乳化炸药工艺设备危险因素及预防

张春燕

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

目前,随着社会的发展,乳化炸药每年需求量都在增加,随之而来的是乳化炸药的生产安全[1]。乳化炸药是借助剪切分散作用,以过饱和的硝酸铵水溶液为分散相(水相),复合蜡等为连续相(油相),使水相介质呈细微液滴均匀分散于油相介质中,从而形成一种油包水型特殊的乳液状体系[2]。20 世纪60 年代末,乳化炸药诞生。 对于粉状铵梯炸药,乳化炸药的摩擦感度、撞击感度和热感度都比较低,并且抗水性能优良,因而得到了广泛应用。但是,投入工业化实际生产之后,乳化炸药的安全性却因多次发生爆炸事故[3-6]引起人们广泛关注。由此可见,生产过程中安全隐患存在却易被忽视。

乳化炸药是多组分构成的乳状液的新型特殊复杂的混合体。 实践和研究表明,在乳化炸药生产过程中,原材料的使用、工艺设备和工艺参数、操作工的个人能力水平、管理者的管理水平等,对乳化炸药的质量和生产过程中的安全都有着不可忽视的影响。 不仅如此,这些因素之间存在着潜在的联系,而且与乳化炸药的生产和安全密不可分,对乳化炸药工艺设备的安全可靠性与运行稳定性的影响尤为直接与显著。

1 乳化炸药的生产工艺

乳化炸药的生产工艺主要有连续式生产、半连续式生产及间断式生产。 连续式生产工艺依靠先进的生产技术和设备,使溶解、乳化、冷却、敏化、装药包装、输送装车各工艺过程实现了机械化和连续化生产,生产过程由计算机自动控制、安全联锁,部分工序达到了智能化水平,每个工序和环节有序进行,做到实时监控工艺参数和设备的运行。 这种工艺的优点在于生产线布局紧凑,机械化自动化程度高,作业人员少,劳动强度低,生产安全水平较高,是国内目前普遍采用的生产方式,工艺过程如图1所示。 半连续式生产工艺主要指乳化、冷却和敏化工序为机械化和连续化生产,计算机自动控制工艺过程,装药、包装和装车工序虽然配有机械化设备,但仍需人工辅助作业。 其主要特点是投资较少,在线操作人员较多,安全生产水平较低,国内也有少部分企业仍在使用。 间断式生产工艺指乳化炸药生产各工序由人工或人工辅助作业,工序之间的物料传输多由人工完成。 这种工艺在20 世纪80 年代后期和90 年代初期较为多见。

图1 乳化炸药生产工艺流程

2 乳化炸药基质的爆炸性

2.1 炸药起爆原理

在制造炸药的过程中,机械作用会很明显,机械受到撞击或摩擦就会引起炸药爆炸。 了解炸药的机械爆炸机理能够防止爆炸的产生。

当代热点学认为:当炸药受到机械作用时,机械能首先转变为热能。 在机械作用过程中,作用是不均匀的,而热能只集中在局部的小区间内,比如小气泡或多面棱角处,热能导致局部区间的炸药温度瞬间升高从而成为热点,并且在此处发生炸药分解,同时,放热性反应使分解速度迅速加快,若热点的量足够多,面积足够大,且温度达到足够高时,就可导致炸药发生爆炸。

热能的形成主要有三种原因:一是炸药中的气泡或空气隙在机械作用下的绝热压缩;二是炸药与晶粒之间、炸药金属与固体物质之间摩擦而生热;三是炸药在高压力作用下产生的黏滞流动而加热。

2.2 乳化基质的爆炸性

在乳化炸药生产过程中,水相和油相也具有较高的温度,并且水相的最高温度在130 ℃左右,在强剪切力和高速运转情况下,通过乳化剂形成乳化炸药基质,随后经过冷却、敏化从而形成乳化炸药。有无雷管感度的乳化基质本身都具有爆炸性,因此,正确地认识乳化基质的爆炸性很有必要。 乳化机制在一定温度下能够发生如下反应:

低温低速分解:

那么,依据炸药的起爆原理,若是在机械作用下达到一定的温度条件,乳化炸药物料就会爆炸,因此,生产过程物料受机械作用的形式与程度对生产安全至关重要。

3 工艺设备危险因素及预防

3.1 乳化工艺设备

要想实现乳化的稳定,最重要的条件之一就是在乳化过程中要将饱和的氧化剂水溶液迅速分散到熔化好的油相中,从而保证该体系有足够的温度。 在乳化过程中,乳化器腔体内的物料温度上升、产生热积累是非常危险的。 但是,乳化器是乳化过程的核心设备,在转轴密封处的摩擦面存在相对运动,表面温度升高不仅会破坏搅拌装置和密封件,如果乳化基质泄漏到摩擦面还会发生爆炸的危险,从而导致事故发生。 从安全的角度来说,控制好各种因素引起的摩擦面温度升高是乳化设备安全运行的重要措施。

