Установка и способ производства эмульсий топливных смесей для получения взрывчатых веществ на основе отходов производства
UNIT AND METHOD FOR PRODUCTION OF EMULSIONS OF FUEL MIXTURES FOR PRODUCING EXPLOSIVE SUBSTANCES BASED ON PRODUCTION WASTE

Изобретение относится к технике, применяемой при производстве эмульсий топливных смесей и может быть использована при создании геотехнологий, разработке полезных ископаемых организации производства промышленных взрывчатых веществ (ПВВ) на заводах и непосредственно на местах применения.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является установки, используемые для производства водо-угольных топлив и эмульсий для производства взрывчатых веществ материалов. Достаточно подробные обзоры патентной и научной литературы даны по этим направлениям в работах /1-3/.
Способы приготовления водоугольных эмульсий рассмотрены в частности в работах /4, 5/.
Сместители-гомогенизаторы в работе /6/ и других многочисленных источниках научной и патентной литературы.
Изучены влияние гранулометрического состава твердой фазы на и ее концентрации на реологические свойства водоугольных суспензий, получены зависимости предельного напряжения сдвига от гранулометрического состава дисперсной фазы и ее концентрации. Установлено, что получение оптимального гранулометрического состава «является необходимым, но не достаточным условием приготовления приемлемых для гидротранспортирования водоугольных суспензий (ВУС). В качестве добавок для ВУС предлагаются соединения четырех типов: анионные ПАВ, неионогенные, высокомолекулярные сополимеры, щелочные добавки /7/. Для каждой конкретной твердой фазы подбор осуществляется эмпирическим путем. Механизм управления стабильностью и структурно-реологическими свойствами связан с адсорбцией поверхностно-активных веществ на поверхности частиц и формировании структурно-механического соединения за счет электростатического и стерического воздействий. Установлено, что добавки анионных поверхностно активных веществ снижают прочность связи среды с частицами угля за счет увеличения отрицательного заряда частиц и усиления ионно-электростатического отталкивания. Высокомолекулярные вещества в суспензии приводят к снижению прочности контакта за счет образования структурированных абсорбционных слоев. Установлено, что эффективность действия поверхностно-активных высокомолекулярных веществ увеличивается в щелочной среде (ph 9-12), обеспечивая максимальных гидрофильный эффект за счет формирования развернутой конфигурации /8/. Изменяя содержание реагентов при их совместном использовании позволяет изменять отношение гидрофобности игидрофильности поверхности частиц дисперсной фазы и позволяет снизить эффект развития коагуляционных структур, формируя слои жидкой фазы между твердыми частицами в местах их сцепления, снижая прочность структуры. Таким образом, использование комбинации поверхностно-активных веществ позволяет увеличить количество несвязанной малекулярными силами жидкой фазы и в то же время удерживаемой в ячеистой структуре суспензии содержащей жидкую фазу и твердые частицы, увеличивая ее подвижность и стабильность при увеличенном содержании твердых частиц /9/.
Установки по приготовлению водоугольных суспензий содержат: бункеры исходного сырья, дробилку молотковую, шаровую и стержневую мельницы, расходные баки для реагентов и воды, баки для суспензий, мешалки, насосы (центробежный, грунтовый, химический), резервуар раствора реагента, трубопроводы /1. стр. - 43 /. Технологическая схема приготовления ВУТ на японско-китайском предприятии включает в себя следующие аппараты: гидроциклоны работающие по кольцевой схеме с шаровыми мельницами, в которые поступают исходные компоненты (вода и уголь), смесители и вакумфильтры /1, стр. - 70/.
В патенте №2080354 РФ. М.кл C10L 1/32 предложен способ приготовления водоугольных суспензий для транспортирования по трубопроводу.
Детальный обзор конструктивных и технологических особенностей устройства и эксплуатации известных установок для получения обратных эмульсий для производства промышленных взрывчатых веществ приведен в работах Е.В. Колганова и В.А. Соснина (ГосНИИ «Кристалл»). Установки включают в себя комплекс оборудования смонтированного в стационарном помещении, контейнерах или на автотранспортной базе. Установки содержат аппараты растворения аммиачной селитры, аппарат получения топливной фазы - смеси индустриального масла с растворенным в нем эмульгатором, емкости для хранения, аппарат предварительного смешения фаз и эмульгирования /2, 3/.
Однако анализ патентной и научной литературы показал, что установки и известные технологические процессы для получения обратных эмульсий используемых для изготовления взрывчатых веществ не предусматривают операции подготовки отходов горного производства отработанного масла, смешения порошкообразных сенсибилизирующих добавок, подготовки и применения отходов резинотехнических изделий. При этом самый энергоемкие процессы растворения аммиачной селитры (при получении водной фазы расплава аммиачной селитры) и эмульгаторов в индустриальном масле (для получения топливной фазы осуществляются при температуре теплоносителя соответственно 120 С и 95 С. Для этого строятся котельные, что существенно удорожает создание производства водоустойчивых ПВВ. Технологические процессы и оборудование не предусматривают применения волновой акустической обработки смеси воды с аммиачной селитрой для ускорения процесса растворения и снижения размера глобул эмульсий.
