高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁的工藝風(fēng)險(xiǎn)分析及預(yù)防措施

郭倫甫

(廣州市萬(wàn)保職業(yè)安全事務(wù)有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋁及鋁合金被廣泛應(yīng)用于航天、建筑、電力等重要領(lǐng)域，我國(guó)經(jīng)探測(cè)的鋁土礦資源雖然豐富，但能開采的有限[1]。鋁礦產(chǎn)資源因人均占有量不足而日趨短缺，同時(shí)也存在開采和利用方式粗放、綜合利用水平低、浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，因此我國(guó)面臨長(zhǎng)期依賴國(guó)外鋁礦產(chǎn)資源的風(fēng)險(xiǎn)[2]。針對(duì)鋁及鋁合金等基礎(chǔ)原料快速增長(zhǎng)的需求，提高氧化鋁產(chǎn)量是目前急需解決的問(wèn)題。內(nèi)蒙古A 公司發(fā)電廠燃煤中大量伴生勃姆石（軟水鋁石）和高嶺石等富鋁礦物，燃燒后產(chǎn)生的粉煤灰中氧化鋁含量達(dá)到50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)常規(guī)粉煤灰中的含量，是一種非常寶貴的再生鋁礦物資源，經(jīng)論證可用于氧化鋁的制備。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)高鋁粉煤灰制備氧化鋁工藝逐漸成熟，產(chǎn)能逐漸提升，不僅可以消化大量煤燃燒排放的工業(yè)固體廢棄物，而且大量消化當(dāng)?shù)仄渌て髽I(yè)排放的電石渣，對(duì)推動(dòng)節(jié)能減排，緩解我國(guó)天然鋁土礦資源短缺具有重要意義。

1 高鋁粉煤灰制備氧化鋁工藝流程簡(jiǎn)述

目前，國(guó)內(nèi)外高鋁粉煤灰制備氧化鋁的工藝路線主要有兩條：（1）預(yù)脫硅加堿石灰燒結(jié)法[3]；（2）傳統(tǒng)的石灰石燒結(jié)法[4]。經(jīng)化驗(yàn)分析，A 公司粉煤灰主要含有Al2O3和SiO2，結(jié)果見(jiàn)表1。A 公司采用預(yù)脫硅加堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁，該技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用預(yù)脫硅技術(shù)，提高鋁硅比，降低成渣量。預(yù)脫硅加堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁工藝流程

表1 粉煤灰主要化學(xué)成分

2 工藝危險(xiǎn)性分析

目前電解鋁安全管理文獻(xiàn)較多[5]，但高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁工藝危險(xiǎn)性分析報(bào)道較少。高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁工藝復(fù)雜，工藝流程中物料循環(huán)利用，不僅涉及大量的化學(xué)反應(yīng)還涉及大量的物理變化。該裝置的原料高鋁粉煤灰，在經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)后，得到最終產(chǎn)品。一些化學(xué)反應(yīng)需要在高溫、強(qiáng)堿條件下進(jìn)行，輔料有生石灰、氫氧化鈉等腐蝕性較強(qiáng)的物料，裝置在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)出CO 等有害氣體，這些物料和反應(yīng)條件或多或少都具有一定的危險(xiǎn)性。因此根據(jù)工藝流程，辨識(shí)出危險(xiǎn)性較大的工段，找出產(chǎn)生危害的原因。

（1）粉煤灰脫硅。將粉煤灰與氫氧化鈉溶液按一定比例混合后用泵輸送至設(shè)有加熱套的反應(yīng)釜中，用蒸汽加溫至130 ℃左右，在停留罐中停留數(shù)小時(shí)，使煤灰中的一部分SiO2與NaOH 發(fā)生反應(yīng)，生成Na2SiO3進(jìn)入溶液中，達(dá)到從煤灰中脫硅的目的。將溶液進(jìn)行分離得到脫硅液和煤灰。脫硅液分兩路：一路向其中加入石灰乳，使其中的Na2SiO3與Ca（OH）2反應(yīng)生成NaOH 與CaSiO3沉淀，得到CaSiO3成品，溶液送往蒸發(fā)工段；另一路向其中通入CO2氣體，生成SiO2（白炭黑）與Na2CO3溶液，分離后的Na2CO3溶液中加入石灰乳進(jìn)行苛化，苛化后的固體是CaCO3，液體是NaOH，溶液送至蒸發(fā)工段。該工序主要反應(yīng)是SiO2與NaOH 在反應(yīng)罐中反應(yīng)，如果加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、溫度過(guò)高，容易造成溶液中大量的水被蒸干；操作失誤時(shí)大量的堿液存在泄漏；如果CO2氣體在反應(yīng)時(shí)與過(guò)量的堿液反應(yīng)失控發(fā)生放熱，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)釜爆炸。因此該工段主要存在中毒窒息、堿液灼傷、高空墜落、高溫燙傷、機(jī)械傷害、觸電、爆炸等有害因素。

