多孔粒狀銨油炸藥油相組分研究進展

崔 剛，葉 輝，馬 平，譚本嶺

(1 北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2 北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 102628)

多孔粒狀銨油炸藥，簡稱ANFO，是一種常見的現(xiàn)場混裝炸藥，具有生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，性價比高等優(yōu)點，在露天巖石爆破應(yīng)用較為廣泛，特別是2018年11月13日，工業(yè)和信息化部出臺的《推進民爆行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》，將鼓勵推廣現(xiàn)場混裝炸藥生產(chǎn)方式，因此未來幾年其使用量將有較大地提升。

ANFO是將多孔粒狀硝酸銨和油相通過物理混合制備而成，所用多孔粒狀硝酸銨是一種具有高孔隙率、高比表面積的物質(zhì)，比表面積可高達1000 cm2·g-1，達到零氧平衡時，較適宜的重量占比為94%～95%[1]。所用油相從理論上講，凡是燃燒后能生成二氧化碳和水的碳氫燃料都可以作為ANFO的油相組分，但是為了使多孔粒狀硝酸銨保持一定的吸附量和吸附速率，油相組分必須具有粘度低、流動性能好、吸附強度高等特點。在實際生產(chǎn)中最常用的油相組分是柴油，其具有較高的熱值和優(yōu)異的流動性能，與多孔粒狀硝酸銨通過物理吸附、充分接觸會形成為穩(wěn)定的物質(zhì)，具有良好的爆轟性能[2]。但是柴油缺點同樣明顯：閃點較低、揮發(fā)性強，在現(xiàn)場操作上會有較為強烈的刺激性氣味。且從微觀上看，在吸附過程中，柴油會在多孔粒狀硝酸銨的表層鋪展，由于兩者較大的表面張力差，且在外界振動顛簸下，兩者容易發(fā)生脫附，造成ANFO的溢油現(xiàn)象，影響了其使用性能的穩(wěn)定。

通常情況下，油相組分只占ANFO總量的5%～6%，但是其性能的優(yōu)劣卻影響甚至決定著ANFO的各種爆轟性能。近年來，對于ANFO的油相組分研究較多，研究者將很多材料應(yīng)用于ANFO，取得了優(yōu)異的效果，本文將最新研究和使用進展進行介紹。

1 廢棄油在ANFO中的應(yīng)用

近年來隨著能源危機的加劇，能源日趨短缺，石油衍生產(chǎn)品常常出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，與之對應(yīng)的是國內(nèi)每年產(chǎn)生大量的廢棄油，如廢棄礦物油、廢食用油等。如果大量的廢棄油的后處理不得當(dāng)，不但造成較大的能源浪費，并且對環(huán)境造成不可估量地污染。因此很多研究人員將廢棄油引入到ANFO的應(yīng)用中，實現(xiàn)了廢棄油再生的循環(huán)利用[3]。

露天大型礦山機械設(shè)備使用過程中會產(chǎn)生大量的廢礦物油，這些礦物油長期使用后物理屬性會發(fā)生變化，但是其化學(xué)性質(zhì)未發(fā)生較大的改變，仍然具有較高的熱焓。宋日[4]將產(chǎn)生的廢礦物油替代部分柴油，油相組分為2.75%廢礦物油和2.75%柴油，40 ℃運動粘度為為12.0～17.7 mm2·s-1，吸油率為9.8%。廢礦物油和柴油的組合物既保證了油相組分適宜的黏度和吸油率，且制備的ANFO符合GB 17583-1998的各項規(guī)定。

邵振宇等[5]將廢棄礦物油(廢機油、液壓油、齒輪油等)、熱值增加劑(二茂鐵、過氧化鋅、硝酸酯等)和抗凍劑(醇類、環(huán)烷酸、航空煤油等)等制備的油相組分，調(diào)節(jié)粘度低至0.82 g·cm-3，熱值高達4200 kJ·kg-1，其抗凍性能好，適宜于北方寒冷地區(qū)現(xiàn)場混裝ANFO的使用，其爆速最高可達3612 m·s-1。

