球形鋅粉制備過(guò)程中的安全問(wèn)題

嚴(yán)海錦

江蘇科創(chuàng)金屬新材料有限公司江蘇科成有色金屬新材料有限公司泰州華民鋅品有限公司（江蘇　泰州　225300）

化工管理

球形鋅粉制備過(guò)程中的安全問(wèn)題

嚴(yán)海錦

江蘇科創(chuàng)金屬新材料有限公司江蘇科成有色金屬新材料有限公司泰州華民鋅品有限公司（江蘇泰州225300）

球形鋅粉被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、海洋工程、電子電池、航空航天、高速鐵路等行業(yè)，其粒度、純度、球晶表面積、整潔度、松裝比等指標(biāo)決定著品質(zhì)的優(yōu)劣，同時(shí)也對(duì)制備工藝和安全問(wèn)題提出了不同要求。對(duì)于粒度小于47 μm規(guī)格的球形鋅粉，因其粒度細(xì)、揮發(fā)性好、活性強(qiáng)，在制備過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生因規(guī)劃建設(shè)不合理、設(shè)備設(shè)計(jì)不合理、管理不到位、人員操作不當(dāng)?shù)榷鴮?dǎo)致的火災(zāi)和爆炸，尤其在分級(jí)過(guò)程中若治理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)粉塵爆炸，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功以及光和熱的輻射，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的破壞力，引發(fā)災(zāi)難事故。如何防火防爆是在球形鋅粉制備過(guò)程中的重要研究課題。

球形鋅粉制備安全

球形鋅粉相對(duì)密度7.14，熔點(diǎn)419.4℃，沸點(diǎn)907℃，蒸汽壓133.3 Pa（487℃）。粒度和形狀直接影響粉體的實(shí)際應(yīng)用性能，同時(shí)也是引發(fā)爆炸的重要因素。粒度小于47 μm的球形鋅粉為藍(lán)灰色或淺灰色粉末，其自燃點(diǎn)為460℃，爆炸極限約500 g/m3，若細(xì)度提升，則其活性更強(qiáng)，燃點(diǎn)和爆炸極限更低。球形鋅粉的粉塵與空氣能形成爆炸性混合物，易被明火點(diǎn)燃引起爆炸。潮濕粉塵在空氣中易自行發(fā)熱燃燒；與水、酸類(lèi)或堿金屬氫氧化物接觸能釋放易燃的氫氣；與氧化劑、硫磺反應(yīng)會(huì)引起著火或爆炸。鋅粉的小鼠腹腔LD50（半數(shù)致死量）值為15 mg/kg。鋅粉對(duì)眼睛、皮膚和呼吸系統(tǒng)有刺激性作用，吸入會(huì)引起咳嗽、低熱；由于其吸濕發(fā)熱，與皮膚接觸可造成灼傷。使用壓力容器或者以燃?xì)鉃榍鍧嵞茉粗苽淝蛐武\粉時(shí)，在融化、汽化和冷卻成形階段及分級(jí)過(guò)程中，如果在濕度、溫度、質(zhì)量濃度達(dá)到一定條件時(shí)遇到明火，則有可能導(dǎo)致爆炸，引發(fā)安全事故。本文就鋅粉制備過(guò)程中的安全問(wèn)題進(jìn)行分析。

1　采用不同能源制備鋅粉的安全問(wèn)題

1.1直接燃燒煤炭制備球形鋅粉

一些球形鋅粉制備企業(yè)以煤炭作為能源，其使用方法有兩種：一種是直接燃燒，另一種是采用煤氣發(fā)生爐將煤炭轉(zhuǎn)換成水煤氣。在安全方面，主要存在燙傷和爆炸危險(xiǎn)。隨著當(dāng)前環(huán)保政策要求的提高，直接燃燒煤炭的情況大幅度減少，況且采用直接燃燒煤炭的方式，制備球形鋅粉的設(shè)備會(huì)受到限制。整個(gè)制備過(guò)程中設(shè)備一般為敞口式的，導(dǎo)氣管與坩堝直接連接且裸露在外，外層沒(méi)有隔斷裝置，操作人員會(huì)經(jīng)常與高溫設(shè)備直接接觸，從而引發(fā)燙傷事故。預(yù)防措施是在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，根據(jù)有關(guān)安全技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，增加防護(hù)設(shè)施，以確保設(shè)備安全可靠，同時(shí)操作人員需穿戴好防護(hù)用品，嚴(yán)格按要求進(jìn)行操作，以避免或減少事故的發(fā)生。

