唐清輝，張家云，尚明達，馮 凱， 李 沖

(1.江蘇釜鼎能源科技有限公司,江蘇 南京 210009; 2.陜西有色天宏瑞科硅材料有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719200; 3.上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院,上海 200444; 4.南京曉莊學(xué)院 電子工程學(xué)院,江蘇 南京 211171)

粉塵爆炸是可燃性粉塵在受限空間內(nèi)懸浮于助燃氣體(空氣)中達到一定濃度時，在點火源作用下急劇燃燒，引起溫度、壓力急劇躍升，從而發(fā)生的爆炸的化學(xué)反應(yīng)過程[1]。粉塵爆炸易產(chǎn)生二次爆炸，具有很強的破壞力。

粉塵爆炸涉及的范圍包括石油、化工、冶金、機械、紡織、煤炭開采、木材及糧食加工等眾多行業(yè)。隨著工業(yè)化的發(fā)展，粉塵爆炸事故越來越多，歷史上第一次有記載的粉塵爆炸事故為1785年意大利都靈一家面粉倉庫發(fā)生的粉塵爆炸[2]。據(jù)日本福山郁生統(tǒng)計，從1952—1979年，日本共發(fā)生209起粉塵爆炸事故，死傷總數(shù)達546人，美國在1970—1980年有記載的工業(yè)粉塵爆炸事故有近100起，25人在事故中喪生，平均每年因此而引起的直接經(jīng)濟損失為2 000萬美元[3]。近年來，我國發(fā)生了多起粉塵爆炸事故，造成了重大財產(chǎn)損失和人員傷亡：2010年2月24日，某公司淀粉四車間發(fā)生粉塵爆炸、廠房倒塌，事故共造成19死亡，49人受傷；2012年8月5日，某加工廠發(fā)生一起重大金屬粉塵爆炸事故，共造成13人死亡，15人受傷；2014年8月2日，某公司發(fā)生一起特別重大粉塵爆炸事故，共造成75人死亡，185人受傷[4]。

硅粉作為可燃性粉塵，爆炸危險性級別高，硅粉的加工、輸送、儲存等過程均存在可能發(fā)生粉塵爆炸的危險[5-6]。隨著國內(nèi)有機硅和多晶硅產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，硅粉需求量逐漸增多，硅粉爆炸事故屢有發(fā)生：2009年8月9日，浙江開化元通硅業(yè)有限公司新制粉車間發(fā)生硅粉粉塵爆炸，事故造成2名當(dāng)班員工燒傷，其中一人燒傷面積達81%[7]；2010年8月8日，山東省淄博市張店區(qū)良鄉(xiāng)工業(yè)園內(nèi)的齊順硅粉有限公司在研磨硅粉過程中發(fā)生爆炸，造成7人受傷[8]。

研究粉塵爆炸的條件、機理和特點，并采取相應(yīng)的措施預(yù)防粉塵爆炸，是保證相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)安全的重要內(nèi)容。本文對某多晶硅生產(chǎn)裝置配套硅粉料倉在生產(chǎn)運行過程中的粉塵爆炸危險性進行分析，探討了硅粉料倉粉塵爆炸的預(yù)防措施，并對其進行了相應(yīng)的粉塵防爆設(shè)計，對類似爆炸性粉體存儲料倉的粉塵防爆安全設(shè)計及運行管理具有一定的參考價值。

1 硅粉料倉結(jié)構(gòu)及幾何尺寸

某多晶硅生產(chǎn)裝置共配套設(shè)計2臺全容積為720 m3的硅粉儲存料倉，設(shè)計壓力(表壓)為0.015/-0.000 5 MPa(G)。料倉室外露天布置，安裝地點為陜西榆林。采用氣力輸送管道頂部中心垂直進料方式，采用錐體底部重力落料方式出料。硅粉料倉結(jié)構(gòu)為帶錐體的圓筒形容器，倉頂配布袋除塵器及放空導(dǎo)管，硅粉料倉結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 硅粉料倉結(jié)構(gòu)簡圖

表1 料倉結(jié)構(gòu)尺寸

圖1及表1中：Di為筒體內(nèi)徑，mm；H為筒體高度，mm；h為錐體高度，mm；α1為底部錐形封頭的排放錐角，(°)；α2為頂部封頭的倉頂角，(°)；di為卸料接管內(nèi)徑，mm；DF為進料管內(nèi)徑，mm；V為全容積，m3。

