属性低,不仅自身未燃烧爆炸,而且水相罐既未被¢50mm水相输送管道传爆,也未被乳化器、敏化器、螺杆泵漏斗存药爆炸而殉爆。

该爆炸案例说明硝酸铵溶液的爆炸属性、传爆性、殉爆型明显低于炸药、基质。因此,公路运输或混装系统生产环节的介质发展方向当是从炸药、基质到硝酸铵溶液。

2.1.2 PM地乳系统的爆炸事故

据相关报道,PM地乳系统在生产、储存、运输、中转、矿山各环节皆发生过爆炸事故,如:

1)基质生产发生过多起爆炸事故。其中动态搅拌乳化器发生过多起爆炸事故:敞开式乳化罐、管线式乳化器、胶体磨、多级定转子乳化器(与一些基质地面站乳化器结构相同)等皆发生过生产爆炸事故。基质螺杆泵也曾发生多起爆炸事故。另据国外文献报道,基质活塞泵也曾发生过爆炸事故,该活塞泵用于泵送粗乳罐来的粗乳基质通过静态混合器,爆炸造成4人死亡。

2)基质地面站储存罐的爆炸事故。1995年8月2日,巴布亚新几内亚,两个基质储罐(一个容量为55m3,另一个容量为30m3)被包装炸药生产爆炸引燃爆炸,事故造成11人死亡,2人受伤。

3)基质运输过程发生过爆炸。2004年6月14日,俄罗斯,一辆载有基质的卡车在轮胎起火导致热量蔓延后在高速公路上爆炸。

4)基质转运过程中发生过爆炸事故。1990年4月18日,当基质从一辆卡车转移到另一辆散装卡车时,在转移操作中螺杆泵发生爆炸;2002年11月5日,南非米德尔堡矿,在将基质从卡车转移到储存罐的过程中,转移操作中螺杆泵发生爆炸。

5)PM混装车在矿山运行阶段发生过爆炸事故。2013年3月21日,中国,当泵送车上剩余基质时,螺杆泵发生爆炸,造成4人死亡,9人受伤。

以上表明基质虽被列为氧化剂,但其爆炸属性仍较高。因此,国际上也有国家将现场混装基质归类炸药管理。另外,基质破乳结块后,由于易造成泵吸空干转、固态含油硝酸铵摩擦升温快及含油固态硝酸铵热分解温度降低,危险加大。

2.2 乳化炸药混装系统生产安全发展的技术进展

生产的本质安全性包括介质爆炸属性和设备爆炸危险等级。理论与实践表明:硝酸铵溶液是一种比乳胶基质更弱、危害较小的氧化剂。作为硝铵基炸药,其炸药、基质、硝酸铵溶液的爆炸属性依次降低。另外,我国相关标准把设备爆炸危险等级分为0类、1类、2类民爆专用设备及非民爆专用设备,其设备爆炸危险性依次从高到低。

关于现场混装乳化炸药介质爆炸属性,混装系统遵从了从炸药、到基质、再到硝酸铵水溶液的发展经历。如PM地乳系统从早期装炸药入炮孔,发展到目前装基质入炮孔;SM车乳系统从早期装炸药入炮孔,发展到装硝酸铵溶液,过程成基质后入炮孔;HM孔乳系统更直接装硝酸铵溶液入炮孔。

关于现场混装系统的设备本质安全性,经历了从民爆专用设备危险等级由高到低、再到无民爆专用设备的过程。如动态乳化器搅拌转速由2900rpm、到900rpm~1500rpm、再到600rpm,更发展到HM孔乳系统的非民爆专用设备的静态乳化器;敏化由动态搅拌发展到静态敏化;装药泵由单螺杆泵、到转子泵、再到活塞泵、柱塞泵,更发展到Nobel公司SM混装车和成功公司HM混装车的无装药泵。

 

        3 高质量发展主要技术经济指标的分析和技术进展综述

高质量发展主要技术经济指标包括高质和量智能化信息化方面,前者如炸药威力、爆破炸药单耗、炸药成本、能耗、可靠性、节能环保等,以下具体分析和综述之。

3.1 炸药威力

炸药爆炸威力取决于爆炸反应绝对能量和能量利用率。如铵油炸药虽然绝对能量高,但由于氧化剂和可燃剂间的接触均匀性较低,导致其能量利用率较低,炸药实际作功能力不太高;乳化炸药虽然含水,但由于氧化剂和可燃剂间的接触均匀性较高,乳化炸药的能量利用率高。

