金屬鋰渣的自燃與預防

摘 要：文章介紹了原鋰鈣公司金屬鋰渣回收處理消化過程，由于生產工藝條件的不完善，致使金屬鋰渣時有發生自燃現象。通過對以前金屬鋰渣回收工藝過程的分析，改進了金屬鋰渣處理、消化工藝，并對金屬鋰渣消化現場以及金屬鋰渣儲存庫房進行改進，使得金屬鋰渣自燃問題得到了很好的解決，在消除了重大安全隱患的同時，產生了良好的社會、經濟效益。

關鍵詞：金屬鋰渣；自燃；熱量集聚；溫度；濕度；視頻監控；熱電阻感溫探測棒

前言

金屬鋰渣是在金屬鋰制造過程中產生的含有大量金屬鋰及少量鉀、鈉及其氧化物、碳化物等的殘渣。據生產統計，每生產1噸金屬鋰及制品產出鋰渣約0.18噸。金屬鋰作為一種貴金屬及新能源金屬，具有很高的經濟價值，因此金屬鋰渣的回收利用顯得尤為重要。在金屬鋰渣的回收過程中，經常會發生金屬鋰渣自燃，不僅會造成金屬鋰的浪費，而且會對附近設備、設施及人員造成重大安全隱患。僅2012年金屬鋰渣發生自燃3次，發生時間集中在多雨、高溫季節的7、8月份。

1 金屬鋰渣自燃原因分析

金屬鋰渣的主要成分為單質金屬鋰以及金屬鋰的氧化物和氮化物。在金屬鋰渣（以下簡稱鋰渣）回收工藝中，鋰渣首先浸泡在擴散泵油中，當鋰渣從油中撈出時，鋰渣表面就均勻的覆蓋了一層油膜，從而阻止了空氣中的水分及氧氣、氮氣與金屬鋰的接觸，對鋰渣起到了保護作用。在鋰渣裝桶后，隨著時間延長，部分鋰渣表面覆蓋的油膜逐漸變薄，并且在搬運過程中，鋰渣之間的磨擦使部分油膜被破壞，鋰渣中的金屬鋰與空氣中的水分、氧氣、氮氣發生反應。雖然單位時間內產生的熱量極少，但是如果不能被及時處理，這些熱量不能及時釋放，經過長時間的熱量積聚，鋰渣的溫度將逐漸升高，直至達到自燃，出現明火[1]。

1.1 由于原鋰渣消化場地設施不完善，遇到下雨天，無論雨大小，必須停止作業等待雨停后再進行消化。由于本單位地處四川南部，雨水較多，年平均降水日為167.9日[2]，在極大程度上壓縮了鋰渣進行消化作業的時間。因此必須完善鋰渣消化場地設施，使消化操作能在小雨天氣下進行作業，延長消化作業時間。

1.2 由于原鋰渣處理消化工藝不成熟，每小時只能消化鋰渣約15Kg[3]，致使鋰渣安全消化速度過慢，常造成鋰渣不能當天完成消化，需在存儲庫房內過夜，極大曾加了鋰渣自燃的風險，因此必須對鋰渣處理消化工藝進行改進，降低鋰渣在庫房中過夜的幾率，降低鋰渣自然風險。

1.3 原鋰渣存儲庫房無任何監控及環境調節措施。首先對存儲的鋰渣了解需要人工巡檢來掌握，效率低下而且容易出現誤差。其次，四川宜賓地區空氣濕度極大，年平均空氣相對濕度在81.6%[2]。空氣中含有大量的水分，鋰渣很容易與空氣中的水分發生反應，反應放出的熱量在局部位置逐漸積聚造成自燃。再次，四川宜賓地區在夏天的時候，氣溫非常高，極端高溫能達到40℃以上，平均高溫也在30℃以上[2]，而鋰渣庫房為密封系統，熱量不能及時疏散，很容易在庫房內出現高溫。因此，必須對庫房內環境溫、濕度進行調節，并對鋰渣的狀態進行有效監控，才能保證鋰渣在庫房內安全存儲。

由以上鋰渣自燃的原因分析，要改變目前鋰渣自燃的現狀，需作出以下措施：

（1）在目前鋰渣量逐漸增大，消化任務日漸繁重的情況下，必須提高鋰渣的消化速度及作業時間，減少鋰渣從裝桶到消化之間的時間。

（2）改善鋰渣庫內的溫濕度環境，使鋰渣在庫房內存放期間，不因為潮濕的空氣與高溫因素，使鋰渣發生自燃。

2 鋰渣自燃的預防

2.1 對鋰渣消化作業場地改造以增加作業時間

為了有效增加鋰渣消化作業時間，經統計發現，在本地，雖然平均每年雨天多達167.9天，但是其中絕大部分為小雨天氣。在有合理措施防護的情況下，只要能防止小雨落入鋰渣搬運盤內，就能保證鋰渣安全消化。因此，必須為鋰渣消化作業場地搭建消化平臺防雨棚以及鋰渣搬運安全通道雨棚。方案為：