2 硅粉料倉粉塵爆炸危險性分析

2.1 工業(yè)硅粉物料特性

工業(yè)硅粉又稱金屬硅粉，屬易燃物料，火災(zāi)危險性屬于乙級[9]。工業(yè)硅粉由金屬硅塊經(jīng)破碎、篩分等生產(chǎn)工藝加工而成，粉末狀態(tài)呈銀灰色，具有一定金屬光澤，如圖2(a)所示。硅粉顆粒形狀不規(guī)則，采用掃描電鏡放大觀察細硅粉的形狀呈多棱角片狀，表面附著較多微硅粉，如圖2(b)所示[10]。

圖2 工業(yè)硅粉

某多晶硅生產(chǎn)裝置使用的工業(yè)硅粉中微粒徑為260～300 μm，在實際生產(chǎn)中，小于53 μm的細硅粉含量為5%～10%。工業(yè)硅粉的爆炸特性參數(shù)見表2。

表2 工業(yè)硅粉爆炸特性

2.2 硅粉料倉粉塵爆炸危險性分析

可燃性粉塵爆炸的條件包括五個方面的要素：

(1)粉塵具有可燃性；

(2)有助燃物存在，一定的氧含量是粉塵得以燃燒的基礎(chǔ)；

(3)粉塵懸浮在空氣或助燃氣體中，呈粉塵云狀態(tài)，并且達到粉塵爆炸的濃度極限；

(4)有點火源，且點火源的能量和強度達到一定的數(shù)值；

(5)粉塵云處于相對密閉的空間，使壓力和溫度能夠急劇升高。

工業(yè)硅粉的可燃屬性以及硅粉料倉結(jié)構(gòu)分別滿足了上述粉塵爆炸五要素中的第(1)個和第(5)個條件，且這兩個條件在生產(chǎn)中難以消除。

以下將分別從粉塵云、助燃物和點火源三個方面，對硅粉料倉在生產(chǎn)運行過程中發(fā)生粉塵爆炸的危險性條件進行分析。

2.2.1 粉塵云方面

實際使用的工業(yè)硅粉中不可避免會存在小粒徑微細硅粉；硅粉在管道氣力輸送過程中，物料與物料之間以及物料與輸送管道壁面之間不斷受到?jīng)_擊與摩擦作用，特別是在管道彎頭處的沖擊作用較顯著，這些作用構(gòu)成了對硅粉顆粒的壓力和剪切力，使部分較大粒徑的粗硅粉破碎成更小粒徑的細硅粉[11]，當(dāng)硅粉通過氣力輸送方式以氣固兩相流狀態(tài)進入料倉時，較重的粗硅粉直接落入料倉，部分微細硅粉則隨氣流以粉塵云狀態(tài)向布袋除塵器進口聚集，而對于一些粒徑處于20 μm左右的細硅粉，很容易在空氣中形成溶膠并長期懸浮于空氣中。

硅粉料倉頂部設(shè)計布袋除塵器對料倉排氣進行粉塵過濾，布袋除塵器進行脈沖反吹清灰時，黏附在濾袋外表面的微細硅粉再次飛揚懸浮形成粉塵云[12]。當(dāng)布袋除塵器濾袋發(fā)生破損時，則大量細硅粉會泄漏排出，在布袋除塵器凈氣室、放空導(dǎo)管及放空口局部范圍形成粉塵云，泄漏出的粉塵沉降后，在料倉頂部堆積形成粉塵層。

因此，將硅粉料倉內(nèi)部粉塵環(huán)境危險區(qū)域等級劃分為20區(qū)，硅粉料倉頂部的粉塵環(huán)境危險區(qū)域等級劃分為21區(qū)。

2.2.2 助燃物方面

正常運行過程中，硅粉料倉工作壓力為微正壓，且通入了氮氣進行惰化氣封保護。當(dāng)硅粉料倉連續(xù)大批量卸料，或因外界環(huán)境溫度變化而引起料倉內(nèi)氣體收縮時，如果氮封裝置的氮氣供應(yīng)被切斷或氮氣供氣量不足，則外界空氣將被吸入料倉中，從而使倉內(nèi)的含氧濃度提高。

