劉光年

（1.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥230051；2.合肥固泰自動(dòng)化有限公司，安徽 合肥230051）

0 概述

隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)高性能材料需求的增長，有機(jī)硅材料與人們?nèi)粘Ｉ?、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)系愈加密切。有機(jī)硅是指含有Si-C鍵、且至少有一個(gè)有機(jī)基是直接與硅原子相連的化合物，習(xí)慣上把通過氧、硫、氮等使有機(jī)基與硅原子相連接的化合物也當(dāng)作有機(jī)硅化合物。廣泛應(yīng)用于建筑工程、紡織、電子、交通運(yùn)輸、石油化工、航空航天、新能源、醫(yī)療、機(jī)械、造紙、日化和個(gè)人護(hù)理品等幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域和高新技術(shù)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)及日常生活不可或缺的高性能材料。

近十年以來，全球聚硅氧烷產(chǎn)能增量主要來自中國，受原材料、成本和市場(chǎng)等因素影響，海外產(chǎn)能增長緩慢。目前，全球聚硅氧烷產(chǎn)能主要集中在中國以及西歐、北美、日、韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。未來，中國聚硅氧烷產(chǎn)能仍有較多新增計(jì)劃，預(yù)計(jì)2022年全球聚硅氧烷總產(chǎn)能將達(dá)到300萬t/年，產(chǎn)量達(dá)到250萬t。

1 硅粉加工粉塵爆炸的條件

硅粉加工過程就是將大的硅塊加工成所需要的硅粉，硅粉的顆粒越小，越易懸浮在所在氣體中，越細(xì)的粉狀物料表面積越大，如果燃燒，燃燒速度越快，升壓越快，爆炸壓力越大。初始爆炸的氣浪會(huì)將沉積的粉塵揚(yáng)起，往往會(huì)產(chǎn)生二次爆炸。連續(xù)爆炸會(huì)造成極大的破壞，因此各個(gè)硅粉加工企業(yè)都非常重視硅粉在加工過程中的安全防范措施。硅粉危險(xiǎn)特性見表1。

由表1可看出，硅粉加工粉塵爆炸需要滿足三個(gè)條件：（1）可燃粉塵形成硅粉云，（2）助燃物（主要是空氣中的氧氣），（3）點(diǎn)火源。當(dāng)上述三個(gè)條件同時(shí)滿足、互相作用時(shí)，硅粉爆炸就會(huì)發(fā)生了。

2 硅粉加工過程中各個(gè)工藝段均存在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)

2.1 粉碎或研磨過程中存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)

硅粉的生產(chǎn)過程中的粉碎和研磨是關(guān)鍵過程，就是將大的硅塊通過破碎機(jī)破碎成稍小的硅塊，稍小的硅塊通過提升機(jī)進(jìn)入硅塊倉中，然后再通過計(jì)量設(shè)備準(zhǔn)確計(jì)量后，進(jìn)入磨機(jī)中進(jìn)行粉磨。

表1 硅粉危險(xiǎn)特性[2]

按照制粉原理和作用力的性質(zhì)不同，將粉碎過程分為擠壓、沖擊和研磨等方法。一般情況下，粉碎研磨操作要同時(shí)用到多種用力。粉碎加工過程中會(huì)造成大量粉塵的飛揚(yáng)而形成硅粉云（即懸浮于設(shè)備內(nèi)的粉塵）處于爆炸濃度范圍內(nèi)。表2列出了流化床用硅粉粒徑分布情況。如果硅粉云中氧含量超標(biāo)，氧氣即為助燃物，而且細(xì)粉含量也比較高，危險(xiǎn)較大。

表2 流化床用硅粉粒徑分布[3]

無論是立式磨還是旋風(fēng)磨，進(jìn)行硅粉加工硅塊時(shí)，都會(huì)與設(shè)備進(jìn)行碰撞、擠壓和摩擦而產(chǎn)生熱量與火花。設(shè)備內(nèi)部由于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部位缺乏潤滑也會(huì)產(chǎn)生熱量。

