唐清辉，张家云，尚明达，冯 凯， 李 冲
(1.江苏釜鼎能源科技有限公司,江苏 南京 210009; 2.陕西有色天宏瑞科硅材料有限责任公司,陕西 榆林 719200; 3.上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200444; 4.南京晓庄学院 电子工程学院,江苏 南京 211171)
粉尘爆炸是可燃性粉尘在受限空间内悬浮于助燃气体(空气)中达到一定浓度时，在点火源作用下急剧燃烧，引起温度、压力急剧跃升，从而发生的爆炸的化学反应过程[1]。粉尘爆炸易产生二次爆炸，具有很强的破坏力。
粉尘爆炸涉及的范围包括石油、化工、冶金、机械、纺织、煤炭开采、木材及粮食加工等众多行业。随着工业化的发展，粉尘爆炸事故越来越多，历史上第一次有记载的粉尘爆炸事故为1785年意大利都灵一家面粉仓库发生的粉尘爆炸[2]。据日本福山郁生统计，从1952—1979年，日本共发生209起粉尘爆炸事故，死伤总数达546人，美国在1970—1980年有记载的工业粉尘爆炸事故有近100起，25人在事故中丧生，平均每年因此而引起的直接经济损失为2 000万美元[3]。近年来，我国发生了多起粉尘爆炸事故，造成了重大财产损失和人员伤亡：2010年2月24日，某公司淀粉四车间发生粉尘爆炸、厂房倒塌，事故共造成19死亡，49人受伤；
2012年8月5日，某加工厂发生一起重大金属粉尘爆炸事故，共造成13人死亡，15人受伤；
2014年8月2日，某公司发生一起特别重大粉尘爆炸事故，共造成75人死亡，185人受伤[4]。
硅粉作为可燃性粉尘，爆炸危险性级别高，硅粉的加工、输送、储存等过程均存在可能发生粉尘爆炸的危险[5-6]。随着国内有机硅和多晶硅产业的蓬勃发展，硅粉需求量逐渐增多，硅粉爆炸事故屡有发生：2009年8月9日，浙江开化元通硅业有限公司新制粉车间发生硅粉粉尘爆炸，事故造成2名当班员工烧伤，其中一人烧伤面积达81%[7]；
2010年8月8日，山东省淄博市张店区良乡工业园内的齐顺硅粉有限公司在研磨硅粉过程中发生爆炸，造成7人受伤[8]。
研究粉尘爆炸的条件、机理和特点，并采取相应的措施预防粉尘爆炸，是保证相关工业生产安全的重要内容。本文对某多晶硅生产装置配套硅粉料仓在生产运行过程中的粉尘爆炸危险性进行分析，探讨了硅粉料仓粉尘爆炸的预防措施，并对其进行了相应的粉尘防爆设计，对类似爆炸性粉体存储料仓的粉尘防爆安全设计及运行管理具有一定的参考价值。
某多晶硅生产装置共配套设计2台全容积为720 m3的硅粉储存料仓，设计压力(表压)为0.015/-0.000 5 MPa(G)。料仓室外露天布置，安装地点为陕西榆林。采用气力输送管道顶部中心垂直进料方式，采用锥体底部重力落料方式出料。硅粉料仓结构为带锥体的圆筒形容器，仓顶配布袋除尘器及放空导管，硅粉料仓结构简图如图1所示，具体结构尺寸见表1。
图1 硅粉料仓结构简图
表1 料仓结构尺寸
图1及表1中：Di为筒体内径，mm；
H为筒体高度，mm；
h为锥体高度，mm；
α1为底部锥形封头的排放锥角，(°)；
α2为顶部封头的仓顶角，(°)；
di为卸料接管内径，mm；
DF为进料管内径，mm；
V为全容积，m3。
2.1 工业硅粉物料特性
工业硅粉又称金属硅粉，属易燃物料，火灾危险性属于乙级[9]。工业硅粉由金属硅块经破碎、筛分等生产工艺加工而成，粉末状态呈银灰色，具有一定金属光泽，如图2(a)所示。硅粉颗粒形状不规则，采用扫描电镜放大观察细硅粉的形状呈多棱角片状，表面附着较多微硅粉，如图2(b)所示[10]。
图2 工业硅粉
