轮辐转子式块状物料定量给料装置在预防硅粉加工粉尘爆炸中的应用

2020-09-07刘光年

水泥工程 2020年2期

刘光年

（1.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽合肥230051；2.合肥固泰自动化有限公司，安徽合肥230051）

0 概述

随着社会进步和经济发展对高性能材料需求的增长，有机硅材料与人们日常生活、工农业生产和高新技术发展的关系愈加密切。有机硅是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上把通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。广泛应用于建筑工程、纺织、电子、交通运输、石油化工、航空航天、新能源、医疗、机械、造纸、日化和个人护理品等几乎所有工业领域和高新技术领域，成为现代工业及日常生活不可或缺的高性能材料。

近十年以来，全球聚硅氧烷产能增量主要来自中国，受原材料、成本和市场等因素影响，海外产能增长缓慢。目前，全球聚硅氧烷产能主要集中在中国以及西欧、北美、日、韩等发达国家和地区。未来，中国聚硅氧烷产能仍有较多新增计划，预计2022年全球聚硅氧烷总产能将达到300万t/年，产量达到250万t。

1 硅粉加工粉尘爆炸的条件

硅粉加工过程就是将大的硅块加工成所需要的硅粉，硅粉的颗粒越小，越易悬浮在所在气体中，越细的粉状物料表面积越大，如果燃烧，燃烧速度越快，升压越快，爆炸压力越大。初始爆炸的气浪会将沉积的粉尘扬起，往往会产生二次爆炸。连续爆炸会造成极大的破坏，因此各个硅粉加工企业都非常重视硅粉在加工过程中的安全防范措施。硅粉危险特性见表1。

由表1可看出，硅粉加工粉尘爆炸需要满足三个条件：（1）可燃粉尘形成硅粉云，（2）助燃物（主要是空气中的氧气），（3）点火源。当上述三个条件同时满足、互相作用时，硅粉爆炸就会发生了。

2 硅粉加工过程中各个工艺段均存在的爆炸风险

2.1 粉碎或研磨过程中存在爆炸风险

硅粉的生产过程中的粉碎和研磨是关键过程，就是将大的硅块通过破碎机破碎成稍小的硅块，稍小的硅块通过提升机进入硅块仓中，然后再通过计量设备准确计量后，进入磨机中进行粉磨。

表1 硅粉危险特性[2]

按照制粉原理和作用力的性质不同，将粉碎过程分为挤压、冲击和研磨等方法。一般情况下，粉碎研磨操作要同时用到多种用力。粉碎加工过程中会造成大量粉尘的飞扬而形成硅粉云（即悬浮于设备内的粉尘）处于爆炸浓度范围内。表2列出了流化床用硅粉粒径分布情况。如果硅粉云中氧含量超标，氧气即为助燃物，而且细粉含量也比较高，危险较大。

表2 流化床用硅粉粒径分布[3]

无论是立式磨还是旋风磨，进行硅粉加工硅块时，都会与设备进行碰撞、挤压和摩擦而产生热量与火花。设备内部由于机械运转部位缺乏润滑也会产生热量。

颚式破碎机破碎硅块产生的火花，斗式提升机输送的链条，以及链斗的撞击都会产生一定能量的火花。同时物料与物料、设备、管道之间由于摩擦和撞击，会产生静电。电气设备故障也极易产生电火花。未按照除铁器，原料中带进的铁质杂质或因设备维修不及时个别部件松脱、破损等产生的大块铁件与设备、管道碰撞产生的火花，这些火花的产生为爆炸提供了点火源。如果硅粉加工过程中氧含量超标，氧气即为助燃物，满足粉尘爆炸的三个条件，硅粉爆炸很可能会发生[4]。

2.2 分离与除尘过程存在爆炸风险

（1）旋风分离后，细粉尘经脉冲布袋除尘器收集，经概率筛分离，主要原理都是利用气流旋转过程中作用在物体上的离心力，使物料进入脉冲布袋除尘器收集后，在重力作用下，经过概率筛筛分。整个过程中粉尘均处于悬浮状态。此时只要有足够的点火源，爆炸事故就会不可避免地发生[4]。

（2）旋风磨采用概率筛与旋振筛相结合的分离方式。物料在重力下落至筛网，以及在筛网的振动作用下，整个过程中粉尘均处于悬浮状态。此时只要有足够的点火源，爆炸事故同样也会不可避免地发生[4]。

2.3 计量与输送过程存在爆炸风险

硅粉的计量和输送基本上采用连续和自动化输送。主要输送设备有斗式提升机、胶带输送/链斗式输送机、电振动输送和气力输送。输送过程中，输送粉尘气相密度越大，危险性越大。另外，斗式提升机输送时链条、链斗的撞击，物料与物料、设备、管道之间由于摩擦和撞击，也会产生静电。计量秤如果采用传统的皮带秤，不能进行密封，会有大量空气由于磨机内部负压进入磨机当中，从而造成氧含量超标，加之摩擦和碰撞形成的火花。这些情况均会引发硅粉尘爆炸。

