球形鋅粉制備過程中的安全問題

嚴海錦

江蘇科創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

球形鋅粉制備過程中的安全問題

嚴海錦

江蘇科創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）

球形鋅粉被廣泛應用于生物醫藥、海洋工程、電子電池、航空航天、高速鐵路等行業，其粒度、純度、球晶表面積、整潔度、松裝比等指標決定著品質的優劣，同時也對制備工藝和安全問題提出了不同要求。對于粒度小于47 μm規格的球形鋅粉，因其粒度細、揮發性好、活性強，在制備過程中經常會發生因規劃建設不合理、設備設計不合理、管理不到位、人員操作不當等而導致的火災和爆炸，尤其在分級過程中若治理不當會出現粉塵爆炸，系統的能量轉化為機械功以及光和熱的輻射，會產生很強的破壞力，引發災難事故。如何防火防爆是在球形鋅粉制備過程中的重要研究課題。

球形鋅粉制備安全

球形鋅粉相對密度7.14，熔點419.4℃，沸點907℃，蒸汽壓133.3 Pa（487℃）。粒度和形狀直接影響粉體的實際應用性能，同時也是引發爆炸的重要因素。粒度小于47 μm的球形鋅粉為藍灰色或淺灰色粉末，其自燃點為460℃，爆炸極限約500 g/m3，若細度提升，則其活性更強，燃點和爆炸極限更低。球形鋅粉的粉塵與空氣能形成爆炸性混合物，易被明火點燃引起爆炸。潮濕粉塵在空氣中易自行發熱燃燒；與水、酸類或堿金屬氫氧化物接觸能釋放易燃的氫氣；與氧化劑、硫磺反應會引起著火或爆炸。鋅粉的小鼠腹腔LD50（半數致死量）值為15 mg/kg。鋅粉對眼睛、皮膚和呼吸系統有刺激性作用，吸入會引起咳嗽、低熱；由于其吸濕發熱，與皮膚接觸可造成灼傷。使用壓力容器或者以燃氣為清潔能源制備球形鋅粉時，在融化、汽化和冷卻成形階段及分級過程中，如果在濕度、溫度、質量濃度達到一定條件時遇到明火，則有可能導致爆炸，引發安全事故。本文就鋅粉制備過程中的安全問題進行分析。

1　采用不同能源制備鋅粉的安全問題

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生爐將煤炭轉換成水煤氣。在安全方面，主要存在燙傷和爆炸危險。隨著當前環保政策要求的提高，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，制備球形鋅粉的設備會受到限制。整個制備過程中設備一般為敞口式的，導氣管與坩堝直接連接且裸露在外，外層沒有隔斷裝置，操作人員會經常與高溫設備直接接觸，從而引發燙傷事故。預防措施是在設計、制造過程中，根據有關安全技術規范標準的要求，增加防護設施，以確保設備安全可靠，同時操作人員需穿戴好防護用品，嚴格按要求進行操作，以避免或減少事故的發生。

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，主要是為符合環保要求進行的改進，國內90%的鋅粉制備企業以水煤氣為能源。水煤氣由煤和空氣、蒸汽反應制得，煤氣發生爐是完成該轉換過程的核心設備。在轉換過程中，如果管理不嚴、操作不當，也可能引發爆炸事故。引起爆炸的原因有兩種：一種是煤氣遇到火源發生燃燒或爆炸，另一種是煤氣發生爐發生爆炸。煤氣與空氣混合后，再遇到明火就容易發生爆炸事故。

煤氣發生爐運行過程中易因打釬清理結焦、停電、脫水、鼓風機損壞或者水封失控等情況發生安全事故，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%。導致煤氣爆炸的原因主要有兩種：一種是煤氣中含氧量過高或煤氣系統內滲入空氣，另一種是煤氣系統發生泄漏。這兩種情況均能形成爆炸性混合物，遇到火源而發生爆炸，其區別僅在于前者發生在煤氣系統內部，后者發生在煤氣系統外部[1]。

一氧化碳中毒主要出現在打釬清理結焦過程中。在煤氣發生爐運行過程中，若想讓無煙煤炭充分燃燒以最大限度地轉換為水煤氣，需要打釬無煙煤炭使之保持與空氣的接觸以發生化學反應，操作平臺上的人員可能發生一氧化碳中毒和高空墜落事件，其處理措施是：（1）保持操作平臺操作間通風，操作平臺四周設立防護裝置和警示標志；（2）操作人員必須有兩人以上，且要佩戴勞動保護用品上崗，按操作規程和要領進行間隙打釬。