某多晶硅生产装置使用的工业硅粉中微粒径为260～300 μm，在实际生产中，小于53 μm的细硅粉含量为5%～10%。工业硅粉的爆炸特性参数见表2。
表2 工业硅粉爆炸特性
2.2 硅粉料仓粉尘爆炸危险性分析
可燃性粉尘爆炸的条件包括五个方面的要素：
(1)粉尘具有可燃性；
(2)有助燃物存在，一定的氧含量是粉尘得以燃烧的基础；
(3)粉尘悬浮在空气或助燃气体中，呈粉尘云状态，并且达到粉尘爆炸的浓度极限；
(4)有点火源，且点火源的能量和强度达到一定的数值；
(5)粉尘云处于相对密闭的空间，使压力和温度能够急剧升高。
工业硅粉的可燃属性以及硅粉料仓结构分别满足了上述粉尘爆炸五要素中的第(1)个和第(5)个条件，且这两个条件在生产中难以消除。
以下将分别从粉尘云、助燃物和点火源三个方面，对硅粉料仓在生产运行过程中发生粉尘爆炸的危险性条件进行分析。
2.2.1 粉尘云方面
实际使用的工业硅粉中不可避免会存在小粒径微细硅粉；
硅粉在管道气力输送过程中，物料与物料之间以及物料与输送管道壁面之间不断受到冲击与摩擦作用，特别是在管道弯头处的冲击作用较显著，这些作用构成了对硅粉颗粒的压力和剪切力，使部分较大粒径的粗硅粉破碎成更小粒径的细硅粉[11]，当硅粉通过气力输送方式以气固两相流状态进入料仓时，较重的粗硅粉直接落入料仓，部分微细硅粉则随气流以粉尘云状态向布袋除尘器进口聚集，而对于一些粒径处于20 μm左右的细硅粉，很容易在空气中形成溶胶并长期悬浮于空气中。
硅粉料仓顶部设计布袋除尘器对料仓排气进行粉尘过滤，布袋除尘器进行脉冲反吹清灰时，黏附在滤袋外表面的微细硅粉再次飞扬悬浮形成粉尘云[12]。当布袋除尘器滤袋发生破损时，则大量细硅粉会泄漏排出，在布袋除尘器净气室、放空导管及放空口局部范围形成粉尘云，泄漏出的粉尘沉降后，在料仓顶部堆积形成粉尘层。
因此，将硅粉料仓内部粉尘环境危险区域等级划分为20区，硅粉料仓顶部的粉尘环境危险区域等级划分为21区。
2.2.2 助燃物方面
正常运行过程中，硅粉料仓工作压力为微正压，且通入了氮气进行惰化气封保护。当硅粉料仓连续大批量卸料，或因外界环境温度变化而引起料仓内气体收缩时，如果氮封装置的氮气供应被切断或氮气供气量不足，则外界空气将被吸入料仓中，从而使仓内的含氧浓度提高。
对于硅粉料仓顶部及除尘器放空管水平段沉积的微细硅粉层，则是直接暴露在空气环境中，如果在这些部位进行气焰切割或焊接操作，极易发生粉尘爆炸危险。
2.2.3 点火源方面
根据绿色网格组织的研究成果，PUE和DCiE是数据中心的两个最重要的能效指标：PUE体现数据中心能源效率的总体情况；
DCiE则体现数据中心有效能耗的比率。两者的具体定义为：
如果硅粉尘在一定浓度范围内与空气中的氧混合形成了爆炸性粉尘云，则只要遇到有足够能量的点火源，就会发生爆炸。经统计分析，引起粉尘爆炸的常见点火源有冲击或摩擦、静电火花、熔接或熔断火花、自燃火花、明火、金属过热或电气火花等。
在开车运行状态下，如果对硅粉料仓进行火焰切割、电焊等动火作业，或违规使用非防爆电动工具，或现场人员违规抽烟等，都可能产生具有足够能量的点火源。
如果设备及管道连接的防静电跨接或接地措施不到位，硅粉与气力输送管道摩擦、粉尘与仓体及粉尘与滤袋摩擦等，都将产生静电的不断积累，累积的静电电荷放电会产生静电火花。另外，电气设备故障，线路老化、短路也可能产生一定能量的电火花。
从以上分析可以看出，硅粉料仓在开车运行过程中具有发生粉尘爆炸的潜在风险。为保证安全生产，降低人员伤亡及财产损失风险，有必要采取一些相应的措施，对硅粉料仓进行必要的粉尘防爆设计，并加强针对粉尘爆炸危险性的安全教育和管理，减少客观的粉尘爆炸条件，杜绝人为制造粉尘爆炸条件。