顎式破碎機(jī)破碎硅塊產(chǎn)生的火花，斗式提升機(jī)輸送的鏈條，以及鏈斗的撞擊都會(huì)產(chǎn)生一定能量的火花。同時(shí)物料與物料、設(shè)備、管道之間由于摩擦和撞擊，會(huì)產(chǎn)生靜電。電氣設(shè)備故障也極易產(chǎn)生電火花。未按照除鐵器，原料中帶進(jìn)的鐵質(zhì)雜質(zhì)或因設(shè)備維修不及時(shí)個(gè)別部件松脫、破損等產(chǎn)生的大塊鐵件與設(shè)備、管道碰撞產(chǎn)生的火花，這些火花的產(chǎn)生為爆炸提供了點(diǎn)火源。如果硅粉加工過程中氧含量超標(biāo)，氧氣即為助燃物，滿足粉塵爆炸的三個(gè)條件，硅粉爆炸很可能會(huì)發(fā)生[4]。

2.2 分離與除塵過程存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)

（1）旋風(fēng)分離后，細(xì)粉塵經(jīng)脈沖布袋除塵器收集，經(jīng)概率篩分離，主要原理都是利用氣流旋轉(zhuǎn)過程中作用在物體上的離心力，使物料進(jìn)入脈沖布袋除塵器收集后，在重力作用下，經(jīng)過概率篩篩分。整個(gè)過程中粉塵均處于懸浮狀態(tài)。此時(shí)只要有足夠的點(diǎn)火源，爆炸事故就會(huì)不可避免地發(fā)生[4]。

（2）旋風(fēng)磨采用概率篩與旋振篩相結(jié)合的分離方式。物料在重力下落至篩網(wǎng)，以及在篩網(wǎng)的振動(dòng)作用下，整個(gè)過程中粉塵均處于懸浮狀態(tài)。此時(shí)只要有足夠的點(diǎn)火源，爆炸事故同樣也會(huì)不可避免地發(fā)生[4]。

2.3 計(jì)量與輸送過程存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)

硅粉的計(jì)量和輸送基本上采用連續(xù)和自動(dòng)化輸送。主要輸送設(shè)備有斗式提升機(jī)、膠帶輸送/鏈斗式輸送機(jī)、電振動(dòng)輸送和氣力輸送。輸送過程中，輸送粉塵氣相密度越大，危險(xiǎn)性越大。另外，斗式提升機(jī)輸送時(shí)鏈條、鏈斗的撞擊，物料與物料、設(shè)備、管道之間由于摩擦和撞擊，也會(huì)產(chǎn)生靜電。計(jì)量秤如果采用傳統(tǒng)的皮帶秤，不能進(jìn)行密封，會(huì)有大量空氣由于磨機(jī)內(nèi)部負(fù)壓進(jìn)入磨機(jī)當(dāng)中，從而造成氧含量超標(biāo)，加之摩擦和碰撞形成的火花。這些情況均會(huì)引發(fā)硅粉塵爆炸。

2.4 硅粉加工過程中設(shè)備外部潛在爆炸風(fēng)險(xiǎn)

硅粉在加工過程中，除了設(shè)備內(nèi)部潛在風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備外部也存在風(fēng)險(xiǎn)。

外溢到車間的硅粉，遇到通風(fēng)不良，硅粉塵濃度較高達(dá)到爆炸極限；設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部位潤滑不良造成部件過熱；車間地面未采用不發(fā)火地面，可能因碰撞而產(chǎn)生火花；部分設(shè)備未安裝靜電接地設(shè)施；管道法蘭與法蘭，法蘭與閥門未進(jìn)行防靜電跨接產(chǎn)生靜電火花；破碎、篩分等工藝過程未進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，或雖進(jìn)行一定惰性氣體（如氮?dú)猓┻M(jìn)行保護(hù)，但氧含量仍然超過7%，這些都容易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

