廢煤粉在銨油炸藥生產(chǎn)中的清潔利用

李文武 謝武化

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司炸藥廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0.引言

工業(yè)炸藥又稱民用炸藥，由氧化劑、可燃劑和其他添加劑等組分按照氧平衡的原理均勻混制而成的高能量密度含能材料。廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、水利等工程爆破，目前市場廣泛使用的工業(yè)炸藥品種有銨油炸藥、乳化炸藥等品種或其衍生品種。此研究項(xiàng)目就是在銨油炸藥的生產(chǎn)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上添加少量廢煤粉形成的爆炸物。

1.背景

準(zhǔn)能公司現(xiàn)擁有兩露天煤礦和兩個(gè)選煤廠，原煤經(jīng)過破碎站破碎后通過皮帶輸送至選煤廠洗選。原煤在破碎的過程中產(chǎn)生大量的煤粉，煤粉屬于含能材料，具有燃爆性，所以不妥善處理會(huì)給生產(chǎn)安全帶來很大隱患。每年破碎站和輸送皮帶走廊產(chǎn)生的煤粉多達(dá)5000t左右。大量煤粉被吸入還會(huì)造成員工的職業(yè)傷害，亂排亂放還會(huì)造成一定的環(huán)境污染，煤粉目前國內(nèi)沒有太好的處理方法和措施。

結(jié)合上述實(shí)際情況，神華準(zhǔn)能炸藥廠工程技術(shù)人員經(jīng)過研究分析得出：煤粉也是一種含能材料，炸藥也是一種含能材料，兩者按照一定的比例混合，會(huì)對(duì)炸藥的爆炸性能有何影響?；谶@個(gè)想法，廢煤粉在銨油炸藥生產(chǎn)中的清潔利用項(xiàng)目就開始了。

2.炸藥的氧平衡

炸藥是作為一種能源使用的，了解其爆炸變化過程中單位炸藥所釋放的能量、產(chǎn)物的體積和成分及其溫度是有實(shí)際意義的，而且這些知識(shí)對(duì)于爆紅和燃燒理論的定量是不可缺少的。目前絕大多數(shù)炸藥由C、H、O、N 4種元素組成，當(dāng)然有的還含有Cl、F、S以及某些金屬元素如Al等。由C、H、O、N 4種元素組成的炸藥可寫成CaHbOcNd的形式。爆炸反應(yīng)十分復(fù)雜，但爆炸產(chǎn)物主要有CO2、H2O、CO、N2以及少量的O2、H2、C、NO、NO2、CH4等，爆炸產(chǎn)物的種類和數(shù)量的影響因素之一與炸藥中可燃劑和氧化劑的含量有關(guān)，一般用氧平衡的概念來衡量炸藥中所含的氧將可燃物完全氧化的程度。所謂完全氧化是指將炸藥中的碳和氫全部氧化為二氧化碳和水。由于炸藥中含氧量的不同，氧平衡通?？煞譃橄铝?種情況：

正氧平衡：炸藥中的氧能夠?qū)⒖扇荚赝耆趸?，并尚有剩余；零氧平衡：炸藥中的氧正好能完全將可燃元素氧化，不多也不少；?fù)氧平衡：炸藥中的氧不足以將可燃物完全氧化。對(duì)于分子式CaHbOcNd的炸藥體系來說，可用下述數(shù)學(xué)式來對(duì)應(yīng)的表達(dá)上述三種氧平衡情況[1]。

即：

正氧平衡：c-(2a+0.5b)>0

零氧平衡：c-(2a+0.5b)=0

負(fù)氧平衡：c-(2a+0.5b)<0

式中類炸藥c、b、c、d分別代表一個(gè)炸藥分子中碳、氫、氧、氮的原子數(shù)。

對(duì)于CaHbOcNd類炸藥，氧平衡公式為：

OB=[c-(2a+0.5b]×16/Mr

式中：

OB―炸藥的氧平衡，一般用g?g-1；

16―氧的相對(duì)原子量，g；

Mr―炸藥的相對(duì)原子量，g。

3.炸藥設(shè)計(jì)普遍遵循的其他原則

3.1 配方設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝整體結(jié)合

實(shí)踐表明，炸藥配方改版不僅影響炸藥性能，而且也會(huì)影響生產(chǎn)工藝條件，該研究只是在組分上做了調(diào)整，并未影響炸藥生產(chǎn)工藝條件，通仍然過現(xiàn)場混裝炸藥車實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，不會(huì)太多增加生產(chǎn)研發(fā)成果的轉(zhuǎn)化難度。