1)降低乳化器转速。 要使乳化炸药有稳定良好的性能,高质量的乳化基质是重要的因素。 乳化基质的形成是通过高转速强剪切作用将水相分散于油相中,因此,降低转速虽然有利于设备的安全运行,但是会导致剪切作用降低,影响乳化基质质量。 同时兼顾安全和乳化效果的主要技术途径是在降低转速的同时适当增大转子(搅拌器)直径;采用高效乳化剂;降低基质的黏稠度以减小机械剪切阻力,这些措施既能减少摩擦生热,又能保证产品的性能。

2)冷却乳化器定子和转子。 采用乳化器定子上增设冷却夹套,夹套内增设冷媒折流板;转子设空心腔体通冷媒等方法及时带走搅拌与摩擦产生的热量。

3)优化乳化器结构。 在满足产能和乳化质量的前提下,乳化器结构以小容积敞开式、大间隙、无死角为好,从而使设备运行压力低、物料在乳化器腔体内滞留时间短,更有利于安全生产。

4)设置安全联锁装置。 为预防意外因素引起乳化工艺参数、乳化器运行参数及设备零部件的相对位移等超出设定范围影响安全生产,应对温度、压力、断流、电流、位移、振动等参数设置报警停机临界值,并与相关工艺设备进行安全联锁。 为便于设备调试和试运行以及紧急处理设备运行异常情况,对乳化器应设置自动、手动系统及急停装置进行控制。

5)过滤工艺流体。 水相和油相溶液若夹带有坚硬杂质进入乳化器,很容易受到碰撞摩擦引起温升,因此,要彻底滤掉一切杂质,就要对形成基质的水相和油相溶液进行多级过滤,以此确保进入乳化器内的物料的纯粹性。

6)严格执行乳化器的清洗规定。 乳化器工作结束,按规定要求清理残留基质,便于下次启动,防止与物料硬摩擦。

3.2 冷却工艺设备

乳化炸药冷却主要有两种工艺形式,一种是钢带冷却机冷却乳化基质,另一种是浸水输送带带动药卷在水槽中冷却。 前者的安全风险主要是基质进入钢带辊子受挤压摩擦以及钢带运行过程受力不均或受力过大可能引起的撕裂绷断。 其预防措施是物料摊铺不宜过边,与钢带边缘留有适当距离;采取防止钢带跑偏装置;设置钢带绷断防护架,减少物料外溅。 后者由于是浸在常温水中,安全风险较低,主要是防止个别药卷破损撕开及封口处极少量的残药进入水槽,其措施是提高装药过程药卷塑料密封的黏结可靠性;及时打捞清理水槽的残药。

3.3 输送工艺设备

乳化炸药制造过程的输送工艺包括泵送和带式输送。 泵送是工艺设备的关键,泵送过程也是相对容易发生事故的过程。 泵送过程对物料的介质产生不可避免的机械作用,研究过程中,乳化基质在制备过程中存在因机械作用而夹带气泡的情况,这是爆炸“热点”的理想条件。 泵送的过程中,如果遇到剧烈的摩擦,或受到挤压、高温等机械作用时,就有可能会发生爆炸。 实践表明,可通过以下措施来有效提高泵送过程的安全性。

1)避免无料进出时的空运转现象。 通过在进料槽的下部安装重量传感器,以避免进料槽内无料。 一旦无料或者少料,底部的传感器就会发出信号提醒,同时泵机停止转动;或者通过运行电流大小的检测,比如在定子上放置温度传感器,通过规定值大小判断泵是否空转或超负荷运转,通过系统的控制使其停止运转。

2)通过降低阻力来减小压力。 最有效的方法是增加管道的直径、缩短管路输出的长度,当输送的方向改变时尽可能地增加曲率的半径。 在输出管路中添加压力传感器装置,输送压力值一旦超出设定值,便可通过系统控制使其停止运转。

3)降低泵的转速。 无论是空运转还是压力大,以此导致的爆炸事故与泵的转速有着千丝万缕的联系,即泵的转速增大,摩擦后产生的热量就会增多。 在工艺的许可范围内,如果能降低泵的转速,同时使泵的直径增大,也会降低爆炸的可能性,同时保证泵的输出能力。