Установки для получения водо-угольных эмульсий так же не предусматривают процесса очистки отработанных масел, получения топливных смесей с применением отходов переработки резинотехнических изделий.
Известно, что изготовление гранулированных взрывчатых смесей требует существенно меньших энергетических и финансовых затрат и горный предприятия стремятся применять в этой связи по возможности сыпучие ПВВ. При этом на одном горном предприятии как правило встречаются породы с различной крепостью, требующие применения при по возможности минимальном расходе ПВВ вещетсва с различной энергетичекой насыщенностью. Однако недостатком известных технологических решений является то, что они не предусматривают получения на стационарных установках в интегрированном производстве как материалов с различной энергетической насыщенностью, прямых, так и обратных эмульсий для производства широкого спектра энергоемких материалов, комбинированных эмульсий и пропитывающих топливных смесей с применением отходов производства отработанного масла, пиролизной сажи, пиролизной жидкости, отходов обогащения углей и нефти.
Установки и аппараты не предусматривают деструкция и растворение компонентов твердых компонентов (аммиачной селитры, угля, сажи, углерода) с применением комбинированных физико-химических воздействий физическими полями, в частности применения акустического воздействия, существенно ускоряющих процессы и снижающих в целом энергоемкость производства.
Задача, решаемая изобретением - повышение экологической безопасности горного производства за счет вовлечения в производства отходов (отработанного масла и продуктов переработки РТИ - резиновой крошки, сажи, технического углерода, пиролизного масла), расширение функциональных возможностей установки, ассортимента конечной продукции и вариабельности ее свойств, повышение производительности и энергетической эффективности производства.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения заключается в повышении промышленной и экологической безопасности горного производства (вовлечения в использование на горном предприятии отходов переработки РТИ и отработанных масел), функциональных возможностей установки, ассортимента конечной продукции и вариабельности ее свойств, производительности и энергетической эффективности производства, в возможности производства энергоемких материалов с различной энергетической насыщенностью и с свойствами оптимальными для конкретных условий разработки месторождений полезных ископаемых, за смет обеспечения оптимальной кинетики выделения энергии.
Указанный технический результат достигается за счет реализации следующих технических и организационных решений:
1. Производимые эмульсии топливных смесей являются невзрывчатыми полуфабрикатами с различной энергетической насыщенностью и способностью к восприятию инициирующего импульса и передачи его в смеси с окислителем, аммиачной селитрой или изготовленной на ее основе обратной эмульсии.
Для повышения безопасности производства сформирован набор оборудования, обеспечивающего реализации технологического процесса в несколько фаз:
- подготовки и подача компонентов (отработанного масла, масла индустриального, порошка сажи (продукта пиролиза резинотехнических изделий) и/или технического углерода и/или дробленой резины, дизельного топлива, технологической воды, аммиачной селитры, эмульгатора.
- приготовления полуфабрикатов (раствора аммиачной селитры, горючих топливных смесей из структурированных жидких и порошкообразных компонентов, эмульсии топливной смеси).
Установка для производства эмульсии топливных смесей может быть смонтирована в помещении стационарно или на автотранспортной базе и содержит аппарат для подготовки воды и получения водной фазы эмульсии и пропитывающей жидкости, аппарат очистки и подготовки (снижения вязкости) отработанного масла и/или подготовки масляной фазы на основе индустриального масла с поверхностно активными веществами растворимыми в углеводородах (загущенной горючей смеси), аппарат приготовления эмульсий и суспензий топливных смесей, аппарат для получения водной фазы, емкости с термостатирующими устройствами и уровнеметрами, отработанного масла, дизельного топлива, керосина, эмульгаторов, пиролизной жидкости, отходов очистки нефти, твердых порошкообразных компонентов и жидких сенсибилизаторов и устройства их дозированной подачи.
Для повышения скорости нагрева, смешения и диспергирования компонентов суспензии аппарат приготовления эмульсии, имеющий емкость из нержавеющей стали для предварительного смешивания оснастили нагревательной полой гофрированной спиралью с пластинами для увеличения теплоотдачи и увеличения эффекта диспергирования потока обтекающих ее смешиваемых компонентов эмульсии. В результате промышленных испытаний установлено, что производительность установки составляет 2000 кг в смену.
Аппарат приготовления водной фазы эмульсии также оснащен емкостью из нержавеющей стали с расположенным внутри полой нагревающей гофрированной спиралью с прикрепленными к ней пластинами для увеличения теплоотдачи, двухлопостным смесителем лопастного типа и - ультразвуковой погружной установкой для интенсификации процесса растворения аммиачной селитры.
Аппарат очистки отработанного масла для снижения вязкости и повышения скорости процесса имеет бак из пластика, обеспечивающего снижение теплоотдачи, двухлопостной смеситель, нагреватель в виде спирали из гофрированной трубы с наваренными на нее пластинами, устройством подачи топлива под слой масла, имеющего меньшую вязкость, внешним уровнеметром и сливным устройством, закрепленном в конусообразном днище для отделения воды и твердых включений, фильтром для отделения топливной смеси от остатков загрязняющих примесей.