3.2 性能、成本和爆破統(tǒng)籌兼顧

炸藥配方設(shè)計(jì)過程中炸藥的性能固然重要，但原材料成本和生產(chǎn)成本對(duì)企業(yè)的效益產(chǎn)生很大影響，所以設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)兼顧性能、成本、爆破使用對(duì)象[2]。

3.3 提高安全性和減少環(huán)境污染

安全是炸藥使用的前提，也是炸藥設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝首要考慮的因素，無論是提高炸藥性能還是降低炸藥性能，不應(yīng)提高炸藥的感度，降低炸藥的安全性。同時(shí)還要考慮到爆炸后產(chǎn)生有毒有害氣體的量，盡量降低對(duì)環(huán)境的污染。

4.炸藥的理化實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)過程原材料選擇及其指標(biāo)

4.1.1 煤粉

此次試驗(yàn)所用的煤粉從1號(hào)破碎站周邊取用，取用量100kg。通過實(shí)驗(yàn)測定，煤粉的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 煤粉的參數(shù)指標(biāo)

4.1.2 多孔粒狀硝酸

多孔粒狀硝酸選用烏拉山化工廠的，其物理參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 多孔粒狀硝酸銨的參數(shù)指標(biāo)

4.1.3 柴油

我廠目前使用的柴油為煤制油柴油標(biāo)號(hào)為0號(hào)，實(shí)驗(yàn)所有柴油從箱式油罐取用，目前沒有其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定和檢測，也沒有制定相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，所以柴油參數(shù)各種理化指標(biāo)作要求。

4.2 炸藥理化樣品實(shí)驗(yàn)

4.2.1 炸藥樣品混制及組分比例范圍

為了驗(yàn)證最佳炸藥組分比例，將稱量好的多孔硝酸裝入不銹鋼通桶、將稱量好的柴油緩慢注入，手工不斷混合直至均勻，再按比例加入煤粉，混合直至均勻。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證炸藥的最佳比例，設(shè)定了炸藥組分的添加比例范圍，逐步通過炸藥性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證炸藥的最佳比例，炸藥的組分比例設(shè)定范圍如表3所示。

表3 炸藥組分比例

4.2.2 炸藥樣品組分最佳比例

煤粉作為可燃劑添加到銨油炸藥中，首先調(diào)整煤粉的添加比例，按照如表3所示確定的添加比例范圍，選取12%、15%、17%作為添加比例基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)整多孔粒狀硝酸銨與柴油的添加比例，最終通過爆炸性能試驗(yàn)，驗(yàn)證炸藥的最佳組分比例，如表4～表6所示為不同煤粉添加比例炸藥的爆速性能測試結(jié)果。

表4 不同煤粉添加比例炸藥爆速測試結(jié)果

表5 不同煤粉添加比例炸藥爆速測試結(jié)果

表6 不同煤粉添加比例炸藥爆速測試結(jié)果

通過對(duì)不同添加煤粉比例的炸藥進(jìn)行爆炸性能測試對(duì)比，可以看出在煤粉添加比例12%≤X≤17%時(shí)，炸藥的爆速隨著添加比例的增大爆速減小，即爆炸性能降低，隨著添加比例的增大爆速極值差逐漸增大，說明炸藥的爆炸穩(wěn)定性變差，說明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)12%為炸藥的最佳添加比例。

4.2.3 爆炸儲(chǔ)存穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

確定炸藥的最佳比例后，對(duì)炸藥的儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，用上述4.2.1的方法分別制作3個(gè)平行樣，常態(tài)儲(chǔ)存在成品倉庫，靜態(tài)放置30d，然后對(duì)其進(jìn)行爆速測試實(shí)驗(yàn)。如表7所示為炸藥爆速性能測試數(shù)據(jù)。

