CN116375546A - 用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂、其制备方法及应用。该煤基纳米碳氢添加剂为有效氢含量2500～3000ppm的纳米碳氢浆料，纳米碳氢浆料包括水、分散在水中的纳米级煤粉及附于浆料中的氢。本发明能够解决现有技术中工业炸药对石油基燃料依赖重、以及炸药难以兼顾低成本、良好爆速、猛度、做功能力和安全性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及铵油炸药生产技术领域，具体而言，涉及一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂、其制备方法及应用。
背景技术
工业炸药被称为“基础工业的基础，能源行业的能源”，被广泛用于煤炭开采、冶金、机械加工等多个国民经济领域。
多孔粒状铵油炸药是目前铵油炸药市场的主流产品，是我国工业炸药使用量较大的一种炸药。目前，多孔粒状铵油炸药制备组分有两种，一种是作为氧化剂的多孔粒状硝酸铵；另一种是作为可燃剂的柴油，两种组分根据炸药氧平衡原理设计，配方多为多孔粒状硝酸铵(94％)、柴油(约占6％)。
当前，国际市场上石油天然气等大宗商品价格高位波动。如何推进铵油炸药生产资源节约集约利用，立足国内确保能源安全稳定供应，减少工业炸药对石油产品的依赖，降低生产成本，寻找一种替代柴油的物质成为是民爆科技工作者重点思考、研究的课题。
2021年，国家能源集团准能集团研发了纳米碳氢燃料，纳米碳氢燃料是用高含碳量的原料、水和少量添加剂经先进的纳米化处理工艺制成的一种基本颗粒粒度为纳米级、具有较高表面活性的特种燃料，是一种新型、高效、清洁的环保燃料。
2022年，准能集团以纳米碳氢燃料代替柴油作为多孔粒状铵油炸药反应还原剂，采用不同的配比和混合工艺成功制备出新型纳米碳氢添加剂炸药。经现场爆破效果对比，纳米碳氢炸药爆堆隆起高度、沉降高度、岩石爆破拉伸块度均优于普通铵油炸药，现场爆破效果良好。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂、其制备方法及应用，以解决现有技术中工业炸药对石油基燃料依赖重、以及炸药难以兼顾低成本、良好爆速、猛度、做功能力和安全性的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其煤基纳米碳氢添加剂为有效氢含量2500～3000ppm的纳米碳氢浆料，纳米碳氢浆料包括水、分散在水中的纳米级煤粉及附于浆料中的氢。
进一步地，煤基纳米碳氢添加剂的固含量为45～50wt％，表观粘度为150～450mPa.s。
进一步地，煤粉的D50为1.0～1.5μm。
进一步地，煤基纳米碳氢添加剂还包括浆料改良剂；优选地，浆料改良剂为木质素、萘磺酸盐、烯基磺酸盐中的一种或多种；更优选地，浆料改良剂在煤基纳米碳氢添加剂中的重量百分比为1～3‰。
进一步地，煤粉由原料煤制得，原料煤为热值为4000～4500kcal/kg或5000～5500kcal/kg的煤。
进一步地，煤粉由原料煤经粉碎制得；优选地，当原料煤为4000～4500kcal/kg的煤时，粉碎后所得煤粉的D50为100目；或者，优选地，当原料煤为5000～5500kcal/kg的煤时，粉碎后所得煤粉包括D50为80目的第一煤粉和D50为120目的第二煤粉；更优选第一煤粉与第二煤粉的重量相等。
进一步地，按照重量百分比计，煤粉包括如下组分：碳60～62％、氧化铝15～22％、二氧化硅7～9％、氧化钙1.3～1.9％、氧化铁1.1～1.6％、余量为水和杂质。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种上述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂的制备方法，其包括：将原料煤粉碎，得到粗料；其次将粗料与水混合制浆，得到第一中间浆料；然后对第一中间浆料进行纳米化处理和储氢赋能处理，得到第二中间浆料；最后将第二中间浆料进行乳化处理，得到用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。
