浅析“晶型硅”自燃火灾机理

摘要：

“晶型硅”作为光伏能源产业重要的生产材料，其火灾危险性直接关系到光伏产业生产安全工作。然而实践表明，“晶型硅”因具有不稳定性、易燃性等独特的理化性质，决定了其在新能源、新材料领域应用中潜在众多不安全因素。深入开展“晶型硅”火灾防控研究，加快制定和完善行业安全技术标准，才能更好地保障光伏能源产业生产安全。

关键词：

晶型硅；火灾；消防安全

引言

2020年青海一硅业公司原料棚“硅泥”堆垛发生火灾。辖区消防救援人员到场后利用沙土对起火堆垛实施边掩埋边清理措施，最终历时6个多小时，火灾被扑灭。经调查，该起火灾起火物为“硅泥”，起火原因为硅泥堆垛长期存放于阳光板厂房内，不断积热导致硅泥物料自燃。该起火灾虽未造成人员伤亡和较大财产损失，但起火物质“晶型硅”作为我省个别生产企业引入的新型材料，其火灾危险性、燃烧特性是消防救援领域一个全新的课题。特别是在此次灭火救援实践过程中，发现因“晶型硅”特殊的理化性质，现有常规灭火药剂对于该物质火灾不但扑救无效，在特定条件下还能助长火势发展蔓延，同时消防救援部门采取沙土掩埋的措施也是收效甚微。因此，深入研究“晶型硅”材料理化性质、燃烧特征及火灾防控和灭火救援措施，对于“晶型硅”生产企业安全生产和消防工作有着重要的意义。

一、晶型硅理化性质

硅（Si）是常见的一种化学元素，自然界中常以复杂的硅酸盐、二氧化硅等形式存在。而单质硅都是人工提炼而成，分为晶型和非晶型（无定型硅单质，非晶型硅粉是工贸行业重点监控可燃粉尘，属危险化学品[1]）两种，晶型硅又分为单晶硅和多晶硅。相较于单晶硅，多晶硅由于其生产工艺的影响，其中普遍会夹杂碳、氧、氮和金属杂质[2]。

（一）物理性质

晶型硅单质具有和金刚石类似的空间立体网状结构，因此其表现出硬度大、熔点高、质地脆的特点，其性质介于金属和非金属之间，是灰黑色有金属光泽的半导体。主要用途：半导体材料，如计算机芯片;新能源，如太阳能电池的硅晶板。

（二）化学性质

晶型硅在常温下不活泼，化学性质十分稳定。但在一定温度条件下，可与一般碱溶液和特定酸（仅能与氢氟酸反应）反应，并伴随有氢气产生；在高温作用下，与水或水蒸气能发生作用，产生氢气。

（1）Si+2OH-+H2O==SiO32-+2H2↑（如NaOH，KOH）

（2）Si+4HF==SiF4↑+2H2↑

（3）Si+4H2O==H4SiO4+2H2↑

二、“硅泥”几种常见组成形态及特性

“硅泥”俗称“硅泥饼”，亦称晶型硅，是由单晶或多晶硅棒在冷却液环境下切割太阳能光伏电池板光伏硅片工艺产生的细颗粒及冷却液混合废料，后经板框压滤机压榨、过滤形成厚度30mm硅泥饼，其主要用途是作为生产金属硅和高纯硅铁的原料。

（一）“硅泥”几种常见组成形态

1.湿硅泥饼

由太阳能光伏电池板光伏硅片切割工艺产生的细颗粒及冷却液混合废料，后经板框压滤机压榨、过滤形成硅泥饼，含水45%-55%。湿硅泥饼在常温状态下不易自燃、不易燃烧。

2.湿硅泥粒料和湿硅泥颗粒

为便于挤压制粒，湿硅泥饼掺入含水较低的硅泥干粉，经碾压掺混或搅拌掺混得到含水36%-43%的硅泥小粒度料（直径≤8mm），该湿硅泥粒料性质同湿硅泥饼。将湿硅泥粒料经挤压成型为直径8mm的棒状颗粒，则得到湿硅泥颗粒，其性质也同湿硅泥饼。

