乳化炸藥生產線安全生產技術研究

劉志強 ,謝圣艷 ,徐 浩 ,黃吉順 ,錢俊書 ,劉寅生

（1.深圳市金奧博科技股份有限公司,廣東 深圳 518057;2.四川凱達化工有限公司,四川 瀘州 646000 ）

民爆行業高質量發展對乳化炸藥生產線的安全技術水平提出了更高的要求,進一步明確了乳化炸藥生產線技術研發和技術改造的方向,即推動智能化、少(無)人化生產線建設,提高本質安全水平,在線實時監測設備運行參數、異常報警,自動識別工藝流程作業和安全聯鎖有效性[1-2]。針對乳化炸藥生產各工序,圍繞技術、設備和安全情況,以及信息化和生產線規劃設計,提出一些見解。

1 水油相制備

隨著民爆行業的技術進步,目前水油相原材料主要使用硝酸銨溶液和液體油相。硝酸銨溶液應用過程中影響安全生產的不利因素,主要有pH 值誤差、濃度不符合要求、結晶、管道堵塞、濃度不均勻、安全防護條件不足等。液態油相應用過程中影響安全生產的不利因素,主要有溫度過低、上下溫度不均勻、高溫燙傷等。

1.1 硝酸銨溶液的在線檢測

在生產安全和質量上,由于pH 值、濃度誤差等原因,硝酸銨溶液相對固態硝酸銨較差,因此,其pH 值、濃度及析晶點的檢測和控制尤為重要。目前常用的pH 值檢測方法,如pH 測試筆、pH 精密試紙等,檢測結果準確度較差;濃度檢測通常采用烘干法、溫度-密度-濃度對比法、析晶點法和電導法等間斷的靜態檢測方法。采用人工檢測,受人為因素影響較大,安全和質量不能保證[3]。因此,亟待解決硝酸銨溶液系統動態在線連續檢測和自動調節問題,實現在線檢測結果與水相配制聯動,根據檢測結果自動計算需要調節物料(如氨水、檸檬酸等)的重量,并自動進行配制,實現水相溶液pH值、濃度的在線測定與調節。

經試驗,利用密度-溫度-濃度對比法,采用吹氣式密度計可以在線測定硝酸銨溶液濃度。以測量氣壓代替直接測量液柱壓力,配合溫度傳感器,補償密度隨溫度的變化,增加濃度顯示儀,通過軟件計算并顯示出密度值,其檢測原理如圖1 所示。硝酸銨溶液濃度的調節在其儲罐內進行,目的是降低硝酸銨溶液質量分數至90%左右(此值可根據乳化炸藥配方進行調整),通過降低溶液濃度、析晶點和結晶溫度,以保證儲存過程中的安全性[4]。

圖1 吹氣式密度變送器工作原理

硝酸銨溶液pH 值在線測定采用pH 電極。硝酸銨溶液從硝酸銨溶液儲罐經冷凝器將取樣溶液溫度降低到90 ℃后,流至緩沖罐內,pH 電極安裝在冷凝器出口管道上進行測定。流入緩沖罐內的硝酸銨溶液經加熱后泵送至硝酸銨溶液儲罐內。硝酸銨溶液不間斷地進行流動實現硝酸銨溶液的在線測定。在線測定安裝如圖2 所示。

圖2 硝酸銨溶液pH 值在線測定安裝示意圖

1.2 硝酸銨溶液的儲存安全

高溫、高濃度的硝酸銨溶液是過飽和水溶液,極易產生析晶沉降現象,在運輸和儲存過程中有一定的安全隱患,也有可能堵塞管道,或造成閥門和計量設備失效。為提升硝酸銨溶液儲存安全,應做好以下工作:

1)連續、動態檢測和攪拌聯動。安全的硝酸銨溶液儲存系統,應能連續、動態地監測溶液各點的溫度,并使溶液溫度場與攪拌裝置聯動,當某點的溫度達到設定溫度區域時立即啟動攪拌裝置,溫度場中各點溫度下降至安全區域時,攪拌即自動停止。硝酸銨溶液儲罐特別是大容量的硝酸銨溶液儲罐,機械攪拌效果差,如果在溶液中已經產生結晶的情況下攪拌則有可能造成安全事故,應選擇比較先進、安全的溶液攪拌方式,如自動循環急流攪動和射流攪動技術等。