1.2使用水煤氣為能源制備球形鋅粉

使用水煤氣作為球形鋅粉的制備能源，主要是為符合環(huán)保要求進(jìn)行的改進(jìn)，國(guó)內(nèi)90%的鋅粉制備企業(yè)以水煤氣為能源。水煤氣由煤和空氣、蒸汽反應(yīng)制得，煤氣發(fā)生爐是完成該轉(zhuǎn)換過(guò)程的核心設(shè)備。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果管理不嚴(yán)、操作不當(dāng)，也可能引發(fā)爆炸事故。引起爆炸的原因有兩種：一種是煤氣遇到火源發(fā)生燃燒或爆炸，另一種是煤氣發(fā)生爐發(fā)生爆炸。煤氣與空氣混合后，再遇到明火就容易發(fā)生爆炸事故。

煤氣發(fā)生爐運(yùn)行過(guò)程中易因打釬清理結(jié)焦、停電、脫水、鼓風(fēng)機(jī)損壞或者水封失控等情況發(fā)生安全事故，煤氣在空氣中的爆炸極限為20%～74%，在氧氣中的爆炸極限為10%～73.6%。導(dǎo)致煤氣爆炸的原因主要有兩種：一種是煤氣中含氧量過(guò)高或煤氣系統(tǒng)內(nèi)滲入空氣，另一種是煤氣系統(tǒng)發(fā)生泄漏。這兩種情況均能形成爆炸性混合物，遇到火源而發(fā)生爆炸，其區(qū)別僅在于前者發(fā)生在煤氣系統(tǒng)內(nèi)部，后者發(fā)生在煤氣系統(tǒng)外部[1]。

一氧化碳中毒主要出現(xiàn)在打釬清理結(jié)焦過(guò)程中。在煤氣發(fā)生爐運(yùn)行過(guò)程中，若想讓無(wú)煙煤炭充分燃燒以最大限度地轉(zhuǎn)換為水煤氣，需要打釬無(wú)煙煤炭使之保持與空氣的接觸以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，操作平臺(tái)上的人員可能發(fā)生一氧化碳中毒和高空墜落事件，其處理措施是：（1）保持操作平臺(tái)操作間通風(fēng)，操作平臺(tái)四周設(shè)立防護(hù)裝置和警示標(biāo)志；（2）操作人員必須有兩人以上，且要佩戴勞動(dòng)保護(hù)用品上崗，按操作規(guī)程和要領(lǐng)進(jìn)行間隙打釬。

煤氣發(fā)生爐在熱運(yùn)行時(shí)會(huì)因斷電、脫水、鼓風(fēng)機(jī)損壞或者水封失控等情況而發(fā)生爆炸事故。在煤氣發(fā)生爐熱運(yùn)行過(guò)程中，如果出爐煤氣溫度超過(guò)發(fā)生爐煤氣的自燃溫度（530℃），打開(kāi)爐頂探火孔時(shí)，冒出的煤氣就會(huì)自燃，這時(shí)如果爐內(nèi)進(jìn)入空氣或者冒出的煤氣與周?chē)目諝饣旌希蜁?huì)發(fā)生煤氣發(fā)生爐爆炸事故。應(yīng)急措施是加快除灰和進(jìn)煤的速度，使干燥層燃料加厚覆蓋，從而使出爐煤氣溫度降至正常水平。

在煤氣發(fā)生爐熱運(yùn)行過(guò)程中，如果突然斷電或者鼓風(fēng)機(jī)損壞，管道有可能出現(xiàn)負(fù)壓，導(dǎo)致空氣進(jìn)入其中并使煤氣逆流，若逆止閥不起作用，則會(huì)引起煤氣發(fā)生爐爆炸。應(yīng)急措施為：保證逆止閥密封可靠；增送蒸汽量以保持爐內(nèi)正壓；立即關(guān)閉煤氣水封，使煤氣進(jìn)入發(fā)生爐的爐膛內(nèi)；排除用電故障，恢復(fù)供電，且要用蒸汽徹底吹掃空氣總管。以上措施完成后，煤氣發(fā)生爐才能轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。

