硝酸銨水溶液配制氧化溶液工藝介紹及關鍵控制技術探討

馬文軍，薛占山

(國家能源集團準能集團炸藥廠，內蒙古 薛家灣 010300)

乳化炸藥是20世紀70年代才發展起來的新型爆破用藥。最早被人們研制出來的乳化炸藥是無雷管敏感的，使用時必須借助中間起爆藥來二次引爆。后來，隨著人們對乳化炸藥研究的進一步深入，后期研究出來的乳化炸藥才具有了雷管感度。目前，乳化炸藥在國內外得到了廣泛的推廣和應用。乳化炸藥有著極好的防水性、密度靈活可調、爆破猛度大、爆轟速度高等諸多優點，特別在井下潮濕、有水的爆破作業場所優越性更加突出，機械感度很低，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的油相連續介質中，形成一種油包水型(W/O)的乳膠狀含水工業炸藥。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合油相通過高速率運動剪切再結合形成的乳膠基質，再通過敏化與多孔硝酸銨經過零氧平衡原理制備而成的混合物。乳膠基質是通過氧化溶液和復合油相生產完成。復合油相是一種復合型油，可以通過市場購買而來。則氧化溶液是通過乳化炸藥生產廠家工業化連續生產。所以，從本質上講，氧化溶液性能狀況直接決定了乳膠基質的產品性能狀況，而乳膠基質的性能最終決定了乳化炸藥的爆炸特性。由此判定，乳化炸藥生產過程中制備氧化溶液工藝及其關鍵控制技術的重要性。

1 生產企業簡介

國家能源準能集團炸藥廠始建于1991年，1996年5月投入生產，原核定生產能力1萬t/年，占地面積5.6 hm2。2006年2月準能公司炸藥廠改擴建，引進澳瑞凱澳大利亞有限公司炸藥配方與生產工藝系統技術，改擴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(許可生產乳化炸藥2萬t/年；多孔粒狀銨油炸藥4.5萬t/年)；哈爾烏素地面制備站(許可生產多孔粒狀銨油炸藥4.5萬t/年)；爆破器材庫區。項目整體在2006年9月投入施工建設，2008年6月，現場混裝炸藥地面制備站通過原國防科學技術工業委員會的全面驗收，已正式投入生產。并于2014年根據工信部“爆破一體化”的要求，國家能源準能集團炸藥廠將黑岱溝露天礦爆破業務及相關人員劃入炸藥廠管理，2016年8月，炸藥廠新增3.5萬t炸藥產能項目正式通過驗收。改擴建后的炸藥廠實現了散裝炸藥生產技術與世界水平同步，其核心技術是乳膠基質制備采用低溫、常壓、低轉速大間隙乳化技術，領先行業技術發展方向，該工藝主要特點是將計算機自動化控制技術、炸藥生產實際工藝技術、系統控制技術、網絡通信技術和多媒體綜合技術緊密的結合，在控制上實現DCS；在安全上實現自動連鎖保護；先進的乳膠基質制備工藝和與其配套的高效炸藥混裝車能夠為生產現場提供重銨油、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，是一種強氧化劑，為白色或灰白色顆粒，極易溶于水，易結塊，易吸濕，硝酸銨溶解是吸熱反應，吸收周圍大量的熱。硝酸銨對人體呼吸道、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，出現紫紺、頭痛、頭暈、虛脫，甚至死亡。遇到可燃物著火時，能助長火勢，與可燃物粉末混合、受強烈震動、急劇加熱時可能發生激烈反應進而爆炸。與有機物、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。主要用途可作為農用化肥、化工原料、工業炸藥和軍用炸藥等。

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特性。工業炸藥對硝酸銨水溶液的指標主要是濃度、酸度和溫度，一般規定硝酸銨在水中的質量分數為89%～93%、含水的質量分數為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。具體參數見表1。

表1 原料硝酸銨水溶液各工藝參數

2.3 配料添加劑

碳酸鈉：分子量105.99。化學品的純度多在99.5%以上(質量分數)。是一種重要的無機化工原料，主要用于平板玻璃、玻璃制品和陶瓷釉的生產。硫腺：白色而有光澤的晶體，味苦，密度1.41，熔點176 ℃～178 ℃，更熱時分解。檸檬酸：一種重要的有機酸，又名枸櫞酸，無色晶體，常含一分子結晶水，無臭，有很強的酸味，易溶于水，在工業，食品業，化妝業等具有極多的用途。

