乳化炸藥工藝設備危險因素及預防

張春燕

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

目前,隨著社會的發展,乳化炸藥每年需求量都在增加,隨之而來的是乳化炸藥的生產安全[1]。乳化炸藥是借助剪切分散作用,以過飽和的硝酸銨水溶液為分散相(水相),復合蠟等為連續相(油相),使水相介質呈細微液滴均勻分散于油相介質中,從而形成一種油包水型特殊的乳液狀體系[2]。20 世紀60 年代末,乳化炸藥誕生。 對于粉狀銨梯炸藥,乳化炸藥的摩擦感度、撞擊感度和熱感度都比較低,并且抗水性能優良,因而得到了廣泛應用。但是,投入工業化實際生產之后,乳化炸藥的安全性卻因多次發生爆炸事故[3-6]引起人們廣泛關注。由此可見,生產過程中安全隱患存在卻易被忽視。

乳化炸藥是多組分構成的乳狀液的新型特殊復雜的混合體。 實踐和研究表明,在乳化炸藥生產過程中,原材料的使用、工藝設備和工藝參數、操作工的個人能力水平、管理者的管理水平等,對乳化炸藥的質量和生產過程中的安全都有著不可忽視的影響。 不僅如此,這些因素之間存在著潛在的聯系,而且與乳化炸藥的生產和安全密不可分,對乳化炸藥工藝設備的安全可靠性與運行穩定性的影響尤為直接與顯著。

1 乳化炸藥的生產工藝

乳化炸藥的生產工藝主要有連續式生產、半連續式生產及間斷式生產。 連續式生產工藝依靠先進的生產技術和設備,使溶解、乳化、冷卻、敏化、裝藥包裝、輸送裝車各工藝過程實現了機械化和連續化生產,生產過程由計算機自動控制、安全聯鎖,部分工序達到了智能化水平,每個工序和環節有序進行,做到實時監控工藝參數和設備的運行。 這種工藝的優點在于生產線布局緊湊,機械化自動化程度高,作業人員少,勞動強度低,生產安全水平較高,是國內目前普遍采用的生產方式,工藝過程如圖1所示。 半連續式生產工藝主要指乳化、冷卻和敏化工序為機械化和連續化生產,計算機自動控制工藝過程,裝藥、包裝和裝車工序雖然配有機械化設備,但仍需人工輔助作業。 其主要特點是投資較少,在線操作人員較多,安全生產水平較低,國內也有少部分企業仍在使用。 間斷式生產工藝指乳化炸藥生產各工序由人工或人工輔助作業,工序之間的物料傳輸多由人工完成。 這種工藝在20 世紀80 年代后期和90 年代初期較為多見。

圖1 乳化炸藥生產工藝流程

2 乳化炸藥基質的爆炸性

2.1 炸藥起爆原理

在制造炸藥的過程中,機械作用會很明顯,機械受到撞擊或摩擦就會引起炸藥爆炸。 了解炸藥的機械爆炸機理能夠防止爆炸的產生。

當代熱點學認為:當炸藥受到機械作用時,機械能首先轉變為熱能。 在機械作用過程中,作用是不均勻的,而熱能只集中在局部的小區間內,比如小氣泡或多面棱角處,熱能導致局部區間的炸藥溫度瞬間升高從而成為熱點,并且在此處發生炸藥分解,同時,放熱性反應使分解速度迅速加快,若熱點的量足夠多,面積足夠大,且溫度達到足夠高時,就可導致炸藥發生爆炸。

熱能的形成主要有三種原因:一是炸藥中的氣泡或空氣隙在機械作用下的絕熱壓縮;二是炸藥與晶粒之間、炸藥金屬與固體物質之間摩擦而生熱;三是炸藥在高壓力作用下產生的黏滯流動而加熱。

2.2 乳化基質的爆炸性

在乳化炸藥生產過程中,水相和油相也具有較高的溫度,并且水相的最高溫度在130 ℃左右,在強剪切力和高速運轉情況下,通過乳化劑形成乳化炸藥基質,隨后經過冷卻、敏化從而形成乳化炸藥。有無雷管感度的乳化基質本身都具有爆炸性,因此,正確地認識乳化基質的爆炸性很有必要。 乳化機制在一定溫度下能夠發生如下反應:

低溫低速分解:

那么,依據炸藥的起爆原理,若是在機械作用下達到一定的溫度條件,乳化炸藥物料就會爆炸,因此,生產過程物料受機械作用的形式與程度對生產安全至關重要。

3 工藝設備危險因素及預防

3.1 乳化工藝設備

要想實現乳化的穩定,最重要的條件之一就是在乳化過程中要將飽和的氧化劑水溶液迅速分散到熔化好的油相中,從而保證該體系有足夠的溫度。 在乳化過程中,乳化器腔體內的物料溫度上升、產生熱積累是非常危險的。 但是,乳化器是乳化過程的核心設備,在轉軸密封處的摩擦面存在相對運動,表面溫度升高不僅會破壞攪拌裝置和密封件,如果乳化基質泄漏到摩擦面還會發生爆炸的危險,從而導致事故發生。 從安全的角度來說,控制好各種因素引起的摩擦面溫度升高是乳化設備安全運行的重要措施。