笔者对比发现:依据爆炸反应方程式和热化学参数(爆热Q、气体生成量n),利用新合成炸药的作功能力估算公式(CUP = 9.7 + 0.00263nQ,△V = 3.938(CUP)- 86),理论估算的乳化炸药作功能力△V与实测结果基本相符,说明采用该方法理论计算乳化炸药威力是可行的。大量的计算结果表明:非含能材料(NaNO3、水、油相)对乳化炸药作功能力的损害较明显,约1.9%NaNO3、0.33%的油相与1%水的耗能相当,降低的作功能力值约为6.2ml。

关于混装乳化炸药作功能力,遵从了降低甚至取消非含能材料的发展过程。

1)目前三种混装乳化炸药基本都取消了辅助氧化剂NaNO3;

2)降低炸药中油相含量。一般地乳基质的储存期要求在2个月以上,故PM地乳的油相比例一般在6.5%以上,个别在7.5%左右。但当混装乳化炸药从地乳改为现乳现用时,由于现场乳化物的稳定性一般超过预装药时限,故现乳现用无需考虑基质储存稳定性问题,相应油比可明显减少,如SM、HM混装车的典型油比分别为5.5%、4.8%(当然,上述数值也取决于所在混装车的临界油比和乳化剂质量)。配方中水相水含量17%相同时,PM地乳混装车、SM车乳混装车、HM孔乳混装车上述油比的炸药作功能力分别为223ml、252ml、269ml。可见PM地乳混装车为满足基质储存期要求,明显付出了炸药威力损失15%左右的较高代价。

3)为满足基质归类氧化剂条件,PM混装基质的水含量一般在17%以上,但单独的低水含量硝酸铵溶液属氧化剂,故HM混装车的炸药可将其水含量降低到9%,此时作功能力增加到317ml,接近1号包装岩石乳化炸药水平,其将PM典型乳化炸药作功能力提高了42%。

关于混装乳化炸药作功能力,还遵从了改进乳化装置,不断降低乳化物胶滴平均粒径的发展历程,如动态乳化器胶滴2~3µm、到半静态乳化胶滴1.1µm、再到HM静态乳化的胶滴0.38µm,这提高了混装乳化炸药的爆炸能量利用率。

3.2 炸药单耗

影响炸药单耗的3个主要因素是炸药的威力、爆速、密度。关于降低爆破的炸药单耗,遵从了“降低负氧到零氧平衡、降低炸药密度、提高炸药爆速”的发展历程。

1)降低负氧到零氧平衡是依靠降低油比实现的,如上文所述PM、SM、HM三种混装车的油比自6.5%、5.5%、4.8%依次下降,炸药氧平衡自-5%、-2.2%、-0.1%依次减负,结果炸药威力自223ml、252ml、269ml依次提升,这相应降低了爆破的炸药单耗。

虽然节理裂隙发育的岩石、软岩等爆破需要较低爆速炸药,但一般采用混装车大规模爆破的矿体结构较为稳定,依据炸药波阻抗匹配岩石波阻抗的理论,此时炸药爆速越高,炸药波阻抗越大,爆破效果越好,相应对降低爆破的炸药单耗贡献越大。SM混装车由于泵前敏化,故其炸药爆速较低,一般在4300~4800m/s。PM混装车、HM混装车泵后敏化,气泡未遭破坏,故爆速较高,其中PM混装乳化炸药的爆速5000~5500m/s,HM混装车由于敏化射流强度更高达15m/s~25m/s,气泡更微小,故HM混装乳化炸药的爆速达5800~6500m/s。