进一步地，乳化处理在搅拌下进行，搅拌的转速为500～1500r/min；优选地，在乳化处理过程中，加入浆料改良剂。
根据本发明的另一方面，提供了一种铵油炸药，以占铵油炸药总重量的百分比计，铵油炸药包含8～14％的上的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。
进一步地，铵油炸药的含水量为5～7.5wt％。
应用本发明的技术方案，得到了一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。本发明突破了传统铵油炸药对于原材料的选择范围，利用附有一定量氢的纳米碳氢浆料部分或全部替代铵油炸药中的柴油，降低了成本、打破了工业炸药对于石油基原料的依赖。并且，本发明所制得铵油炸药的爆速、猛度以及做功能力相较于传统铵油炸药也具有显著的提升。特别是，本发明的煤基纳米碳氢添加剂中含有一定量的水，发明人出乎意料地发现含水的铵油炸药爆炸性能不仅没有受到负面影响、反而其爆炸性能优于传统的不含水的铵油炸药，还提高了铵油炸药的安全性。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
为了解决如前文所述的现有技术中的问题，根据本发明的一方面，提供了一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，该煤基纳米碳氢添加剂为有效氢含量2500～3000ppm的纳米碳氢浆料，纳米碳氢浆料包括水、分散在水中的纳米级煤粉及附于浆料中的氢。
本发明突破了传统铵油炸药对于原材料的选择范围，利用附有一定量氢的纳米碳氢浆料部分或全部替代铵油炸药中的柴油，降低了成本、打破了工业炸药对于石油基原料的依赖。特别是将纳米碳氢浆料的有效氢含量控制在2500～3000ppm，有利于加速炸药爆炸过程中的氧化还原反应。并且，本发明所制得铵油炸药的爆速、猛度以及做功能力相较于传统铵油炸药也具有显著的提升。特别是，本发明的煤基纳米碳氢添加剂中含有一定量的水，发明人出乎意料地发现含水的铵油炸药爆炸性能不仅没有受到负面影响、反而其爆炸性能优于传统的不含水的铵油炸药，还提高了铵油炸药的安全性。
在本发明的添加剂中，氢储存在纳米级的煤粉和水中，纳米碳氢浆料具有较高的储氢能力，并且发明人发现其具有优良的瞬间氧化还原能力，因此纳米碳氢添加剂非常适合应用于铵油炸药中。
在实际的操作中，本领域技术人员可以通过包括但不限于气相色谱法的手段测得纳米碳氢浆料中的有效氢含量。
在一种优选的实施方式中，添加剂的固含量为45～48wt％，表观粘度为150～450mPa.s。在上述优选的范围内，利用本发明提供的添加剂制备得到的铵油炸药具有更好的爆炸性能，相对于传统的铵油炸药更倾向于低表观粘度(一般在150mPa.s以下)的现有技术，本发明提供的添加剂在较宽的粘度范围均具有优良爆炸性能。
在一种优选的实施方式中，煤粉的D50为1.0～1.5μm。优选上述的D50，更加有利于提高铵油炸药的爆炸性能。
出于对浆料的流体特性进行调控的目的，在一种优选的实施方式中，添加剂还包括浆料改良剂；优选地，浆料改良剂为木质素、萘磺酸盐、烯基磺酸盐中的一种或多种；更优选地，浆料改良剂在添加剂的重量百分比为1～3‰。优选加入上述适量的浆料改良剂，更加有利于得到具有适宜粘度的添加剂。
在一种优选的实施方式中，煤粉由原料煤制得，原料煤为热值为4000～4500kcal/kg或5000～5500kcal/kg的煤。本领域技术人员理解，自然界中煤的热值因其成煤原料的不同、存储方式的不同等因素可能具有一定程度的波动，超出上述的优选范围的煤一般仍适用本发明的技术方案，但选择上述热值的原料煤，使得纳米碳氢浆料更适宜应用在铵油炸药这一特殊体系，更好地保证了炸药的应用性能。
在一种优选的实施方式中，煤粉由原料煤经粉碎制得；优选地，当原料煤为4000～4500kcal/kg的煤时，粉碎后所得煤粉的D50为100目；或者，优选地，当原料煤为5000～5500kcal/kg的煤时，粉碎后所得煤粉包括D50为80目的第一煤粉和D50为120目的第二煤粉；更优选第一煤粉与第二煤粉的重量相等。发明人通过试验发现按照上述优选的方案针对具有不同热值的原料煤调整煤粉的目标粒径，更加有利于提升铵油炸药的爆炸性能。