（1）依托原有鋰渣消化平臺加裝防雨雨棚，鋰渣消化平臺雨棚長16m，寬5m，坡度背向金屬鋰渣消化池。材質為彩鋼瓦，框架鋼結構做了防腐處理。

（2）加裝從鋰渣處理場地到鋰渣消化平臺之間的鋰渣搬運安全通道的防雨雨棚，安全通道雨棚寬3m，高3m。材質為彩鋼瓦，框架鋼結構做防腐處理。

2.2對鋰渣處理、消化工藝改進以提高鋰渣消化作業速度

為了縮短鋰渣在包裝桶中停留的時間，就必須要盡快將鋰渣消化處理掉。因此提高鋰渣的消化速度就成為相當關鍵的一個因素。鋰渣如果消化速度太快，反應生成的氫氣不能及時擴散，就會出現爆鳴，甚至爆炸，對設備、環境造成損壞。經過反復商討與實際驗證，認為主要原因是鋰渣未經過分離，塊狀渣塊度太大，持續反應時間長，容易形成熾熱的金屬球體，將反應產生的氫氣點燃引爆（氫氣與空氣混合的爆炸極限比例為0.05～0.96）。其次就是消化池液面浮油太多，不利于反應生成的氫氣逸散，容易在浮油層下造成積累，形成爆炸或爆鳴。

2.2.1 鋰渣預處理及消化工藝改進。項目組通過對鋰渣進行篩分與不篩分，篩分后塊狀渣進行切割成不同大小的渣塊，以及在消化時，通過不同的投料速度，來確定一個合理的鋰渣安全操作數據。塊度切割及消化速度實驗數據見表1。

表1 塊度切割及消化速度實驗數據表

通過對實驗數據分析，對鋰渣必須進行分篩作業，細顆粒鋰渣單獨裝桶，對大塊鋰渣進行切割作業，切割后塊渣直徑不得大于20mm，細顆粒渣和塊渣分開。渣桶用干燥石灰粉進行干燥處理后再盛放處理后的渣。鋰渣的消化作業速度：塊狀渣消化速度不超過30 Kg/h；細顆粒狀渣消化速度不得超過50Kg/h。

2.2.2 去除鋰渣消化液表層的浮油。將消化池隔開，分為消化區和油污富集區。首先用泵將油污富集區下層的消化液抽出，通過傾斜噴嘴噴出，其一，可以使浮油層的油污在噴射液體的推動下，向油污富集區運動；其二，消化液進入消化池中，抬高了消化區液層的液面，在消化液溢出消化區時，使表層的浮油層的油污更容易流入油污富集區。經過每次約半小時的循環，可以使消化區表層的絕大部分油污流入油污富集區，從而達到消除消化液表層油污的目的。如圖1所示。

通過以上措施的實施，鋰渣消化速度從原來每小時15kg提高到目前塊狀鋰渣每小時消化30Kg，細顆粒鋰渣每小時消化50Kg。消化速度提高了1倍以上，從根本上降低了鋰渣由于儲存時間長而引發自燃的可能性。

2.3 鋰渣庫內溫濕度控制及環境改造

為了改善鋰渣儲存庫房的環境，使之能達到國標所規定的條件。《中華人民共和國國家標準——易燃易爆性商品儲藏養護技術條件》（GB17914-1999）所規定的儲存條件[7]：遇濕易燃物品：濕度≤75%，溫度≤32℃；主通道：≥180cm；支通道：≥80cm；墻距：≥30cm。

還必須對鋰渣包裝桶內的鋰渣實施監控，測量其內部溫度的實時變化，以及現象。設計要求必須使庫房內環境溫、濕度探測，鋰渣內部溫度實時探測，煙感探測、視頻監控以及自動報警集中在中央控制電腦上集中顯示。

2.3.1 對鋰渣儲存庫房環境改造。為滿足以上要求，結合本地氣候特征，對原鋰渣儲存庫房進行改造。（1）現鋰渣庫房長8m，寬6m，經過規劃，在符合國標條件下，庫房內最多可存放10桶鋰渣；鋰渣存儲庫房規劃如圖2所示。（2）鋰渣庫房內空間為48m2。經查閱有關資料，KRF-70（3P）空調匹配面積為42-52m2，但是由于庫房密封性能不好，因此必須為庫房配備一臺功率為KRF-120（5P）的空調。（3）鋰渣庫房長8m，寬6m，高3.6m，容積為172.8m3。由于庫房密封性不好，新風濕度必須達到70%RH才能使庫房內環境保持在75%以內，預計每小時對庫房內空氣循環干燥一次，除濕量為：

