液体硝酸铵地面站的设计

液体硝酸铵地面站的设计

发布时间：2010-04-03 11:27:30 来源：陈榕光 苏明阳 苏洪文 郑礼木 周荣光 马丽玲 摘 要: 地面站是液体硝酸铵应用过程中主要的组成部分，文章总结液体硝酸铵地面站的类型并进行对比分析，重点探讨地面站核心设备－－贮罐的设计方案，对卸车、投料的流程以及控制系统等方面设计内容也进行论述，探索并完善地面站的设计思路。 关键词: 液体硝酸铵；地面站；贮罐；槽罐车

中图分类号： TQ441.5 TQ564.4 文献标识码: A

1. 引言

将液体硝酸铵直接应用于工业炸药的生产是国外炸药生产厂家的通行生产方式，无论是散装炸药产品还是包装产品，通常都直接使用液体硝酸铵作为原料，这样既使硝酸铵生产厂家节省结晶能耗、包装材料成本及包装的人工成本，又使炸药生产厂家节约破碎人工成本和溶解的能耗，是一种节能降耗的生产模式。[1]

目前国内使用液体硝酸铵作为原料进行工业炸药生产的模式刚刚开始，其使用过程的安全性、工艺、设备等方面的研究工作正在开展中。在液体硝酸铵的应用过程中，除运输槽罐车外，工业炸药生产厂家的地面站建设是最主要的内容。

2. 地面站的功能及组成

工业炸药生产过程，需要使用液体硝酸铵的品种主要有：(胶状、粉状) 乳化炸药、膨化硝铵炸药、水胶炸药。目前各生产线上使用的溶解罐大部分是2 m3以下，而运输液体硝酸铵的槽罐车的容积往往在10m3以上。这样，通过槽罐车运来的液体硝酸铵难以直接排入溶解罐中，必须先卸料、贮存在较大容积的专用贮罐中，然后根据生产需要定量使用。 以大容积贮罐为核心的卸料、贮存、保温、排料等设施我们称之为液体硝酸铵地面站。地面站最主要的功能是贮存、保温液体硝酸铵，并根据生产需要将溶液输送至生产工房内的硝酸铵溶解罐中。主要包括贮罐、卸料泵、进料泵、蒸汽接口、水罐、淋浴冲洗喷头等装置，由于具体操作过程不同，配套设施有所不同。

3. 地面站的类型

从减少能耗角度出发，在液体硝酸铵槽罐车、贮罐、生产工房内溶解罐三者中，最好能利用地理位置的高差，实现液体硝酸铵的自然进、排料。但由于实际地势条件的限制，往往只能选择一个过程采用动力输送，另一过程自流落料。按槽罐车、贮罐、溶解罐三者位置的高低，可以将地面站设计为高进低出型、低进高出型、高进高出型、低进低出型、无贮罐型。

3.1. 高进低出型

高进低出型是指槽罐车比贮罐位置更高，液体硝酸铵可以不使用动力，直接利用高度差的压力自然流入贮罐；而贮罐的最高液面比工房内的溶解罐位置低，需要借助动力将液体硝酸铵输送至溶解罐中。如图1。

高进低出型的优点：①不需要安装卸料泵，节省投资及日后的维护费用；②卸料后，槽罐车卸料阀至贮罐的管道不留余料，因此管道可以只保温而不伴热；由于溶解罐处于高位，加料后管道内的余料可以倒流至贮罐，减少余料结晶的可能；③运输车的槽罐可以卸料干净，不留余料。高进低出型的缺点：①由于使用过程需要定量泵送至溶解罐，输送泵的启停次数多；②由于是自然卸料，卸车时间较长。为缩短卸车时间，槽罐车的卸料阀及输送管道要设计为大口径。

3.2. 低进高出型

低进高出型是指槽罐车比贮罐位置更低，需要借助动力将液体硝酸铵从槽罐车中泵送至贮罐；而贮罐的出料口比工房内的溶解罐位置高，液体硝酸铵可以自流进工房内的溶解罐中。如图2。

