乳化炸藥生產(chǎn)線安全生產(chǎn)技術(shù)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(yè)高質(zhì)量發(fā)展對乳化炸藥生產(chǎn)線的安全技術(shù)水平提出了更高的要求,進一步明確了乳化炸藥生產(chǎn)線技術(shù)研發(fā)和技術(shù)改造的方向,即推動智能化、少(無)人化生產(chǎn)線建設(shè),提高本質(zhì)安全水平,在線實時監(jiān)測設(shè)備運行參數(shù)、異常報警,自動識別工藝流程作業(yè)和安全聯(lián)鎖有效性[1-2]。針對乳化炸藥生產(chǎn)各工序,圍繞技術(shù)、設(shè)備和安全情況,以及信息化和生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計,提出一些見解。

1 水油相制備

隨著民爆行業(yè)的技術(shù)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(yīng)用過程中影響安全生產(chǎn)的不利因素,主要有pH 值誤差、濃度不符合要求、結(jié)晶、管道堵塞、濃度不均勻、安全防護條件不足等。液態(tài)油相應(yīng)用過程中影響安全生產(chǎn)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(chǎn)安全和質(zhì)量上,由于pH 值、濃度誤差等原因,硝酸銨溶液相對固態(tài)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(jié)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(dǎo)法等間斷的靜態(tài)檢測方法。采用人工檢測,受人為因素影響較大,安全和質(zhì)量不能保證[3]。因此,亟待解決硝酸銨溶液系統(tǒng)動態(tài)在線連續(xù)檢測和自動調(diào)節(jié)問題,實現(xiàn)在線檢測結(jié)果與水相配制聯(lián)動,根據(jù)檢測結(jié)果自動計算需要調(diào)節(jié)物料(如氨水、檸檬酸等)的重量,并自動進行配制,實現(xiàn)水相溶液pH值、濃度的在線測定與調(diào)節(jié)。

經(jīng)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(diào)節(jié)在其儲罐內(nèi)進行,目的是降低硝酸銨溶液質(zhì)量分數(shù)至90%左右(此值可根據(jù)乳化炸藥配方進行調(diào)整),通過降低溶液濃度、析晶點和結(jié)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(jīng)冷凝器將取樣溶液溫度降低到90 ℃后,流至緩沖罐內(nèi),pH 電極安裝在冷凝器出口管道上進行測定。流入緩沖罐內(nèi)的硝酸銨溶液經(jīng)加熱后泵送至硝酸銨溶液儲罐內(nèi)。硝酸銨溶液不間斷地進行流動實現(xiàn)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(chǎn)生析晶沉降現(xiàn)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(shè)備失效。為提升硝酸銨溶液儲存安全,應(yīng)做好以下工作:

1)連續(xù)、動態(tài)檢測和攪拌聯(lián)動。安全的硝酸銨溶液儲存系統(tǒng),應(yīng)能連續(xù)、動態(tài)地監(jiān)測溶液各點的溫度,并使溶液溫度場與攪拌裝置聯(lián)動,當(dāng)某點的溫度達到設(shè)定溫度區(qū)域時立即啟動攪拌裝置,溫度場中各點溫度下降至安全區(qū)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(jīng)產(chǎn)生結(jié)晶的情況下攪拌則有可能造成安全事故,應(yīng)選擇比較先進、安全的溶液攪拌方式,如自動循環(huán)急流攪動和射流攪動技術(shù)等。

2)液位檢測技術(shù)。應(yīng)采用適宜硝酸銨溶液的液位檢測技術(shù)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(jié)晶、儀表抱死等導(dǎo)致液位控制不準而引起的質(zhì)量問題和安全隱患。

3)安全防護條件。硝酸銨溶液儲罐應(yīng)做好消防、防雷、溫控、雜質(zhì)過濾和應(yīng)急排放,及與炸藥生產(chǎn)設(shè)備可靠隔離等安全措施。

1.3 液態(tài)油相應(yīng)用的安全管理

液態(tài)油相儲罐主要用于油相的安全儲存及保溫,通過控制系統(tǒng)對液態(tài)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(tài)油相溫度控制在其溶解點以上的安全溫度范圍內(nèi)。儲罐底部宜設(shè)為斜底,方便液態(tài)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(cè)設(shè)置爬梯,頂部設(shè)置直徑不小于600 mm 的人孔,加設(shè)防墜落裝置,人孔下方內(nèi)部設(shè)置爬梯,頂部設(shè)置護欄。

液態(tài)油相應(yīng)用系統(tǒng)的PLC 自動控制包含溫度、液位、攪拌等。應(yīng)在罐體側(cè)方不同位置設(shè)置不少于2 個測溫口,并配備進料泵送系統(tǒng)及壓縮空氣管道清掃系統(tǒng)。加熱保溫蒸汽管路分上、中、下3 層分別控制,加熱閥門應(yīng)能自動分段啟停。根據(jù)溫度、液位測定值和設(shè)定的安全范圍自動啟停加熱及攪拌裝置并提示報警。設(shè)置攪拌系統(tǒng)的自動啟停,以保證液態(tài)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(chǎn)生高溫發(fā)生危險。