2)炸药密度大将造成装药高度变小,易产生顶部大块。国内有炸药工作者在SM混装车实践中测得,孔底炸药气泡将被压死一部分,孔底炸药密度高出孔上炸药密度10~20%。笔者分析这是SM乳化炸药采用粘度较低的柴油,炸药自身固泡性不好,再加上泵送和30余米装药软管的摩擦外力破坏内外双重原因造成的。PM混装车的敏化相对比较复杂,主要在于2个变数:一是基质温度不太高且不确定,二是因为基质储存期需要,其水相PH值不能过低(过低导致基质储存期缩短)。这导致了基质敏化产气速度的不确定,温度过低、基质水相PH值偏高导致敏化反应速度慢,炸药密度偏高,此时导致爆破单耗增加。国外采取既加热基质,又设置敏化补偿系统,引入催化剂泵送系统,根据温度不同自动添加不同量的催化剂的双重办法,实施精细敏化。我国PH混装车将上述措施取消,结果敏化速度偏慢(一般20分钟左右),炸药密度过高,增加了爆破炸药单耗。HM混装车敏化反应温度达80度左右,敏化产气速度在2分钟以内,且炸药密度可降至1.10以下,这对降低炸药单耗有利。

3.3 炸药成本

炸药成本包括原材料成本、能耗、设备维护更换成本等。

1)关于炸药原材料成本,现场混装乳化炸药遵从了从昂贵乳化剂到廉价乳化剂、从高油比到低油比的发展途径。PM混装乳化炸药因为基质有储存期要求,故其需要采用较昂贵的高分子乳化剂及较多的油相量,如此炸药成本相对较高(也有一些混装系统用户降低乳化剂质量要求和降低油相比例的,当然其基质储存期缩短)。SM乳化炸药由于基质现场现做现用,故油相比例相对降低了15%(从6.5%降到5.5%),且乳化剂改用了廉价的斯盘80乳化剂。HM乳化炸药沿用了SM乳化炸药现做现用、降低成本的方法,而且由于HM孔乳系统乳化力相比SM车乳系统更高,故HM乳化炸药油相用量在SM炸药基础上再降低15%左右(从5.5%降到4.0%~4.8%)。另外,同等炸药威力下,HM乳化炸药水含量可提高4%,这进一步降低了现场混装乳化炸药的成本(按2021年10月原材料市价,其较PM炸药节约原材料成本费用约300元/吨炸药)。

2)能耗。关于产能,混装系统遵从了由低到高的发展思路,PM、SM、HM三系统的乳化产能分别为10t/h、16.8t/h、27t/h,装药产能由PM、SM的16.8t/h发展到27t/h。关于装机容量,乳化炸药现场混装遵从了从长流程到短流程的发展之路,装机容量由大到小,PM、SM、HM三系统的乳化敏化炸药装机功率由31.5kw、28kw降低到12kw(PM、SM二系统皆为长流程,故上述装机容量相当)。由此,系统能耗遵从由大到小发展思路,PM、SM、HM三系统的乳化敏化炸药装机单位产能能耗由2.66、1.67降低到0.44,可见短流程较长流程节能显著。

3)关于设备维护更换成本。关于生产主要设备,遵从了一条由高爆炸危险设备向低爆炸危险设备,再无民爆专用设备;及高转速设备向低转速设备,再到静态装置;转动设备数量由多到少的发展之路。如乳化由高速搅拌(0类民爆专用设备)、到中速搅拌(1类民爆专用设备)、再到HM孔乳系统的静态乳化(非民爆专用设备),敏化由中速搅拌再到静态敏化,基质泵由单螺杆泵、到转子泵、再到柱塞泵,装药从炸药泵送、到基质泵送、再到原料一泵到底。显然,全静态乳化敏化的混装系统,使用维护更换成本更低些。

3.4 乳化可靠性与乳化质量

连续乳化技术遵从了一条从正常油比、到富油、再到超级富油的可靠性由低到高发展思路,基质从胶滴平均粒径数微米、到1微米、再到0.5微米以下的质量越来越高发展思路。

动态乳化器中,敞开式粗乳罐一直沿用至今的一个重要原因是开机时先加入部分油相,再加入水相,如此形成了“开机时的超级富油乳化”,在形成100~150L容积乳化罐必要的可持续乳种后,再开动精乳,并形成连续乳化。而其他密闭式乳化器,只能是正常油比乳化(即使开机富油,也因为容积小,由于容积不大于5L,形成不了粗乳罐似的持续连续乳种)。这也是笔者前文所言“我国第一台SM混装车乳化优于美国SM混装车乳化”的原因(二者分别采用敞开式乳化罐、密闭小容积卧式乳化器)。

