生物質(zhì)燃料油在ANFO炸藥中的研究與應(yīng)用

李俊杰，趙華平，楊敏會(huì)，冷振東

(中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶 401121)

隨著石油稀缺、石油基產(chǎn)品價(jià)格上漲、環(huán)境污染問題頻發(fā)，在國家倡導(dǎo)的建設(shè)資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會(huì)的政策下，加速生物基資源的利用，開發(fā)綠色環(huán)保型工業(yè)炸藥是民爆行業(yè)發(fā)展規(guī)劃提出的目標(biāo)。當(dāng)前，公司ANFO炸藥配方中油相材料使用的是輕質(zhì)柴油，柴油屬于石油產(chǎn)品，價(jià)格相對較高、波動(dòng)較大，其大量使用不僅會(huì)導(dǎo)致石油資源匱乏，而且會(huì)帶來越來越多的環(huán)境污染問題[1-2]。生物質(zhì)燃料油是一種分布廣泛、來源豐富、價(jià)格低廉的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，與大豆油、花生油、玉米油不同，它屬于非食用油，開發(fā)其利用價(jià)值不僅可以減少環(huán)境污染問題、降低炸藥生產(chǎn)成本[3]，而且某些生物質(zhì)燃料油自身特殊的分子結(jié)構(gòu)[4]具有優(yōu)良的抗低溫性能、吸附作用[3]，從而提高ANFO炸藥在某方面的使用性能。生物質(zhì)燃料油ANFO炸藥可降低能源消耗，是典型的綠色、環(huán)保、低碳產(chǎn)品,符合國家新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料發(fā)展方向和國家綠色、環(huán)保、低碳的產(chǎn)業(yè)政策,本文研究生物質(zhì)燃料油在多孔粒銨油炸藥中的應(yīng)用，為綠色環(huán)保型ANFO炸藥的研究應(yīng)用提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 物性參數(shù)檢測

生物質(zhì)燃料油(CO)是由農(nóng)林廢棄物通過生物煉制而成，生物質(zhì)燃料油(CO)精煉后的分子結(jié)構(gòu)主要由C、H、O組成，通過化學(xué)分析得到其分子結(jié)構(gòu)中平均含有76.08%C、10.09%H、13.83%O。目前，生物質(zhì)燃料油(CO)主要作為綠色化工原材料應(yīng)用在涂料、橡膠、表面活性劑領(lǐng)域。

當(dāng)銨油炸藥體系氧平衡處于零氧平衡，體系內(nèi)還原劑和氧化劑完全氧化，這種情況才有利于發(fā)揮銨油炸藥最大爆炸威力，并且產(chǎn)生的有毒氣體最少。生物質(zhì)燃料油和柴油的氧平衡常數(shù)通過其平均分子結(jié)構(gòu)式計(jì)算得出[5-6]。

吸油率是判斷多孔粒狀硝酸銨(PPAN)孔隙率的重要指標(biāo)，該項(xiàng)指標(biāo)同樣可以測定燃料油被PPAN吸附的比例，判斷燃料油被吸附的程度。吸油率根據(jù)HG/T 3280-2011《多孔粒狀硝酸銨》中的測試方法檢測，生物質(zhì)燃料油(CO)的吸油率高于柴油(DO)，具體參數(shù)如表1所示，其他物性參數(shù)采用常規(guī)檢測方法。

表1 不同還原劑的物性參數(shù)

1.2 ANFO炸藥制備

按表1中生物質(zhì)燃料與柴油的氧平衡常數(shù)分別計(jì)算出其在ANFO炸藥中的添加量為6.9%、5.5%，確定生物質(zhì)燃料油制備ANFO炸藥的配方為93.1%∶6.9%、柴油制備ANFO炸藥的配方為94.5%∶5.5%，按此比例分別準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的還原劑CO、DO和氧化劑PPAN以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的蘇丹紅染色劑、抗氧化劑，在室溫條件下將兩者通過人工攪拌至充分混合，裝袋封口保存，標(biāo)記為CO/ANFO、DO/ANFO，得到ANFO炸藥。

1.3 性能檢測

1.3.1 爆炸性能

將1.2中制備好的ANFO炸藥裝入Φ40 cm的無縫鋼管，裝藥高度為35 cm，起爆藥裝67 ～70 g，分別計(jì)算2種還原劑配方的炸藥密度，并參照GB/T 13228-2015進(jìn)行孔外爆速測試，匯總測試結(jié)果(見表2)。

表2 不同還原劑制備的ANFO炸藥爆速

1.3.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

為了考察CO/ANFO炸藥的儲(chǔ)存穩(wěn)定性及有效期，將試驗(yàn)中新制備ANFO炸藥封口包裝儲(chǔ)存40 d，并測試其鋼管爆速，每組配方測試3次，取3次爆速數(shù)據(jù)中的平均數(shù)為有效值。

1.3.3 熱安定性

本研究中熱安定性檢測試驗(yàn)選擇等溫?zé)崾е氐臏y試方法，使用儀器包括恒溫箱、稱量瓶、干燥器、精密天平，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件選用100 ℃熱安定試驗(yàn)方法來分析ANFO炸藥的熱安定性，分別對CO/ANFO、DO/ANFO炸藥進(jìn)行100 ℃熱安定性試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸性能

CO/ANFO炸藥平均爆速值為3 326 m/s，接近于DO/ANFO炸藥的平均爆速值3 330 m/s，滿足國標(biāo)和現(xiàn)場使用要求。爆速測試后，收集不同配方多孔粒狀銨油炸藥的鋼管爆炸破片，可初步判斷2種ANFO炸藥具有相當(dāng)傳爆性能，2種銨油炸藥在鋼管中發(fā)生穩(wěn)定爆轟[7]，具體破片情況如圖1所示。