粉塵沉積，能形成較厚的硅粉堆積，如果易積塵設(shè)備平臺(tái)表面未及時(shí)清理積塵，容易造成二次爆炸。

3 防止粉塵爆炸的安全技術(shù)措施

3.1 常規(guī)措施

由于硅粉表面積大，易于氧化而發(fā)生粉塵爆炸，為了保證硅粉加工安全生產(chǎn)，首先要對(duì)所有有硅粉加工的工藝設(shè)備、電氣設(shè)備及自控儀表均采用防爆處理外，其次還要控制硅粉加工生產(chǎn)廠房粉塵濃度；減少粉塵沉積轉(zhuǎn)動(dòng)部位應(yīng)做到定期潤滑，防止部件過熱。防止靜電和靜電放電，管道法蘭與法蘭、法蘭與閥門之間都進(jìn)行防靜電跨接。惰性氣體保護(hù)，減少氧含量，一般要求控制氧含量＜7%?？刂泼骰穑訌?qiáng)安全教育。

3.2 加裝輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置

由于原先工藝硅塊在進(jìn)入磨機(jī)之前需要進(jìn)行計(jì)量，原先的計(jì)量設(shè)備采用皮帶秤進(jìn)行計(jì)量（見圖1），加之在立磨系統(tǒng)的磨頭沒有加裝鎖風(fēng)裝置，同時(shí)整個(gè)磨機(jī)系統(tǒng)是負(fù)壓狀態(tài)，漏風(fēng)量大，僅靠料封起不到鎖風(fēng)作用，且塊狀物料很難起到鎖風(fēng)目的，漏入的空氣將直接增加硅磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)的負(fù)荷。漏入的空氣大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的氧含量，而硅粉是一種硬度很大的物質(zhì)，在磨機(jī)中很難磨成粉狀物質(zhì)，進(jìn)行硅粉加工硅塊時(shí)，硅塊會(huì)與設(shè)備進(jìn)行碰撞、擠壓和摩擦而產(chǎn)生熱量與火花粉碎加工過程中會(huì)造成大量粉塵的飛揚(yáng)而形成硅粉云（即懸浮于設(shè)備內(nèi)的粉塵）處于爆炸濃度范圍內(nèi)。如果硅粉云中氧含量超標(biāo)，氧氣即為助燃物，而且細(xì)粉含量也比較高，危險(xiǎn)較大。鑒于此，決定將計(jì)量設(shè)備種的皮帶秤取消，采用密封性能好的輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置，可以有效解決系統(tǒng)漏風(fēng)問題，同時(shí)降低電耗。

圖1 早期硅塊用皮帶秤進(jìn)行計(jì)量示意圖

3.2.1 輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置系統(tǒng)組成

輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置的新一代塊狀物料的計(jì)量與給料裝置。該裝置計(jì)量準(zhǔn)確可靠、調(diào)節(jié)范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊全密閉、耐高溫、使用壽命長、故障率低、維護(hù)成本低。主要用于對(duì)塊粒狀物料進(jìn)行長期連續(xù)動(dòng)態(tài)計(jì)量與定量給料，如像入水泥磨配料、生料配料、入煤（硅塊）磨喂料、電廠流化床鍋爐喂煤、冶金配料等，其工藝系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置工藝系統(tǒng)圖

3.2.2 輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置功能特點(diǎn)

（1）輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置物料范圍適應(yīng)寬（大到100 mm的物料），且耐高溫、耐腐蝕性強(qiáng)。

（2）獨(dú)特的防卡料技術(shù)。塊狀物料容易造成輪輻轉(zhuǎn)子的卡死，故對(duì)于輪輻轉(zhuǎn)子的支撐系統(tǒng)要求能自動(dòng)清除卡住的物料或異物。對(duì)于本系統(tǒng)，輪輻轉(zhuǎn)子通過中心軸裝置驅(qū)動(dòng)，此中心軸能沿水平和垂直方向滑動(dòng)，輪輻轉(zhuǎn)子的重量部分由片裝彈簧機(jī)構(gòu)支撐，其余重量作用于下密封板。這樣輪輻轉(zhuǎn)子可以繞自身中心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可以上下和水平浮動(dòng)，卡住的物料或異物容易自動(dòng)清除。同時(shí)，設(shè)計(jì)了耐磨墻，輪輻連接著耐磨墻一起旋轉(zhuǎn)，有效避免了輪輻與殼體壁的磨損和卡料。