3.干硅泥颗粒和硅泥干粉

将湿硅泥粒料经挤压成型为直径8mm的棒状颗粒（便于水分溢出），进入烘干设备中，在低于230℃接触温度和低于180℃空气安全条件下，经40-60分钟烘干，含水降低到0.5%-3.0%，烘干机出料后，经筛分得到的干硅泥颗粒和硅泥干粉。干硅泥颗粒用于冶炼，硅泥干粉回用掺混到湿硅泥粒料，用于干硅泥顆粒二次再造。

干硅泥颗粒出料时如温度过高，易发生自燃，其自燃火苗很小或不见火苗；出料时温度较低时，不易发生自燃，可以存放数月。硅泥干粉用袋装时，因氧气量不足不易发生自燃，可存放数月；硅泥干粉露天堆放时，在高温作用下易发生自燃。

（二）不同组成形态的燃烧特性

干硅泥颗粒和硅泥干粉的自燃或燃烧完全不同于湿硅泥饼、湿硅泥粒料和湿硅泥颗粒的燃烧。干硅泥料的燃烧是硅与环境中氧气的反应，其产物是二氧化硅，没有氢气产生，且燃烧不剧烈;湿硅泥料的燃烧则是硅与水的反应，不需要氧气参与反应，而且是放热反应，同时伴有氢气产生，因此燃烧更加持续、剧烈。

三、“硅泥”实验室环境下燃烧情况

实验选取青海稼诚硅业有限公司原料供应厂家国家电投太阳能电力有限公司“硅泥”常规物料，配水后烘干、回收水分，研钵研细后样品作为此次燃烧（梯度升温）实验样品。

实验显示，在外部施温500℃以下，“硅泥”因脱水表现出失重情况；在温度达到500℃以上，由于“晶体硅”干料与空气中氧气反应、与水分反应，从而随着温度不断增加，表现出增重现象。同时，当温度升高至700℃时，反应加剧，产生的少量氢气与空气中氧气发生燃烧。因此，综合实验现象，“硅泥”物料在200℃环境中，就会逐步发生反应，同时不断积累热量，最终导致后期持续燃烧现象的发生。

四、火灾启示

（一）“硅泥”的火灾危险性定性尚不明确

“硅泥”市场的出现只有4年，国内对“硅泥”研究较少，关于其火灾燃烧方面的研究更是少之又少。现有国家规范、行业标准尚未对其火灾危险性明确定性。而此次火灾充分证实，不同形态“硅泥”具有不同且较高的火灾危险性，加之其特殊的理化性质，这便对该新型材料生产、加工企业安全生产和消防工作提出更高的标准和要求，尤其在建筑防火、生产工艺、存储、运输等方面，都应进行深入研究。

（二）“硅泥”自燃禁忌用水性灭火剂

“硅泥”自燃起火后，其内部温度至少700℃以上，在这种情况下使用消火栓、车载水灭火，不仅会加剧“硅泥”的燃烧，而且还会产生大量氢气，释放更高热量，加速火势蔓延。同时，常规泡沫灭火剂，可能一定程度上在火灾初期能够起到覆盖、降温和抑制的作用，但因其本质是“硅泥”与水的作用，不需要氧气等助燃物参与，因此也不能选用泡沫灭火剂灭火。

（三）干粉、沙土具有一定的灭火效能

此次火灾灭火实践表明，用干粉、沙土掩埋的灭火措施，只能在堆垛表面压制火势蔓延，但如果堆垛内部已经自燃起火，从根本上无法全面灭火，同时由于干粉、沙土的覆盖，导致堆垛内部产生的氢气短时间无法释放，内部压力不断增大，如遇堆垛缺口，便会出现大量氢气集中释放，这也解释了该起火灾扑救时部分堆垛缺口冒出2至3米高蓝色火焰的情形。同时，干粉、沙土掩埋灭火对于硅泥干粉、干硅泥颗粒等硅泥干料是切实可行的措施。

（四）“硅泥”自燃应先切断蔓延路径

“硅泥”起火初期燃烧较为缓慢，持续时间长，因此如果火灾发现得早，应及时对起火堆垛周边硅泥堆垛和可燃物进行清理，同时利用装载机、挖机等机械设备对起火部位堆垛逐层摊开，再利用沙土、干粉进行覆盖，实际控火能力明显增强；如发现起火时火势已经发展蔓延，应从外沿开始，采取逐步摊开、沙土覆盖混合、清理的方式进行灭火。

