高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝的工艺风险分析及预防措施

郭伦甫

(广州市万保职业安全事务有限公司，广东 广州 510000)

随着国民经济的快速发展，铝及铝合金被广泛应用于航天、建筑、电力等重要领域，我国经探测的铝土矿资源虽然丰富，但能开采的有限[1]。铝矿产资源因人均占有量不足而日趋短缺，同时也存在开采和利用方式粗放、综合利用水平低、浪费严重等问题，因此我国面临长期依赖国外铝矿产资源的风险[2]。针对铝及铝合金等基础原料快速增长的需求，提高氧化铝产量是目前急需解决的问题。内蒙古A 公司发电厂燃煤中大量伴生勃姆石（软水铝石）和高岭石等富铝矿物，燃烧后产生的粉煤灰中氧化铝含量达到50%左右，远远高于国内常规粉煤灰中的含量，是一种非常宝贵的再生铝矿物资源，经论证可用于氧化铝的制备。经过十多年的发展，国内高铝粉煤灰制备氧化铝工艺逐渐成熟，产能逐渐提升，不仅可以消化大量煤燃烧排放的工业固体废弃物，而且大量消化当地其他化工企业排放的电石渣，对推动节能减排，缓解我国天然铝土矿资源短缺具有重要意义。

1 高铝粉煤灰制备氧化铝工艺流程简述

目前，国内外高铝粉煤灰制备氧化铝的工艺路线主要有两条：（1）预脱硅加碱石灰烧结法[3]；（2）传统的石灰石烧结法[4]。经化验分析，A 公司粉煤灰主要含有Al2O3和SiO2，结果见表1。A 公司采用预脱硅加碱石灰烧结法制备氧化铝，该技术的主要特点是采用预脱硅技术，提高铝硅比，降低成渣量。预脱硅加碱石灰烧结法制备氧化铝工艺流程见图1。

图1 预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝工艺流程

表1 粉煤灰主要化学成分

2 工艺危险性分析

目前电解铝安全管理文献较多[5]，但高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝工艺危险性分析报道较少。高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝工艺复杂，工艺流程中物料循环利用，不仅涉及大量的化学反应还涉及大量的物理变化。该装置的原料高铝粉煤灰，在经过一系列的化学反应后，得到最终产品。一些化学反应需要在高温、强碱条件下进行，辅料有生石灰、氢氧化钠等腐蚀性较强的物料，装置在运行过程中产出CO 等有害气体，这些物料和反应条件或多或少都具有一定的危险性。因此根据工艺流程，辨识出危险性较大的工段，找出产生危害的原因。

（1）粉煤灰脱硅。将粉煤灰与氢氧化钠溶液按一定比例混合后用泵输送至设有加热套的反应釜中，用蒸汽加温至130 ℃左右，在停留罐中停留数小时，使煤灰中的一部分SiO2与NaOH 发生反应，生成Na2SiO3进入溶液中，达到从煤灰中脱硅的目的。将溶液进行分离得到脱硅液和煤灰。脱硅液分两路：一路向其中加入石灰乳，使其中的Na2SiO3与Ca（OH）2反应生成NaOH 与CaSiO3沉淀，得到CaSiO3成品，溶液送往蒸发工段；另一路向其中通入CO2气体，生成SiO2（白炭黑）与Na2CO3溶液，分离后的Na2CO3溶液中加入石灰乳进行苛化，苛化后的固体是CaCO3，液体是NaOH，溶液送至蒸发工段。该工序主要反应是SiO2与NaOH 在反应罐中反应，如果加热时间过长、温度过高，容易造成溶液中大量的水被蒸干；操作失误时大量的碱液存在泄漏；如果CO2气体在反应时与过量的碱液反应失控发生放热，会导致反应釜爆炸。因此该工段主要存在中毒窒息、碱液灼伤、高空坠落、高温烫伤、机械伤害、触电、爆炸等有害因素。