Для повышения эффективности и скорости диспергирования, снижения размера дисперсной фазы твердых и жидких компонентов суспензий, стабильности топливных смесей аппарат получения эмульсии топливных смесей предусматривает реализацию процесса диспергирование в четыре стадии:
- предварительное механическое смешивание водной фазы двухлопостным смесителем рамного и/или пропеллерного типа, жидкой углеводородной топливной фазы, жидких сенсибилизаторов и твердых порошкообразных энергетических добавок в реакторе из нержавеющей стали,оснащенном нагревательной полой гофрированной спиралью с пластинами для увеличения теплоотдачи и увеличения эффекта диспергирования потока обтекающих ее смешиваемых компонентов эмульсии.
- диспергирование смеси жидких и твердых порошкообразных компонентов в роторно-пульсационной мельнице и ультрозвуковом диспергаторе проточного типа в несколько циклов в замкнутом режиме, после прохождения которых поток эмульсии поворотом трехходового крана направляется в статический диспергатор-фильтр, для отделения оставшихся крупных фракций порошкообразных компонентов смеси и направляется в емкость для готовой продукции, оснащенной устройством для подачи под слой эмульсии топливной смеси жидких легковоспламеняющихся компонентов и устройством для их механического смешения с применением механического смесителя и/или статического смесителя-диспергатора работающего в замкнутом потоке, формируемом насосом для перекачивания опасных жидкостей.
Порошкообразные добавки уголь, дробленая резина, технический углерод и/или сажа (продукт пиролиза отходов резинотехнических изделий) поступают порционно в аппарат диспергирования из бенкера после доизмельчения их при необходимости в шаровой и/или стержневой и/или вибрационной мельницах. Предпочтительней применение резиновой крошки, предварительно измельченной до крупности 0,5 мм в заводских условиях.
Во вновь строящихся или имеющихся зданиях предусматривается помещение или часть помещения для размещения контрольно-аналитической лаборатории. Для оперативного контроля приготовляемых раствора водной фазы, топливных смесей, эмульсий, суспензий предусмотреть в производственном помещении лабораторные столы. Управление процессом производства при внедрении автоматизированной системы управления осуществляется с дистанционного пульта.
В целом, промышленные испытания установки показали, что производительность ее составляет до 2000 л /смену. Комплекс технологических и конструктивных возможностей позволяет достигнуть поставленные задачи, получить стабильные суспензии с вязкостью не превышающих вязкость дизельного топлива и размером глобул водной и топливной фаз эмульсии в среднем 5,47 микрон. (см. таблицы 1-3). Максимальные размеры углерода и сажи составляет 9 микрон. Обработка ультрозвуком позволяет в 10 раз увеличить содержание углерода фракции менее 0,5 мкм, что увеличивает стойкость суспензии до 30 суток.
Промышленные испытания Гранулита «ЕФ-П» изготовленного на основе полученных топливных смесей показали, что заполнение эмульсией гранул плотной аммиачной селитры происходит в течении 4 часов и новое взрывчатое вещество имеет взрывчатые характеристики, превышающие штатные содержащие тротил ПВВ за счет увеличения площади соприкосновения топлива и окислителя.
Литература
1. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольных топлив. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001.- 176.
2. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. - Дзержинск Нижегородской обл., издательство ГосНИИ «Кристалл»,2009, - 336 с.
3. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные взрывчатые вещества. -1-я книга (составы и свойства). - Дзержинск Нижегородская обл., издательство ГосНИИ «Кристалл», 2009,-592 с.
4. Пат. №2080354 РФ. М.кл С101. 1/32. Способ приготовления водоугольных суспензий для транспортирования по трубопроводу / К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Э.А. Трофимов и др. - №93038969/04; Заявлено 06.08.93; опубликовано 27.05.97, Бюл. №15.
5. Пат. РФ №2026741. М.кл. В02С 19/00. Способ подготовки угля к гидротранспортированию. В.И. Мутко, С.П. Костовецкий, В.А. Своров и др. (РФ) - №4937394/33; Заявлено 09.04.91; Опубл.20.01.95, Бюл. №2.
6. А.c. №1600829 СССР, М.кл В01F 9/16. Смеситель-гомогенизатор / А.Л. Васенин, С.П. Костовецкий, В.И. Мурко. - №4384084/23-26; Заявлено 25.02.88; 23.10.90, Бюл №39. - С. 48.
7. Беденко В.Г., Чистяков Б.И., МильковВ.А., Губанова Т.С. Изменение реологических свойств водоугольных суспензий в зависимости от добавок ПАВ различной природы // Методы регулирования структурно-реологических свойств и коррозионной активности высококонцентрированных дисперсных систем: Тр. Ин-та / ВНИИПИгидротрубопровод. - М., 1987. - С. 15-22/.
8. Харумитцу Янамати, Осаму Мацмото, Масан Цуруи. Информационный материал по водоугольному топливу корпорации JGC - Иокогама, 1995.
9. Рукин Э.И. Горская Т.П., Делягин Г.Н. Исследование свойств водоугольных суспензий в присутствии поверхностно-активных веществ // Химия твердого топлива. - 1976. - №4. С. 152-158/.