硝酸铵晶体、硝酸铵爆炸剂和生产方法

具体实施方式

本发明可以采用许多不同的形式实施。然而，说明书和随后的附图仅描述和公开本发明的一些具体形式而不希望限制本发明的范围，如此处随后的权利要求中所定义。

根据本发明的一个优选实施方案的生产硝酸铵爆炸剂的方法大体上简要显示于图1。该方法主要由三个步骤或阶段组成；即，硝酸铵水溶液和一种或多种晶体习性改进剂的混合，细粒状硝酸铵晶体的形成，和硝酸铵晶体与有机碳质燃料的结合，其中采用或不采用各种其它添加剂以形成硝酸铵爆炸剂。现在更详细地逐一描述这些主要步骤。

参考图1，硝酸铵水溶液可以通过向罐或容器1加入工业级硝酸铵和水而形成。在本发明的另一实施方案中，硝酸铵和水的预混溶液可以购得或另外获得并将其加入罐1中。应当注意到当在此提及硝酸铵或工业级硝酸铵时，倾向于表示产物是相对纯的且通常没有杂质(包括粘土和铁)，所述杂质可以在其它形式的硝酸铵中存在。典型地，罐1包括叶轮或混合机构2，它保证罐内容物的充分混合。在图1的情况下，叶轮2通过电机或驱动机械3在所需速度下旋转，所述速度考虑到了进出罐的物流，以及罐的容积。当然认识到很多种其它混合或搅拌机械可用于代替叶轮2。

优选使硝酸铵溶液在大约85-大约100℃的温度下形成并保持(或者购买或获得并随后加热和/或保持)。为了达到这样的温度，在本发明的一个实施方案中，将加入罐的水预热和/或将蒸汽注入罐中。一旦水和工业级硝酸铵(或预混溶液)被加入罐中，就将罐保持在大约85-100℃的温度，这典型地通过使用蒸汽夹套完成。或者，各种其它通常使用的方法和加热设备(包括直接或间接加热机构)中的任何一种可用于使罐内容物的温度保持在所需温度。此外，也可以将压缩空气(它可以被加热或处于高温下)引入罐中以提供动力来使得硝酸铵溶液移动到结晶阶段，如以下更详细讨论的那样。

根据本发明的一个优选实施方案，由如下方式将一种或多种晶体习性改进剂与硝酸铵溶液结合：将一种或多种晶体习性改进剂加入罐1中使得叶轮或混合机构2可在整个溶液中分布晶体习性改进剂。在一个实施方案中，优选的晶体习性改进剂是市售伯胺，如十二烷基胺(C₁₂H₂₅NH₂)或十八烷基胺(C₁₈H₃₇NH₂)，或包含这样市售产品或其它通常相似产品的混合物。在这些方面可以使用的市售产品的例子包括Armeen12D^TM和Armeen18D^TM，来自Akzo Nobel^TM。然而，由本领域技术人员认识到包括仲胺和叔胺的其它胺可以同样使用并包括在本发明的宽范围内。在采用其它胺的情况下，优选这样的胺是约C₁₀-C₂₂的脂肪酸胺。

也应该认识到硝酸铵和晶体习性改进剂在硝酸铵溶液中的相对数量可以在相对宽的范围内变化。各种因素如使用的特定晶体习性改进剂，以后加入以产生爆炸剂的碳质燃料数量，在硝酸铵溶液和随后生产的爆炸剂中存在的水数量，添加剂在硝酸铵溶液和/或随后生产的爆炸剂中的存在和所需的氧平衡，都会影响硝酸铵对晶体习性改进剂的比例。然而，申请人发现根据本发明的一个优选实施方案，硝酸铵溶液可包含大约70-90wt％的硝酸铵，而且晶体习性改进剂在一定浓度下加入溶液，该浓度使得晶体习性改进剂的存在量为随后生产的爆炸剂的约0.001-约2wt％。

在将硝酸铵溶液和晶体习性改进剂(，统称硝酸铵液)在罐1中充分结合在一起之后，将混合物输送到结晶阶段，其中硝酸铵晶体由如下方式形成：通过喷嘴17注入混合物。图2和3表示可用于结晶阶段的两种喷嘴形式的例子。在图2中，将受热的硝酸铵溶液或液(包括晶体习性改进剂)通过雾化喷嘴5中的中心口4注入。同时，将压缩空气通过侧面相邻的端口6和7注入，引起硝酸铵液的溶液与第二空气流产生湍流混合。当溶液冷却时，结晶硝酸铵的非常细颗粒形成。如在罐1的情况下，喷嘴优选保持在大约85-100℃的温度。使喷嘴保持在所需温度范围可以通过各种形式的加热设备和方法完成，包括直接和间接加热机构。在图2所示的实施例中，喷嘴5装配有用于输送所需热量的圆周蒸汽夹套8。为保证结晶的硝酸铵产物的纯度，将通过喷嘴注入的压缩空气优选受到环境控制使得粉尘和其它粒状物质被过滤出。第二空气也保持在约20-约50℃的所需温度范围内，和第二空气流的水分含量优选保持在确定的极限内。