低进高出型的优缺点正好与高进低出型相反。

3.3. 高进高出型与低进低出型

高进高出型指硝酸铵从槽罐车至贮罐、贮罐至溶解罐均自流。这种模式较为安全与简单，但要求有足够的高差，至少应大于槽罐车的高度与贮罐的高度之和，所以一般企业无法具备此条件。

低进低出型指硝酸铵从槽罐车至贮罐、贮罐至溶解罐均需要借助动力输送。这种模式设施较为复杂，但由于有动力输送，卸车、进料速度都很快。如图3。

3.4. 无贮罐型

无贮罐型是利用工房内原来设计的大容积溶解罐，将液体硝酸铵自流或泵送至工序中使用。目前有些厂家工房内使用的就是大容积的溶解罐，可以不另建贮罐，直接采用这种模式。如图.4。

无贮罐型是最为经济与安全，可以节省贮罐及配套设施的投资，以及使用过程二次排料的安全问题。但工房内的溶解罐要足够大，确保充装一次能生产使用二小时以上，这样可以减少卸车的次数及卸车过程可能带来的安全问题。

由于槽罐车设计的容积较大（大于15m3），因此槽罐车中的溶液难以一次全部排入溶解罐中，这样增加了卸车的等待时间及卸车的次数，这是无贮罐型的缺点。

4. 贮罐的设计

4.1. 贮罐的基本要求

贮罐是地面站最主要的设备，一般多为露天放置。

考虑到液体硝酸铵的高温与腐蚀性，贮罐应选用耐酸不锈钢材料制成，其它附件的材料也同样要选择不锈钢材料；贮罐应严密性好，不发生渗漏；贮罐的结构及附件简单，坚固耐用；便于施工和管理；具有保温和加热设施；具有搅拌装置。

4.2. 贮罐的结构形式

贮罐的结构形式可以选择平底锥顶贮罐或者卧式椭圆形封头储罐，具体设计要求参照标准HG/T 3148《平底锥顶贮罐系列》、HG/T 3154《卧式椭圆形封头储罐》。平底锥顶贮罐存料量与液位高度成线性关系，便于判断存料量，但高度尺寸大；卧式储罐不便于判断存料量，高度尺寸小。设计过程可以根据地面站类型及地理条件综合考虑。

4.3. 贮罐的保温和加热

为防止液体硝酸铵降温结晶，必须对贮罐进行保温，不仅罐壁要保温，罐顶也要保温，保温是节约能源降低能耗的有效措施。确定适宜的保温层厚度、选择导热系数小的保温材料、采取切实可行的防水结构，这些都是确保有效保温要考虑的问题。根据液体硝酸铵的保温要求，可以采用岩棉材料，推荐厚度大于60mm 以上。

贮罐虽然做了保温处理，但不可避免热量会损失，所以必须采取加热措施，蒸汽加热是简便易行的方式。可以直接通入蒸汽直接加热，这种方法加热效率高，但会影响硝酸铵浓度；也可以在罐内安装蒸汽盘管加热，这种方式安全可靠，推荐采用。

4.4. 贮罐的搅拌[2]

溶液静置一段时间后，上下温度会发生变化，需要搅拌均匀。另外从安全角度出发，液体硝酸铵不宜长时间静止贮存，也应进行间歇搅动。

液体硝酸铵的搅拌有压缩空气搅拌、机械搅拌和射流混合等形式。

压缩空气搅拌是通过控制气阀，将压缩空气从罐顶或罐壁通入罐内，利用压缩空气的压力，间歇对罐内溶液上下翻动。罐内可设环形或十字形压缩空气分布管，管上开孔，以利于压缩空气的均匀分布；也可将压缩空气直接通入，不设分布管。压缩空气搅拌方式操作简单，但用于液体硝酸铵的安全性有待于进一步论证。

