球形锌粉制备过程中的安全问题

严海锦

江苏科创金属新材料有限公司江苏科成有色金属新材料有限公司泰州华民锌品有限公司（江苏　泰州　225300）

化工管理

球形锌粉制备过程中的安全问题

严海锦

江苏科创金属新材料有限公司江苏科成有色金属新材料有限公司泰州华民锌品有限公司（江苏泰州225300）

球形锌粉被广泛应用于生物医药、海洋工程、电子电池、航空航天、高速铁路等行业，其粒度、纯度、球晶表面积、整洁度、松装比等指标决定着品质的优劣，同时也对制备工艺和安全问题提出了不同要求。对于粒度小于47 μm规格的球形锌粉，因其粒度细、挥发性好、活性强，在制备过程中经常会发生因规划建设不合理、设备设计不合理、管理不到位、人员操作不当等而导致的火灾和爆炸，尤其在分级过程中若治理不当会出现粉尘爆炸，系统的能量转化为机械功以及光和热的辐射，会产生很强的破坏力，引发灾难事故。如何防火防爆是在球形锌粉制备过程中的重要研究课题。

球形锌粉制备安全

球形锌粉相对密度7.14，熔点419.4℃，沸点907℃，蒸汽压133.3 Pa（487℃）。粒度和形状直接影响粉体的实际应用性能，同时也是引发爆炸的重要因素。粒度小于47 μm的球形锌粉为蓝灰色或浅灰色粉末，其自燃点为460℃，爆炸极限约500 g/m3，若细度提升，则其活性更强，燃点和爆炸极限更低。球形锌粉的粉尘与空气能形成爆炸性混合物，易被明火点燃引起爆炸。潮湿粉尘在空气中易自行发热燃烧；与水、酸类或碱金属氢氧化物接触能释放易燃的氢气；与氧化剂、硫磺反应会引起着火或爆炸。锌粉的小鼠腹腔LD50（半数致死量）值为15 mg/kg。锌粉对眼睛、皮肤和呼吸系统有刺激性作用，吸入会引起咳嗽、低热；由于其吸湿发热，与皮肤接触可造成灼伤。使用压力容器或者以燃气为清洁能源制备球形锌粉时，在融化、汽化和冷却成形阶段及分级过程中，如果在湿度、温度、质量浓度达到一定条件时遇到明火，则有可能导致爆炸，引发安全事故。本文就锌粉制备过程中的安全问题进行分析。

1　采用不同能源制备锌粉的安全问题

1.1直接燃烧煤炭制备球形锌粉

一些球形锌粉制备企业以煤炭作为能源，其使用方法有两种：一种是直接燃烧，另一种是采用煤气发生炉将煤炭转换成水煤气。在安全方面，主要存在烫伤和爆炸危险。随着当前环保政策要求的提高，直接燃烧煤炭的情况大幅度减少，况且采用直接燃烧煤炭的方式，制备球形锌粉的设备会受到限制。整个制备过程中设备一般为敞口式的，导气管与坩埚直接连接且裸露在外，外层没有隔断装置，操作人员会经常与高温设备直接接触，从而引发烫伤事故。预防措施是在设计、制造过程中，根据有关安全技术规范标准的要求，增加防护设施，以确保设备安全可靠，同时操作人员需穿戴好防护用品，严格按要求进行操作，以避免或减少事故的发生。

1.2使用水煤气为能源制备球形锌粉

使用水煤气作为球形锌粉的制备能源，主要是为符合环保要求进行的改进，国内90%的锌粉制备企业以水煤气为能源。水煤气由煤和空气、蒸汽反应制得，煤气发生炉是完成该转换过程的核心设备。在转换过程中，如果管理不严、操作不当，也可能引发爆炸事故。引起爆炸的原因有两种：一种是煤气遇到火源发生燃烧或爆炸，另一种是煤气发生炉发生爆炸。煤气与空气混合后，再遇到明火就容易发生爆炸事故。