可用于结晶阶段的替代形式的喷嘴见图3。在环境受控的加压空气源存在下在此将受热的硝酸铵液(再次包括晶体习性改进剂)通过高速度会聚-发散拉伐尔类型喷嘴9注入。如在图2中所示的喷嘴的情况下，加压空气优选没有过量的粒状物质和保持在约20-约50℃的温度范围内，和在确定的湿度范围内。如图3所示，当压缩空气通过入喷嘴9时它进入横截面积降低和在许多方式中起到如同气门的作用的会聚区10。在通过会聚区10之后，压缩空气立即进入发散区11，其中将硝酸铵液在大约90度的角度下注射到空气流。应该认识到当压缩空气在高速度下通过发散区时，注入喷嘴的硝酸铵液经历与高速空气的湍流混合。在操作中，所示类型的喷嘴常常在它们的混合区中显示出超声波空气速度，因此提供非常高的湍流混合程度和高体积通量的能力。再次，如在图2所示的雾化喷嘴的情况下，为使喷嘴9保持在大约85-大约100℃的所需温度范围内，喷嘴的直接或间接加热可能是必须的。在图3所示的实施方案中，喷嘴的加热通过使用蒸汽夹套12完成。

不管采用图2所示的喷嘴，图3所示的喷嘴，或一些其它机械同等的结构，硝酸铵液与压缩空气物流的湍流混合引起硝酸铵的非常细结晶，使得形成粒度为约1-约500微米的晶体。这可以与粒度为1400-1800微米的传统炸药级小球形成对照。要使用的特定喷嘴的选择极大程度上依赖于要求的生产速率，及空气雾化喷嘴(图2)用于更低的生产速率。

当细粒状硝酸铵晶体和第二空气在结晶阶段期间从喷嘴向上运动时，将它们典型地送到旋流分离器13，在其中收集硝酸铵晶体并和将第二空气流送到常规湿洗涤器14，该洗涤器用于在送到排料之前脱除从旋流分离携带的任何硝酸铵粉末。

发现根据上述方法形成的细粒状硝酸铵晶体显示的特性使它们对用于制造炸药特别有吸引力。然而，理解这样的晶体也可用于非炸药应用，包括农业和清洁工业中的那些。

为了将结晶的硝酸铵转化成爆炸剂，将硝酸铵晶体与有机碳质燃料结合。加入到硝酸铵晶体中的有机碳质燃料优选是燃料油如No.2柴油燃料，然而，也可以使用其它碳质燃料。这样的其它燃料包括燃料油、加热油(bunker C)、喷射燃料、煤油、矿物油、植物油(如玉米油、向日葵油或大豆油)、饱和脂肪酸(如月桂酸和硬脂酸)、醇(如鲸蜡醇和二醇)。也可以使用半固体燃料，包括蜡(如石蜡、石油蜡或微晶蜡)。此外，半固体燃料可以与液体燃料结合使用并且可包括增稠剂，如Paratac^TM和聚异丁烯。本领域技术人员也能够认识到，在一些情况下，为达到爆炸剂中所需氧平衡的足够数量晶体习性改进剂的存在可不需要使用碳质燃料自身。

在将有机碳质燃料加入到硝酸铵晶体的情况下，在本发明的一个优选实施方案中，将燃料优选在总炸药组合物的约2-约8wt％(硝酸铵占爆炸剂的约75-98％)，和最优选爆炸剂的约4-约6wt％的数量下加入，并且无机氧化盐(硝酸铵)对有机碳质燃料的优选比例优选通常为约94∶6。在此通用范围内的比例有助于保证炸药组合物或爆炸剂包含足够的有机碳质燃料从而是氧平衡的。氧平衡优选是比-10％更正性，和最优选约-5到+5％。当然认识到硝酸铵和燃料的其它比例可以同样使用同时保持在本发明的宽范围内。应当注意到替代数量的晶体习性改进剂，以及水和/或其它添加剂的加入，在许多情况下对硝酸铵和燃料的数量有影响和可以使用，同时使氧平衡和爆轰速度保持在所需范围内。

再次参考图1，在本发明的一个实施方案中，通过机械混合工艺将燃料加入硝酸铵晶体中。特定形式的机械混合可以变化，然而，希望在大多数情况下通过使用由电机16驱动的螺条或转鼓共混机15完成混合。同样如图1所示，可以将一种或多种添加剂与爆炸剂在机械混合阶段期间混合。这样的添加剂可包括水、凝胶试剂、交联剂和/或(上述)有机碳质燃料。在加入的添加剂是凝胶剂的情况下，优选它的加入浓度为硝酸铵晶体的约0.1-10wt％。凝胶剂典型地是亲水性胶体，如瓜尔胶，它在水存在下溶胀或水合。也可以使用瓜尔胶的衍生物，如羟乙基或羟丙基瓜尔胶或白络合瓜尔胶(其包含预共混的交联剂)。也可以使用其它形式的增稠剂或凝胶剂，如聚丙烯酰胺、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素和生物聚合物(如黄原胶)。