表7 不同煤粉添加比例炸藥爆速測試結(jié)果

從上表中的爆速測試結(jié)果可以看出，炸藥在儲(chǔ)存30d后，炸藥的爆速相對(duì)穩(wěn)定，而且爆速值高于銨油炸藥的國家標(biāo)準(zhǔn)（≥2800m/s），從爆速極值差可以看出炸藥的爆炸穩(wěn)定性保持良好。

4.2.4 炸藥感度實(shí)驗(yàn)

炸藥組分及比例調(diào)整研究，要考慮炸藥的性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益、量化可行性、工藝可行性等問題，但更重要的問題是炸藥的操作安全性，衡量炸藥安全性的指標(biāo)稱為感度，炸藥的感度有很多，如火焰感度、機(jī)械感度、熱感度、爆轟感度等，本實(shí)驗(yàn)對(duì)炸藥的爆轟感度進(jìn)行了測試，如表8所示為爆轟感度的測試結(jié)果。

表8 炸藥雷管感度測試結(jié)果

通過上述炸藥理化實(shí)驗(yàn)可以看出，炸藥的爆炸性能良好、儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好、無雷管感度，可以通過現(xiàn)場生產(chǎn)工藝設(shè)備進(jìn)行量化生產(chǎn)，并在爆破現(xiàn)場進(jìn)行爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3 工業(yè)化生產(chǎn)及爆破試驗(yàn)

炸藥生產(chǎn)采用現(xiàn)場混裝炸藥車生產(chǎn)工藝，將煤粉與多孔粒狀硝酸銨按照試驗(yàn)最佳比例進(jìn)行混合均勻，通過加料裝置加入現(xiàn)場混裝銨油炸藥車干料倉，通過現(xiàn)場混裝炸藥車進(jìn)行爆破試驗(yàn)區(qū)孔內(nèi)裝藥，爆破設(shè)計(jì)按照銨油炸藥爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行[3]，單孔分段裝煤粉銨油炸藥465kg，一個(gè)爆破區(qū)煤粉銨油炸藥裝藥量為245t，爆破后巖石隆起高度為4.5m，炸藥單耗為0.27kg/m3。其中，松動(dòng)爆破采用微差爆破，并采用高精度延期雷管起爆炸藥的布置網(wǎng)絡(luò)，炸藥的布置網(wǎng)絡(luò)中，孔網(wǎng)參數(shù)為10m（孔距）×8m（排距），孔內(nèi)延時(shí)600ms，孔間延時(shí)65ms，排間延時(shí)100ms。最后進(jìn)行爆破效果比對(duì)，驗(yàn)證炸藥的爆炸性能。如圖1所示為炸藥的生產(chǎn)流程圖。如圖2所示為混裝炸藥車坑下裝藥過程，如圖3所示為爆破后效果對(duì)比圖。

圖1 炸藥生產(chǎn)工藝流程圖

圖2 混裝炸藥車坑下裝藥過程

圖3 爆破后效果對(duì)比圖

5.結(jié)語

煤粉在銨油炸藥中應(yīng)用項(xiàng)目是響應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展號(hào)召的初期提出研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在解決企業(yè)存在的安全環(huán)保難題，將現(xiàn)有的廢舊資源充分利用、變廢為寶，同時(shí)將廢舊資源的熱能充分利用，消除了存在的安全隱患和環(huán)保難題，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)經(jīng)營效益。

該項(xiàng)目在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，廢舊煤粉在添加到銨油炸藥中，在添加比例最佳的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生提高原有炸藥的爆炸做工能力。通過理論分析解釋為，煤粉在炸藥爆炸過程中產(chǎn)生兩個(gè)能量釋放，在爆轟波沖擊的過程中與炸藥組分迅速反應(yīng)產(chǎn)生大量的能量釋放，對(duì)外界介質(zhì)做功，當(dāng)煤粉的能量釋放的過程中被爆轟波激發(fā)的煤粉能量釋放過程中引發(fā)了周邊煤粉爆燃，產(chǎn)生二次能量釋放，再次對(duì)外界介質(zhì)作用，最終產(chǎn)生的爆破效果比銨油炸藥做功能力明顯提升。