煤气发生炉运行过程中易因打钎清理结焦、停电、脱水、鼓风机损坏或者水封失控等情况发生安全事故，煤气在空气中的爆炸极限为20%～74%，在氧气中的爆炸极限为10%～73.6%。导致煤气爆炸的原因主要有两种：一种是煤气中含氧量过高或煤气系统内渗入空气，另一种是煤气系统发生泄漏。这两种情况均能形成爆炸性混合物，遇到火源而发生爆炸，其区别仅在于前者发生在煤气系统内部，后者发生在煤气系统外部[1]。

一氧化碳中毒主要出现在打钎清理结焦过程中。在煤气发生炉运行过程中，若想让无烟煤炭充分燃烧以最大限度地转换为水煤气，需要打钎无烟煤炭使之保持与空气的接触以发生化学反应，操作平台上的人员可能发生一氧化碳中毒和高空坠落事件，其处理措施是：（1）保持操作平台操作间通风，操作平台四周设立防护装置和警示标志；（2）操作人员必须有两人以上，且要佩戴劳动保护用品上岗，按操作规程和要领进行间隙打钎。

煤气发生炉在热运行时会因断电、脱水、鼓风机损坏或者水封失控等情况而发生爆炸事故。在煤气发生炉热运行过程中，如果出炉煤气温度超过发生炉煤气的自燃温度（530℃），打开炉顶探火孔时，冒出的煤气就会自燃，这时如果炉内进入空气或者冒出的煤气与周围的空气混合，就会发生煤气发生炉爆炸事故。应急措施是加快除灰和进煤的速度，使干燥层燃料加厚覆盖，从而使出炉煤气温度降至正常水平。

在煤气发生炉热运行过程中，如果突然断电或者鼓风机损坏，管道有可能出现负压，导致空气进入其中并使煤气逆流，若逆止阀不起作用，则会引起煤气发生炉爆炸。应急措施为：保证逆止阀密封可靠；增送蒸汽量以保持炉内正压；立即关闭煤气水封，使煤气进入发生炉的炉膛内；排除用电故障，恢复供电，且要用蒸汽彻底吹扫空气总管。以上措施完成后，煤气发生炉才能转入正常运行。

供水系统故障会使蒸汽包缺水而引发煤气发生炉爆炸。当水夹套缺水时间较长时，煤气发生炉的炉体和水夹套会被烘烤到500℃甚至更高温度，这时钢板可能会被烧透，若水进入炉膛，则会因发生化学反应而引发安全事故；如果此时向水夹套内加水，水会在瞬间汽化为水蒸气，体积迅速膨胀，而水夹套是一个封闭的空间，其容积远远小于水蒸气迅速膨胀所要求的体积，当水夹套内的压力超过材料所能承受的压力时就会发生爆炸。蒸汽包缺水的处理措施是：（1）先打开水位计旋塞放水，如果有水流出，则表明缺水时间不长，此时可向水夹套内加水。（2）如果打开水位计旋塞时无水流出，表明缺水时间较长，要通过压力表观察蒸汽包压力变化。如果这时压力和正常运行压力相同，说明缺水不严重；如果蒸汽压力已经超过工作压力，说明水夹套缺水较严重，这种情况下应进行紧急停炉操作，并严禁向水夹套内上水，防止发生爆炸事故。

停炉检修时，也有可能因残留在设备中的煤气与空气混合，遇到焊接产生的火花而发生爆炸。故在检修前要用蒸汽将煤气发生炉的整套设备吹扫干净，不得有煤气残留。吹扫完毕后要对设备中的气体取样化验，合格后才能从事检修工作。

煤气发生炉使用过程中安全事故的发生往往是多个因素累加的结果，因此，在生产过程中要对煤气发生炉的运行情况认真分析，建立完善的应急预案体系，加强人员管理，切实提高操作人员的技术水平，同时操作人员须严格遵守操作规程，采取有效措施预防和减少爆炸事故的发生[1]。