對于硅粉料倉頂部及除塵器放空管水平段沉積的微細硅粉層，則是直接暴露在空氣環(huán)境中，如果在這些部位進行氣焰切割或焊接操作，極易發(fā)生粉塵爆炸危險。

2.2.3 點火源方面

根據(jù)綠色網(wǎng)格組織的研究成果，PUE和DCiE是數(shù)據(jù)中心的兩個最重要的能效指標：PUE體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能源效率的總體情況；DCiE則體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心有效能耗的比率。兩者的具體定義為：

如果硅粉塵在一定濃度范圍內(nèi)與空氣中的氧混合形成了爆炸性粉塵云，則只要遇到有足夠能量的點火源，就會發(fā)生爆炸。經(jīng)統(tǒng)計分析，引起粉塵爆炸的常見點火源有沖擊或摩擦、靜電火花、熔接或熔斷火花、自燃火花、明火、金屬過熱或電氣火花等。

在開車運行狀態(tài)下，如果對硅粉料倉進行火焰切割、電焊等動火作業(yè)，或違規(guī)使用非防爆電動工具，或現(xiàn)場人員違規(guī)抽煙等，都可能產(chǎn)生具有足夠能量的點火源。

如果設(shè)備及管道連接的防靜電跨接或接地措施不到位，硅粉與氣力輸送管道摩擦、粉塵與倉體及粉塵與濾袋摩擦等，都將產(chǎn)生靜電的不斷積累，累積的靜電電荷放電會產(chǎn)生靜電火花。另外，電氣設(shè)備故障，線路老化、短路也可能產(chǎn)生一定能量的電火花。

從以上分析可以看出，硅粉料倉在開車運行過程中具有發(fā)生粉塵爆炸的潛在風(fēng)險。為保證安全生產(chǎn)，降低人員傷亡及財產(chǎn)損失風(fēng)險，有必要采取一些相應(yīng)的措施，對硅粉料倉進行必要的粉塵防爆設(shè)計，并加強針對粉塵爆炸危險性的安全教育和管理，減少客觀的粉塵爆炸條件，杜絕人為制造粉塵爆炸條件。

3 硅粉料倉防爆設(shè)計

粉塵爆炸的發(fā)生需要同時滿足五個方面的要素，只要采取一些有效的預(yù)防措施，消除粉塵爆炸五要素中的一個或多個要素，粉塵爆炸事故就可以避免發(fā)生。

硅粉料倉內(nèi)部很難將粉塵云控制在爆炸極限濃度之外。從隔斷助燃物方面來考慮，惰化處理是抑制工業(yè)粉塵發(fā)生爆炸的重要措施，惰性氣體保護可以減少粉塵與氧氣的混合，因此，對硅粉料倉設(shè)計氮封系統(tǒng)是預(yù)防粉塵爆炸的有效措施[13]。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)氮封系統(tǒng)是否運行正常，設(shè)計了氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，對硅粉料倉中的氧氣濃度進行實時在線監(jiān)測[14]。

3.1 硅粉料倉氮封系統(tǒng)設(shè)計

硅粉料倉采用氮封系統(tǒng)對倉內(nèi)物料進行惰性保護時，控制設(shè)備內(nèi)實際氧含量保持比發(fā)生粉塵爆炸的氧含量下限再低20%的安全系數(shù)，氮封系統(tǒng)的耗氣量根據(jù)硅粉料倉的具體結(jié)構(gòu)尺寸通過計算來確定。

硅粉料倉氮封系統(tǒng)工藝流程如圖3所示，氮封壓力(表壓)設(shè)定為1.0 kPa(G)。當(dāng)硅粉料倉內(nèi)壓力低于氮封壓力設(shè)定值時，氮封閥打開，氮氣經(jīng)氮封閥減壓后進入料倉，使料倉內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)到氮封設(shè)定壓力，當(dāng)料倉內(nèi)壓力達到氮封壓力設(shè)定值時，氮封閥關(guān)閉；超壓泄放壓力(表壓)設(shè)定為5.0 kPa(G)，當(dāng)硅粉料倉壓力高于泄放壓力設(shè)定值時，泄壓閥打開，排出料倉內(nèi)氣體，使料倉內(nèi)壓力降低至超壓泄放壓力設(shè)定值以下。

氮封閥應(yīng)正立垂直安裝在水平管道上，介質(zhì)流動方向應(yīng)與閥體上的箭頭指向保持一致，取壓點必須在距離閥門出口至少6倍公稱通徑的閥后管道上，且盡量靠近硅粉料倉。

