生物质燃料油在ANFO炸药中的研究与应用

2022-11-28李俊杰赵华平杨敏会冷振东

工程爆破 2022年5期

李俊杰，赵华平，杨敏会，冷振东

(中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆 401121)

随着石油稀缺、石油基产品价格上涨、环境污染问题频发，在国家倡导的建设资源节约型环境友好型社会的政策下，加速生物基资源的利用，开发绿色环保型工业炸药是民爆行业发展规划提出的目标。当前，公司ANFO炸药配方中油相材料使用的是轻质柴油，柴油属于石油产品，价格相对较高、波动较大，其大量使用不仅会导致石油资源匮乏，而且会带来越来越多的环境污染问题[1-2]。生物质燃料油是一种分布广泛、来源丰富、价格低廉的农业副产物，与大豆油、花生油、玉米油不同，它属于非食用油，开发其利用价值不仅可以减少环境污染问题、降低炸药生产成本[3]，而且某些生物质燃料油自身特殊的分子结构[4]具有优良的抗低温性能、吸附作用[3]，从而提高ANFO炸药在某方面的使用性能。生物质燃料油ANFO炸药可降低能源消耗，是典型的绿色、环保、低碳产品,符合国家新技术、新产品、新材料发展方向和国家绿色、环保、低碳的产业政策,本文研究生物质燃料油在多孔粒铵油炸药中的应用，为绿色环保型ANFO炸药的研究应用提供了新思路。

1 实验

1.1 物性参数检测

生物质燃料油(CO)是由农林废弃物通过生物炼制而成，生物质燃料油(CO)精炼后的分子结构主要由C、H、O组成，通过化学分析得到其分子结构中平均含有76.08%C、10.09%H、13.83%O。目前，生物质燃料油(CO)主要作为绿色化工原材料应用在涂料、橡胶、表面活性剂领域。

当铵油炸药体系氧平衡处于零氧平衡，体系内还原剂和氧化剂完全氧化，这种情况才有利于发挥铵油炸药最大爆炸威力，并且产生的有毒气体最少。生物质燃料油和柴油的氧平衡常数通过其平均分子结构式计算得出[5-6]。

吸油率是判断多孔粒状硝酸铵(PPAN)孔隙率的重要指标，该项指标同样可以测定燃料油被PPAN吸附的比例，判断燃料油被吸附的程度。吸油率根据HG/T 3280-2011《多孔粒状硝酸铵》中的测试方法检测，生物质燃料油(CO)的吸油率高于柴油(DO)，具体参数如表1所示，其他物性参数采用常规检测方法。

表1 不同还原剂的物性参数

1.2 ANFO炸药制备

按表1中生物质燃料与柴油的氧平衡常数分别计算出其在ANFO炸药中的添加量为6.9%、5.5%，确定生物质燃料油制备ANFO炸药的配方为93.1%∶6.9%、柴油制备ANFO炸药的配方为94.5%∶5.5%，按此比例分别准确称量一定质量的还原剂CO、DO和氧化剂PPAN以及质量分数为0.2%的苏丹红染色剂、抗氧化剂，在室温条件下将两者通过人工搅拌至充分混合，装袋封口保存，标记为CO/ANFO、DO/ANFO，得到ANFO炸药。

1.3 性能检测

1.3.1 爆炸性能

将1.2中制备好的ANFO炸药装入Φ40 cm的无缝钢管，装药高度为35 cm，起爆药装67 ～70 g，分别计算2种还原剂配方的炸药密度，并参照GB/T 13228-2015进行孔外爆速测试，汇总测试结果(见表2)。

表2 不同还原剂制备的ANFO炸药爆速

1.3.2 储存稳定性

为了考察CO/ANFO炸药的储存稳定性及有效期，将试验中新制备ANFO炸药封口包装储存40 d，并测试其钢管爆速，每组配方测试3次，取3次爆速数据中的平均数为有效值。