2.4 硅粉加工过程中设备外部潜在爆炸风险

硅粉在加工过程中，除了设备内部潜在风险，设备外部也存在风险。

外溢到车间的硅粉，遇到通风不良，硅粉尘浓度较高达到爆炸极限；设备转动部位润滑不良造成部件过热；车间地面未采用不发火地面，可能因碰撞而产生火花；部分设备未安装静电接地设施；管道法兰与法兰，法兰与阀门未进行防静电跨接产生静电火花；破碎、筛分等工艺过程未进行惰性气体保护，或虽进行一定惰性气体（如氮气）进行保护，但氧含量仍然超过7%，这些都容易引发火灾爆炸事故。

粉尘沉积，能形成较厚的硅粉堆积，如果易积尘设备平台表面未及时清理积尘，容易造成二次爆炸。

3 防止粉尘爆炸的安全技术措施

3.1 常规措施

由于硅粉表面积大，易于氧化而发生粉尘爆炸，为了保证硅粉加工安全生产，首先要对所有有硅粉加工的工艺设备、电气设备及自控仪表均采用防爆处理外，其次还要控制硅粉加工生产厂房粉尘浓度；减少粉尘沉积转动部位应做到定期润滑，防止部件过热。防止静电和静电放电，管道法兰与法兰、法兰与阀门之间都进行防静电跨接。惰性气体保护，减少氧含量，一般要求控制氧含量＜7%。控制明火，加强安全教育。

3.2 加装轮辐转子式块状物料定量给料装置

由于原先工艺硅块在进入磨机之前需要进行计量，原先的计量设备采用皮带秤进行计量（见图1），加之在立磨系统的磨头没有加装锁风装置，同时整个磨机系统是负压状态，漏风量大，仅靠料封起不到锁风作用，且块状物料很难起到锁风目的，漏入的空气将直接增加硅磨系统循环风的负荷。漏入的空气大大增加了整个系统的氧含量，而硅粉是一种硬度很大的物质，在磨机中很难磨成粉状物质，进行硅粉加工硅块时，硅块会与设备进行碰撞、挤压和摩擦而产生热量与火花粉碎加工过程中会造成大量粉尘的飞扬而形成硅粉云（即悬浮于设备内的粉尘）处于爆炸浓度范围内。如果硅粉云中氧含量超标，氧气即为助燃物，而且细粉含量也比较高，危险较大。鉴于此，决定将计量设备种的皮带秤取消，采用密封性能好的轮辐转子式块状物料定量给料装置，可以有效解决系统漏风问题，同时降低电耗。

图1 早期硅块用皮带秤进行计量示意图

3.2.1 轮辐转子式块状物料定量给料装置系统组成

轮辐转子式块状物料定量给料装置的新一代块状物料的计量与给料装置。该装置计量准确可靠、调节范围宽、结构紧凑全密闭、耐高温、使用寿命长、故障率低、维护成本低。主要用于对块粒状物料进行长期连续动态计量与定量给料，如像入水泥磨配料、生料配料、入煤（硅块）磨喂料、电厂流化床锅炉喂煤、冶金配料等，其工艺系统组成如图2所示。

图2 轮辐转子式块状物料定量给料装置工艺系统图

3.2.2 轮辐转子式块状物料定量给料装置功能特点

（1）轮辐转子式块状物料定量给料装置物料范围适应宽（大到100 mm的物料），且耐高温、耐腐蚀性强。

（2）独特的防卡料技术。块状物料容易造成轮辐转子的卡死，故对于轮辐转子的支撑系统要求能自动清除卡住的物料或异物。对于本系统，轮辐转子通过中心轴装置驱动，此中心轴能沿水平和垂直方向滑动，轮辐转子的重量部分由片装弹簧机构支撑，其余重量作用于下密封板。这样轮辐转子可以绕自身中心旋转，同时可以上下和水平浮动，卡住的物料或异物容易自动清除。同时，设计了耐磨墙，轮辐连接着耐磨墙一起旋转，有效避免了轮辐与壳体壁的磨损和卡料。

（3）实行了预期控制技术，任何时刻的转子负荷及其所处角位移存储在控制系统中，在物料卸出前，由系统的设定流量值和负荷计算出卸料时的角速度，控制变频调速电机的速率，实现定量喂料，技术先进，喂料稳定。

3.2.3 轮辐转子式块状物料定量给料装置的优势

（1）独特地长寿命设计，使用寿命长，故障率低，维护简单。

（2）密封与耐高温技术。轴承的密封采用密封支架形式的结构，容易更换密封件。全密闭结构，只有转子和密封板与高温物料接触，轴承、计量等部件布置于壳体之外，轴承采用气封降温+耐高温毛毡密封+多层密封支架结构，保证设备耐高温长寿命运行。

（3）采用PLC控制，可实现自动计量，定量喂料，自动校正，故障报警，瞬时流量和累计量显示等功能。具有完善的信号传输与通讯功能，自动化程度高，功能强，适应现代化大中型水泥厂的自动控制要求。

（4）布置安装简单，占用空间小，便于维护。

3.2.4 改造步骤

（1）将原先的皮带秤移走，同时将原先的下料管拆秤；

（2）建立设备按照平台（4 000 mm×4 500 mm），将轮辐转子式块状物料定量给料装置安装到位与出料口对齐；

（3）制作出料口接口及软连接；

（4）制作并安装进料溜子，连接进料口，并制作软连接；

（5）安装锁风喂料装置；