1.3使用天然气为能源制备球形锌粉

国内目前只有1～2家企业使用天然气作为制备球形锌粉的能源。天然气是清洁能源，不仅可以实现节能环保，而且制备的球形锌粉质量非常稳定。球形锌粉制备企业发生燃气泄漏爆炸事故，可能出现在改扩建过程中，也可能出现在设备检维修过程中。运行中的设备、设施因安全防护装置失效或者员工操作不当会导致燃气泄漏，若遇到明火或者高温就会发生爆炸事故。并非任何比例的燃气与空气混合都会发生爆炸，只有当空气中含有的天然气浓度达到一定范围（5%～15%）时混合气体才会发生爆炸，该浓度范围称为天然气的爆炸浓度极限。预防措施为：设计车间时应考虑到门、窗和房屋的高度，保证建筑物内部通风良好；安装燃气探测报警装置和自动切断装置，并保证设施有效运行；制备球形锌粉的设备在开炉操作时先点火再用气，切忌气等火，停炉时控制温度且待温度降至一定程度后再停天然气。

2　采用不同设备和工艺制备锌粉的安全问题

制备设备运行的安全性是球形锌粉制备过程中的一个关键问题。制备设备种类繁多，采用雾化工艺制备球形锌粉的设备从功能上分为精粉炉、纯化炉、汽化炉等；从形态上分为立式炉、卧式炉等。以上设备制备工艺原理基本一致，因此设备中均包括熔化熔析、融化、雾化、冷凝集粉室等部件。设备构件的主体材料均为耐火材料组合而成，由于不同耐火材料（如砖、泥、板）的传热系数不一致，当温度骤升骤降时会出现设备崩塌，锌液伤人，甚至导致更严重的安全事故，故在开、停炉以及设备正常运行过程中控制温度对安全生产至关重要。冷凝集粉室是球形锌粉成形结晶的关键部件，也是易发生爆炸的一道关键工序，锌经过融化、蒸发，进入冷凝集粉室时温度在1000℃以上，利用水夹套循环冷却结晶成核。如果冷凝器中出现断水，将会发生爆炸事故，因此要求蓄水池的容量不能太小，电机正常运行不能损坏，同时水需要经过净化，避免水垢堵塞管道等因素影响水的正常循环。此外，锌蒸气进入冷凝器后，球形锌粉虽然结晶成核，但其温度仍高于1000℃，若未事先关好阀门、闸板或未经一段时间的冷却，打开集粉装置时，锌粉与空气中的氧气充分接触，就达到了燃烧或爆炸的三个条件，从而导致燃烧或爆炸事件；在大、中修后开炉时，加入锌料后可向冷凝器中充入氮气，排出原有气体，降低其中的氧气浓度，同时控制设备的升温速率，就可达到防爆的目的；停炉检修时应将设备的温度降到900℃以下，使冷凝器内没有锌蒸汽的残留，同时敲打冷凝器，使在其器壁悬挂的锌粉自然下落，停置一段时间，利用惰性气体排空，然后再打开安全阀检修，就不致于发生爆炸。