机械搅拌可以顶装也可以侧装，由于贮罐的容积大，顶装难度大，一般安装罐壁叶轮搅

拌器。罐壁叶轮搅拌器通常安装在贮罐侧壁，叶轮为三叶螺旋桨。罐壁叶轮安装时，在罐壁上开口，螺旋桨形叶轮伸进罐内，叶轮轴穿过罐壁，电机设在罐外。叶轮轴的密封大多采用机械密封。也可采用填料密封，但填料密封效果不如机械密封。罐壁叶轮搅拌器基本可以满足溶液搅拌需要，但其采用的机械密封和填料密封不能保证零泄漏，所以滴漏现象时有发生，带来一定的安全隐患。

射流混合是选用合适的混合器，将溶液排出并重新泵送到贮罐中，通过混合器的作用，达到混合罐内溶液的目的，其工作原理如图5。也可以直接在罐壁上、罐中心安装固定喷嘴，或罐中心安装旋转喷嘴，利用罐外的泵将溶液加压后再经喷嘴喷出高压的射流，使罐内溶液产生搅动而达到搅拌均匀目的。由于喷嘴安装于罐内，其动力来自于罐外，安全可靠，且施工简单易行；没有轴密封部分，不会漏液；射流液就是液体硝酸铵本身，不会带入外来杂质。因此射流混合简便、安全、有效，可以优先考虑。

4.5. 其它附件

出于安全生产需要，为实时监测液体硝酸铵的温度变化，在贮罐内的不同位置应安装温度传感器，并与蒸汽阀门的开关连锁。当溶液温度低于工艺下限时能自动启动蒸汽阀加热，溶液温度达到工艺上限时能自动关闭蒸汽阀停止加热。溶液温度超过安全上限时，应进行报警，并自动采取一些安全措施，如在贮罐内注入大量冷却水，紧急排出贮罐内的料液等。 由于贮罐是密闭的，因此要安装液位仪，能实时显示罐内液体硝酸铵的液位高度，为卸车及生产提供依据。由于液位仪多安装在罐壁底部的“死角”，此处液体硝酸铵容易结晶，影响液位的真实性，因此每个贮罐最好安装两个液位仪。

考虑到液体硝酸铵若带入杂质，引起温度急剧升高，带来安全事故。贮罐要设计降温排险的安全措施，最有效的措施是通入大量冷却水。所以贮罐内部应设计雨淋管，与控制系统温度信号连锁，超过温度上限时，可以通过控制系统打开水阀自动注入冷却水。 此外贮罐顶部应设计有通气孔，底部设计有大口径排污口，罐外应有安全爬梯。

5. 卸车、投料工艺设计

5.1. 卸车工艺设计

在地面站各个操作环节中，卸车是操作者近距离接触液体硝酸铵或者最可能被溶液溅到的一个环节，包括现场与运输车槽罐的连接、打开槽罐阀门、关阀门、卸开连接管道等动作，都是人工操作。因此，卸车的设备及操作方法的设计上要格外注意安全问题。

液体硝酸铵槽罐车的卸料口宜设置在槽罐底部，其卸料方式均属于下卸式，又分为自流下卸式、压缩空气压卸式、泵抽下卸式。

自流下卸式就是利用地形高差让液体硝酸铵自流进贮罐，文章前述“高进高出型、高进低出型”就是自然下卸式。

压缩空气压卸式即是利用压缩空气为动力源，将液体硝酸铵从槽罐中挤压出来，可以送至高位的贮罐，也可以送至低位的贮罐。需要注意的是用压缩空气压卸时，顶压的压力不准超过槽罐车允许的压力；常压设计的槽罐车，禁止用压缩空气压卸。