（2）生料制备。将经过脱硅的粉煤灰与电石渣、无烟煤、循环母液按一定比例混合后经过磨机研磨，混合均匀，然后经过化验、加母液调整，最终得到合格的生料浆。该工序不存在化学反应，主要是将物料混合均匀，在用磨机磨料时电石渣和无烟煤存在粉尘爆炸风险，主要存在机械伤害、碱液灼伤、噪声、触电、粉尘爆炸、火灾等有害因素。

（3）生料烧结。将配制合格的生料浆用柱塞泵定量、定压力输送至回转窑中，在一定的温度条件下进行烧结，烧结后的熟料经过冷却破碎后输送至溶出工序熟料仓。熟料烧结采用回转窑，熟料采用单筒冷却。该工序主要发生化学反应，Na2CO3和Al2O3生成NaAlO2和CO2气体，如果超负荷生产易造成超压爆炸。该工序主要存在机械伤害、高温烫伤、噪声、触电、爆炸、火灾等有害因素。

（4）熟料溶出。破碎后的熟料(粒径不超过8 mm)在筒形溶出器内与同时加入的调整液进行逆流溶出，溶出后的粗渣与硅钙渣二次洗液进棒磨机继续细磨。该工序主要是物理溶解分离，不存在化学反应，主要存在机械伤害、噪声、触电等有害因素。

（5）溶出液脱硅与精制。将沉降槽溢流出来的溶出液加入种分母液，提高苛性比值，然后经过两段脱硅：一段是将溶出液用泵送入套管用蒸汽加热至150 ℃左右，使其中的SiO2以水合铝硅酸钠形式析出，过滤后的溶出液加入石灰乳并搅拌进行二段深度脱硅，使其中的SiO2以水化石榴石形式析出，溶液过滤后进行碳酸化分解。该工序主要存在机械伤害、高温烫伤、触电、碱液灼伤等有害因素。

（6）铝酸钠溶液的碳分。在一定的温度条件下向铝酸钠溶液中通入CO2气体，反应充分后生成氢氧化铝固体与Na2CO3溶液，粗颗粒氢氧化铝用平盘进行过滤洗涤，得到洗涤合格的氢氧化铝固体，较细颗粒的氢氧化铝用立盘过滤后作为种子分解晶种。该工序主要是NaAlO2和CO2气体反应生产Al(OH)3和NaOH，通入过量的CO2气体会导致反应釜超压爆炸，因此主要存在中毒窒息、碱液灼伤、机械伤害、触电等有害因素。

（7）蒸发。主要针对碳分母液与脱硅用的NaOH 溶液，两种溶液都需要蒸发以提高浓度。经过蒸发合格的碳分母液被送至生料制备工序制备生料浆，NaOH 溶液送往粉煤灰脱硅工序对下一批粉煤灰进行脱硅，达到循环使用的目的。该工序的主要设备是降膜蒸发器，只发生物理变化。该工序主要存在机械伤害、触电、噪声、高温烫伤等有害因素。

（8）焙烧。脱出氧化铝结晶水的工序，主要使用焙烧装置，采用气态悬浮焙烧技术，燃料来自自制煤气升温。该工序主要存在机械伤害、触电、高温烫伤、火灾、爆炸、中毒窒息等有害因素。

（9）煤气站。全场煤气的生产基地，主要设备是煤气发生炉，煤气发生炉主要消耗煤生产出CO、CO2、H2等混合气体（简称“煤气”）。煤气发生炉在反应时压力容器或压力管道泄漏或超压造成火灾爆炸。CO 气体是毒害性气体，CO 和H2是易燃易爆气体。该工序主要存在机械伤害、触电、高温烫伤、火灾、爆炸、中毒窒息等有害因素。

（10）石灰煅烧工序。将石灰石与焦炭或无烟煤按一定的比例混合均匀后送入石灰窑中，在一定的温度条件下进行煅烧，得到合格的生石灰，并将石灰窑的窑气经过净化、压缩作为生产白碳黑与碳酸化分解的原料—CO2。该工序主要存在机械伤害、触电、高温烫伤、火灾、爆炸、中毒窒息等有害因素。