煤氣發生爐在熱運行時會因斷電、脫水、鼓風機損壞或者水封失控等情況而發生爆炸事故。在煤氣發生爐熱運行過程中，如果出爐煤氣溫度超過發生爐煤氣的自燃溫度（530℃），打開爐頂探火孔時，冒出的煤氣就會自燃，這時如果爐內進入空氣或者冒出的煤氣與周圍的空氣混合，就會發生煤氣發生爐爆炸事故。應急措施是加快除灰和進煤的速度，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。

在煤氣發生爐熱運行過程中，如果突然斷電或者鼓風機損壞，管道有可能出現負壓，導致空氣進入其中并使煤氣逆流，若逆止閥不起作用，則會引起煤氣發生爐爆炸。應急措施為：保證逆止閥密封可靠；增送蒸汽量以保持爐內正壓；立即關閉煤氣水封，使煤氣進入發生爐的爐膛內；排除用電故障，恢復供電，且要用蒸汽徹底吹掃空氣總管。以上措施完成后，煤氣發生爐才能轉入正常運行。

供水系統故障會使蒸汽包缺水而引發煤氣發生爐爆炸。當水夾套缺水時間較長時，煤氣發生爐的爐體和水夾套會被烘烤到500℃甚至更高溫度，這時鋼板可能會被燒透，若水進入爐膛，則會因發生化學反應而引發安全事故；如果此時向水夾套內加水，水會在瞬間汽化為水蒸氣，體積迅速膨脹，而水夾套是一個封閉的空間，其容積遠遠小于水蒸氣迅速膨脹所要求的體積，當水夾套內的壓力超過材料所能承受的壓力時就會發生爆炸。蒸汽包缺水的處理措施是：（1）先打開水位計旋塞放水，如果有水流出，則表明缺水時間不長，此時可向水夾套內加水。（2）如果打開水位計旋塞時無水流出，表明缺水時間較長，要通過壓力表觀察蒸汽包壓力變化。如果這時壓力和正常運行壓力相同，說明缺水不嚴重；如果蒸汽壓力已經超過工作壓力，說明水夾套缺水較嚴重，這種情況下應進行緊急停爐操作，并嚴禁向水夾套內上水，防止發生爆炸事故。

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

煤氣發生爐使用過程中安全事故的發生往往是多個因素累加的結果，因此，在生產過程中要對煤氣發生爐的運行情況認真分析，建立完善的應急預案體系，加強人員管理，切實提高操作人員的技術水平，同時操作人員須嚴格遵守操作規程，采取有效措施預防和減少爆炸事故的發生[1]。

1.3使用天然氣為能源制備球形鋅粉

國內目前只有1～2家企業使用天然氣作為制備球形鋅粉的能源。天然氣是清潔能源，不僅可以實現節能環保，而且制備的球形鋅粉質量非常穩定。球形鋅粉制備企業發生燃氣泄漏爆炸事故，可能出現在改擴建過程中，也可能出現在設備檢維修過程中。運行中的設備、設施因安全防護裝置失效或者員工操作不當會導致燃氣泄漏，若遇到明火或者高溫就會發生爆炸事故。并非任何比例的燃氣與空氣混合都會發生爆炸，只有當空氣中含有的天然氣濃度達到一定范圍（5%～15%）時混合氣體才會發生爆炸，該濃度范圍稱為天然氣的爆炸濃度極限。預防措施為：設計車間時應考慮到門、窗和房屋的高度，保證建筑物內部通風良好；安裝燃氣探測報警裝置和自動切斷裝置，并保證設施有效運行；制備球形鋅粉的設備在開爐操作時先點火再用氣，切忌氣等火，停爐時控制溫度且待溫度降至一定程度后再停天然氣。