圖3 硅粉料倉氮封系統(tǒng)工藝流程圖

硅粉料倉氮封系統(tǒng)最大供氣量應(yīng)大于或等于由于卸料所需的補充的氣量與由于外界氣溫變化而引起的倉內(nèi)氣體收縮所需補充的氣量之和[15]。

硅粉料倉由于卸料所需補充的氣量與卸料口尺寸和卸料速度有關(guān)，卸料口尺寸越大，卸料速度越快，則需要補充的氣量就越多。卸料速度與物料特性、料倉結(jié)構(gòu)、助流措施等因素有關(guān)，取值一般根據(jù)工程經(jīng)驗選取或通過試驗研究來得到。硅粉料倉由于卸料所需補充的氣量按如下公式進行計算：

(1)

式中：Q1為因硅粉料倉卸料所需補充的氣量，m3/h(標準)；P0為當(dāng)?shù)仄骄髿鈮?絕壓)，kPa(A)；P1為硅粉料倉內(nèi)工作壓力(氮封設(shè)定壓力，表壓)，kPa(G)；t1為硅粉料倉內(nèi)氣體工作溫度，℃，料倉外壁不保溫時，偏于安全考慮，建議取當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄畹蜌鉁?；di為硅粉料倉卸料口內(nèi)徑，mm；v1為硅粉料倉卸料速度，m/s。對于圖1所示結(jié)構(gòu)硅粉料倉，現(xiàn)場試驗測出的硅粉卸料平均速度為0.6 m/s。

對于圖1及表1所示結(jié)構(gòu)尺寸的硅粉料倉，取安裝當(dāng)?shù)仄骄髿鈮?絕壓)為91.45 kPa(A)，按當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄畹蜌鉁厝×蟼}內(nèi)工作溫度為-16 ℃，則由于卸料所需補充的氣量為16.44 m3/h(標準)。

對于容積<3 180 m3的料倉，當(dāng)環(huán)境氣溫變化而引起倉內(nèi)氣體每小時溫度變化≤37.8 ℃時，每立方米容積因環(huán)境氣溫變化而引起氣體收縮，每小時補充0.178 m3(標準)氣封氣是偏安全的[16]。硅粉料倉由于環(huán)境氣溫變化而引起倉內(nèi)氣體收縮所需補充的氣量按式(2)進行計算：

Q2=0.178×VQ2=0.178×V

(2)

式中：Q2為因環(huán)境氣溫變化而引起硅粉料倉內(nèi)氣體收縮所需補充的氣量，m3/h(標準)；V為硅粉料倉內(nèi)氣相空間容積，m3，偏于安全考慮，建議取全容積進行計算。

對于圖1及表1所示結(jié)構(gòu)尺寸的硅粉料倉，因環(huán)境氣溫變化所需補充的氣量為128.16 m3/h(標準)。

3.2 硅粉料倉氧含量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計氧含量監(jiān)測系統(tǒng)對氮封保護的硅粉料倉中氧氣濃度進行在線監(jiān)測、記錄和超限報警提醒。硅粉料倉內(nèi)氧氣濃度的高位報警設(shè)置值為7%。

硅粉料倉工作壓力為微正壓，故采用氣動真空發(fā)生器來抽取料倉內(nèi)氣體進行檢測，設(shè)計兩處分開布置的抽氣點，樣氣抽取流量為300～500 mL/min。硅粉料倉內(nèi)氣體含有較多的硅粉粉塵，抽取樣氣送至氧氣分析儀進行氧濃度分析前，需經(jīng)過除塵過濾器凈化處理，將樣氣處理成符合氧氣分析儀要求的品質(zhì)，除塵過濾精度為5 μm。抽取樣氣經(jīng)氧氣分析儀檢測分析后與真空發(fā)生器公用氣一起排入大氣。設(shè)計吹掃氣回路，定期對除塵過濾器及管路進行反清洗吹掃，保證抽氣流量及品質(zhì)正常，吹掃氣體采用氮氣。設(shè)計標定氣回路，供氧氣分析儀定期維護使用，用來對氧氣分析儀進行零點標定和量程標定，以修正偏差。