五、“硅泥”火灾防控的几点建议

（一）加快国家及行业标准制定

应加快对“硅泥”及其行业安全生产工作调研，切实掌握“硅泥”理化性质和燃烧机理，对其火灾危险性进行准确定性[3]。同时根据“硅泥”生产、加工、储存实际，制定安全生产及火灾防控规范、标准，尤其在火灾先期预警、建筑防火、工艺安全升级、存储场所安全、交通运输等方面予以规范，切实增强“硅泥”安全生产和火灾防控“硬指标”。

（二）“硅泥”火灾防控应以预防为主

此次火灾实践证明，“硅泥”一旦起火，火灾持续时间长，现场温度高，同时伴随氢气等危险物质产生，灭火救援难度增大。因此，就整个“硅泥”火灾发生、发展而言，该类物质火灾防控应当更加注重火灾前的预防。一是落实温度监控措施。要采取远程和现场温度测量相结合的不间断温度监控措施，只要有物料经过的工艺、存放、运输等过程中，均要有效实施物料温度测量，及时掌握物料实时温度变化，以便快速做出先期处置。二是严控物料存放。要以露天堆放为主[4]，堆垛合理划分防火“分区”，保证防火间距[5]，同时加盖防晒布、防雨布，堆垛底部采用防水措施，确保堆垛不受阳光炙烤、水分进入而发生反应；如库内存放，库房设置还应滿足通风、防火防爆和无光照等条件要求，同时严禁与其他物品混放，还应设置火灾报警、温度报警等预警设施[6]。三是要有除尘措施。无论工艺生产过程、存储和运输，均应设置除尘设施或采取除尘措施，防止因“硅泥”干粉细颗粒或粉尘聚集，而增加火灾和粉尘爆炸危险[7]。四是严禁长期存储。长期存储过程中，受温度、湿度等因素影响较大，因此要避免因长期存放而带来的不确定风险。

（三）加快研究制定有效的灭火措施

要在深入研究不同形态“硅泥”在不同条件下燃烧机理基础上，进一步制定切实可行的灭火救援措施，研究开发适用于“晶型硅”火灾的有效灭火剂和灭火设施，从而提升该类物质火灾的灭火救援水平。同时，加快“晶型硅”火灾预警、自动灭火设施的研制使用，全面保障涉“硅”企业生产安全和消防安全[8]。

结束语

“晶型硅”作为近年市场初现的新型化工材料，其独特的理化性质，将不断影响到企业生产安全和消防安全。同时，因目前市场上“硅泥”生产、加工工艺的非标准化，其物料均带有速凝剂等其他成分，综合导致“硅泥”原料或产品性质的不稳定性。因此，加快“晶型硅”调研，进一步规范企业标准化生产，对于“晶型硅”生产、加工企业安全生产和火灾防控具有现实意义。

参考文献

[1]程樱.浅析多晶硅生产工艺火灾危险性及防火安全措施[J].景德镇高专学报，2009，24（04）：44-46.

[2]毛文行.多晶硅锭中硬质夹杂性质与形成机理研究[D].南昌大学，2007.

[3]钟建军.多晶硅生产的火灾风险与消防设计[J].消防科学与技术，2013，32（10）：1172-1174.

[4]黄钊，吴志坚.多晶硅生产工艺的消防安全分析[J].消防科学与技术，2008（09）：694-696.

[5]李向东，许来灿.火灾自动报警、灭火系统在多晶硅企业设计与应用中存在问题探讨[J].河南科技，2014（20）：100-101.

[6]万红梅.多晶硅生产工艺安全评价研究[D].中国石油大学（华东），2016.

[7]青海两个单晶硅产业化项目科技攻关取得突破[J].精细与专用化学品，2010，18（08）：53.

[8]富世伯，杨绍斌，董伟，等.线切割多晶硅硅泥制备锂离子电池负极材料[J].功能材料，2021，52（08）：8156-8161.

作者简介：

张生科（1987- ），男，汉族，青海互助人，本科，中级专业技术职务，研究方向：火灾调查。