3 工艺故障类型和影响分析

故障类型和影响分析(FMEA)是一种非常广泛和重要的系统安全分析方法，是复杂系统工程辨识影响因素的常用方法[6]。对辨识出的中毒窒息、碱液灼伤、高空坠落、高温烫伤、机械伤害、触电、火灾、爆炸、噪声等9 种危险有害因素进行归集，结合以上9 种危险有害因素可将车间典型不安全事件归为以下5 类，即安全防护用品不全或损坏、人员误操作、装置超负荷运行、装置带病运行、安全管理体系不健全。对车间运行过程发生故障时在各FMEA 条件下进行分析，具体见表2。

表2 高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝车间故障类型及风险因素

对表2 中列出的各个影响因素进行归并得到21 个影响因素，将21 个影响因素归集得到高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝车间影响因素集，该影响因素集=﹛装置人员安全风险意识不强；经验不足；安全教育培训不足；社会经济形势不佳；监督检查不到位；防护用品质量差；工作时间过长；班组的氛围不佳；频繁重复相同工作；薪资较低；身心不佳；工作环境差；使用技术水平不达标；设备故障不能控制反应或分离；报警设备故障；报警设备冗余量不足；物料有腐蚀性；物料自身具有易燃易爆性；维护不到位；设备的机械完整性能不佳；应急处理能力不强﹜。

4 采取的安全措施

根据高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝车间风险因素集M，制定以下安全措施。

4.1 防火防爆安全措施

（1）氢氧化铝焙烧车间、煤气站设可燃气体检测仪和有毒气体报警仪，车间通过防爆轴流风机强制通风，避免可燃气体和有毒气体积聚。

（2）工艺系统中所有压力容器和蒸汽管路装设有压控阀和安全阀。一旦超压优先使用压控阀泄压；超过安全阀起跳压力时，通过安全阀泄压。为防止空压站储气罐超压爆炸，储气罐设防爆安全阀。

（3）除尘系统（包括除去的污染物含煤粉尘）。电机和除尘器选用煤粉防爆型。储存和输送煤气的容器和管道全部采取静电接地。

（4）严格按照《建筑设计防火规范》进行规范设计。氢氧化铝焙烧车间、煤气站和其他车间按功能集中布置。优先采用钢筋混凝土框架结构，框架采用防火、防爆、耐腐蚀等安全措施。

4.2 电力系统的安全措施

电气系统是该装置的核心，一旦装置失电引起整个车间紧急停工。由于该装置在多粉尘和腐蚀性很强的生产环境中，为确保电气安全，采取如下防护措施：

（1）厂房按防雷规程计算雷击次数≥0.06时，按三类防雷建筑物设避雷带，且尽量利用自然接地体。

（2）变压器中性点直接接地，接地电阻不大于4 Ω，车间内的所有电气设备不带电的金属外壳均应可靠接零。

（3）设有车间变电所的建筑物在距变电所距离大于50 m 时，在电源进户处零线做重复接地，接地电阻小于10 Ω。

（4）配电所所有高压开关柜等电气设备设有“五防”装置（即防止带负荷合闸、防止带接地线合闸、防止误入带电间隔、防止带电挂接地线、防止带负荷拉刀闸）。

（5）配电设备均采用密封式结构，防止粉尘及腐蚀性气体的侵入，尽量减少裸露的带电体。采用防腐阻燃型电缆和耐高温电缆。变配电均采用户内式配电装置，室内配电装置室的进出风口加设金属防护网，防止小动物钻入造成短路事故。

（6）变压器室按一级耐火建筑物设计，高低压配电室按二级耐火建筑物设计。各变配电室均设置消防设施，注油设备配置泡沫灭火器，并设事故储油设施，带电部分使用干粉灭火器。

