輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置在預防硅粉加工粉塵爆炸中的應用

劉光年

（1.合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥230051；2.合肥固泰自動化有限公司，安徽 合肥230051）

0 概述

隨著社會進步和經濟發展對高性能材料需求的增長，有機硅材料與人們日常生活、工農業生產和高新技術發展的關系愈加密切。有機硅是指含有Si-C鍵、且至少有一個有機基是直接與硅原子相連的化合物，習慣上把通過氧、硫、氮等使有機基與硅原子相連接的化合物也當作有機硅化合物。廣泛應用于建筑工程、紡織、電子、交通運輸、石油化工、航空航天、新能源、醫療、機械、造紙、日化和個人護理品等幾乎所有工業領域和高新技術領域，成為現代工業及日常生活不可或缺的高性能材料。

近十年以來，全球聚硅氧烷產能增量主要來自中國，受原材料、成本和市場等因素影響，海外產能增長緩慢。目前，全球聚硅氧烷產能主要集中在中國以及西歐、北美、日、韓等發達國家和地區。未來，中國聚硅氧烷產能仍有較多新增計劃，預計2022年全球聚硅氧烷總產能將達到300萬t/年，產量達到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。初始爆炸的氣浪會將沉積的粉塵揚起，往往會產生二次爆炸。連續爆炸會造成極大的破壞，因此各個硅粉加工企業都非常重視硅粉在加工過程中的安全防范措施。硅粉危險特性見表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）點火源。當上述三個條件同時滿足、互相作用時，硅粉爆炸就會發生了。

2 硅粉加工過程中各個工藝段均存在的爆炸風險

2.1 粉碎或研磨過程中存在爆炸風險

硅粉的生產過程中的粉碎和研磨是關鍵過程，就是將大的硅塊通過破碎機破碎成稍小的硅塊，稍小的硅塊通過提升機進入硅塊倉中，然后再通過計量設備準確計量后，進入磨機中進行粉磨。

表1 硅粉危險特性[2]

按照制粉原理和作用力的性質不同，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用到多種用力。粉碎加工過程中會造成大量粉塵的飛揚而形成硅粉云（即懸浮于設備內的粉塵）處于爆炸濃度范圍內。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，氧氣即為助燃物，而且細粉含量也比較高，危險較大。

表2 流化床用硅粉粒徑分布[3]

無論是立式磨還是旋風磨，進行硅粉加工硅塊時，都會與設備進行碰撞、擠壓和摩擦而產生熱量與火花。設備內部由于機械運轉部位缺乏潤滑也會產生熱量。

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

2.2 分離與除塵過程存在爆炸風險

（1）旋風分離后，細粉塵經脈沖布袋除塵器收集，經概率篩分離，主要原理都是利用氣流旋轉過程中作用在物體上的離心力，使物料進入脈沖布袋除塵器收集后，在重力作用下，經過概率篩篩分。整個過程中粉塵均處于懸浮狀態。此時只要有足夠的點火源，爆炸事故就會不可避免地發生[4]。

（2）旋風磨采用概率篩與旋振篩相結合的分離方式。物料在重力下落至篩網，以及在篩網的振動作用下，整個過程中粉塵均處于懸浮狀態。此時只要有足夠的點火源，爆炸事故同樣也會不可避免地發生[4]。

2.3 計量與輸送過程存在爆炸風險

硅粉的計量和輸送基本上采用連續和自動化輸送。主要輸送設備有斗式提升機、膠帶輸送/鏈斗式輸送機、電振動輸送和氣力輸送。輸送過程中，輸送粉塵氣相密度越大，危險性越大。另外，斗式提升機輸送時鏈條、鏈斗的撞擊，物料與物料、設備、管道之間由于摩擦和撞擊，也會產生靜電。計量秤如果采用傳統的皮帶秤，不能進行密封，會有大量空氣由于磨機內部負壓進入磨機當中，從而造成氧含量超標，加之摩擦和碰撞形成的火花。這些情況均會引發硅粉塵爆炸。

2.4 硅粉加工過程中設備外部潛在爆炸風險

硅粉在加工過程中，除了設備內部潛在風險，設備外部也存在風險。

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

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

3 防止粉塵爆炸的安全技術措施

3.1 常規措施

由于硅粉表面積大，易于氧化而發生粉塵爆炸，為了保證硅粉加工安全生產，首先要對所有有硅粉加工的工藝設備、電氣設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廠房粉塵濃度；減少粉塵沉積轉動部位應做到定期潤滑，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行防靜電跨接。惰性氣體保護，減少氧含量，一般要求控制氧含量＜7%。控制明火，加強安全教育。