2)液位檢測技術。應采用適宜硝酸銨溶液的液位檢測技術手段(如磁致伸縮式液位檢測儀等),克服因硝酸銨溶液儲罐底部結晶、儀表抱死等導致液位控制不準而引起的質量問題和安全隱患。

3)安全防護條件。硝酸銨溶液儲罐應做好消防、防雷、溫控、雜質過濾和應急排放,及與炸藥生產設備可靠隔離等安全措施。

1.3 液態油相應用的安全管理

液態油相儲罐主要用于油相的安全儲存及保溫,通過控制系統對液態油相進行間歇式攪拌及混合,必要時進行自動加熱升溫,保證液態油相溫度控制在其溶解點以上的安全溫度范圍內。儲罐底部宜設為斜底,方便液態油相的安全排出。罐體保溫層材料宜采用厚度不小于60 mm 的巖棉填充,以提高保溫效果。為檢修方便,外部一側設置爬梯,頂部設置直徑不小于600 mm 的人孔,加設防墜落裝置,人孔下方內部設置爬梯,頂部設置護欄。

液態油相應用系統的PLC 自動控制包含溫度、液位、攪拌等。應在罐體側方不同位置設置不少于2 個測溫口,并配備進料泵送系統及壓縮空氣管道清掃系統。加熱保溫蒸汽管路分上、中、下3 層分別控制,加熱閥門應能自動分段啟停。根據溫度、液位測定值和設定的安全范圍自動啟停加熱及攪拌裝置并提示報警。設置攪拌系統的自動啟停,以保證液態油相溫度均勻,如每隔1 h 啟動一次,每次攪拌時間約5 min。禁止盤管裸露在液面外時通蒸汽加熱,防止加熱盤管外表產生高溫發生危險。

2 乳化工序

乳化工序是乳化炸藥生產過程最危險的工序,影響安全生產的主要因素有乳化器的選型、安全控制措施、乳化工藝和泵送安全性等。

2.1 乳化器和乳化工藝

1) 采用敞開式乳化器和靜態乳化器。密閉式轉子乳化器存在的主要危險因素有:軸封損壞造成乳化基質泄漏、密封環高速旋轉導致摩擦發熱及間隙小、轉速高、斷齒、動平衡差等現象,這些是引起設備內乳化基質溫度升高進而引發乳化器爆炸的主要原因。此外,為提高乳化質量,有的乳化器采取了不利于安全的措施,如增加定轉子組數,剪切“齒”更多、更密,造成乳化器內部結構復雜,轉子軸更長,更不利于安全。個別乳化器還存在銘牌功率、有效容積或參數與實際不符[5]等問題。

敞開式乳化器非常有利于壓力和熱量的釋放,配合結構合理的靜態乳化器,在大間隙、低轉速、高產能方面優勢突出,具有較高的安全性;應進一步完善靜態乳化器,優化其結構,并與工藝相結合,提高靜態乳化效果。

2) 乳化器的安全控制措施。設置故障自診斷及智能化監控和處置裝置,設計單元上包括預存的知識單元、診斷和解釋單元及人機界面單元,可以在對主軸轉速、轉子線速度、徑向和軸向間隙、軸向和徑向竄動、電機電流突變,及斷料、停水、超溫進行監控的基礎上診斷,并根據人機配合查詢給出診斷結果和處理建議、注意事項,同時控制其他設備實行聯動。將工藝冷卻水與設備冷卻水分開設置;在水油相配料至乳化的管道路線中采取多級過濾,嚴防異物進入乳化器。此外,對乳化器進行振動和噪聲的監測并提高監測精度,適時提示零部件工作狀態和故障部位,進一步增加安全性[6]。