1)降低乳化器轉速。 要使乳化炸藥有穩定良好的性能,高質量的乳化基質是重要的因素。 乳化基質的形成是通過高轉速強剪切作用將水相分散于油相中,因此,降低轉速雖然有利于設備的安全運行,但是會導致剪切作用降低,影響乳化基質質量。 同時兼顧安全和乳化效果的主要技術途徑是在降低轉速的同時適當增大轉子(攪拌器)直徑;采用高效乳化劑;降低基質的黏稠度以減小機械剪切阻力,這些措施既能減少摩擦生熱,又能保證產品的性能。

2)冷卻乳化器定子和轉子。 采用乳化器定子上增設冷卻夾套,夾套內增設冷媒折流板;轉子設空心腔體通冷媒等方法及時帶走攪拌與摩擦產生的熱量。

3)優化乳化器結構。 在滿足產能和乳化質量的前提下,乳化器結構以小容積敞開式、大間隙、無死角為好,從而使設備運行壓力低、物料在乳化器腔體內滯留時間短,更有利于安全生產。

4)設置安全聯鎖裝置。 為預防意外因素引起乳化工藝參數、乳化器運行參數及設備零部件的相對位移等超出設定范圍影響安全生產,應對溫度、壓力、斷流、電流、位移、振動等參數設置報警停機臨界值,并與相關工藝設備進行安全聯鎖。 為便于設備調試和試運行以及緊急處理設備運行異常情況,對乳化器應設置自動、手動系統及急停裝置進行控制。

5)過濾工藝流體。 水相和油相溶液若夾帶有堅硬雜質進入乳化器,很容易受到碰撞摩擦引起溫升,因此,要徹底濾掉一切雜質,就要對形成基質的水相和油相溶液進行多級過濾,以此確保進入乳化器內的物料的純粹性。

6)嚴格執行乳化器的清洗規定。 乳化器工作結束,按規定要求清理殘留基質,便于下次啟動,防止與物料硬摩擦。

3.2 冷卻工藝設備

乳化炸藥冷卻主要有兩種工藝形式,一種是鋼帶冷卻機冷卻乳化基質,另一種是浸水輸送帶帶動藥卷在水槽中冷卻。 前者的安全風險主要是基質進入鋼帶輥子受擠壓摩擦以及鋼帶運行過程受力不均或受力過大可能引起的撕裂繃斷。 其預防措施是物料攤鋪不宜過邊,與鋼帶邊緣留有適當距離;采取防止鋼帶跑偏裝置;設置鋼帶繃斷防護架,減少物料外濺。 后者由于是浸在常溫水中,安全風險較低,主要是防止個別藥卷破損撕開及封口處極少量的殘藥進入水槽,其措施是提高裝藥過程藥卷塑料密封的黏結可靠性;及時打撈清理水槽的殘藥。

3.3 輸送工藝設備

乳化炸藥制造過程的輸送工藝包括泵送和帶式輸送。 泵送是工藝設備的關鍵,泵送過程也是相對容易發生事故的過程。 泵送過程對物料的介質產生不可避免的機械作用,研究過程中,乳化基質在制備過程中存在因機械作用而夾帶氣泡的情況,這是爆炸“熱點”的理想條件。 泵送的過程中,如果遇到劇烈的摩擦,或受到擠壓、高溫等機械作用時,就有可能會發生爆炸。 實踐表明,可通過以下措施來有效提高泵送過程的安全性。

1)避免無料進出時的空運轉現象。 通過在進料槽的下部安裝重量傳感器,以避免進料槽內無料。 一旦無料或者少料,底部的傳感器就會發出信號提醒,同時泵機停止轉動;或者通過運行電流大小的檢測,比如在定子上放置溫度傳感器,通過規定值大小判斷泵是否空轉或超負荷運轉,通過系統的控制使其停止運轉。

2)通過降低阻力來減小壓力。 最有效的方法是增加管道的直徑、縮短管路輸出的長度,當輸送的方向改變時盡可能地增加曲率的半徑。 在輸出管路中添加壓力傳感器裝置,輸送壓力值一旦超出設定值,便可通過系統控制使其停止運轉。

3)降低泵的轉速。 無論是空運轉還是壓力大,以此導致的爆炸事故與泵的轉速有著千絲萬縷的聯系,即泵的轉速增大,摩擦后產生的熱量就會增多。 在工藝的許可范圍內,如果能降低泵的轉速,同時使泵的直徑增大,也會降低爆炸的可能性,同時保證泵的輸出能力。

