乳化基質冷卻工藝研究

黃云川

（廣東宏大羅化民爆有限公司，廣東云浮 527300）

乳化基質冷卻是炸藥連續自動化生產中必不可少工序，即在生產過程中需將乳化工序產出的乳膠基質進行冷卻處理，將其從95～100℃冷卻至50～57℃。由于受到原材料、安全因素、冷卻效率以及工房大小的制約，生產現場對于冷卻工藝有著諸多方面的要求，同時敏化工序對乳化基質的溫度要求較為嚴格，且在一定程度上要做到自由調控，因此，必須對乳化基質冷卻工藝進行研究，以確保冷卻工藝穩定。

1 乳化基質冷卻效果影響因素

1.1 熱量傳遞效果理論表述

乳化基質冷卻工藝問題從熱量傳遞理論來看，實際上是一個間壁傳熱過程，熱量傳遞交換效果可用傳熱量公示來表示[1]，即：

其中Q為傳熱量，kJ/h；K為設備傳熱系數，kJ/（m2·h·℃）；A為傳熱面積，m2；Δtm為熱傳遞溫差，℃。由式（1）可見，理論上Q與K、A、Δtm成正比關系。在生產過程中，其他工藝條件不變的條件下，乳化出口基質與冷卻介質溫度隨之確定，基質與冷卻介質溫度差成為一個定值，傳熱動力也是一定的。想要提高冷卻效果，就要提高乳化基質傳熱量，增大傳熱面積和冷卻基質與介質的熱傳遞溫差，調整配方以提高乳化基質的傳熱系數。

由傳熱理論可知，冷熱流體的給熱系數決定傳熱系數，用公式表示，即：

式中，K為給熱系數，β1、β2為高溫物質給熱系數，kJ/（m2·h·℃）；δ為接觸介質壁厚度，m；μ1為導熱系數kJ/（m2·h·℃）。

由式（2）可知，在確定傳熱工藝設備材質及厚度后，δ/μ1就成為固定常量。給熱系數與冷卻物質（流體）的運動狀態及性質、傳熱設備傳熱面積有密切關系，β1、β2是影響給熱系數K值的主要參數[2]。

綜上分析可見，傳熱面積和冷熱流體的給熱系數是單位時間傳熱量的決定因素。換熱面積與給熱系數在很大程度上依賴于冷卻工藝與設備的設計。提高乳化基質冷卻效果的主要途徑：一是要增大傳熱面積，可以對冷卻設備不斷優化結構，增大設備體積；二是提高乳化基質對流給熱系數，可以加長乳化基質輸送管道長度，讓乳化基質在冷卻器不斷分割流經及旋轉次數（增加β1、β2系數），提高冷卻設備Δtm傳熱量。

1.2 乳化基質傳熱特性

乳化基質主要成分為硝酸銨、復合蠟、乳化劑，經過乳化機高速剪切混合形成，屬于一種非牛頓塑性流體。乳化基質從乳化機生產出來的黏度在500～700Pa·s，由于其附在冷卻設備會產生極強的黏滯作用，很難被清除和更新，再加上物理摩擦作用，流通性差，增加輸送壓力，乳化基質本身的熱量難以被快速導走，因此在冷卻設備上會形成熱阻，產生很厚的滯留層[3]。熱阻與冷卻設備接觸材質壁厚度成正比，與給熱系數成反比。此外乳化基導熱系數通常很小，為0.96kJ（m·h·℃）左右，造成熱阻很大，這些都是影響基質傳熱效果的重要因素。

綜上分析可知，乳膠基質具有流動性差、黏度大、導熱性差等特性，是導致基質冷卻降溫困難的主要原因。

1.3 乳化基質黏稠度

乳化基質作為一種非牛頓塑性流體，經過精乳機乳化后，容易形成2～10mm厚度的非流動層，黏稠度較大，在冷卻器和乳化器中速度梯度較大，主要表現為黏滯輸送設備零部件及冷卻材質器壁，運動摩擦力較大，乳化基質這種黏滯性，嚴重影響其與其他物質熱量傳遞，難以實現溫度降溫。

1.4 乳化基質流動性

乳化機出口的乳化基質溫度一般在100～105℃。水油相經過短時間高速攪拌混合、剪切，乳化基質黏稠度增加，乳膠粒子變小，在這個乳化溫度范圍內，乳化基質顯著的特性就是流動性較差，運動摩擦力就越大，導熱性弱，傳熱效果差。

1.5 冷卻設備材料

由于不同冷卻設備材料的熱傳導性不同，熱導系數也不同，材料管壁越薄，傳熱效果越好，例如在100℃時，銅的導熱系數μ=393W/（m·K），鋁的導熱系數μ=240W/（m·K）。冷卻設備越長，基質冷卻時間越長，冷卻效果越好。冷卻設備表面越粗糙，乳化基質黏附越厚，黏附作用強，熱擴散率越低，導熱系數下降。