3) 改進乳化工藝。乳化溫度應盡可能低,通過合適的晶形改進劑、復合氧化劑等工藝途徑降低水相溶液的析晶點,通過低熔點油相材料的研發,降低油相溫度,從而做到低溫乳化(適宜的乳化溫度應不超過100 ℃),以提高乳化安全,利于產品的貯存穩定性,同時節能降耗。

2.2 泵送安全

泵送過程是連續式乳化炸藥生產工藝中不可或缺的重要組成部分,是乳化炸藥生產中的又一個危險點,生產中常用螺桿泵泵送。螺桿泵的安全風險主要是斷料、超壓、超溫、異物等。斷料空轉導致設備干磨致使局部發熱達到乳化炸藥爆發點,引起斷料空轉的原因可能有乳化基質黏度過高導致泵送不動、進料不暢或不均勻、泵體漏氣、乳化結束后未及時停機等。乳化炸藥反復回流,泵送熱積累達到乳化炸藥爆發點,引起回流可能原因有超壓破壞密封結構、密封結構磨損失效等。金屬等異物進入螺桿泵,摩擦撞擊也會引起乳化炸藥爆炸。

螺桿泵輸送管路長度應盡量縮短,直徑適當地增大,以減小管道壓力;確保物料連續輸送并防止出現蓬料現象;盡量采用低轉速,定子材質選擇具有耐高溫、耐油性能的軟性非金屬材料。生產中冷卻水不斷流并滿足散熱需求,生產后用熱水或壓縮空氣清洗泵內藥體,防止結晶,并在前端水油相工序設置可靠的管路過濾裝置。從電機電流、輸送壓力、基質溫度、定子材質、螺桿轉速等方面設計安全控制技術措施。設置故障自診斷、智能化監控和處置裝置,對超溫、超壓、超速、斷料、電機電流,及螺桿同軸度、襯套等進行智能化監控和處置。定期檢查轉子和密封情況并及時更換;及時清理殘留藥物,防止乳化基質硬化或析晶。

電缸活塞式容積泵是國內近年來新研制的用于輸送乳化基質和乳化炸藥的泵,其輸送介質的黏度范圍廣,輸送流量均勻、壓力穩定,不影響輸送介質的固有結構和特性,且輸送流量與負載無關,摩擦小、無溫升、本質安全性高,相比螺桿泵安全性更高。其結構如圖3 所示。

圖3 電缸活塞式容積泵結構示意圖

電缸活塞式容積泵靠活塞往復運動,使得泵腔工作容積周期變化,實現吸入和排出物料[7]。它模仿人的呼吸運動,通過活塞與活塞缸的伸縮運動,產生對物料的吸力和推力,將作用在活塞缸上的外部機械能轉化為腔體內物料輸送的動能。整個泵送過程,物料僅與活塞密封圈和活塞缸有接觸,基本無摩擦,且運動線速度低,在產能為8 t/h 時,線速度僅為68 mm/s,同等產能條件下,螺桿泵的線速度為750 mm/s,消除了傳統螺桿泵轉子與定子運動摩擦對物料可能產生的熱積累引發的爆炸風險,大幅提高了基質輸送和裝藥的本質安全水平。電缸活塞式容積泵的最大特點是泵送流量與負載壓力無關,泵送過程無回流現象,可用于較高壓力的輸送。

3 敏化工序

敏化安全與敏化設備緊密相關,設備結構、轉速、間隙大小等均對安全有直接影響。無論高溫敏化還是中低溫敏化,均應在敏化機轉速、間隙大小、物料和攪拌死角、能耗比、存藥量等方面嚴格控制。高溫敏化混合器應采取安全的密封方式,混合器夾套、主軸和密封處應有效冷卻,并設置溫度和壓力檢測,敏化器、裝藥機和螺桿泵之間應有安全聯鎖保護。低溫敏化宜采用敞開式的敏化設備,應防止生產工具、雜質意外進入或人為進入敏化設備而引起事故;應控制敏化時間,減少因長時間地攪拌摩擦和剪切對乳化基質的破壞;應減少敏化后效,及時檢測,從而提高產品質量和生產安全性[8-9]。