W=ρ×V×（X1-X2）×C

ρ：空氣密度，以1.2Kg/m3計；V：庫房容積，以173m3計；X1：除濕前的空氣含水量，以極端天氣濕度計，（濕度95%RH，溫度18℃時的空氣含水量，查表所得為0.013kg/kg干空氣）；X2：除濕后的空氣含水量，（在濕度70%RH，溫度18℃時的空氣含水量，查表所得為0.009kg/kg干空氣）；C：保險系數，通常以1.2計。

W=1.2×173×（0.013-0.009）×1.2

W=0.99648（Kg/h）≈1（Kg/h）

經調研及綜合評選，選擇川越牌CY-261E除濕機（26L/D）完全能滿足需求。并為鋰渣庫房內安裝溫、濕度探頭，實時檢測庫房內環境溫、濕度變化情況。（4）為鋰渣庫房內安裝煙感探頭，以防止鋰渣溫度探測失效，在發生自燃前，有煙霧散發出來時，就可以探測到，及時處理，避免金屬鋰渣爆燃現象。

2.3.2 對鋰渣內部溫度和表象的監測。經過對遠紅外測溫設備與接觸式測溫設備進行調研比較，發現遠紅外測溫設備可靠性沒有接觸式測溫設備高。而且，遠紅外測溫設備在探測堆積物料內部溫度性能上，性價比太低。因此，選用了性能可靠而且價格低廉的熱電阻感溫探測設備。

鋰渣內部溫度探測采用熱電阻外加薄不銹鋼管制作而成的熱電阻感溫探測棒，采用探測棒全長長度為83cm，有效探測長度為70cm的探測棒。上端用電線連接，溫度信號送入數顯終端集中顯示。在鋰渣進入庫房后，按指定位置放好，將溫度探測棒沿鋰渣桶中心位置豎直插入鋰渣中，上端預留約5～10cm長度。

2.3.3 鋰渣存儲庫房的視頻監控系統。為鋰渣存儲庫房內安裝視頻監控系統原因有二，其一，是為了防止熱電阻溫度探測設備故障的備份手段。一旦鋰渣溫度升高，就會有少量煙霧散發出來，但又還沒有觸發煙霧傳感器的時候，就可以通過視頻影像觀察，及早發現鋰渣的異常情況，及早作出處理。其二，是可以通過影像監控鋰渣庫房內部環境變化，避免異常情況發生。設計在庫房內安裝一臺紅外一體攝像機，將其影像信號傳送到中央控制電腦上，影像資料可以循環備份在硬盤里，并可以在顯示器上實時顯示。

2.3.4 對鋰渣庫房溫、濕度，視頻，煙感信號集中整合。假定庫房內有十桶鋰渣，給每個桶安裝一個溫度探測器，把溫度信號傳送到值班室。當鋰渣存儲庫房內任何一個溫度信號超過設定溫度時，都會觸動聲光報警器報警，提示值班室值班人員，趕到現場處理報警的金屬鋰渣。在信號傳輸過程中，考慮到鋰渣庫房和值班室之間距離較遠，會影響溫度信號的準確性和以后檢修的方便性，設計中增加電信號變送器，并集中在一個控制箱內，安裝在庫房外墻上。電信號變送器將阻值信號轉換成相應的4～20mm穩定信號傳輸給中央控制電腦。顯示器上可清晰顯示10個金屬鋰渣桶內的金屬鋰渣溫度和庫房內環境溫、濕度。庫房內任何一個點的監測數據超過設定值，中央控制電腦就會控制聲光報警器發出警報。

通過技術人員對以上三個系統的信號經行整合，集中有中央控制電腦控制、中轉，并在顯示器各顯示區域分別顯示。如圖3所示。

3 改進取得的效果

經過以上改進措施實踐，解決了鋰渣在儲存過程中的自燃問題，消除了金屬鋰生產過程中的一個重大安全隱患。目前整個系統運行穩定，從2013年5月該項目完成以后至今，已經歷近兩年時間，未出現一起金屬鋰渣自燃事件。金屬鋰渣的消化效率得到了長足的提高，同時解決了金屬鋰渣在雨天不能消化的問題，最后還完善了金屬鋰渣儲存庫房的環境條件，使之能達到國家規定的安全儲存標準，并能使庫房內金屬鋰渣的情況得到有力監控。

參考文獻

[1]百度知道·金屬鋰的特性.[EB/OL].2014年4月17日.http：//zhidao.baidu.com.

[2]維基百科·宜賓市.[EB/OL].2014年4月15日.http：//zh.wikipedia.or

g/wiki.

[3]金屬鋰渣消化安全操作規程[Z].內部資料，2009，4.

[4]何驚華.金屬鋰及氫化鋰在水氛中反應機理的研究[J].四川師范大學，2005，6.

[5]陳貞臣，田春良.金屬鋰與水反應新釋[J].化學教育，1989，1.

[6]中華人民共和國國家標準.GB17914-1999.易燃易爆性商品儲藏養護技術條件[S].

作者簡介：李路平（1978，3-），男，陜西寶雞人，本科，工程師，研究方向：化工、設備。