（2）生料制備。將經(jīng)過(guò)脫硅的粉煤灰與電石渣、無(wú)煙煤、循環(huán)母液按一定比例混合后經(jīng)過(guò)磨機(jī)研磨，混合均勻，然后經(jīng)過(guò)化驗(yàn)、加母液調(diào)整，最終得到合格的生料漿。該工序不存在化學(xué)反應(yīng)，主要是將物料混合均勻，在用磨機(jī)磨料時(shí)電石渣和無(wú)煙煤存在粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)，主要存在機(jī)械傷害、堿液灼傷、噪聲、觸電、粉塵爆炸、火災(zāi)等有害因素。

（3）生料燒結(jié)。將配制合格的生料漿用柱塞泵定量、定壓力輸送至回轉(zhuǎn)窯中，在一定的溫度條件下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)后的熟料經(jīng)過(guò)冷卻破碎后輸送至溶出工序熟料倉(cāng)。熟料燒結(jié)采用回轉(zhuǎn)窯，熟料采用單筒冷卻。該工序主要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，Na2CO3和Al2O3生成NaAlO2和CO2氣體，如果超負(fù)荷生產(chǎn)易造成超壓爆炸。該工序主要存在機(jī)械傷害、高溫燙傷、噪聲、觸電、爆炸、火災(zāi)等有害因素。

（4）熟料溶出。破碎后的熟料(粒徑不超過(guò)8 mm)在筒形溶出器內(nèi)與同時(shí)加入的調(diào)整液進(jìn)行逆流溶出，溶出后的粗渣與硅鈣渣二次洗液進(jìn)棒磨機(jī)繼續(xù)細(xì)磨。該工序主要是物理溶解分離，不存在化學(xué)反應(yīng)，主要存在機(jī)械傷害、噪聲、觸電等有害因素。

（5）溶出液脫硅與精制。將沉降槽溢流出來(lái)的溶出液加入種分母液，提高苛性比值，然后經(jīng)過(guò)兩段脫硅：一段是將溶出液用泵送入套管用蒸汽加熱至150 ℃左右，使其中的SiO2以水合鋁硅酸鈉形式析出，過(guò)濾后的溶出液加入石灰乳并攪拌進(jìn)行二段深度脫硅，使其中的SiO2以水化石榴石形式析出，溶液過(guò)濾后進(jìn)行碳酸化分解。該工序主要存在機(jī)械傷害、高溫燙傷、觸電、堿液灼傷等有害因素。

（6）鋁酸鈉溶液的碳分。在一定的溫度條件下向鋁酸鈉溶液中通入CO2氣體，反應(yīng)充分后生成氫氧化鋁固體與Na2CO3溶液，粗顆粒氫氧化鋁用平盤進(jìn)行過(guò)濾洗滌，得到洗滌合格的氫氧化鋁固體，較細(xì)顆粒的氫氧化鋁用立盤過(guò)濾后作為種子分解晶種。該工序主要是NaAlO2和CO2氣體反應(yīng)生產(chǎn)Al(OH)3和NaOH，通入過(guò)量的CO2氣體會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)釜超壓爆炸，因此主要存在中毒窒息、堿液灼傷、機(jī)械傷害、觸電等有害因素。

（7）蒸發(fā)。主要針對(duì)碳分母液與脫硅用的NaOH 溶液，兩種溶液都需要蒸發(fā)以提高濃度。經(jīng)過(guò)蒸發(fā)合格的碳分母液被送至生料制備工序制備生料漿，NaOH 溶液送往粉煤灰脫硅工序?qū)ο乱慌勖夯疫M(jìn)行脫硅，達(dá)到循環(huán)使用的目的。該工序的主要設(shè)備是降膜蒸發(fā)器，只發(fā)生物理變化。該工序主要存在機(jī)械傷害、觸電、噪聲、高溫燙傷等有害因素。

（8）焙燒。脫出氧化鋁結(jié)晶水的工序，主要使用焙燒裝置，采用氣態(tài)懸浮焙燒技術(shù)，燃料來(lái)自自制煤氣升溫。該工序主要存在機(jī)械傷害、觸電、高溫燙傷、火災(zāi)、爆炸、中毒窒息等有害因素。