连续静态乳化器的发展,更准确反映了可靠性乳化技术中“超级富油”形成持续乳种的必要性。可以说,连续静态乳化的近40年发展历史就是不断探求“超级富油形成持续乳种”的过程。具体体现在在水相加入方式上,从水油相一次性进料,到Nobel公司水相分2部分进料、再到成功公司5次进料与7次进料,反映到乳化压头上逐步下降到工艺可接受程度。以上4种进料方式分别对应的乳化压头为5Mpa、2.6Mpa、0.7Mpa、0.2Mpa。HM静态连续乳化的试验结果表明,在工艺可接受的原料泵送低压压头条件下,3级粗乳不形成乳化,4级时乳化不稳定,5级时稳定乳化的油相比例不能低于6%,直至将粗乳级数增加至7级或以上时,稳定乳化的油相比例方可降低至4%以下,这显著提高了乳化的容错性与可靠性。

乳化质量主要关联乳化剂和湍流场涡尺寸。乳化涡尺寸的大小与发布造成了乳化质量,即乳化基质的胶滴平均粒度(粒度越小,基质稳定性越好,炸药爆轰能量利用率越高,相对应炸药威力越大)。据查询与实际测试,动态乳化器、半静态乳化、HM静态乳化的胶滴平均粒度分别为2~3µm、1.1µm、0.38µm。

关于乳化可靠性,目前是通过人工检测获取。HM混装车提供了一种智能监测、智能调控方法:利用压头表征基质粘度,即通过在线“检测”基质粘度并形成在线乳化质量曲线,实时“感知”乳化质量是否正常。当乳化质量动态曲线偏离正常曲线时实时“预警”,将自动微调工艺参数(随动“处置”),使得质量曲线回归到正常状态,若质量无法调节回可接受质量状态,自动停机。

3.5 智能化、信息化

智能化、信息化是我国民爆行业发展需要,行业主管部门提出了具体要求。HM孔乳系统按照要求,提出了一套智能化信息化管控系统,其通过实时检测、在线评价、实时感知、动态预警、随动处置和无线通讯技术,实时报告地面站和混装车的安全状态、设备动态、工艺动态、产品质量、危险物品流向等内容,信息化还包括与地面站、爆破设计、凿岩穿孔、矿山管理等方面的互动。其中,产品过程质量采用智能测控,代替人工了人工作业。

3.6 环保

乳化炸药的现场混装的环保包括2个方面:一是产品爆破的有毒气体排放是否更少,产品是否环境友好;二是生产过程是否存在废料。

三种混装炸药中,PM地乳混装乳化炸药的负氧较多(-5%左右),其爆破后的有毒气体含量占总生成气体的百分比约为6.67%;SM车乳混装乳化炸药的负氧减少(-2%左右),其爆破后的有毒气体含量占总生成气体的百分比下降为3.61%;HM孔乳混装乳化炸药的负氧为零,其爆破后的有毒气体含量占总生成气体的百分比下降为0.88%。可见HM混装乳化炸药更加环境友好。

另外,SM、HM混装车现做现用,没有基质储存。但PM混装系统生产的基质需要在地面站储存,运输车、混装车中有挂壁基质,存在基质破乳,特别是料仓基质挂壁结块的可能性。这可能带来混装车安全生产隐患(某混装车爆炸的一个重要原因是结块基质导致混装车基质泵吸空干转),而且破乳与结块的基质迄今未找到回收处理的有效办法。

  

         4 结语

1)乳化炸药生产方式由地面固定工厂向现场混装方式转移,不是简单的将包装炸药工艺和设备坼解生产散装产品,而是更加简单化:配方更加简单(少组分)、工艺更加简单(短流程)、设备更加简单(全静态)方向发展。

2)现场混装的发展更加安全化:核心工艺乳化由地面站、到混装车上、再到炮孔,过程介质由炸药、到基质、再到硝酸铵溶液,生产设备由高爆炸危险、到中爆炸危险、再到低爆炸危险(无民爆专用设备)。

3)现场混装的发展更加高质量化:炸药威力更大、爆破的炸药单耗更低、更加节能环保、炸药生产成本更低、生产更加平稳可靠、智能化信息化程度更高。

 

                                                 石家庄成功机电有限公司  唐秋明 张爱军 任卫东 孙炜 吴应飙


2021-12-23 10:53

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