1.3.3 热安定性

本研究中热安定性检测试验选择等温热失重的测试方法，使用仪器包括恒温箱、称量瓶、干燥器、精密天平，结合现有试验条件选用100 ℃热安定试验方法来分析ANFO炸药的热安定性，分别对CO/ANFO、DO/ANFO炸药进行100 ℃热安定性试验。

2 结果与讨论

2.1 爆炸性能

CO/ANFO炸药平均爆速值为3 326 m/s，接近于DO/ANFO炸药的平均爆速值3 330 m/s，满足国标和现场使用要求。爆速测试后，收集不同配方多孔粒状铵油炸药的钢管爆炸破片，可初步判断2种ANFO炸药具有相当传爆性能，2种铵油炸药在钢管中发生稳定爆轰[7]，具体破片情况如图1所示。

图1 不同还原剂ANFO炸药的钢管爆炸破片

2.2 储存稳定性?偅j

储存40 d后的CO/ANFO炸药颗粒完整、未出现溶失现象，炸药表观颜色加深，这是因为生物质燃料油中显色基团与空气接触发生氧化变红引起的；40 d储存期后经测试CO/ANFO炸药爆速平均值为3 005 m/s，满足国标和现场使用中的要求；同时，CO/ANFO炸药的有效期高于40 d。

图2 新制备ANFO炸药(左)与储存40 d ANFO炸药(右)状态

表3 40 d储存期不同还原剂制备的ANFO炸药爆速

2.3 热安稳定性

由于炸药热分解时形成气体产物，本身质量减少，因此测量炸药试样失重的多少，可以了解热分解情况[8]。经过第1个48 h热失重后，CO/ANFO、DO/ANFO炸药热失重分别为0.05%、0.36%，在热分解初期DO/ANFO炸药的热安定性明显高于CO/ANFO炸药；经过第2个48 h热失重后，CO/ANFO、DO/ANFO炸药失重分别为0%、0.19%，CO/ANFO炸药已不再发生热分解(见表4)。因此，通过对比2种配方制备的ANFO炸药在2个阶段的热失重情况，可以看出DO/ANFO炸药发生热分解过程中产生的气体产物较多，CO/ANFO炸药的热安定性高于DO/ANFO炸药，主要是因为CO燃料油较DO具有更高的热稳定性。

表4 不同配方ANFO炸药100 ℃热失重

3 现场应用

3.1 混装铵油炸药车制药

按照当前现场混装铵油车生产ANFO工艺和1.2中炸药配方在车上分别生产CO/ANFO和DO/ANFO 2种铵油炸药，从混装车输送螺旋出料口生产的铵油炸药未出现堆积成团现象，燃料油与PPAN混合较为充分。

3.2 爆速测试

将3.1中生产的2种铵油炸药应用在新疆某露天煤矿(孔径138 mm、岩土层)预裂爆破工程中，利用HandiTrap II爆速记录仪采集探线电压随时间变化曲线，经数据处理系统处理，将电压对时间曲线转化为探线长度随时间变化曲线，曲线斜率即为炸药爆速值[9-10]。CO/ANFO、DO/ANFO炸药在炮孔内发生连续、稳定爆轰，两者爆速测试值分别为3 648、3 732 m/s，且爆速值相接近，符合国家标准大于3 200 m/s的要求。

3.3 爆破效果

CO/ANFO、DO/ANFO炸药在岩土层爆破后的效果如图3、图4所示，CO/ANFO、DO/ANFO炸药爆破后未产生黄色烟雾，前排均发生抛掷、后排松动并出现裂隙，DO/ANFO炸药爆破后前排相对较松散、后排裂隙较大；与DO/ANFO炸药爆破效果对比，整体爆破效果良好，松散程度满足后续挖运工序作业要求，但CO/ANFO炸药在现场爆破应用中做工能力相对较弱，主要是因为CO的运动黏度与DO相比较大，其在混装铵油炸药车制药过程中与PPAN的混合均匀度相对较低，导致CO/ANFO局部爆轰未完全。