供水系統(tǒng)故障會(huì)使蒸汽包缺水而引發(fā)煤氣發(fā)生爐爆炸。當(dāng)水夾套缺水時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，煤氣發(fā)生爐的爐體和水夾套會(huì)被烘烤到500℃甚至更高溫度，這時(shí)鋼板可能會(huì)被燒透，若水進(jìn)入爐膛，則會(huì)因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引發(fā)安全事故；如果此時(shí)向水夾套內(nèi)加水，水會(huì)在瞬間汽化為水蒸氣，體積迅速膨脹，而水夾套是一個(gè)封閉的空間，其容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水蒸氣迅速膨脹所要求的體積，當(dāng)水夾套內(nèi)的壓力超過(guò)材料所能承受的壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生爆炸。蒸汽包缺水的處理措施是：（1）先打開(kāi)水位計(jì)旋塞放水，如果有水流出，則表明缺水時(shí)間不長(zhǎng)，此時(shí)可向水夾套內(nèi)加水。（2）如果打開(kāi)水位計(jì)旋塞時(shí)無(wú)水流出，表明缺水時(shí)間較長(zhǎng)，要通過(guò)壓力表觀察蒸汽包壓力變化。如果這時(shí)壓力和正常運(yùn)行壓力相同，說(shuō)明缺水不嚴(yán)重；如果蒸汽壓力已經(jīng)超過(guò)工作壓力，說(shuō)明水夾套缺水較嚴(yán)重，這種情況下應(yīng)進(jìn)行緊急停爐操作，并嚴(yán)禁向水夾套內(nèi)上水，防止發(fā)生爆炸事故。

停爐檢修時(shí)，也有可能因殘留在設(shè)備中的煤氣與空氣混合，遇到焊接產(chǎn)生的火花而發(fā)生爆炸。故在檢修前要用蒸汽將煤氣發(fā)生爐的整套設(shè)備吹掃干凈，不得有煤氣殘留。吹掃完畢后要對(duì)設(shè)備中的氣體取樣化驗(yàn)，合格后才能從事檢修工作。

煤氣發(fā)生爐使用過(guò)程中安全事故的發(fā)生往往是多個(gè)因素累加的結(jié)果，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中要對(duì)煤氣發(fā)生爐的運(yùn)行情況認(rèn)真分析，建立完善的應(yīng)急預(yù)案體系，加強(qiáng)人員管理，切實(shí)提高操作人員的技術(shù)水平，同時(shí)操作人員須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，采取有效措施預(yù)防和減少爆炸事故的發(fā)生[1]。

1.3使用天然氣為能源制備球形鋅粉

國(guó)內(nèi)目前只有1～2家企業(yè)使用天然氣作為制備球形鋅粉的能源。天然氣是清潔能源，不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，而且制備的球形鋅粉質(zhì)量非常穩(wěn)定。球形鋅粉制備企業(yè)發(fā)生燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿?，可能出現(xiàn)在改擴(kuò)建過(guò)程中，也可能出現(xiàn)在設(shè)備檢維修過(guò)程中。運(yùn)行中的設(shè)備、設(shè)施因安全防護(hù)裝置失效或者員工操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，若遇到明火或者高溫就?huì)發(fā)生爆炸事故。并非任何比例的燃?xì)馀c空氣混合都會(huì)發(fā)生爆炸，只有當(dāng)空氣中含有的天然氣濃度達(dá)到一定范圍（5%～15%）時(shí)混合氣體才會(huì)發(fā)生爆炸，該濃度范圍稱(chēng)為天然氣的爆炸濃度極限。預(yù)防措施為：設(shè)計(jì)車(chē)間時(shí)應(yīng)考慮到門(mén)、窗和房屋的高度，保證建筑物內(nèi)部通風(fēng)良好；安裝燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警裝置和自動(dòng)切斷裝置，并保證設(shè)施有效運(yùn)行；制備球形鋅粉的設(shè)備在開(kāi)爐操作時(shí)先點(diǎn)火再用氣，切忌氣等火，停爐時(shí)控制溫度且待溫度降至一定程度后再停天然氣。