3　锌粉制备过程中的粉尘控制及防火防爆措施

球形锌粉颗粒越细，着火点越低，爆炸下限也越低，同时吸附的氧也越多，浓度越高越易发生爆炸。随着粉尘颗粒直径的减小，不仅化学活性增加，而且还容易带静电。当每立方米空气中锌粉含量达到500 g、温度在670℃以上时，遇明火就可能发生爆炸[2]。第一次爆炸气浪把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后的短时间内，爆炸中心区会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，形成所谓的“返回风”，与扬起的粉尘混合，在第一次爆炸的余火引燃下发生第二次爆炸。第二次爆炸时，粉尘浓度一般比第一次爆炸时高得多，故第二次爆炸威力比第一次也大得多。在球形锌粉生产过程中，如果不注意预防，就很容易出现上述情形。球形锌粉制备过程中出现的粉尘燃烧或者爆炸现象多存在于分级车间。目前国内球形锌粉的分级设备主要有振动筛、旋风分离筛等。主要的除尘方法是增加布袋、管道、密闭设施等，防护设施虽然添加了很多，但是粉尘无法得到有效控制。如粒度小于47 μm的球形锌粉常常悬浮在空气中或者吸附在管道、设备及墙面上，增大了与空气的接触面积，使其化学活性增加；如果车间不及时清理，一旦粉尘在空气中达到一定浓度，遇到火源就会爆燃，瞬间产生大量的热量和燃烧产物，使气体、蒸汽等剧烈膨胀，造成爆炸事故。此外，粒度小于47 μm的球形锌粉在空气湿度大或者受到雨淋的情况下会与水发生反应，产生氢气，放出热量，并会起火燃烧。因此，对于粒度小于47 μm的球形锌粉，不仅要防止其与水接触，而且在生产使用场所要及时清除粉尘，防止粉尘悬浮并与空气混合达到爆炸比例，从而阻止爆炸事故的发生。

还有一些企业利用电为能源制备球形锌粉，也有一些企业利用机械法制备，制备过程中设备拆装、原料装卸、货物转运等均可能存在安全隐患。生产区域严禁吸烟及明火作业、强化安全管理等都是直接有效的预防措施。也可以针对不同的工艺和设备，在设备外壳设泄压阀门或其他装置，或采用爆炸遏制系统等。对有粉尘爆炸危险的厂房，必须严格按照防爆技术等级进行设计，如采用有效的通风和除尘措施，单独设置通风、排尘系统；经常湿式打扫车间地面和设备，防止粉尘飞扬和聚集，保证系统有很好的密闭性，必要时对密闭容器或管道中的可燃性粉尘充入氮气、二氧化碳等气体，以减少氧气的体积分数，抑制粉尘的爆炸。

4　结语

球形锌粉制备过程中常见的安全问题不仅限于上述问题，如制备球形锌粉时有使用电作为动力能源的，也有采用蒸馏法以外的方法制备的，制备工艺和采用的能源不同，存在的安全问题就会不一样；另外，是否能够科学管理，保证设备安全等也是影响安全的因素。

对于安全隐患，目前常用的防护措施或方案归纳起来主要有四种：遏制、泄放、抑制、隔离。其中：泄放分为正常情况下的压力泄放和无火焰泄放；隔离分为机械隔离和化学隔离。主要防护设备包括防爆板、防爆门、无焰泄放系统、隔离阀以及抑爆系统。在实际应用中，往往并不单独使用一种防护措施，而是采用多种防护措施相组合的方式，以达到更可靠、更经济的防护目的。

[1]骆晓玲,徐坤山.煤气发生炉爆炸事故原因及预防措施[J].煤气与热力,2010,30(1)：11-13.

[2]王强,赵红.锌粉的爆炸与防爆[J].有色矿冶,2002,18 (5)：40-41.

Safety Issues in the Preparation Process of Spherical Zinc Powders

Yan Haijin

Spherical zinc powders are widely used in biological medicine,ocean engineering,electronic battery, aerospace,high-speed rail and other industries.Indexes such as particle size,purity,spherical crystal surface area,cleanliness,and apparent density decide the quality of spherical zinc powders,and they also propose different requirements for the preparation process and safety issues.For spherical zinc powders with particle size less than 47 μm，because of their fine granularity,good volatility and high activity,fires and explosions often break out during the preparation process due to unreasonable planning,unreasonable equipment design,insufficient management,improper operation and other reasons. Particularly in the classification process,the dust explosion will happen because of improper treatment,then the system's energy will be converted into mechanical power,optical and thermal radiation,which are very destructive and will cause disasters.The fire and explosion prevention is an important research subject in the preparation of spherical zinc powders.

Spherical zinc powders;Preparation;Safety

TF 123.2+3

严海锦男1978年生本科高级经济师高级工程师主要从事金属冶炼、金属新材料粉体制备及其技术研究工作

2015年10月