圖1 不同還原劑ANFO炸藥的鋼管爆炸破片

2.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性?偅j

儲(chǔ)存40 d后的CO/ANFO炸藥顆粒完整、未出現(xiàn)溶失現(xiàn)象，炸藥表觀顏色加深，這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料油中顯色基團(tuán)與空氣接觸發(fā)生氧化變紅引起的；40 d儲(chǔ)存期后經(jīng)測試CO/ANFO炸藥爆速平均值為3 005 m/s，滿足國標(biāo)和現(xiàn)場使用中的要求；同時(shí)，CO/ANFO炸藥的有效期高于40 d。

圖2 新制備ANFO炸藥(左)與儲(chǔ)存40 d ANFO炸藥(右)狀態(tài)

表3 40 d儲(chǔ)存期不同還原劑制備的ANFO炸藥爆速

2.3 熱安穩(wěn)定性

由于炸藥熱分解時(shí)形成氣體產(chǎn)物，本身質(zhì)量減少，因此測量炸藥試樣失重的多少，可以了解熱分解情況[8]。經(jīng)過第1個(gè)48 h熱失重后，CO/ANFO、DO/ANFO炸藥熱失重分別為0.05%、0.36%，在熱分解初期DO/ANFO炸藥的熱安定性明顯高于CO/ANFO炸藥；經(jīng)過第2個(gè)48 h熱失重后，CO/ANFO、DO/ANFO炸藥失重分別為0%、0.19%，CO/ANFO炸藥已不再發(fā)生熱分解(見表4)。因此，通過對比2種配方制備的ANFO炸藥在2個(gè)階段的熱失重情況，可以看出DO/ANFO炸藥發(fā)生熱分解過程中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物較多，CO/ANFO炸藥的熱安定性高于DO/ANFO炸藥，主要是因?yàn)镃O燃料油較DO具有更高的熱穩(wěn)定性。

表4 不同配方ANFO炸藥100 ℃熱失重

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 混裝銨油炸藥車制藥

按照當(dāng)前現(xiàn)場混裝銨油車生產(chǎn)ANFO工藝和1.2中炸藥配方在車上分別生產(chǎn)CO/ANFO和DO/ANFO 2種銨油炸藥，從混裝車輸送螺旋出料口生產(chǎn)的銨油炸藥未出現(xiàn)堆積成團(tuán)現(xiàn)象，燃料油與PPAN混合較為充分。

3.2 爆速測試

將3.1中生產(chǎn)的2種銨油炸藥應(yīng)用在新疆某露天煤礦(孔徑138 mm、巖土層)預(yù)裂爆破工程中，利用HandiTrap II爆速記錄儀采集探線電壓隨時(shí)間變化曲線，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，將電壓對時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為探線長度隨時(shí)間變化曲線，曲線斜率即為炸藥爆速值[9-10]。CO/ANFO、DO/ANFO炸藥在炮孔內(nèi)發(fā)生連續(xù)、穩(wěn)定爆轟，兩者爆速測試值分別為3 648、3 732 m/s，且爆速值相接近，符合國家標(biāo)準(zhǔn)大于3 200 m/s的要求。

3.3 爆破效果

CO/ANFO、DO/ANFO炸藥在巖土層爆破后的效果如圖3、圖4所示，CO/ANFO、DO/ANFO炸藥爆破后未產(chǎn)生黃色煙霧，前排均發(fā)生拋擲、后排松動(dòng)并出現(xiàn)裂隙，DO/ANFO炸藥爆破后前排相對較松散、后排裂隙較大；與DO/ANFO炸藥爆破效果對比，整體爆破效果良好，松散程度滿足后續(xù)挖運(yùn)工序作業(yè)要求，但CO/ANFO炸藥在現(xiàn)場爆破應(yīng)用中做工能力相對較弱，主要是因?yàn)镃O的運(yùn)動(dòng)黏度與DO相比較大，其在混裝銨油炸藥車制藥過程中與PPAN的混合均勻度相對較低，導(dǎo)致CO/ANFO局部爆轟未完全。

圖3 CO/ANFO炸藥爆破效果

圖4 DO/ANFO炸藥爆破效果

3 結(jié)論

1)生物質(zhì)燃料油的氧平衡為-2.697 4，吸油率為13.1%，閃點(diǎn)大于180 ℃，其在ANFO炸藥中理論添加量為6.9%，具有較高的安全性。?偅j

2)CO/ANFO炸藥平均鋼管爆速值接近于DO/ANFO炸藥，2種ANFO炸藥具有較好傳爆性能，但CO/ANFO炸藥的熱安定性高于DO/ANFO炸藥。?偅j?偅j

3)CO/ANFO炸藥具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和熱安穩(wěn)定性，儲(chǔ)存40 d后的CO/ANFO炸藥顆粒完整、未出現(xiàn)溶失現(xiàn)象，炸藥爆速平均值為3 005 m/s。

4)在現(xiàn)場爆破應(yīng)用過程中，CO/ANFO炸藥在炮孔內(nèi)可發(fā)生連續(xù)、穩(wěn)定爆轟，其平均爆速值接近于DO/ANFO炸藥，整體爆破效果良好，松散程度滿足后續(xù)挖運(yùn)工序作業(yè)要求，但CO/ANFO炸藥在現(xiàn)場爆破應(yīng)用中做工能力較弱。