（9）煤氣站。全場(chǎng)煤氣的生產(chǎn)基地，主要設(shè)備是煤氣發(fā)生爐，煤氣發(fā)生爐主要消耗煤生產(chǎn)出CO、CO2、H2等混合氣體（簡(jiǎn)稱“煤氣”）。煤氣發(fā)生爐在反應(yīng)時(shí)壓力容器或壓力管道泄漏或超壓造成火災(zāi)爆炸。CO 氣體是毒害性氣體，CO 和H2是易燃易爆氣體。該工序主要存在機(jī)械傷害、觸電、高溫燙傷、火災(zāi)、爆炸、中毒窒息等有害因素。

（10）石灰煅燒工序。將石灰石與焦炭或無(wú)煙煤按一定的比例混合均勻后送入石灰窯中，在一定的溫度條件下進(jìn)行煅燒，得到合格的生石灰，并將石灰窯的窯氣經(jīng)過(guò)凈化、壓縮作為生產(chǎn)白碳黑與碳酸化分解的原料—CO2。該工序主要存在機(jī)械傷害、觸電、高溫燙傷、火災(zāi)、爆炸、中毒窒息等有害因素。

3 工藝故障類型和影響分析

故障類型和影響分析(FMEA)是一種非常廣泛和重要的系統(tǒng)安全分析方法，是復(fù)雜系統(tǒng)工程辨識(shí)影響因素的常用方法[6]。對(duì)辨識(shí)出的中毒窒息、堿液灼傷、高空墜落、高溫燙傷、機(jī)械傷害、觸電、火災(zāi)、爆炸、噪聲等9 種危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行歸集，結(jié)合以上9 種危險(xiǎn)有害因素可將車間典型不安全事件歸為以下5 類，即安全防護(hù)用品不全或損壞、人員誤操作、裝置超負(fù)荷運(yùn)行、裝置帶病運(yùn)行、安全管理體系不健全。對(duì)車間運(yùn)行過(guò)程發(fā)生故障時(shí)在各FMEA 條件下進(jìn)行分析，具體見(jiàn)表2。

表2 高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁車間故障類型及風(fēng)險(xiǎn)因素

對(duì)表2 中列出的各個(gè)影響因素進(jìn)行歸并得到21 個(gè)影響因素，將21 個(gè)影響因素歸集得到高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁車間影響因素集，該影響因素集=﹛裝置人員安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)不強(qiáng)；經(jīng)驗(yàn)不足；安全教育培訓(xùn)不足；社會(huì)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不佳；監(jiān)督檢查不到位；防護(hù)用品質(zhì)量差；工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；班組的氛圍不佳；頻繁重復(fù)相同工作；薪資較低；身心不佳；工作環(huán)境差；使用技術(shù)水平不達(dá)標(biāo)；設(shè)備故障不能控制反應(yīng)或分離；報(bào)警設(shè)備故障；報(bào)警設(shè)備冗余量不足；物料有腐蝕性；物料自身具有易燃易爆性；維護(hù)不到位；設(shè)備的機(jī)械完整性能不佳；應(yīng)急處理能力不強(qiáng)﹜。

4 采取的安全措施

根據(jù)高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁車間風(fēng)險(xiǎn)因素集M，制定以下安全措施。

4.1 防火防爆安全措施

（1）氫氧化鋁焙燒車間、煤氣站設(shè)可燃?xì)怏w檢測(cè)儀和有毒氣體報(bào)警儀，車間通過(guò)防爆軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，避免可燃?xì)怏w和有毒氣體積聚。

（2）工藝系統(tǒng)中所有壓力容器和蒸汽管路裝設(shè)有壓控閥和安全閥。一旦超壓優(yōu)先使用壓控閥泄壓；超過(guò)安全閥起跳壓力時(shí)，通過(guò)安全閥泄壓。為防止空壓站儲(chǔ)氣罐超壓爆炸，儲(chǔ)氣罐設(shè)防爆安全閥。

（3）除塵系統(tǒng)（包括除去的污染物含煤粉塵）。電機(jī)和除塵器選用煤粉防爆型。儲(chǔ)存和輸送煤氣的容器和管道全部采取靜電接地。

（4）嚴(yán)格按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)。氫氧化鋁焙燒車間、煤氣站和其他車間按功能集中布置。優(yōu)先采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架采用防火、防爆、耐腐蝕等安全措施。

4.2 電力系統(tǒng)的安全措施

電氣系統(tǒng)是該裝置的核心，一旦裝置失電引起整個(gè)車間緊急停工。由于該裝置在多粉塵和腐蝕性很強(qiáng)的生產(chǎn)環(huán)境中，為確保電氣安全，采取如下防護(hù)措施：