2　采用不同設(shè)備和工藝制備鋅粉的安全問(wèn)題

制備設(shè)備運(yùn)行的安全性是球形鋅粉制備過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。制備設(shè)備種類(lèi)繁多，采用霧化工藝制備球形鋅粉的設(shè)備從功能上分為精粉爐、純化爐、汽化爐等；從形態(tài)上分為立式爐、臥式爐等。以上設(shè)備制備工藝原理基本一致，因此設(shè)備中均包括熔化熔析、融化、霧化、冷凝集粉室等部件。設(shè)備構(gòu)件的主體材料均為耐火材料組合而成，由于不同耐火材料（如磚、泥、板）的傳熱系數(shù)不一致，當(dāng)溫度驟升驟降時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備崩塌，鋅液傷人，甚至導(dǎo)致更嚴(yán)重的安全事故，故在開(kāi)、停爐以及設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中控制溫度對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。冷凝集粉室是球形鋅粉成形結(jié)晶的關(guān)鍵部件，也是易發(fā)生爆炸的一道關(guān)鍵工序，鋅經(jīng)過(guò)融化、蒸發(fā)，進(jìn)入冷凝集粉室時(shí)溫度在1000℃以上，利用水夾套循環(huán)冷卻結(jié)晶成核。如果冷凝器中出現(xiàn)斷水，將會(huì)發(fā)生爆炸事故，因此要求蓄水池的容量不能太小，電機(jī)正常運(yùn)行不能損壞，同時(shí)水需要經(jīng)過(guò)凈化，避免水垢堵塞管道等因素影響水的正常循環(huán)。此外，鋅蒸氣進(jìn)入冷凝器后，球形鋅粉雖然結(jié)晶成核，但其溫度仍高于1000℃，若未事先關(guān)好閥門(mén)、閘板或未經(jīng)一段時(shí)間的冷卻，打開(kāi)集粉裝置時(shí)，鋅粉與空氣中的氧氣充分接觸，就達(dá)到了燃燒或爆炸的三個(gè)條件，從而導(dǎo)致燃燒或爆炸事件；在大、中修后開(kāi)爐時(shí)，加入鋅料后可向冷凝器中充入氮?dú)?，排出原有氣體，降低其中的氧氣濃度，同時(shí)控制設(shè)備的升溫速率，就可達(dá)到防爆的目的；停爐檢修時(shí)應(yīng)將設(shè)備的溫度降到900℃以下，使冷凝器內(nèi)沒(méi)有鋅蒸汽的殘留，同時(shí)敲打冷凝器，使在其器壁懸掛的鋅粉自然下落，停置一段時(shí)間，利用惰性氣體排空，然后再打開(kāi)安全閥檢修，就不致于發(fā)生爆炸。

3　鋅粉制備過(guò)程中的粉塵控制及防火防爆措施

球形鋅粉顆粒越細(xì)，著火點(diǎn)越低，爆炸下限也越低，同時(shí)吸附的氧也越多，濃度越高越易發(fā)生爆炸。隨著粉塵顆粒直徑的減小，不僅化學(xué)活性增加，而且還容易帶靜電。當(dāng)每立方米空氣中鋅粉含量達(dá)到500 g、溫度在670℃以上時(shí)，遇明火就可能發(fā)生爆炸[2]。第一次爆炸氣浪把沉積在設(shè)備或地面上的粉塵吹揚(yáng)起來(lái)，在爆炸后的短時(shí)間內(nèi)，爆炸中心區(qū)會(huì)形成負(fù)壓，周?chē)男迈r空氣便由外向內(nèi)填補(bǔ)進(jìn)來(lái)，形成所謂的“返回風(fēng)”，與揚(yáng)起的粉塵混合，在第一次爆炸的余火引燃下發(fā)生第二次爆炸。第二次爆炸時(shí)，粉塵濃度一般比第一次爆炸時(shí)高得多，故第二次爆炸威力比第一次也大得多。在球形鋅粉生產(chǎn)過(guò)程中，如果不注意預(yù)防，就很容易出現(xiàn)上述情形。球形鋅粉制備過(guò)程中出現(xiàn)的粉塵燃燒或者爆炸現(xiàn)象多存在于分級(jí)車(chē)間。目前國(guó)內(nèi)球形鋅粉的分級(jí)設(shè)備主要有振動(dòng)篩、旋風(fēng)分離篩等。主要的除塵方法是增加布袋、管道、密閉設(shè)施等，防護(hù)設(shè)施雖然添加了很多，但是粉塵無(wú)法得到有效控制。如粒度小于47 μm的球形鋅粉常常懸浮在空氣中或者吸附在管道、設(shè)備及墻面上，增大了與空氣的接觸面積，使其化學(xué)活性增加；如果車(chē)間不及時(shí)清理，一旦粉塵在空氣中達(dá)到一定濃度，遇到火源就會(huì)爆燃，瞬間產(chǎn)生大量的熱量和燃燒產(chǎn)物，使氣體、蒸汽等劇烈膨脹，造成爆炸事故。此外，粒度小于47 μm的球形鋅粉在空氣濕度大或者受到雨淋的情況下會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，放出熱量，并會(huì)起火燃燒。因此，對(duì)于粒度小于47 μm的球形鋅粉，不僅要防止其與水接觸，而且在生產(chǎn)使用場(chǎng)所要及時(shí)清除粉塵，防止粉塵懸浮并與空氣混合達(dá)到爆炸比例，從而阻止爆炸事故的發(fā)生。