中國每年會產(chǎn)生500萬噸廢棄食用油脂，這些油脂的再回收利用已經(jīng)越來越得到關(guān)注，岳中文等[6]利用油脂和柴油良好的相容性，按照廢棄食用油脂和柴油1:1的配比，運動黏度適宜，且保證了多孔粒狀硝酸銨的吸油率，生產(chǎn)出的ANFO爆速高達3287 m·s-1。

總之，再生油在ANFO的應(yīng)用，不但大幅降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益，且對產(chǎn)生的大量的廢棄油的循環(huán)利用和環(huán)境保護起到了一定的作用，具有較強的社會意義。

2 生物質(zhì)燃料在ANFO中的應(yīng)用

生物質(zhì)燃料具有低污染、可再生、熱值高等優(yōu)點，屬于國家大力提倡和發(fā)展的優(yōu)質(zhì)能源，在ANFO中也較多的應(yīng)用。

2.1 生物柴油在ANFO中的應(yīng)用

生物柴油是指將動植物油脂與低碳醇經(jīng)酯交換反應(yīng)制備的脂肪酸酯，具有較高的熱值(與柴油熱值接近)，其黏度、流動性能和擴散性能與柴油差別不大，可以完全替代或部分替代柴油，而且脂肪酸酯閃點大于130 ℃，無刺激揮發(fā)性氣味，安全性遠高于柴油[7]。

許暢[8]將氫化油(氫化大豆油、氫化棕櫚油或氫化菜籽油等)在催化劑(碳酸鹽、堿金屬氫氧化物、金屬氧化物等)通過高溫催化裂解(350～450 ℃)、石油醚收集冷卻裂解產(chǎn)物、蒸餾、收集等流程制備的生物質(zhì)燃料油，具有更好的穩(wěn)定性和高熱值，且提高了油相閃點和生產(chǎn)安全性，抑制了多孔粒狀硝酸銨與柴油混拌后溢油的缺點，建議添加量為3%～7%，制得的新型ANFO炸藥性能得到明顯地提升。

2.2 木粉在ANFO中的應(yīng)用

木粉是一種經(jīng)過粉碎的天然材料，碳氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，負氧平衡大，可調(diào)節(jié)炸藥體系的疏松程度，是一種優(yōu)良的可燃劑、敏化劑和疏松劑。郭占江等[9]和劉萬榮等[10]采用93%多孔粒狀硝酸銨和3%木粉預(yù)混合，然后與4%柴油混拌成為ANFO。添加了木粉的ANFO降低了炸藥密度，爆速可高達3486 m·s-1，減少了炮孔裝藥量，降低了爆破單耗，適用于露天礦和軟巖層爆破。

2.3 竹炭粉在ANFO中的應(yīng)用

竹材是天然產(chǎn)物，將竹材在700～800 ℃下經(jīng)炭化、粉碎而制備成為竹炭粉，其具有較高的比表面積(直徑0.5～1 mm粒徑的竹炭粉可達350 m2·g-1)，具有較強的調(diào)濕能力和吸附功能，當(dāng)其與柴油、多孔粒狀硝酸銨混合后，可在一定程度上減少柴油組分的揮發(fā)和阻止外界水分的進入，提高ANFO的穩(wěn)定性，且其表面較多的孔隙形成熱點，在一定程度上可提高ANFO的炸藥感度。采用93%～95%的多孔粒狀硝酸銨、2.5%～3%的輕柴油和1.5%～4%的竹炭粉混合后，爆速可高達3486 m·s-1。添加竹炭粉后，在一定程度上可改變ANFO的理化性質(zhì)和爆轟性能，且大大降低了生產(chǎn)成本[11]。

3 煤粉的利用

我國是富煤國家，近年來煤炭一直處于供過于求的局面。煤炭經(jīng)粉碎后形成一定粒徑的煤粉，是一種以碳元素為主的含能燃料，熱值較高，市場來源穩(wěn)定，與柴油復(fù)配可制備為良好的復(fù)合可燃劑[12]。