2　采用不同設備和工藝制備鋅粉的安全問題

制備設備運行的安全性是球形鋅粉制備過程中的一個關鍵問題。制備設備種類繁多，采用霧化工藝制備球形鋅粉的設備從功能上分為精粉爐、純化爐、汽化爐等；從形態上分為立式爐、臥式爐等。以上設備制備工藝原理基本一致，因此設備中均包括熔化熔析、融化、霧化、冷凝集粉室等部件。設備構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）的傳熱系數不一致，當溫度驟升驟降時會出現設備崩塌，鋅液傷人，甚至導致更嚴重的安全事故，故在開、停爐以及設備正常運行過程中控制溫度對安全生產至關重要。冷凝集粉室是球形鋅粉成形結晶的關鍵部件，也是易發生爆炸的一道關鍵工序，鋅經過融化、蒸發，進入冷凝集粉室時溫度在1000℃以上，利用水夾套循環冷卻結晶成核。如果冷凝器中出現斷水，將會發生爆炸事故，因此要求蓄水池的容量不能太小，電機正常運行不能損壞，同時水需要經過凈化，避免水垢堵塞管道等因素影響水的正常循環。此外，鋅蒸氣進入冷凝器后，球形鋅粉雖然結晶成核，但其溫度仍高于1000℃，若未事先關好閥門、閘板或未經一段時間的冷卻，打開集粉裝置時，鋅粉與空氣中的氧氣充分接觸，就達到了燃燒或爆炸的三個條件，從而導致燃燒或爆炸事件；在大、中修后開爐時，加入鋅料后可向冷凝器中充入氮氣，排出原有氣體，降低其中的氧氣濃度，同時控制設備的升溫速率，就可達到防爆的目的；停爐檢修時應將設備的溫度降到900℃以下，使冷凝器內沒有鋅蒸汽的殘留，同時敲打冷凝器，使在其器壁懸掛的鋅粉自然下落，停置一段時間，利用惰性氣體排空，然后再打開安全閥檢修，就不致于發生爆炸。

3　鋅粉制備過程中的粉塵控制及防火防爆措施

球形鋅粉顆粒越細，著火點越低，爆炸下限也越低，同時吸附的氧也越多，濃度越高越易發生爆炸。隨著粉塵顆粒直徑的減小，不僅化學活性增加，而且還容易帶靜電。當每立方米空氣中鋅粉含量達到500 g、溫度在670℃以上時，遇明火就可能發生爆炸[2]。第一次爆炸氣浪把沉積在設備或地面上的粉塵吹揚起來，在爆炸后的短時間內，爆炸中心區會形成負壓，周圍的新鮮空氣便由外向內填補進來，形成所謂的“返回風”，與揚起的粉塵混合，在第一次爆炸的余火引燃下發生第二次爆炸。第二次爆炸時，粉塵濃度一般比第一次爆炸時高得多，故第二次爆炸威力比第一次也大得多。在球形鋅粉生產過程中，如果不注意預防，就很容易出現上述情形。球形鋅粉制備過程中出現的粉塵燃燒或者爆炸現象多存在于分級車間。目前國內球形鋅粉的分級設備主要有振動篩、旋風分離篩等。主要的除塵方法是增加布袋、管道、密閉設施等，防護設施雖然添加了很多，但是粉塵無法得到有效控制。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、設備及墻面上，增大了與空氣的接觸面積，使其化學活性增加；如果車間不及時清理，一旦粉塵在空氣中達到一定濃度，遇到火源就會爆燃，瞬間產生大量的熱量和燃燒產物，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與水發生反應，產生氫氣，放出熱量，并會起火燃燒。因此，對于粒度小于47 μm的球形鋅粉，不僅要防止其與水接觸，而且在生產使用場所要及時清除粉塵，防止粉塵懸浮并與空氣混合達到爆炸比例，從而阻止爆炸事故的發生。

還有一些企業利用電為能源制備球形鋅粉，也有一些企業利用機械法制備，制備過程中設備拆裝、原料裝卸、貨物轉運等均可能存在安全隱患。生產區域嚴禁吸煙及明火作業、強化安全管理等都是直接有效的預防措施。也可以針對不同的工藝和設備，在設備外殼設泄壓閥門或其他裝置，或采用爆炸遏制系統等。對有粉塵爆炸危險的廠房，必須嚴格按照防爆技術等級進行設計，如采用有效的通風和除塵措施，單獨設置通風、排塵系統；經常濕式打掃車間地面和設備，防止粉塵飛揚和聚集，保證系統有很好的密閉性，必要時對密閉容器或管道中的可燃性粉塵充入氮氣、二氧化碳等氣體，以減少氧氣的體積分數，抑制粉塵的爆炸。

4　結語

球形鋅粉制備過程中常見的安全問題不僅限于上述問題，如制備球形鋅粉時有使用電作為動力能源的，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，存在的安全問題就會不一樣；另外，是否能夠科學管理，保證設備安全等也是影響安全的因素。

對于安全隱患，目前常用的防護措施或方案歸納起來主要有四種：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火焰泄放；隔離分為機械隔離和化學隔離。主要防護設備包括防爆板、防爆門、無焰泄放系統、隔離閥以及抑爆系統。在實際應用中，往往并不單獨使用一種防護措施，而是采用多種防護措施相組合的方式，以達到更可靠、更經濟的防護目的。

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

[2]王強,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

嚴海錦男1978年生本科高級經濟師高級工程師主要從事金屬冶煉、金屬新材料粉體制備及其技術研究工作

2015年10月