在一种优选的实施方式中，按照重量百分比计，煤粉包括如下组分：碳60～62％、氧化铝15～22％、二氧化硅7～9％、氧化钙1.3～1.9％、氧化铁1.1～1.6％、余量为水和杂质。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂的制备方法，包括：将原料煤粉碎，得到粗料；其次将粗料与水混合制浆，得到第一中间浆料；然后对第一中间浆料进行纳米化处理和储氢赋能处理，得到第二中间浆料；最后将第二中间浆料进行乳化处理，得到用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。
根据本发明的制备方法得到了一种兼具安全性和优良爆炸性能的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。在纳米化合赋氢赋能步骤中，优选地，利用Metafusion技术设备进行。该设备和赋氢赋能工艺是本领域技术人员已知的，在此不再赘述。
在一种优选的实施方式中，乳化处理在搅拌下进行，搅拌的转速为500～1500r/min；优选地，在乳化处理过程中，加入浆料改良剂。上述优选的乳化处理工艺更加有利于得到具有适宜表观粘度的纳米碳氢浆料。
根据本发明的另一方面，提供了一种铵油炸药，以占铵油炸药总重量的百分比计，铵油炸药包含8～14％的上述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。本发明的铵油炸药兼具良好的安全性和爆炸性能，由于传统的多孔粒状铵油炸药。在本发明的铵油炸药中，上述的煤基纳米碳氢添加剂可以以任意比例与柴油并用、或者也可以完全替代柴油。
在一种优选的实施方式中，铵油炸药的重量含水量为5～7.5％。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
a、将5500kcal/kg的原料煤首先经过粗粉碎，粗料粒度要求：D50为80目和D50为120目两种煤粉质量各占比50％；
b、将粗料与水混合制浆，得到固含量为50％的第一中间浆料；
c、采用metaFusion技术设备进行纳米化和储氢赋能工艺，得到第二中间浆料；
d、通过机械乳化法，在第二中间浆料中加入2‰木质素，乳化工艺转速1200r/min；纳米碳氢助剂表观黏度为400mpa.s。
煤基纳米碳氢添加剂的有效粒度D50为1.0微米；煤粉成分为：含碳量61％、氧化铝含量21％、二氧化硅含量10％、氧化钙含量1.6％、氧化铁含量1.4％、余量为水及杂质；气相色谱法测得有效氢含量为2500ppm。
以所得煤基纳米碳氢添加剂替代10％柴油，制备得到铵油炸药，其性能如表1～3所示。
(1)爆速测试
测试时间：2022年11月26日测试样品数量：3发
表1
(2)猛度测试
测试时间：2022年11月25日测试样品数量：3发
表2
(3)做功能力
测试时间：2022年11月25日测试样品数量：3发
表3
实施例2～5
与实施例1的区别在于，利用本发明的煤基纳米碳氢添加剂完全替代传统铵油炸药中的柴油。其具体组分、样品密度及爆速如表4所示。实施例2～5的炸药猛度如表5所示。实施例2～5的炸药做功能力如表6所示。
表4
| 序号 | 硝酸铵％ | 纳米碳氢添加剂％ | 样品数量 | 密度(g/cm3) | 平均爆速(m/s) |
| 实施例2 | 92 | 8 | 3 | 0.817 | 2809 |
| 实施例3 | 90 | 10 | 3 | 0.800 | 2806 |
| 实施例4 | 88 | 12 | 3 | 0.874 | 2948 |
| 实施例5 | 86 | 14 | 3 | 0.903 | 2842 |
表5
表6
实施例6
与实施例1的区别在于，有效氢含量为3000ppm。
所得铵油炸药的爆速、猛度、做功能力分别如表7、表8、表9所示。
表7
表8
表9
实施例7
与实施例1的区别在于，表观粘度为150mPa.s。
所得铵油炸药的爆速、猛度、做功能力如表10、表11、表12所示。
表10
表11
表12
对比例1
传统多孔粒铵油炸药。制备方法如下：
(1)称量：按照多孔粒状硝酸铵和柴油的质量配比94％、6％，分别称量一定量的硝酸铵(6157g)和柴油(393g)；
(2)添加并搅拌：把柴油添加到硝酸铵中，边添加边搅拌，直至搅拌均匀；