硅粉料倉氧氣含量監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程圖如圖4所示。硅粉料倉選用氧氣分析儀采用電化學(xué)傳感器，量程為0～10%VOL，分辨率為0.1%VOL。

圖4 硅粉料倉氧含量監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程圖

3.3 硅粉料倉泄爆設(shè)計

對于存在粉塵爆炸危險的工藝設(shè)備，應(yīng)采用泄爆、抑爆、隔爆、抗爆中的一種或多種控爆方式，降低爆炸的破壞性，避免對工藝設(shè)備造成災(zāi)難性破壞。對于單臺設(shè)備，泄爆是應(yīng)用最廣泛的一種控爆方法。

考慮到料倉結(jié)構(gòu)可能存在弱頂不弱的因素，對硅粉料倉設(shè)置了泄爆口。泄壓面積與保護設(shè)備的容積、結(jié)構(gòu)尺寸、物料的爆炸特性參數(shù)有關(guān)[17]。硅粉粒徑大小、粉塵濃度、粒度分布對硅粉爆炸壓力都有顯著影響，在一定粒徑范圍內(nèi)，硅粉爆炸壓力隨粉塵粒徑的減小而逐漸增大。因此，在計算硅粉料倉泄壓面積時，建議對擬使用的硅粉進行粉塵爆炸特性試驗，以便獲得更準確的硅粉塵爆炸特性參數(shù)[18]。在生產(chǎn)運行過程中，應(yīng)對所使用硅粉的品質(zhì)進行嚴格管控，使硅粉粒徑分布控制在設(shè)計指標范圍內(nèi)，降低微細硅粉的含量，減小粉塵的比表面積，降低活性。

當(dāng)容器、筒倉以氣力輸送方式中心軸向方式進料時，可采用較小的泄壓面積，對于高度L>10m的容器，泄壓面積按如下經(jīng)驗公式進行計算[19]：

(3)

(4)

(5)

式中：L為圓筒形容器或料倉的最長線性尺寸，或有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，m；DE為角形容器或料倉的當(dāng)量直徑，m；V為被保護料倉容積，m3，5≤V≤10 000；Pred，max為最大泄爆壓力(表壓)，MPa(G)，0.01

對于圖1及表1所示結(jié)構(gòu)尺寸的硅粉料倉，將泄壓口設(shè)置在料倉頂部位置，按設(shè)計壓力取最大泄爆壓力(表壓)為0.015 MPa(G)，按表2所示硅粉塵爆炸特性參數(shù)進行選型計算時，所需泄壓面積為10.44 m2。

4 結(jié) 論

(1)工業(yè)硅粉為易燃粉塵，硅粉料倉開車運行過程中具有發(fā)生粉塵爆炸的風(fēng)險，有必要采取相應(yīng)的措施，對硅粉料倉進行粉塵防爆設(shè)計，并對相關(guān)人員開展針對粉塵爆炸危險性的安全教育和管理。

(2)設(shè)計氮封系統(tǒng)是預(yù)防硅粉料倉粉塵爆炸的有效措施。氮封系統(tǒng)耗氣量與料倉結(jié)構(gòu)、容積、卸料口徑、物料特性等因素有關(guān)，硅粉料倉氮封系統(tǒng)耗氣量應(yīng)根據(jù)料倉的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合使用地氣候數(shù)據(jù)通過計算來確定。

(3)設(shè)計氮封系統(tǒng)的硅粉料倉，應(yīng)配套設(shè)計氧含量在線檢測系統(tǒng)，對料倉中的氧氣濃度進行實時在線監(jiān)測。硅粉料倉氧含量在線檢測系統(tǒng)抽取樣氣需進行除塵凈化處理，并定期用氮氣對除塵過濾器及管路進行反清洗吹掃，保證抽取樣氣的流量及品質(zhì)。

(4)料倉所需泄壓面積與料倉的結(jié)構(gòu)尺寸、容積、進料方式、物料的爆炸特性參數(shù)等因素有關(guān)，在計算硅粉料倉泄壓面積時，宜通過粉塵爆炸特性試驗來獲取更準確的硅粉塵爆炸特性參數(shù)。

(5)在硅粉料倉的開車運行過程中，應(yīng)對所使用硅粉的品質(zhì)進行嚴格管控，使硅粉粒徑、粒徑分布盡可能控制在設(shè)計要求的指標范圍內(nèi)，降低易懸浮微細硅粉的含量。