除凝胶剂以外，与硝酸铵晶体在机械混合阶段结合的添加剂可包括优选浓度为爆炸剂的约0.001-1.0wt％的交联剂。用于本发明的优选交联剂是焦锑酸钾。焦锑酸钾可以为固体形式并直接加入硝酸铵晶体，但优选在亲水性介质，如乙二醇中分布，形式为15份焦锑酸钾，45份乙二醇和40份水的溶液。可以将溶液采用水或乙二醇进一步稀释以适于特定的工艺条件。凝胶剂的聚合物链的交联可以由二价或多价金属离子如锑、硼、铬或铁在受控pH条件下完成。也应当认识到其它形式的交联剂，如硼酸、氯化铁、酒石酸钾、重铬酸钠或四硼酸钠可以使用。

水也可以与硝酸铵晶体在机械混合阶段期间结合。在加入水的情况下，优选爆炸剂的水浓度为小于1％到约15wt％总炸药组合物。

在离开机械混合阶段之后可以将爆炸剂直接输送到贮存罐，可以装入卡车，可以直接输送到钻孔或用于采矿或其它爆炸操作，或可以送到很多种其它贮存或加工设施的任何一种。

在本发明的另一实施方案中，可以在结晶阶段期间将燃料加入硝酸铵组分。  例如在图3中一对箭头18指示可以将燃料注入喷嘴以引起燃料与在它们形成时和紧接着在它们形成之后的硝酸铵晶体混合的位置。依赖于通过喷嘴的数目，可以将许多燃料注射口在喷嘴的周缘布置。喷嘴中的高湍流程度有助于保证燃料在整个硝酸铵晶体中的均匀分布和导致炸药的增强爆炸特性。在本发明的仍然另一个实施方案中，可以由如下两种方式将燃料加入硝酸铵：通过喷嘴注入和通过采用螺条混合机、转鼓共混机或相似设备的机械混合。

为了说明的目的，图5显示可以根据本发明构造的爆炸剂的特定组合物的一些例子。

根据以上方法，生产硝酸铵爆炸剂，所述爆炸剂显示相对于标准ANFO来说具有的增强特性。例如，发现在小于10毫米到500毫米的限定装料直径中，本发明的爆炸剂的爆轰速度为3,000-7,000米每秒。对于各种限定的装料直径，和在1.25g/cc的密度下爆炸剂的爆轰速度图示于图4。图4也显示标准ANFO的相关曲线和展示通过本发明提供的爆轰速度的增加。

本发明的硝酸铵爆炸剂也可以采用不同的最终密度形成，它可以适于各种不同的最终用途。另外，对晶体习性改进剂浓度的调节使得能够产生不同粒度的硝酸铵晶体，导致可以是帽(cap)敏感性或爆管敏感性的爆炸剂。通过使用不同的有机燃料，可以生产稠度从粉末，到蜡状微粒，到乳液中通常的稠度类型不同的爆炸剂。也发现本发明的爆炸剂表现为在占最终合物至多约15wt％的水的条件下发生爆炸，并因此显示相对于标准ANFO的增强耐水性。

从本发明的充分理解也认识到在上所述的爆炸剂的爆炸特性相似于目前可得到的乳液，和具有良好到优异的耐水性。由所述制造方法生产的硝酸铵晶体的尺寸小和比表面积高，导致具有增强敏感性和优异爆炸特性的炸药组合物。如上所示，爆炸剂中硝酸铵的晶体粒度可以由生产方法变化以生产约1-约500微米的晶体。这样的细晶体粒度使得能够形成密度高于与标准ANFO相关的爆炸剂。此独特晶体结构通过使用晶体习性改进剂和通过采用制造方法获得，所述方法产生高度湍流的环境，其中形成结晶硝酸铵。晶体习性改进剂也有助于使有机燃料结合到硝酸铵晶体，以进一步增加爆炸或爆轰特性。用于形成本发明爆炸剂的喷嘴与目前用于造粒塔的喷淋类型喷嘴形成明显对照。这样的喷嘴产生大硝酸铵滴，它形成1,400-1,800微米的小球。

本发明的方法提供如下优点：安全，低成本，并具有按需要制备新爆炸剂的能力。目前，大规模、高成本造粒塔用于产生炸药级硝酸铵小球，其中需要所述小球形成ANFO。考虑它们的资金成本，造粒塔和造粒生产设施倾向于集中化，导致与将小球输送到最终用户相关的显著运输成本。在本发明中，制造可以局部化，甚至到如下程度：爆炸剂可以在现场制造用于立即使用。这样的方法不仅仅消除高成本集中制造设施的需求和与此输送小球相关的成本，而且消除与运输“炸药”产品相关的司法权，安全和其它困难问题。

理解所述的是本发明的优选实施方案和可以对这些实施方案进行变化同时保持在本发明的宽范围内。讨论了一些这些变化，而其它对本领域技术人员容易地是显然的。