粉尘爆炸的发生需要同时满足五个方面的要素，只要采取一些有效的预防措施，消除粉尘爆炸五要素中的一个或多个要素，粉尘爆炸事故就可以避免发生。
硅粉料仓内部很难将粉尘云控制在爆炸极限浓度之外。从隔断助燃物方面来考虑，惰化处理是抑制工业粉尘发生爆炸的重要措施，惰性气体保护可以减少粉尘与氧气的混合，因此，对硅粉料仓设计氮封系统是预防粉尘爆炸的有效措施[13]。为了能够及时发现氮封系统是否运行正常，设计了氧含量在线监测系统，对硅粉料仓中的氧气浓度进行实时在线监测[14]。
3.1 硅粉料仓氮封系统设计
硅粉料仓采用氮封系统对仓内物料进行惰性保护时，控制设备内实际氧含量保持比发生粉尘爆炸的氧含量下限再低20%的安全系数，氮封系统的耗气量根据硅粉料仓的具体结构尺寸通过计算来确定。
硅粉料仓氮封系统工艺流程如图3所示，氮封压力(表压)设定为1.0 kPa(G)。当硅粉料仓内压力低于氮封压力设定值时，氮封阀打开，氮气经氮封阀减压后进入料仓，使料仓内压力逐渐恢复到氮封设定压力，当料仓内压力达到氮封压力设定值时，氮封阀关闭；
超压泄放压力(表压)设定为5.0 kPa(G)，当硅粉料仓压力高于泄放压力设定值时，泄压阀打开，排出料仓内气体，使料仓内压力降低至超压泄放压力设定值以下。
氮封阀应正立垂直安装在水平管道上，介质流动方向应与阀体上的箭头指向保持一致，取压点必须在距离阀门出口至少6倍公称通径的阀后管道上，且尽量靠近硅粉料仓。
图3 硅粉料仓氮封系统工艺流程图
硅粉料仓氮封系统最大供气量应大于或等于由于卸料所需的补充的气量与由于外界气温变化而引起的仓内气体收缩所需补充的气量之和[15]。
硅粉料仓由于卸料所需补充的气量与卸料口尺寸和卸料速度有关，卸料口尺寸越大，卸料速度越快，则需要补充的气量就越多。卸料速度与物料特性、料仓结构、助流措施等因素有关，取值一般根据工程经验选取或通过试验研究来得到。硅粉料仓由于卸料所需补充的气量按如下公式进行计算：
(1)
式中：Q1为因硅粉料仓卸料所需补充的气量，m3/h(标准)；
P0为当地平均大气压(绝压)，kPa(A)；
P1为硅粉料仓内工作压力(氮封设定压力，表压)，kPa(G)；
t1为硅粉料仓内气体工作温度，℃，料仓外壁不保温时，偏于安全考虑，建议取当地最冷月平均最低气温；
di为硅粉料仓卸料口内径，mm；
v1为硅粉料仓卸料速度，m/s。对于图1所示结构硅粉料仓，现场试验测出的硅粉卸料平均速度为0.6 m/s。
对于图1及表1所示结构尺寸的硅粉料仓，取安装当地平均大气压(绝压)为91.45 kPa(A)，按当地最冷月平均最低气温取料仓内工作温度为-16 ℃，则由于卸料所需补充的气量为16.44 m3/h(标准)。
对于容积<3 180 m3的料仓，当环境气温变化而引起仓内气体每小时温度变化≤37.8 ℃时，每立方米容积因环境气温变化而引起气体收缩，每小时补充0.178 m3(标准)气封气是偏安全的[16]。硅粉料仓由于环境气温变化而引起仓内气体收缩所需补充的气量按式(2)进行计算：
Q2=0.178×VQ2=0.178×V
(2)
式中：Q2为因环境气温变化而引起硅粉料仓内气体收缩所需补充的气量，m3/h(标准)；
V为硅粉料仓内气相空间容积，m3，偏于安全考虑，建议取全容积进行计算。
对于图1及表1所示结构尺寸的硅粉料仓，因环境气温变化所需补充的气量为128.16 m3/h(标准)。
3.2 硅粉料仓氧含量监测系统设计
设计氧含量监测系统对氮封保护的硅粉料仓中氧气浓度进行在线监测、记录和超限报警提醒。硅粉料仓内氧气浓度的高位报警设置值为7%。
