硝酸铵水溶液配制氧化溶液工艺介绍及关键控制技术探讨

马文军，薛占山

(国家能源集团准能集团炸药厂，内蒙古 薛家湾 010300)

乳化炸药是20世纪70年代才发展起来的新型爆破用药。最早被人们研制出来的乳化炸药是无雷管敏感的，使用时必须借助中间起爆药来二次引爆。后来，随着人们对乳化炸药研究的进一步深入，后期研究出来的乳化炸药才具有了雷管感度。目前，乳化炸药在国内外得到了广泛的推广和应用。乳化炸药有着极好的防水性、密度灵活可调、爆破猛度大、爆轰速度高等诸多优点，特别在井下潮湿、有水的爆破作业场所优越性更加突出，机械感度很低，安全性也比较好。广泛的乳化炸药是泛指一类用乳化技术制备的使氧化剂盐类水溶液的微滴，均匀分散在含有分散气泡或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中，形成一种油包水型(W/O)的乳胶状含水工业炸药。目前，煤矿爆破用的乳化炸药是由最主要的原料氧化溶液和复合油相通过高速率运动剪切再结合形成的乳胶基质，再通过敏化与多孔硝酸铵经过零氧平衡原理制备而成的混合物。乳胶基质是通过氧化溶液和复合油相生产完成。复合油相是一种复合型油，可以通过市场购买而来。则氧化溶液是通过乳化炸药生产厂家工业化连续生产。所以，从本质上讲，氧化溶液性能状况直接决定了乳胶基质的产品性能状况，而乳胶基质的性能最终决定了乳化炸药的爆炸特性。由此判定，乳化炸药生产过程中制备氧化溶液工艺及其关键控制技术的重要性。

1 生产企业简介

国家能源准能集团炸药厂始建于1991年，1996年5月投入生产，原核定生产能力1万t/年，占地面积5.6 hm2。2006年2月准能公司炸药厂改扩建，引进澳瑞凯澳大利亚有限公司炸药配方与生产工艺系统技术，改扩建后炸药厂占地面积15.6 hm2，由三部分组成：黑岱沟炸药地面制备站(许可生产乳化炸药2万t/年；多孔粒状铵油炸药4.5万t/年)；哈尔乌素地面制备站(许可生产多孔粒状铵油炸药4.5万t/年)；爆破器材库区。项目整体在2006年9月投入施工建设，2008年6月，现场混装炸药地面制备站通过原国防科学技术工业委员会的全面验收，已正式投入生产。并于2014年根据工信部“爆破一体化”的要求，国家能源准能集团炸药厂将黑岱沟露天矿爆破业务及相关人员划入炸药厂管理，2016年8月，炸药厂新增3.5万t炸药产能项目正式通过验收。改扩建后的炸药厂实现了散装炸药生产技术与世界水平同步，其核心技术是乳胶基质制备采用低温、常压、低转速大间隙乳化技术，领先行业技术发展方向，该工艺主要特点是将计算机自动化控制技术、炸药生产实际工艺技术、系统控制技术、网络通信技术和多媒体综合技术紧密的结合，在控制上实现DCS；在安全上实现自动连锁保护；先进的乳胶基质制备工艺和与其配套的高效炸药混装车能够为生产现场提供重铵油、乳化、多孔粒状铵油及其他不同配比的炸药品种。

2 原材料特性介绍

2.1 硝酸铵

硝酸铵(NH4NO3)是一种铵盐类化合物，是一种强氧化剂，为白色或灰白色颗粒，极易溶于水，易结块，易吸湿，硝酸铵溶解是吸热反应，吸收周围大量的热。硝酸铵对人体呼吸道、眼睛及皮肤都有一定的刺激性。接触后可引起恶心、呕吐、头痛、虚弱、无力和虚脱等。大量接触可引起高铁血红蛋白血症，影响血液的携氧能力，出现紫绀、头痛、头晕、虚脱，甚至死亡。遇到可燃物着火时，能助长火势，与可燃物粉末混合、受强烈震动、急剧加热时可能发生激烈反应进而爆炸。与有机物、还原剂、易燃物如硫、磷或活泼金属粉末等混合可形成爆炸性混合物。主要用途可作为农用化肥、化工原料、工业炸药和军用炸药等。

2.2 硝酸铵水溶液

硝酸铵水溶液为透明澄清水溶液，具有硝酸铵一切本质特性。工业炸药对硝酸铵水溶液的指标主要是浓度、酸度和温度，一般规定硝酸铵在水中的质量分数为89%～93%、含水的质量分数为5%～14%，浓度太高防止有晶体析出，酸度为偏酸性，pH控制在3.8～6.0之间。温度控制在110 ℃～130 ℃之间。具体参数见表1。

表1 原料硝酸铵水溶液各工艺参数

2.3 配料添加剂

碳酸钠：分子量105.99。化学品的纯度多在99.5%以上(质量分数)。是一种重要的无机化工原料，主要用于平板玻璃、玻璃制品和陶瓷釉的生产。硫腺：白色而有光泽的晶体，味苦，密度1.41，熔点176 ℃～178 ℃，更热时分解。柠檬酸：一种重要的有机酸，又名枸橼酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水，在工业，食品业，化妆业等具有极多的用途。