1.6 冷卻水溫度及流量

國內乳化炸藥生產線冷水基本都采用自來水，以水為冷卻介質，在冷卻設備尺寸直徑不變時，冷卻水溫度及流量與冷卻溫度成正比。冷卻水溫度越低，流量越大，熱交換能力越強，冷卻效果越好。

2 冷卻工藝技術對比分析

具有推廣價值的乳化炸藥冷卻工藝，一是要滿足安全高效、連續自動化，二是實現快速冷卻降溫，三是產能大、投資維護成本低，以下是對幾種我國目前主流的乳化炸藥冷卻工藝技術進行分析和比較。

2.1 鋼帶冷卻工藝

鋼帶冷卻主要由碾壓料系統、鋼帶輸送系統、冷卻噴淋水循環系統等組成。鋼帶冷卻工藝主要原理是將制備好的水、油相物料被泵送到乳化器進行乳化，制得乳膠基質，乳膠基質自由下落輸送到移動的鋼帶，將鋼帶連續過水噴灑冷卻，用膠輥裝置將乳化后的可流動狀態的高溫基質均勻碾壓，鋪在鋼帶上形成5～12mm薄層，鋼帶在勻速移動過程中，用循環冷卻水噴淋到鋼帶另一面，確保鋼帶在輸送過程中連續冷卻。冷卻后的乳化基質通過鋼帶末端掛料系統落入敏化機進行敏化。鋼帶冷卻工藝，不受炸藥配方限制，物理敏化、化學敏化均可，鋼帶冷卻沒有任何剪切破壞，對乳化基質的破壞較小，乳化狀態保持良好。影響鋼帶冷卻效果主要因素是產能大小、乳化基質出料溫度、循環冷卻噴淋水溫度、乳化基質分布厚度、鋼帶輸送速度等。

2.1.1 鋼帶冷卻工藝優缺點

（1）優點：①敞開式，無乳化基質殘留，無摩擦，安全性高；②冷卻效率高，效果好，通常在3min內可以將100℃冷卻到51～55℃，如表1所示。

表1 冷卻性能實驗

（2）缺點：①日常操作繁雜，鋼帶上乳化基質厚度一般都是人工調節；②鋼帶冷卻裝置整體占地面積大，前期投資及后期維護成本高。

2.1.2 優化方案

近年來，國內許多單位廠家對鋼帶冷卻工藝也在不斷進行優化改進。尤其是中鋼集團馬鞍山礦山研究院黃琦統設計了“一種涼藥厚度自動化控制系統”、撫順礦業李勝萍提出了“鋼帶冷卻機乳化基質布料厚度調節裝置的改進[4]”等技術，主要都是用PLC編程控制，實現對鋼帶乳化基質厚度進行實時自動調節，解決了長期以來鋼帶冷卻基質厚度的自動化控制問題，提高了乳化炸藥生產線全線自動化、無人化水平，對于鋼帶冷卻使用廠家具有很大推廣價值。

2.2 浸冷水冷卻工藝

浸冷水冷卻主要由鋼滾裝置、浸冷水循環槽、浸冷皮帶輸送系統、吹風除水系統、刮料裝置等幾部分組成。浸冷水冷卻工藝主要原理是制得的乳膠基質（溫度為95～100℃），自由下落到浸冷輸送皮帶，再由鋼滾壓料系統將基質均勻碾壓成8～10mm厚度，然后由浸冷皮帶輸送直接經過循環冷卻水槽過水進行冷卻降溫，讓基質與冷卻水進行充分熱傳遞。浸冷水帶在移動過程中使乳化基質邊輸送邊冷卻，并實現連續進料與出料。再由吹風除水系統對皮帶及乳化基質上的游離水進行清除，經過除水系統的乳化基質（溫度為52～57℃）再由刮料裝置刮入敏化機攪拌進行敏化。影響浸冷水工藝冷卻效果的主要因素是產能大小、進冷水循環溫度、基質厚度、水槽長度等。

我公司乳化炸藥線目前冷卻工藝為浸冷水冷卻，在實際使用中，產能、工藝配方、生產設備條件不變的情況下，進行了有關浸冷水冷卻效果的實驗數據如表2，產品性能測試數據如表3所示。

表2 乳化基質浸冷水冷卻實驗測試數據（7.5t/h）

表3 乳化基質浸冷水冷卻敏化的產品性能

2.2.1 浸冷水冷卻工藝優缺點

（1）浸冷水冷卻工藝優點：①冷卻時，乳化基質與水直接接觸，降溫效率高；②皮帶價格便宜，投資維護成本低。

（2）缺點：①降溫后乳化基質會帶入游離水，影響炸藥產品質量，帶入游離水過多時會導致炸藥爆炸性能下降；②皮帶在運轉過程容易打滑及磨損；③產能達到8.5～9.0t/h時，冷卻效果明顯降低；④浸冷水槽殘留藥渣需要定期清理。