2 乳化工序

乳化工序是乳化炸藥生產(chǎn)過程最危險的工序,影響安全生產(chǎn)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(tài)乳化器。密閉式轉(zhuǎn)子乳化器存在的主要危險因素有:軸封損壞造成乳化基質(zhì)泄漏、密封環(huán)高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致摩擦發(fā)熱及間隙小、轉(zhuǎn)速高、斷齒、動平衡差等現(xiàn)象,這些是引起設(shè)備內(nèi)乳化基質(zhì)溫度升高進而引發(fā)乳化器爆炸的主要原因。此外,為提高乳化質(zhì)量,有的乳化器采取了不利于安全的措施,如增加定轉(zhuǎn)子組數(shù),剪切“齒”更多、更密,造成乳化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,轉(zhuǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)合理的靜態(tài)乳化器,在大間隙、低轉(zhuǎn)速、高產(chǎn)能方面優(yōu)勢突出,具有較高的安全性;應(yīng)進一步完善靜態(tài)乳化器,優(yōu)化其結(jié)構(gòu),并與工藝相結(jié)合,提高靜態(tài)乳化效果。

2) 乳化器的安全控制措施。設(shè)置故障自診斷及智能化監(jiān)控和處置裝置,設(shè)計單元上包括預(yù)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(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(jiān)控的基礎(chǔ)上診斷,并根據(jù)人機配合查詢給出診斷結(jié)果和處理建議、注意事項,同時控制其他設(shè)備實行聯(lián)動。將工藝冷卻水與設(shè)備冷卻水分開設(shè)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(jiān)測并提高監(jiān)測精度,適時提示零部件工作狀態(tài)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(yīng)盡可能低,通過合適的晶形改進劑、復(fù)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(fā),降低油相溫度,從而做到低溫乳化(適宜的乳化溫度應(yīng)不超過100 ℃),以提高乳化安全,利于產(chǎn)品的貯存穩(wěn)定性,同時節(jié)能降耗。

2.2 泵送安全

泵送過程是連續(xù)式乳化炸藥生產(chǎn)工藝中不可或缺的重要組成部分,是乳化炸藥生產(chǎn)中的又一個危險點,生產(chǎn)中常用螺桿泵泵送。螺桿泵的安全風(fēng)險主要是斷料、超壓、超溫、異物等。斷料空轉(zhuǎn)導(dǎo)致設(shè)備干磨致使局部發(fā)熱達到乳化炸藥爆發(fā)點,引起斷料空轉(zhuǎn)的原因可能有乳化基質(zhì)黏度過高導(dǎo)致泵送不動、進料不暢或不均勻、泵體漏氣、乳化結(jié)束后未及時停機等。乳化炸藥反復(fù)回流,泵送熱積累達到乳化炸藥爆發(fā)點,引起回流可能原因有超壓破壞密封結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)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(yīng)盡量縮短,直徑適當(dāng)?shù)卦龃?以減小管道壓力;確保物料連續(xù)輸送并防止出現(xiàn)蓬料現(xiàn)象;盡量采用低轉(zhuǎn)速,定子材質(zhì)選擇具有耐高溫、耐油性能的軟性非金屬材料。生產(chǎn)中冷卻水不斷流并滿足散熱需求,生產(chǎn)后用熱水或壓縮空氣清洗泵內(nèi)藥體,防止結(jié)晶,并在前端水油相工序設(shè)置可靠的管路過濾裝置。從電機電流、輸送壓力、基質(zhì)溫度、定子材質(zhì)、螺桿轉(zhuǎn)速等方面設(shè)計安全控制技術(shù)措施。設(shè)置故障自診斷、智能化監(jiān)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(jiān)控和處置。定期檢查轉(zhuǎn)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(zhì)硬化或析晶。

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

圖3 電缸活塞式容積泵結(jié)構(gòu)示意圖

電缸活塞式容積泵靠活塞往復(fù)運動,使得泵腔工作容積周期變化,實現(xiàn)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(chǎn)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(zhuǎn)化為腔體內(nèi)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(chǎn)能為8 t/h 時,線速度僅為68 mm/s,同等產(chǎn)能條件下,螺桿泵的線速度為750 mm/s,消除了傳統(tǒng)螺桿泵轉(zhuǎn)子與定子運動摩擦對物料可能產(chǎn)生的熱積累引發(fā)的爆炸風(fēng)險,大幅提高了基質(zhì)輸送和裝藥的本質(zhì)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(guān),泵送過程無回流現(xiàn)象,可用于較高壓力的輸送。