(3)密度测试：用密度杯装满搅拌均匀的铵油炸药，并用刮尺刮平，称量样品重量，计算样品密度；
(4)装药：将搅拌均匀的铵油炸药装入准备好的PVC爆速测试筒内测试爆速，以及做猛度、做功能力的测试。
多孔粒状硝酸铵：内蒙古伊东集团九鼎化工有限责任公司生产产品。多孔粒装硝酸铵指标：分子式NH4NO3；含水量＜0.3wt％，堆积密度为0.73～0.86g/cm3，吸油率≥7wt％，以个数计粒径范围为0.50～2.50mm的粒子的粒度分布≥90％，以干基计硝酸铵含量≥99.5wt％。
对比例1的爆速、猛度和做功能力测试数据如表1～3所示。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
由表格1～3的数据可以看出，本发明替代10％柴油制备得到的新型铵油炸药平均爆速3104m/s，比铵油炸药国家标准提高了11％；平均猛度为27.016mm，提高了16.5％，做功能力较传统多孔粒状铵油炸药提高了50.7％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，所述煤基纳米碳氢添加剂为有效氢含量2500～3000ppm的纳米碳氢浆料，所述纳米碳氢浆料包括水、分散在水中的纳米级煤粉及附于所述浆料中的氢。
2.根据权利要求1所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，所述煤基纳米碳氢添加剂的固含量为45～50wt％，表观粘度为150～450mPa.s。
3.根据权利要求1或2所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，所述煤粉的D50为1.0～1.5μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，所述煤基纳米碳氢添加剂还包括浆料改良剂；优选地，所述浆料改良剂为木质素、萘磺酸盐、烯基磺酸盐中的一种或多种；更优选地，所述浆料改良剂在所述煤基纳米碳氢添加剂中的重量百分比为1～3‰。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，所述煤粉由原料煤制得，所述原料煤为热值为4000～4500kcal/kg或5000～5500kcal/kg的煤。
6.根据权利要求5所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，所述煤粉由所述原料煤经粉碎制得；
优选地，当所述原料煤为4000～4500kcal/kg的煤时，粉碎后所得煤粉的D50为100目；
或者，
优选地，当所述原料煤为5000～5500kcal/kg的煤时，粉碎后所得煤粉包括D50为80目的第一煤粉和D50为120目的第二煤粉；更优选所述第一煤粉与所述第二煤粉的重量相等。
7.根据权利要求6所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂，其特征在于，按照重量百分比计，所述煤粉包括如下组分：碳60～62％、氧化铝15～22％、二氧化硅7～9％、氧化钙1.3～1.9％、氧化铁1.1～1.6％、余量为水和杂质。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂的制备方法，其特征在于，包括：
将原料煤粉碎，得到粗料；
其次将所述粗料与水混合制浆，得到第一中间浆料；
然后对所述第一中间浆料进行纳米化处理和储氢赋能处理，得到第二中间浆料；
最后将所述第二中间浆料进行乳化处理，得到所述用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述乳化处理在搅拌下进行，所述搅拌的转速为500～1500r/min；优选地，在所述乳化处理过程中，加入浆料改良剂。
10.一种铵油炸药，其特征在于，以占所述铵油炸药总重量的百分比计，所述铵油炸药包含8～14％的权利要求1至7中任一项所述的用于铵油炸药的煤基纳米碳氢添加剂。
11.根据权利要求10所述的铵油炸药，其特征在于，所述铵油炸药的含水量为5～7.5wt％。
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