3.2 加裝輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置

由于原先工藝硅塊在進入磨機之前需要進行計量，原先的計量設備采用皮帶秤進行計量（見圖1），加之在立磨系統的磨頭沒有加裝鎖風裝置，同時整個磨機系統是負壓狀態，漏風量大，僅靠料封起不到鎖風作用，且塊狀物料很難起到鎖風目的，漏入的空氣將直接增加硅磨系統循環風的負荷。漏入的空氣大大增加了整個系統的氧含量，而硅粉是一種硬度很大的物質，在磨機中很難磨成粉狀物質，進行硅粉加工硅塊時，硅塊會與設備進行碰撞、擠壓和摩擦而產生熱量與火花粉碎加工過程中會造成大量粉塵的飛揚而形成硅粉云（即懸浮于設備內的粉塵）處于爆炸濃度范圍內。如果硅粉云中氧含量超標，氧氣即為助燃物，而且細粉含量也比較高，危險較大。鑒于此，決定將計量設備種的皮帶秤取消，采用密封性能好的輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置，可以有效解決系統漏風問題，同時降低電耗。

圖1 早期硅塊用皮帶秤進行計量示意圖

3.2.1 輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置系統組成

輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置的新一代塊狀物料的計量與給料裝置。該裝置計量準確可靠、調節范圍寬、結構緊湊全密閉、耐高溫、使用壽命長、故障率低、維護成本低。主要用于對塊粒狀物料進行長期連續動態計量與定量給料，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，其工藝系統組成如圖2所示。

圖2 輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置工藝系統圖

3.2.2 輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置功能特點

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

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

（3）實行了預期控制技術，任何時刻的轉子負荷及其所處角位移存儲在控制系統中，在物料卸出前，由系統的設定流量值和負荷計算出卸料時的角速度，控制變頻調速電機的速率，實現定量喂料，技術先進，喂料穩定。

3.2.3 輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置的優勢

（1）獨特地長壽命設計，使用壽命長，故障率低，維護簡單。

（2）密封與耐高溫技術。軸承的密封采用密封支架形式的結構，容易更換密封件。全密閉結構，只有轉子和密封板與高溫物料接觸，軸承、計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+多層密封支架結構，保證設備耐高溫長壽命運行。

（3）采用PLC控制，可實現自動計量，定量喂料，自動校正，故障報警，瞬時流量和累計量顯示等功能。具有完善的信號傳輸與通訊功能，自動化程度高，功能強，適應現代化大中型水泥廠的自動控制要求。

（4）布置安裝簡單，占用空間小，便于維護。

3.2.4 改造步驟

（1）將原先的皮帶秤移走，同時將原先的下料管拆秤；

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

（3）制作出料口接口及軟連接；

（4）制作并安裝進料溜子，連接進料口，并制作軟連接；

（5）安裝鎖風喂料裝置；

（6）布放輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置運行所需的電纜電線，與中控連接；

（7）具體安裝圖如圖3所示；

（8）現場控制柜觸摸屏畫面如圖4所示。

3.2.5 改造后效果

（1）有效的解決因為硅塊的尖銳性而劃壞皮帶的難題，轉子秤因為全是金屬結構，部分轉子和密封板是耐磨材質，因此不存在這種現象，降低了事故的處置時間和現場工人的工作量。

圖3 現場安裝圖

圖4 現場控制柜觸摸屏界面

（2）良好的鎖風效果，不但提高了磨內細粉的選粉能力和分離效果；提高了系統的烘干能力，系統產量也同比增長不少，電耗也同比降低，最主要的是磨機內部的氧含量能大幅度降低，降低到安全范圍以內（氧含量≤7%），同時減少惰性氣體氮氣的充入（進行惰化），也節約了能源。讓磨機一直處于安全狀態運行。

（3）輪輻轉子式塊狀物料定量給料，穩定連續的運行，有利于硅粉質量的穩定，同時也提高了磨機的產量。

（4）由于硅粉產量的提高，可以較好地利用電價優惠政策，在用電量不變的情況下，減少電費支出。

（5）能有效降低故障損毀和運行磨損，減少維護工作量和維護費用，改造前，設備每年的維修費用約10～20萬元。

4 結論

通過一段時間的有效運行，發現輪輻轉子式塊狀物料定量給料裝置，具有良好的鎖風效果，能夠精確計量，穩定喂料，提高產量。能夠有效的密封工藝設備，防止空氣由于磨機負壓而進入磨機內部，大大降低了磨機內部的氧含量，讓設備一直處于安全穩定狀態。可以說是一種有效的預防硅粉加工粉塵爆炸的安全措施。