4)防止小气泡等进入泵内。 除了要密封良好外,进料口也应填满物料,确保吸入管路密封,有效避免空气进入泵内。

5)输送物料严格过滤。 采用二级乳化的乳化工艺,可以对预乳液进行过滤,保证杂质无法进入泵内。

6)其他原因。 由于螺杆泵定子的内衬是橡胶制品,且与转子紧密配合,如果停泵时间长,橡胶因自身性能会收缩且包裹转子。 此时可以注入一定量的机油,避免启动泵时发生困难。

3.4 敏化工艺设备

敏化工艺是乳化炸药生产过程中的关键工序。目前的国内乳化炸药生产中,敏化工艺一般有以下3 种:化学敏化、物理敏化和化学物理复合敏化。工艺设备主要是静态敏化器和动态敏化机。 其运行安全预防的重点是敏化机。

1)工艺安全性。 化学敏化多采用静态敏化器,也有用动态敏化机,静态敏化时敏化剂与乳化基质在管路中输送的同时被静态元件分散混合,工艺简单、存药量少、安全性高。 物理敏化或复合敏化多采用容积较大的动态敏化机,机内存药量较多,转速低,敞开作业,因此,工艺安全性较高。 另外,敏化剂的流量、温度、添加方式、分散混合快慢程度应合理控制,会直接影响敏化工艺安全。

2)设备安全性。 静态敏化器内物料靠压力边输送边混合,因此其内元件应安装牢固,不能有轴向移动和径向旋转,输送压力和流速不应过大,以避免物料与器壁摩擦,影响生产安全。 动态敏化机的安全风险主要是物料进入轴封受到挤压摩擦,以及搅拌叶片外沿与箱体内壁碰撞摩擦,应采用可靠轴封、泄入轴封内物料及时排出、低转速、非刚性摩擦面等预防措施。

3)设备清洗。 无论哪种敏化设备,使用后都要按规程要求将残留物料清洗干净,便于下次安全启动。

3.5 装药包装工艺设备

装药设备主要采用迪博泰和保利卡,或国产与之类似的设备。 其主要由泵送装填系统和塑膜裹包热合及卡口切断机构组成。 泵送过程的安全风险与预防措施已叙及,装封过程塑膜的热合温度要控制适当,热合触头不应与药料接触,装填压力控制在许可范围。 包装设备多采用机器人或机械理料码垛,自动开箱和中包入箱,包装过程的安全主要关注理料码垛的可靠性,防止机械动作的不到位导致药卷或中包受损,波及后续作业,严重时带来安全风险。

乳化炸药生产中,无论是乳化设备、泵送设备,还是敏化设备及装药包装设备,在使用时不仅要严格执行运行的操作规程,还要执行维修保养的制度,这是确保安全运行的前提条件。 只要充分辨识、清楚认识工艺设备的风险因素,采取可靠有效的预防措施并认真落实执行,安全隐患和事故就会减少或消除。

4 工艺过程在线安全防护

乳化炸药生产设备都是通过输送装置衔接,每一设备发生事故或是其前后工序发生异常情况,均会相互影响运行安全,甚至导致爆炸。 因此,乳化炸药生产不仅每个单元工艺设备要有可靠的安全技术措施,还应考虑防止其相互影响的对策,设置相应的安全装置。

1)安全联锁技术是防护技术方法之一。 对设备的压力、流量、温度、料位、负载、异常声音等进行安全运行值设定,当工艺参数或设备运行参数超过安全设定值时,监控系统报警或使运行设备及前后生产单元自动停机,防止在线物料堆积或无料运行导致生产处于危险状态。

2)工艺设备一旦发生燃烧爆炸,泄爆与隔爆是预防事故扩大的有效方法。 在输送泵或其出料管路适当位置采用安装泄爆片或柔性连接方式,当爆轰压力超过泄爆片临界值时,泄爆片破裂,释放压力,起到了防护作用。

3)在乳化炸药各工序间或输送过程中,药料应隔开输送或传递,药料不应连续置于设备上,除非厚度小于起爆的最低厚度。 间断传送的安全距离和药料体积应通过实验和理论分析取得,最终满足生产过程对乳化炸药物料的隔爆要求。

5 结语

乳化炸药生产涉及安全的主要过程是乳化、泵送、冷却、敏化及相应设备,安全风险主要是物料温升、机械碰撞摩擦及药料殉爆。 采取的安全防护措施包括控制温升、减轻或消除碰撞摩擦、低速低压、轴位移与振动控制、物料过滤、药料间隔适当距离等。 设备及各工序之间设置安全联锁报警停机、加装泄爆装置或泄爆片是抑制事故发生的重要技术手段。 随着乳化炸药生产技术的发展和智能化水平的提高,实现乳化炸药全过程无人化智能化生产将成为可能,工艺设备安全性大幅提升,生产安全会明显改善。