3 敏化工序

敏化安全與敏化設(shè)備緊密相關(guān),設(shè)備結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)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(yīng)在敏化機轉(zhuǎn)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(yīng)采取安全的密封方式,混合器夾套、主軸和密封處應(yīng)有效冷卻,并設(shè)置溫度和壓力檢測,敏化器、裝藥機和螺桿泵之間應(yīng)有安全聯(lián)鎖保護。低溫敏化宜采用敞開式的敏化設(shè)備,應(yīng)防止生產(chǎn)工具、雜質(zhì)意外進入或人為進入敏化設(shè)備而引起事故;應(yīng)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(zhì)的破壞;應(yīng)減少敏化后效,及時檢測,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性[8-9]。

敏化機應(yīng)設(shè)置故障自診斷及智能化監(jiān)控和處置裝置,對敏化物料和設(shè)備關(guān)鍵點的溫度、攪拌速度(轉(zhuǎn)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(xù)在線智能化監(jiān)控和處置。在乳化和敏化之間,敏化和裝藥之間的管路中設(shè)置超壓泄爆裝置。同時,應(yīng)結(jié)合使用安全性,推廣使用新的敏化設(shè)備和敏化方式,如靜態(tài)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(yè)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(zhuǎn)動、壓、夾等部位應(yīng)參照電梯等設(shè)備原理設(shè)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(chǎn)能高效裝藥機的引進和研發(fā),制約乳化炸藥產(chǎn)能提升的瓶頸已經(jīng)由冷卻和裝藥工序轉(zhuǎn)為包裝工序。因此,提高自動包裝設(shè)備的包裝能力成為目前的主要任務(wù)。而提高自動包裝設(shè)備的可靠性和適應(yīng)性,減少設(shè)備故障率,是提升生產(chǎn)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(guān)鍵環(huán)節(jié)采用機器人,并對藥卷和中包數(shù)量進行監(jiān)控和自動補足數(shù)量,可實現(xiàn)包裝工序的自動化、連續(xù)化和無人化(巡視人員除外)。

5 信息化建設(shè)

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃是促進民爆行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。炸藥生產(chǎn)信息化系統(tǒng)平臺涵蓋商品炸藥生產(chǎn)、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(chǎn)線、地面站、混裝車、運輸車輛和爆破現(xiàn)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(biāo)準的VPN 網(wǎng)絡(luò),使生產(chǎn)數(shù)據(jù)、圖像、存藥量、人員、設(shè)備、車輛在公司總部信息中心實時顯示、報警,統(tǒng)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(shè)涵蓋風(fēng)險辨識、分級和隱患排查分級管理系統(tǒng)平臺、重大危險源辨識和備案管理系統(tǒng)、生產(chǎn)線實時運行視頻監(jiān)管、生產(chǎn)線設(shè)備運行監(jiān)管、在線危險物品存量監(jiān)管、不合格品、產(chǎn)品試驗、銷爆等內(nèi)容。在總部信息中心和手持終端可實現(xiàn)地面站數(shù)據(jù)圖像監(jiān)控、混裝車動態(tài)監(jiān)控、爆破服務(wù)監(jiān)控、商品炸藥生產(chǎn)線數(shù)據(jù)圖像監(jiān)控、設(shè)備管理、遠程診斷與服務(wù)、全線人員定位、倉庫管理與物流追蹤、“四超”動態(tài)監(jiān)控、筆記本與手持終端移動辦公、現(xiàn)場巡檢、手機查詢與報警、運輸車輛GPS 跟蹤、安防集中監(jiān)控等功能。

6 生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計涉及的安全問題

在定員管理上,應(yīng)明確定義乳化炸藥生產(chǎn)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(chǎn)線在線藥量時,除要計算設(shè)備本身在線藥量外,還要預(yù)留在設(shè)備故障維護或更換輔助材料、配件時產(chǎn)品堆積的量。各工序之間應(yīng)設(shè)置暫存設(shè)施,存儲設(shè)備故障維護時產(chǎn)品堆積。設(shè)備后道工序生產(chǎn)能力均應(yīng)大于前道工序,并能及時消化產(chǎn)品堆積。

在生產(chǎn)線布局和品種轉(zhuǎn)化上,大直徑包裝乳化炸藥產(chǎn)品和現(xiàn)場混裝乳化炸藥是發(fā)展方向,但小直徑包裝乳化炸藥產(chǎn)品目前仍是市場主要需求之一。建議根據(jù)市場變化,調(diào)整不同直徑包裝乳化炸藥產(chǎn)品和現(xiàn)場混裝乳化炸藥的比例,同時建設(shè)具有儲運、現(xiàn)場混裝炸藥爆破服務(wù)能力的綜合性民爆產(chǎn)品供應(yīng)中心。

7 結(jié)語

結(jié)合乳化炸藥生產(chǎn)工序特點,進行合理的生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計,提高生產(chǎn)線的智能化、自動化和信息化,才能提高乳化炸藥生產(chǎn)的本質(zhì)安全水平。