2.2.2 優化方案

針對浸冷水冷卻工藝目前存在的缺點：①可以進一步改進吹風除水系統，調整冷卻皮帶爬坡角度，增大吹風電機功率，提高除水效率。②在浸冷輸送皮帶卸料部門增加游離水導流裝置，將皮帶及乳化基質上多余的游離水引走。③在浸冷水槽底部再增設一個水槽，對移動浸冷皮帶另一面循環冷卻，提高冷卻效率。④調整炸藥工藝配方，使用高分子乳化劑或高性能的復合油相，增加SPan80及含油量，使用憎水型珍珠巖等，都可以提高乳化基質的抗水性，改善浸冷水冷卻乳化炸藥性能。

2.2.3 敞開式無動力冷卻工藝

陳飛等提出并研制出了一種敞開式無動力冷卻器[5]。敞開式無動力冷卻工藝主要原理是將高溫乳膠基質用一個篩子形狀的噴頭噴射成條狀，直接浸入循環冷卻水容器中，將乳化基質從100℃迅速冷卻到52～57℃。利用乳膠基質抗水性，密度比水較大，將基質中的水從容器底部擠出。此時冷卻降溫后的乳膠基質在55℃，可直接輸送到敏化機進行敏化。

敞開式無動力冷卻效果主要與傳熱面積與傳熱系數有關，乳化基質進入冷卻器后，與循環冷卻水直接發生熱量交換，乳化基質與冷卻水接觸面積越大，乳化基質傳熱越有利，冷卻效果越好。陳飛等以250mm直徑的噴頭為實驗，數據見表4。

表4 乳化基質傳熱面積對冷卻效果影響

敞開式無動力冷卻工藝優缺點：

優點：①冷卻工藝設計新穎，結構巧妙，獨創性較強，為乳化炸藥冷卻提供了一種新思路，有很大發展空間。②基本實現了乳化炸藥生產冷卻工序管道化、自動化、無人化。

缺點：敞開式無動力冷卻明顯不適用于大產能的乳化炸藥生產線，超過3.5t/h，冷卻效率將會很低，目前只適用于混裝地面站、混裝車等小型化生產，不適宜大規模推廣。

2.2.4 夾套混合式冷卻工藝

廣東增化民爆公司乳化炸藥生產線目前使用的就是夾套混合式冷卻工藝。該工藝主要原理是制備乳化基質后再由螺桿泵輸送到基質料倉中進行靜態敏化。這種冷卻工藝是在輸送管道夾套內不斷通冷卻水，使得管道內的基質得以降溫冷卻。由于該生產工藝屬于高溫化學敏化工藝，需要將乳化基質溫度由100℃冷卻到80℃左右進行敏化及裝藥。高溫化學敏化裝藥后，還需要對藥卷進一步冷卻，將藥卷輸送到冷卻水池皮帶進行循環冷卻，將溫度降到55℃左右。

夾套混合式冷卻工藝屬于封閉式，乳化基質處于密封狀態，對乳化基質形態破壞較小，生產出來的乳化炸藥質量產品優良，爆炸性能好。增化公司采用夾套混合式冷卻工藝生產出來的高溫化學敏化乳化炸藥性能測試數據，如表6所示。

表6 乳化炸藥性能測試

（1）優點：①夾套混合式冷卻工藝由于是封閉式冷卻加藥卷混合冷卻，炸藥跟基質都處于封閉狀態，炸藥跟基質幾乎沒有游離水，乳化基質狀態沒有破損；②生產工藝簡單，自動化程度高，現場無固定操作 人員。

（2）缺點：①冷卻效果不好，冷卻后基質溫度較高（80～85℃），還需要對藥卷進行進一步冷卻到45～55℃，只適用于高溫化學敏化工藝，不適用于中低溫化學敏化及物理敏化；②藥卷冷卻系統占地面積較大，工藝設備較多，水電能耗高，投資維護成本高。③螺桿泵輸送乳化基質壓力較大，且容易殘存藥多難清理，存在一定安全隱患。

3 結束語

乳化基質冷卻工藝技術是乳化炸藥連續化、大產能生產關鍵技術之一，要實現乳化炸藥高效快速冷卻，主要應從傳熱特性、敏化方式、冷卻設備技術、系統安全性、產能等方面研究考慮。①調整乳化炸藥工藝配方，選用高性能乳化劑，降低黏度，可以提高乳化基質流動性，增加基質導熱系數及傳熱效果。②中低溫敏化工藝，選用鋼帶冷卻、浸冷水冷工藝冷卻都比較適宜。高溫化學敏化，選用夾套混合式冷卻工藝比較適宜。③改進傳熱工藝和設備設計，優化尺寸結構，增大冷卻傳熱面積，可以提高基質對流給熱系數，提高換熱設備的傳熱量，基質冷卻效果明顯提高。④乳化基質以水為冷卻介質，增大冷卻水流量，降低冷卻水溫度，基質冷卻效果好，簡單實用，投資維護成本低。