神華準(zhǔn)能集團公司率先將煤粉應(yīng)用于ANFO領(lǐng)域[13]，張智俊等[14]經(jīng)過試驗后，確定了多孔粒狀硝酸銨94%，柴油3.5%和煤粉2.5%的配比，ANFO爆速可達3061 m·s-1，猛度18.5 cm，宋日等[15]使用細小的煤粉與多孔粒狀硝酸銨混合，由于細小的煤粉粒徑與多孔粒狀硝酸銨的孔徑接近，會在其表面形成良好的接觸和均勻的覆蓋，用2.5%～3%的煤粉替代柴油后，ANFO爆轟性能有極大的提高，爆破效果好，且波阻抗與巖石波阻抗接近，發(fā)揮了ANFO的最大威力。由于炸藥單耗低，不但降低了生產(chǎn)成本，而且擴大了對煤粉的應(yīng)用范圍。

4 乳化柴油在ANFO中的應(yīng)用

乳化柴油是柴油和水或醇類等在乳化劑作用下通過機械作用剪切形成的油包水型乳狀液，是將互不相容的、極性和表面張力差別較大的柴油和水或醇類形成均相有效的方法。

丁海峰[16]用Span 80、十二烷基苯磺酸鈉和亞甲基纖維素鈉等乳化劑，利用超聲波乳化制備了穩(wěn)定的含水乳化柴油。當(dāng)制備的ANFO在爆炸沖擊波下時會產(chǎn)生迅速的熱膨脹，形成高溫高壓的作用，水分子微粒會在此體系條件下迅速汽化，形成的二次霧化促進油膜的充分反應(yīng)，實驗結(jié)果證明：此乳化柴油與多孔粒狀硝酸銨緊密融合后，ANFO的猛度和爆速(2870～3200 m·s-1)明顯提高，且其儲存期明顯改善；

劉曉明等[17]將75%～85%的燃料油、5%～10%的復(fù)合乳化劑和0～5%的水制備了復(fù)合油相微乳狀液，通常情況下由于油-水較高的表面張力很難相容，但在合適的乳化劑的作用下能夠進行油-水增溶，從而可實現(xiàn)穩(wěn)定的油水相容狀態(tài)，其微粒可達納米級，閃點較普通柴油高15 ℃，試驗表明：新型油相制備的ANFO的爆速較傳統(tǒng)ANFO提高了20.7%，作功能力提高11%，有毒氣體排放降低12%；

倪歐琪等[18]傳統(tǒng)的燃料油(柴油、潤滑油、汽油、植物油、動物油、煤制油等)、乳化劑(油酸酯、聚異丁烯丁二酰亞胺、聚氧乙烯醚、吐溫、曲拉通、十二烷基苯磺酸鈉等)、低碳醇溶液和無機鹽溶液(硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽等)制備的乳化油或微乳化油，安全性上遠高于柴油，和多孔粒狀硝酸銨混合后制備的ANFO具有較高的爆速(3300 m·s-1)和做功能力，有毒氣體含量降低了大約三分之一，具有較強的環(huán)保意義。

5 結(jié) 語

目前ANFO所用油相材料要求高安全、低成本、高性能。廢棄油、生物質(zhì)燃料、煤粉應(yīng)用于ANFO中，能夠解決目前柴油閃點較低、揮發(fā)度高、氣味刺激等問題，且有效緩解了炸藥生產(chǎn)對柴油的依賴，提高了炸藥性能，降低了生產(chǎn)成本。近年來，乳化柴油研究炙手可熱，已經(jīng)應(yīng)用于內(nèi)燃機領(lǐng)域，其主要特點是添加水或醇類后，乳化柴油制備的ANFO會有較多的“氣化核心”，形成“微爆助燃”的作用，能有效提高炸藥的爆轟威力。目前乳化柴油在ANFO應(yīng)用的技術(shù)瓶頸是如何保證適宜的黏度、較高的吸油率和開發(fā)高效經(jīng)濟的乳化劑，這將是乳化柴油在ANFO應(yīng)用的重要研究方向。