泵抽下卸式是用泵产生压能，将液体硝酸铵泵送至低位或高位贮罐。卸料泵一般要求流量大，扬程低，可以选择化工离心泵或螺杆泵。特别注意的是，如果采用化工泵卸料，输送泵停车后管道内存有余料，而且会倒流至低处的输送泵体内或槽罐车的卸料阀处，此时若卸开地面站与卸料阀之间的连接管路，高温的液体硝酸铵可能流出伤人。因此操作时应将余料用清水置换出来，或者将余料排至更低处的容器内。

5.2. 投料流程设计

保温、贮存在贮罐内的液体硝酸铵需要定量地通过管道输送到工序上的溶解罐，投入生产使用。硝酸铵投料流程：打开溶解罐上的阀门→打开贮罐出口处的阀门→启动输送泵→加料并计量→关闭贮罐出口处的阀门→关闭输送泵→关闭溶解罐上的阀门。如图6。

液体硝酸铵的输送一般都是采用自流式或泵抽式。泵的选择同上。

现在不论是乳化炸药或者膨化硝铵炸药，溶解罐上一般都安装有称重模块，所以液体硝酸铵的进料量可以方便地得到计量与控制。如果确实没有安装稳重模块，就要另外安装流量计。

管道上安装有保温阀门，一般在贮罐出口处及不同溶解罐上方都要安装。贮罐出口处的阀门是确保关闭后可以排空管道内的硝酸铵余料，溶解罐上方安装是为了选择溶解罐投料，另外使用过程两个阀门一起开、关可以防范阀门失灵造成的安全事故。阀门可以根据条件选择手动、气动或电动工，均应选择防腐、保温型。

5.3. 管道的伴热设计

地面站上液体硝酸铵管道主要使用不锈钢管及耐热胶管。耐热胶管用于地面站与槽罐车卸料阀的对接，距离短，不需要进行伴热。为防止液体硝酸铵结晶，其余不锈钢管溶液管道必须采取伴热措施。管道的保温要求与贮罐相同。

伴热保温常有蒸汽管伴热或电加热，采用蒸汽管伴热最为方便。燕汽管伴热有内伴热、外伴热和外伴随三种。内伴热是在物料管内部穿一蒸汽管，其优点是热效率高，缺点是施工、维修困难；外伴热是物料管外套有蒸汽管。其优点是传热面大，热效率较高，缺点是方程式比较困难，特别是弯头处。外伴随是在物料管外部伴随一根蒸汽管，一起包扎在同一保温层内，其优点是便于施工检修，但传热效率较低。鉴于液体硝酸铵容易结晶，地面站管道并不长，所以液体硝酸铵输送管道推荐外伴热方式。

6. 控制系统设计

地面站卸车过程是个相对独立的操作过程，只要知道贮罐的液位情况后就可以操作，所以可以进行现场控制；贮罐的液位与温度信号宜传送至生产线的监控室，并且温度与蒸汽阀门、罐内雨淋设施应能连锁控制，确保安全；液体硝酸铵从贮罐至溶解罐的使用流程应能自动控制，其系统应并入生产线控制系统中，这样溶解罐的选取、阀门的开停、泵的开停及溶液的计量均能实现无人化操作，实现自动化生产，减少生产线操作定员。

7. 结论

根据以上设计思路，我公司在三条乳化炸药生产线和一条膨化硝铵炸药线上分别建设不同类型的地面站，有高进低出型、低进高出型、低进低出型和无贮罐型，贮罐的容积根据生产线产能也有所不同，能够满足工业炸药生产对液体硝酸铵原料的要求，并取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献:

(1) 苏明阳. 硝酸铵溶液运输、贮存过程的安全性研究. 爆破器材[J],2009,28(4):36～38

(2) 于兆滨. 石油化工企业储罐搅拌方式的比较[J]. 石油商技,2006,24(4):80～83 ----------------------------------

* 《液体硝酸铵在工业炸药中的应用技术》项目获得第二届中国爆破器材行业协会科学技术二等奖， 2009年10月30日在长沙由工信部主办的全国工业炸药工艺技术研讨会上进行典型经验介绍。