（3）實(shí)行了預(yù)期控制技術(shù)，任何時(shí)刻的轉(zhuǎn)子負(fù)荷及其所處角位移存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中，在物料卸出前，由系統(tǒng)的設(shè)定流量值和負(fù)荷計(jì)算出卸料時(shí)的角速度，控制變頻調(diào)速電機(jī)的速率，實(shí)現(xiàn)定量喂料，技術(shù)先進(jìn)，喂料穩(wěn)定。

3.2.3 輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置的優(yōu)勢(shì)

（1）獨(dú)特地長壽命設(shè)計(jì)，使用壽命長，故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)單。

（2）密封與耐高溫技術(shù)。軸承的密封采用密封支架形式的結(jié)構(gòu)，容易更換密封件。全密閉結(jié)構(gòu)，只有轉(zhuǎn)子和密封板與高溫物料接觸，軸承、計(jì)量等部件布置于殼體之外，軸承采用氣封降溫+耐高溫毛氈密封+多層密封支架結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備耐高溫長壽命運(yùn)行。

（3）采用PLC控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量，定量喂料，自動(dòng)校正，故障報(bào)警，瞬時(shí)流量和累計(jì)量顯示等功能。具有完善的信號(hào)傳輸與通訊功能，自動(dòng)化程度高，功能強(qiáng)，適應(yīng)現(xiàn)代化大中型水泥廠的自動(dòng)控制要求。

（4）布置安裝簡(jiǎn)單，占用空間小，便于維護(hù)。

3.2.4 改造步驟

（1）將原先的皮帶秤移走，同時(shí)將原先的下料管拆秤；

（2）建立設(shè)備按照平臺(tái)（4 000 mm×4 500 mm），將輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置安裝到位與出料口對(duì)齊；

（3）制作出料口接口及軟連接；

（4）制作并安裝進(jìn)料溜子，連接進(jìn)料口，并制作軟連接；

（5）安裝鎖風(fēng)喂料裝置；

（6）布放輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置運(yùn)行所需的電纜電線，與中控連接；

（7）具體安裝圖如圖3所示；

（8）現(xiàn)場(chǎng)控制柜觸摸屏畫面如圖4所示。

3.2.5 改造后效果

（1）有效的解決因?yàn)楣鑹K的尖銳性而劃壞皮帶的難題，轉(zhuǎn)子秤因?yàn)槿墙饘俳Y(jié)構(gòu)，部分轉(zhuǎn)子和密封板是耐磨材質(zhì)，因此不存在這種現(xiàn)象，降低了事故的處置時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)工人的工作量。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)控制柜觸摸屏界面

（2）良好的鎖風(fēng)效果，不但提高了磨內(nèi)細(xì)粉的選粉能力和分離效果；提高了系統(tǒng)的烘干能力，系統(tǒng)產(chǎn)量也同比增長不少，電耗也同比降低，最主要的是磨機(jī)內(nèi)部的氧含量能大幅度降低，降低到安全范圍以內(nèi)（氧含量≤7%），同時(shí)減少惰性氣體氮?dú)獾某淙耄ㄟM(jìn)行惰化），也節(jié)約了能源。讓磨機(jī)一直處于安全狀態(tài)運(yùn)行。

（3）輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料，穩(wěn)定連續(xù)的運(yùn)行，有利于硅粉質(zhì)量的穩(wěn)定，同時(shí)也提高了磨機(jī)的產(chǎn)量。

（4）由于硅粉產(chǎn)量的提高，可以較好地利用電價(jià)優(yōu)惠政策，在用電量不變的情況下，減少電費(fèi)支出。

（5）能有效降低故障損毀和運(yùn)行磨損，減少維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，改造前，設(shè)備每年的維修費(fèi)用約10～20萬元。

4 結(jié)論

通過一段時(shí)間的有效運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)輪輻轉(zhuǎn)子式塊狀物料定量給料裝置，具有良好的鎖風(fēng)效果，能夠精確計(jì)量，穩(wěn)定喂料，提高產(chǎn)量。能夠有效的密封工藝設(shè)備，防止空氣由于磨機(jī)負(fù)壓而進(jìn)入磨機(jī)內(nèi)部，大大降低了磨機(jī)內(nèi)部的氧含量，讓設(shè)備一直處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。可以說是一種有效的預(yù)防硅粉加工粉塵爆炸的安全措施。