（7）严格按继电保护规定，合理配置各级保护设施。电气系统设短路保护、过负荷保护等装置。

4.3 防碱液灼伤措施

碱烧伤是该工艺最常见的伤害，在设计上采取一系列措施：各碱液槽罐区设围堰，避免事故时漫溢；将地面碱水和冲洗水回收；地沟加盖板，避免跌入和滑入；可能遭碱液/石灰侵害的地区设事故淋浴、水龙头等，配备硼酸溶液或其他冲洗设施及时冲洗。料浆管、精液母液管法兰加法兰罩，防止滴漏碱液伤人。岗位操作人员配备防酸碱服和防护面罩，尤其在粉煤灰预脱硅事故排料排入安全槽时，在工艺设计时考虑操作人员远离可能发生事故的排料地点。加强人员培训，提高安全意识。

4.4 生产系统安全设施

该工艺设有自控系统（DCS 操作系统），主机柜(控制器)、不间断电源设备（UPS）等安装在技术室内，操作员站和工程师站位于控制室内，通过控制室对生产过程进行监控和操作。自控系统可对全厂各车间生产过程工艺参数(如温度、压力、液位、流量、重量、密度、电导率、成分、电流、电压、功率等)进行自动检测、监控，有显示和记录工艺参数的功能，在相关参数超过工艺要求的上下限时发出声光报警信号。设置一套紧急停工系统，遇到紧急情况可迅速、就近停车。对远距离控制或多台电机采用联锁信号控制，发生事故时按顺序自动停车，并发出事故警报。

4.5 防烫伤及高温措施

（1）对高温管道、设备外部采取保温隔热措施，外表温度高于50 ℃的均设有岩棉保温层，使设备及管道表面温度均在50 ℃以下，防止烫伤事故发生。

（2）原矿浆磨制、蒸发、空压站等有余热产生的工段，均设通风器、避风天窗及通风帽等自然通风措施。循环水泵房等车间设机械通风系统，强制排除余热及有害气体。

（3）工业窑炉在设计时尽量减少散热。采用高效隔热内衬材料，煅烧炉及焙烧炉炉面温度不高于40 ℃。建筑上采用通风窗结构，操作岗位附近配备轴流风机。

4.6 防噪声控制措施

为降低噪声的影响，首先从声源上进行控制，设计阶段尽量选用低噪声的设备。其次，真空泵、罗茨风机、空压机、破碎机、排风机、鼓风机等均为室内布置，利用建筑物的隔声作用减少噪声扩散，一般隔音间的隔音量为l5 dB(A)左右；空压机、罗茨风机和排风机进出口处安装消音器和减振基础。此外，为降低噪声对操作员的影响，高噪声岗位设有隔音操作室。控制室内噪声在75 dB(A)以下、作业场所噪声在85 dB(A)以下(工作场所操作人员每天连续接触噪声8 h)。采取以上措施后满足《工业企业设计卫生标准》和《工业企业噪声控制设计规范》的要求。

4.7 防机械伤害、高空坠落和中毒窒息措施

所有运转设备外露部分设有防护罩，传送带设皮带廊，带式输送机设置紧急拉线开关、启动预报装置、防止误启动装置、胶带打滑、跑偏探测器和自动调整跑偏装置等。起重机械不使用铸造的吊钩，设过卷、超载、极限位且限制器及启动、事故信号装置，并设置安全联锁保护装置。操作、检修平台设护栏，其高度和强度符合国标要求；直梯、斜梯、栏杆按照国家标准设踢脚板、护笼。有坠落危险的检修场所设防护栏杆或防护网。焙烧炉、石灰炉、煤气站系统设置CO 报警仪、可燃气体报警仪，配备多套正压式空气呼吸器。

5 结论

通过危险有害因素的辨识，高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝车间主要危险有害因素为中毒窒息、碱液灼伤、高空坠落、高温烫伤、机械伤害、触电、火灾、爆炸、噪声。通过故障类型和影响分析（FMEA）得到制备氧化铝车间的影响因素集。根据危险有害因素采取针对性措施后，A 公司高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰烧结法制备氧化铝车间已安全运行十多年，验证了本文提出的安全措施完全满足安全生产的需要。