敏化機應設置故障自診斷及智能化監控和處置裝置,對敏化物料和設備關鍵點的溫度、攪拌速度(轉速)、敏化機出口炸藥密度、電機電流、物料輸送壓力、冷卻水等進行連續在線智能化監控和處置。在乳化和敏化之間,敏化和裝藥之間的管路中設置超壓泄爆裝置。同時,應結合使用安全性,推廣使用新的敏化設備和敏化方式,如靜態混合敏化裝置等,進一步提高敏化過程的安全性。

4 裝藥包裝工序

為保障裝藥安全,低溫敏化炸藥溫度低、黏度高且已全部敏化,因而在裝藥時壓力較大,適用于大直徑包裝乳化炸藥裝藥;而高溫敏化所采用的裝藥機由于單機裝藥效率高、作業人員少、在線存藥量低,尤其適用于小直徑包裝乳化炸藥裝藥。對裝藥機的轉動、壓、夾等部位應參照電梯等設備原理設置緊急自停裝置,避免操作疏忽造成意外傷害。

隨著制藥工藝的改進及大產能高效裝藥機的引進和研發,制約乳化炸藥產能提升的瓶頸已經由冷卻和裝藥工序轉為包裝工序。因此,提高自動包裝設備的包裝能力成為目前的主要任務。而提高自動包裝設備的可靠性和適應性,減少設備故障率,是提升生產能力、減少在線存藥量的重要條件[10]。

在藥卷碼垛、包裝上車等關鍵環節采用機器人,并對藥卷和中包數量進行監控和自動補足數量,可實現包裝工序的自動化、連續化和無人化(巡視人員除外)。

5 信息化建設

“工業互聯網+安全生產”行動計劃是促進民爆行業高質量發展的關鍵。炸藥生產信息化系統平臺涵蓋商品炸藥生產、倉儲物流追蹤、地面站、混裝車及爆破管理一體化,是將各生產線、地面站、混裝車、運輸車輛和爆破現場、公司總部連在一起,融入人員定位和物流追蹤體系,建立標準的VPN 網絡,使生產數據、圖像、存藥量、人員、設備、車輛在公司總部信息中心實時顯示、報警,統計分析核算輸出各種報表,并支持筆記本、手機等遠程查詢和報警,從而形成立體交互的管理指揮體系。

信息化建設涵蓋風險辨識、分級和隱患排查分級管理系統平臺、重大危險源辨識和備案管理系統、生產線實時運行視頻監管、生產線設備運行監管、在線危險物品存量監管、不合格品、產品試驗、銷爆等內容。在總部信息中心和手持終端可實現地面站數據圖像監控、混裝車動態監控、爆破服務監控、商品炸藥生產線數據圖像監控、設備管理、遠程診斷與服務、全線人員定位、倉庫管理與物流追蹤、“四超”動態監控、筆記本與手持終端移動辦公、現場巡檢、手機查詢與報警、運輸車輛GPS 跟蹤、安防集中監控等功能。

6 生產線規劃設計涉及的安全問題

在定員管理上,應明確定義乳化炸藥生產線各工序及人員。

在定量管理上,按工房最大存藥量2.5 t 要求,計算生產線在線藥量時,除要計算設備本身在線藥量外,還要預留在設備故障維護或更換輔助材料、配件時產品堆積的量。各工序之間應設置暫存設施,存儲設備故障維護時產品堆積。設備后道工序生產能力均應大于前道工序,并能及時消化產品堆積。

在生產線布局和品種轉化上,大直徑包裝乳化炸藥產品和現場混裝乳化炸藥是發展方向,但小直徑包裝乳化炸藥產品目前仍是市場主要需求之一。建議根據市場變化,調整不同直徑包裝乳化炸藥產品和現場混裝乳化炸藥的比例,同時建設具有儲運、現場混裝炸藥爆破服務能力的綜合性民爆產品供應中心。

7 結語

結合乳化炸藥生產工序特點,進行合理的生產線規劃設計,提高生產線的智能化、自動化和信息化,才能提高乳化炸藥生產的本質安全水平。