硅粉料仓工作压力为微正压，故采用气动真空发生器来抽取料仓内气体进行检测，设计两处分开布置的抽气点，样气抽取流量为300～500 mL/min。硅粉料仓内气体含有较多的硅粉粉尘，抽取样气送至氧气分析仪进行氧浓度分析前，需经过除尘过滤器净化处理，将样气处理成符合氧气分析仪要求的品质，除尘过滤精度为5 μm。抽取样气经氧气分析仪检测分析后与真空发生器公用气一起排入大气。设计吹扫气回路，定期对除尘过滤器及管路进行反清洗吹扫，保证抽气流量及品质正常，吹扫气体采用氮气。设计标定气回路，供氧气分析仪定期维护使用，用来对氧气分析仪进行零点标定和量程标定，以修正偏差。
硅粉料仓氧气含量监测系统工艺流程图如图4所示。硅粉料仓选用氧气分析仪采用电化学传感器，量程为0～10%VOL，分辨率为0.1%VOL。
图4 硅粉料仓氧含量监测系统工艺流程图
3.3 硅粉料仓泄爆设计
对于存在粉尘爆炸危险的工艺设备，应采用泄爆、抑爆、隔爆、抗爆中的一种或多种控爆方式，降低爆炸的破坏性，避免对工艺设备造成灾难性破坏。对于单台设备，泄爆是应用最广泛的一种控爆方法。
考虑到料仓结构可能存在弱顶不弱的因素，对硅粉料仓设置了泄爆口。泄压面积与保护设备的容积、结构尺寸、物料的爆炸特性参数有关[17]。硅粉粒径大小、粉尘浓度、粒度分布对硅粉爆炸压力都有显著影响，在一定粒径范围内，硅粉爆炸压力随粉尘粒径的减小而逐渐增大。因此，在计算硅粉料仓泄压面积时，建议对拟使用的硅粉进行粉尘爆炸特性试验，以便获得更准确的硅粉尘爆炸特性参数[18]。在生产运行过程中，应对所使用硅粉的品质进行严格管控，使硅粉粒径分布控制在设计指标范围内，降低微细硅粉的含量，减小粉尘的比表面积，降低活性。
当容器、筒仓以气力输送方式中心轴向方式进料时，可采用较小的泄压面积，对于高度L>10m的容器，泄压面积按如下经验公式进行计算[19]：
(3)
(4)
(5)
式中：L为圆筒形容器或料仓的最长线性尺寸，或有效火焰传播距离，m；
DE为角形容器或料仓的当量直径，m；
V为被保护料仓容积，m3，5≤V≤10 000；
Pred，max为最大泄爆压力(表压)，MPa(G)，0.01
DF为气力输送进料管道直径，m，DF≤0.3。
对于图1及表1所示结构尺寸的硅粉料仓，将泄压口设置在料仓顶部位置，按设计压力取最大泄爆压力(表压)为0.015 MPa(G)，按表2所示硅粉尘爆炸特性参数进行选型计算时，所需泄压面积为10.44 m2。
(1)工业硅粉为易燃粉尘，硅粉料仓开车运行过程中具有发生粉尘爆炸的风险，有必要采取相应的措施，对硅粉料仓进行粉尘防爆设计，并对相关人员开展针对粉尘爆炸危险性的安全教育和管理。
(2)设计氮封系统是预防硅粉料仓粉尘爆炸的有效措施。氮封系统耗气量与料仓结构、容积、卸料口径、物料特性等因素有关，硅粉料仓氮封系统耗气量应根据料仓的具体结构参数结合使用地气候数据通过计算来确定。
(3)设计氮封系统的硅粉料仓，应配套设计氧含量在线检测系统，对料仓中的氧气浓度进行实时在线监测。硅粉料仓氧含量在线检测系统抽取样气需进行除尘净化处理，并定期用氮气对除尘过滤器及管路进行反清洗吹扫，保证抽取样气的流量及品质。
(4)料仓所需泄压面积与料仓的结构尺寸、容积、进料方式、物料的爆炸特性参数等因素有关，在计算硅粉料仓泄压面积时，宜通过粉尘爆炸特性试验来获取更准确的硅粉尘爆炸特性参数。
(5)在硅粉料仓的开车运行过程中，应对所使用硅粉的品质进行严格管控，使硅粉粒径、粒径分布尽可能控制在设计要求的指标范围内，降低易悬浮微细硅粉的含量。
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