3 氧化溶液配制工艺介绍

利用到货的高温硝酸铵水溶液配制氧化溶液分为原材料检测、溶液输送、溶液配制、溶液转存4个主要工艺部分。

3.1 原材料检测

高浓度硝酸铵水溶液通过由罐车运输到炸药生产厂家，先行驶到地磅系统中，称取其总重量，等完全将原料卸完后，再通过地磅秤取其重量，两次质量差即为硝酸铵水溶液到货质量。现场作业人员通过读取硝酸铵水溶液罐车上的温度显示仪读取其到货温度并用温度检测仪检测物料确认其温度，确保温度冬季温度≥120 ℃，夏季≥115 ℃。并对硝酸铵浓度进行检测，确保溶液浓度为89%～93%方可使用。

3.2 溶液输送

罐车底部出口设置有出口管路与阀门，与炸药生产厂家防高温耐腐蚀管通过快速接口连接，并通过自吸泵将高温高浓度硝酸铵水溶液输送到硝酸铵水溶液存储罐。输送过程中工作人员时刻观察现场各仪表仪器流量数据、槽车罐及储存罐液位、温度显示，以防止高浓度硝酸铵结晶而堵塞管路。卸车完成后，用75 ℃的热水进行冲洗，确保管路畅通，无残液存在。

3.3 氧化溶液配制

先加适量的冷水，将溶液进行稀释并降温，将硝酸铵水溶液温度降到刚好75 ℃～80 ℃，依次将通过理论计算得出一定量的碳酸钠、硫腺、柠檬酸分3个批次(每批次至少隔10 min)加入溶液罐中。为了将加入的配料添加剂混合均匀和防止局部反应过热造成安全事故，溶液罐顶部还设置有搅拌装置，且在加入过程中不断进行搅拌。等溶液反应完全后，对溶液的pH值和析晶点进行检测，pH值要控制在3.8～4.0，析晶点控制在59℃～61℃，若溶液低于3.8则加碳酸钠，其高于4.0则添加适当的柠檬酸。

3.4 溶液转存

将配制好的氧化溶液配制罐，通过泵送，出口管路，转存至氧化溶液储存罐，为乳胶基质的生产做准备，并做好检测与记录。

4 关键技术探讨

4.1 析晶点控制

硝酸铵水溶液析晶点受浓度影响很大，不同浓度和物料析晶点都不一样。乳胶基质生产工艺要求硝酸铵水溶液析晶点控制在59 ℃～61 ℃。通过实验数据可得出，对不同质量分数的硝酸铵水溶液与析晶点测试对比，最终确定硝酸铵水溶液质量分数在78%～80%时，析晶点为59 ℃～61 ℃。具体数据见表2。

表2 硝酸铵水溶液质量分数与析晶点对比

所以配制溶液时，先以硝酸铵水溶液质量分数在上述范围内进行配制。待溶液稳定后，进行测量，析晶点控制即达到工艺指标要求。硝酸铵水溶液质量分数偏高，则加水稀释；若偏低，则加高浓度硝酸铵水溶液提高百分比。

4.2 溶液温度

利用外部供来的低压蒸汽，与循环热水温度设置联锁，将循环热水系统的水加热并控制到75 ℃左右，控制热水循环在75 ℃时保持恒温并设置泵自动循环保持动态平衡状态。75 ℃的循环热水系统将作为反应溶液的温度控制源，如果硝酸铵水溶液温度偏低，则系统自动加大循环热水系统流量，对溶液进行加热。若温度偏高，则同样加大循环热水流量来降低溶液温度到75 ℃。利用双向循环系统对溶液温度控制，在实际操作中有着极其重要的作用，由于硝酸铵具有爆炸性，防止硝酸铵溶液操作过程中温度过高引起爆炸或温度过低结晶堵塞管道等生产事故。

4.3 酸碱度pH控制

由于到货高浓度硝酸铵水溶液属于强酸弱碱盐，显酸性，工艺要求控制在3.9±0.1。现场操作时先加入适量的碳酸钠，适当提高溶液的pH值，然后再加入柠檬酸。将pH值调节到工艺指标范围内。待测溶液pH值达不到工艺要求，可按照每批次硝酸铵溶液pH值降低0.07需添加柠檬酸0.4 kg，pH值每提高0.07需添加0.2 kg的碳酸钠的方法来添加。这里先加碳酸钠提高pH值，再加入柠檬酸的降低pH值，而不直接加柠檬酸，主要是为了提高溶液的反应活性，对下一步氧化溶液生产乳胶基质，乳胶基质与敏化剂反应生产乳化炸药增加发泡活跃度，最终提高乳化炸药对起爆器具的敏感度。从而生产出合格的乳化炸药，为露天煤矿的各种爆破提供起爆能量。

5 结论与展望

利用硝酸铵水溶液配制氧化溶液制备出来乳化炸药，是以前溶解固体硝酸铵颗粒制备乳化炸药工艺的进一步升级，这种生产工艺操作简单，效率高，将生产效率提高了1倍。这种生产乳化炸药工艺符合国家产业链一体化政策，是企业实现降本增效的根本措施，是民爆行业重点发展和支持的对象。由于炸药生产属于民爆范畴，所以对关键操作技术指标的把控上必须严格。笔者通过对关键控制技术的梳理，进一步说明了关键控制技术的重要性和必要性，以及未来的合理性。