4)防止小氣泡等進入泵內。 除了要密封良好外,進料口也應填滿物料,確保吸入管路密封,有效避免空氣進入泵內。

5)輸送物料嚴格過濾。 采用二級乳化的乳化工藝,可以對預乳液進行過濾,保證雜質無法進入泵內。

6)其他原因。 由于螺桿泵定子的內襯是橡膠制品,且與轉子緊密配合,如果停泵時間長,橡膠因自身性能會收縮且包裹轉子。 此時可以注入一定量的機油,避免啟動泵時發生困難。

3.4 敏化工藝設備

敏化工藝是乳化炸藥生產過程中的關鍵工序。目前的國內乳化炸藥生產中,敏化工藝一般有以下3 種:化學敏化、物理敏化和化學物理復合敏化。工藝設備主要是靜態敏化器和動態敏化機。 其運行安全預防的重點是敏化機。

1)工藝安全性。 化學敏化多采用靜態敏化器,也有用動態敏化機,靜態敏化時敏化劑與乳化基質在管路中輸送的同時被靜態元件分散混合,工藝簡單、存藥量少、安全性高。 物理敏化或復合敏化多采用容積較大的動態敏化機,機內存藥量較多,轉速低,敞開作業,因此,工藝安全性較高。 另外,敏化劑的流量、溫度、添加方式、分散混合快慢程度應合理控制,會直接影響敏化工藝安全。

2)設備安全性。 靜態敏化器內物料靠壓力邊輸送邊混合,因此其內元件應安裝牢固,不能有軸向移動和徑向旋轉,輸送壓力和流速不應過大,以避免物料與器壁摩擦,影響生產安全。 動態敏化機的安全風險主要是物料進入軸封受到擠壓摩擦,以及攪拌葉片外沿與箱體內壁碰撞摩擦,應采用可靠軸封、泄入軸封內物料及時排出、低轉速、非剛性摩擦面等預防措施。

3)設備清洗。 無論哪種敏化設備,使用后都要按規程要求將殘留物料清洗干凈,便于下次安全啟動。

3.5 裝藥包裝工藝設備

裝藥設備主要采用迪博泰和保利卡,或國產與之類似的設備。 其主要由泵送裝填系統和塑膜裹包熱合及卡口切斷機構組成。 泵送過程的安全風險與預防措施已敘及,裝封過程塑膜的熱合溫度要控制適當,熱合觸頭不應與藥料接觸,裝填壓力控制在許可范圍。 包裝設備多采用機器人或機械理料碼垛,自動開箱和中包入箱,包裝過程的安全主要關注理料碼垛的可靠性,防止機械動作的不到位導致藥卷或中包受損,波及后續作業,嚴重時帶來安全風險。

乳化炸藥生產中,無論是乳化設備、泵送設備,還是敏化設備及裝藥包裝設備,在使用時不僅要嚴格執行運行的操作規程,還要執行維修保養的制度,這是確保安全運行的前提條件。 只要充分辨識、清楚認識工藝設備的風險因素,采取可靠有效的預防措施并認真落實執行,安全隱患和事故就會減少或消除。

4 工藝過程在線安全防護

乳化炸藥生產設備都是通過輸送裝置銜接,每一設備發生事故或是其前后工序發生異常情況,均會相互影響運行安全,甚至導致爆炸。 因此,乳化炸藥生產不僅每個單元工藝設備要有可靠的安全技術措施,還應考慮防止其相互影響的對策,設置相應的安全裝置。

1)安全聯鎖技術是防護技術方法之一。 對設備的壓力、流量、溫度、料位、負載、異常聲音等進行安全運行值設定,當工藝參數或設備運行參數超過安全設定值時,監控系統報警或使運行設備及前后生產單元自動停機,防止在線物料堆積或無料運行導致生產處于危險狀態。

2)工藝設備一旦發生燃燒爆炸,泄爆與隔爆是預防事故擴大的有效方法。 在輸送泵或其出料管路適當位置采用安裝泄爆片或柔性連接方式,當爆轟壓力超過泄爆片臨界值時,泄爆片破裂,釋放壓力,起到了防護作用。

3)在乳化炸藥各工序間或輸送過程中,藥料應隔開輸送或傳遞,藥料不應連續置于設備上,除非厚度小于起爆的最低厚度。 間斷傳送的安全距離和藥料體積應通過實驗和理論分析取得,最終滿足生產過程對乳化炸藥物料的隔爆要求。

5 結語

乳化炸藥生產涉及安全的主要過程是乳化、泵送、冷卻、敏化及相應設備,安全風險主要是物料溫升、機械碰撞摩擦及藥料殉爆。 采取的安全防護措施包括控制溫升、減輕或消除碰撞摩擦、低速低壓、軸位移與振動控制、物料過濾、藥料間隔適當距離等。 設備及各工序之間設置安全聯鎖報警停機、加裝泄爆裝置或泄爆片是抑制事故發生的重要技術手段。 隨著乳化炸藥生產技術的發展和智能化水平的提高,實現乳化炸藥全過程無人化智能化生產將成為可能,工藝設備安全性大幅提升,生產安全會明顯改善。