還有一些企業(yè)利用電為能源制備球形鋅粉，也有一些企業(yè)利用機(jī)械法制備，制備過(guò)程中設(shè)備拆裝、原料裝卸、貨物轉(zhuǎn)運(yùn)等均可能存在安全隱患。生產(chǎn)區(qū)域嚴(yán)禁吸煙及明火作業(yè)、強(qiáng)化安全管理等都是直接有效的預(yù)防措施。也可以針對(duì)不同的工藝和設(shè)備，在設(shè)備外殼設(shè)泄壓閥門(mén)或其他裝置，或采用爆炸遏制系統(tǒng)等。對(duì)有粉塵爆炸危險(xiǎn)的廠房，必須嚴(yán)格按照防爆技術(shù)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如采用有效的通風(fēng)和除塵措施，單獨(dú)設(shè)置通風(fēng)、排塵系統(tǒng)；經(jīng)常濕式打掃車(chē)間地面和設(shè)備，防止粉塵飛揚(yáng)和聚集，保證系統(tǒng)有很好的密閉性，必要時(shí)對(duì)密閉容器或管道中的可燃性粉塵充入氮?dú)?、二氧化碳等氣體，以減少氧氣的體積分?jǐn)?shù)，抑制粉塵的爆炸。

4　結(jié)語(yǔ)

球形鋅粉制備過(guò)程中常見(jiàn)的安全問(wèn)題不僅限于上述問(wèn)題，如制備球形鋅粉時(shí)有使用電作為動(dòng)力能源的，也有采用蒸餾法以外的方法制備的，制備工藝和采用的能源不同，存在的安全問(wèn)題就會(huì)不一樣；另外，是否能夠科學(xué)管理，保證設(shè)備安全等也是影響安全的因素。

對(duì)于安全隱患，目前常用的防護(hù)措施或方案歸納起來(lái)主要有四種：遏制、泄放、抑制、隔離。其中：泄放分為正常情況下的壓力泄放和無(wú)火焰泄放；隔離分為機(jī)械隔離和化學(xué)隔離。主要防護(hù)設(shè)備包括防爆板、防爆門(mén)、無(wú)焰泄放系統(tǒng)、隔離閥以及抑爆系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往并不單獨(dú)使用一種防護(hù)措施，而是采用多種防護(hù)措施相組合的方式，以達(dá)到更可靠、更經(jīng)濟(jì)的防護(hù)目的。

[1]駱曉玲,徐坤山.煤氣發(fā)生爐爆炸事故原因及預(yù)防措施[J].煤氣與熱力,2010,30(1)：11-13.

[2]王強(qiáng),趙紅.鋅粉的爆炸與防爆[J].有色礦冶,2002,18 (5)：40-41.

Safety Issues in the Preparation Process of Spherical Zinc Powders

Yan Haijin

Spherical zinc powders are widely used in biological medicine,ocean engineering,electronic battery, aerospace,high-speed rail and other industries.Indexes such as particle size,purity,spherical crystal surface area,cleanliness,and apparent density decide the quality of spherical zinc powders,and they also propose different requirements for the preparation process and safety issues.For spherical zinc powders with particle size less than 47 μm，because of their fine granularity,good volatility and high activity,fires and explosions often break out during the preparation process due to unreasonable planning,unreasonable equipment design,insufficient management,improper operation and other reasons. Particularly in the classification process,the dust explosion will happen because of improper treatment,then the system's energy will be converted into mechanical power,optical and thermal radiation,which are very destructive and will cause disasters.The fire and explosion prevention is an important research subject in the preparation of spherical zinc powders.

Spherical zinc powders;Preparation;Safety

TF 123.2+3

嚴(yán)海錦男1978年生本科高級(jí)經(jīng)濟(jì)師高級(jí)工程師主要從事金屬冶煉、金屬新材料粉體制備及其技術(shù)研究工作

2015年10月