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、溶液輸送、溶液配制、溶液轉存4個主要工藝部分。

3.1 原材料檢測

高濃度硝酸銨水溶液通過由罐車運輸到炸藥生產廠家，先行駛到地磅系統中，稱取其總重量，等完全將原料卸完后，再通過地磅秤取其重量，兩次質量差即為硝酸銨水溶液到貨質量。現場作業人員通過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儀檢測物料確認其溫度，確保溫度冬季溫度≥120 ℃，夏季≥115 ℃。并對硝酸銨濃度進行檢測，確保溶液濃度為89%～93%方可使用。

3.2 溶液輸送

罐車底部出口設置有出口管路與閥門，與炸藥生產廠家防高溫耐腐蝕管通過快速接口連接，并通過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罐。輸送過程中工作人員時刻觀察現場各儀表儀器流量數據、槽車罐及儲存罐液位、溫度顯示，以防止高濃度硝酸銨結晶而堵塞管路。卸車完成后，用75 ℃的熱水進行沖洗，確保管路暢通，無殘液存在。

3.3 氧化溶液配制

先加適量的冷水，將溶液進行稀釋并降溫，將硝酸銨水溶液溫度降到剛好75 ℃～80 ℃，依次將通過理論計算得出一定量的碳酸鈉、硫腺、檸檬酸分3個批次(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過熱造成安全事故，溶液罐頂部還設置有攪拌裝置，且在加入過程中不斷進行攪拌。等溶液反應完全后，對溶液的pH值和析晶點進行檢測，pH值要控制在3.8～4.0，析晶點控制在59℃～61℃，若溶液低于3.8則加碳酸鈉，其高于4.0則添加適當的檸檬酸。

3.4 溶液轉存

將配制好的氧化溶液配制罐，通過泵送，出口管路，轉存至氧化溶液儲存罐，為乳膠基質的生產做準備，并做好檢測與記錄。

4 關鍵技術探討

4.1 析晶點控制

硝酸銨水溶液析晶點受濃度影響很大，不同濃度和物料析晶點都不一樣。乳膠基質生產工藝要求硝酸銨水溶液析晶點控制在59 ℃～61 ℃。通過實驗數據可得出，對不同質量分數的硝酸銨水溶液與析晶點測試對比，最終確定硝酸銨水溶液質量分數在78%～80%時，析晶點為59 ℃～61 ℃。具體數據見表2。

表2 硝酸銨水溶液質量分數與析晶點對比

所以配制溶液時，先以硝酸銨水溶液質量分數在上述范圍內進行配制。待溶液穩定后，進行測量，析晶點控制即達到工藝指標要求。硝酸銨水溶液質量分數偏高，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

利用外部供來的低壓蒸汽，與循環熱水溫度設置聯鎖，將循環熱水系統的水加熱并控制到75 ℃左右，控制熱水循環在75 ℃時保持恒溫并設置泵自動循環保持動態平衡狀態。75 ℃的循環熱水系統將作為反應溶液的溫度控制源，如果硝酸銨水溶液溫度偏低，則系統自動加大循環熱水系統流量，對溶液進行加熱。若溫度偏高，則同樣加大循環熱水流量來降低溶液溫度到75 ℃。利用雙向循環系統對溶液溫度控制，在實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程中溫度過高引起爆炸或溫度過低結晶堵塞管道等生產事故。

4.3 酸堿度pH控制

由于到貨高濃度硝酸銨水溶液屬于強酸弱堿鹽，顯酸性，工藝要求控制在3.9±0.1。現場操作時先加入適量的碳酸鈉，適當提高溶液的pH值，然后再加入檸檬酸。將pH值調節到工藝指標范圍內。待測溶液pH值達不到工藝要求，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活性，對下一步氧化溶液生產乳膠基質，乳膠基質與敏化劑反應生產乳化炸藥增加發泡活躍度，最終提高乳化炸藥對起爆器具的敏感度。從而生產出合格的乳化炸藥，為露天煤礦的各種爆破提供起爆能量。

5 結論與展望

利用硝酸銨水溶液配制氧化溶液制備出來乳化炸藥，是以前溶解固體硝酸銨顆粒制備乳化炸藥工藝的進一步升級，這種生產工藝操作簡單，效率高，將生產效率提高了1倍。這種生產乳化炸藥工藝符合國家產業鏈一體化政策，是企業實現降本增效的根本措施，是民爆行業重點發展和支持的對象。由于炸藥生產屬于民爆范疇，所以對關鍵操作技術指標的把控上必須嚴格。筆者通過對關鍵控制技術的梳理，進一步說明了關鍵控制技術的重要性和必要性，以及未來的合理性。