（1）廠房按防雷規(guī)程計(jì)算雷擊次數(shù)≥0.06時(shí)，按三類防雷建筑物設(shè)避雷帶，且盡量利用自然接地體。

（2）變壓器中性點(diǎn)直接接地，接地電阻不大于4 Ω，車間內(nèi)的所有電氣設(shè)備不帶電的金屬外殼均應(yīng)可靠接零。

（3）設(shè)有車間變電所的建筑物在距變電所距離大于50 m 時(shí)，在電源進(jìn)戶處零線做重復(fù)接地，接地電阻小于10 Ω。

（4）配電所所有高壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備設(shè)有“五防”裝置（即防止帶負(fù)荷合閘、防止帶接地線合閘、防止誤入帶電間隔、防止帶電掛接地線、防止帶負(fù)荷拉刀閘）。

（5）配電設(shè)備均采用密封式結(jié)構(gòu)，防止粉塵及腐蝕性氣體的侵入，盡量減少裸露的帶電體。采用防腐阻燃型電纜和耐高溫電纜。變配電均采用戶內(nèi)式配電裝置，室內(nèi)配電裝置室的進(jìn)出風(fēng)口加設(shè)金屬防護(hù)網(wǎng)，防止小動(dòng)物鉆入造成短路事故。

（6）變壓器室按一級(jí)耐火建筑物設(shè)計(jì)，高低壓配電室按二級(jí)耐火建筑物設(shè)計(jì)。各變配電室均設(shè)置消防設(shè)施，注油設(shè)備配置泡沫滅火器，并設(shè)事故儲(chǔ)油設(shè)施，帶電部分使用干粉滅火器。

（7）嚴(yán)格按繼電保護(hù)規(guī)定，合理配置各級(jí)保護(hù)設(shè)施。電氣系統(tǒng)設(shè)短路保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)等裝置。

4.3 防堿液灼傷措施

堿燒傷是該工藝最常見(jiàn)的傷害，在設(shè)計(jì)上采取一系列措施：各堿液槽罐區(qū)設(shè)圍堰，避免事故時(shí)漫溢；將地面堿水和沖洗水回收；地溝加蓋板，避免跌入和滑入；可能遭堿液/石灰侵害的地區(qū)設(shè)事故淋浴、水龍頭等，配備硼酸溶液或其他沖洗設(shè)施及時(shí)沖洗。料漿管、精液母液管法蘭加法蘭罩，防止滴漏堿液傷人。崗位操作人員配備防酸堿服和防護(hù)面罩，尤其在粉煤灰預(yù)脫硅事故排料排入安全槽時(shí)，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮操作人員遠(yuǎn)離可能發(fā)生事故的排料地點(diǎn)。加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高安全意識(shí)。

4.4 生產(chǎn)系統(tǒng)安全設(shè)施

該工藝設(shè)有自控系統(tǒng)（DCS 操作系統(tǒng)），主機(jī)柜(控制器)、不間斷電源設(shè)備（UPS）等安裝在技術(shù)室內(nèi)，操作員站和工程師站位于控制室內(nèi)，通過(guò)控制室對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和操作。自控系統(tǒng)可對(duì)全廠各車間生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)(如溫度、壓力、液位、流量、重量、密度、電導(dǎo)率、成分、電流、電壓、功率等)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)控，有顯示和記錄工藝參數(shù)的功能，在相關(guān)參數(shù)超過(guò)工藝要求的上下限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。設(shè)置一套緊急停工系統(tǒng)，遇到緊急情況可迅速、就近停車。對(duì)遠(yuǎn)距離控制或多臺(tái)電機(jī)采用聯(lián)鎖信號(hào)控制，發(fā)生事故時(shí)按順序自動(dòng)停車，并發(fā)出事故警報(bào)。

4.5 防燙傷及高溫措施

（1）對(duì)高溫管道、設(shè)備外部采取保溫隔熱措施，外表溫度高于50 ℃的均設(shè)有巖棉保溫層，使設(shè)備及管道表面溫度均在50 ℃以下，防止?fàn)C傷事故發(fā)生。

（2）原礦漿磨制、蒸發(fā)、空壓站等有余熱產(chǎn)生的工段，均設(shè)通風(fēng)器、避風(fēng)天窗及通風(fēng)帽等自然通風(fēng)措施。循環(huán)水泵房等車間設(shè)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，強(qiáng)制排除余熱及有害氣體。

（3）工業(yè)窯爐在設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少散熱。采用高效隔熱內(nèi)襯材料，煅燒爐及焙燒爐爐面溫度不高于40 ℃。建筑上采用通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)，操作崗位附近配備軸流風(fēng)機(jī)。

4.6 防噪聲控制措施

為降低噪聲的影響，首先從聲源上進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)階段盡量選用低噪聲的設(shè)備。其次，真空泵、羅茨風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、破碎機(jī)、排風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等均為室內(nèi)布置，利用建筑物的隔聲作用減少噪聲擴(kuò)散，一般隔音間的隔音量為l5 dB(A)左右；空壓機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處安裝消音器和減振基礎(chǔ)。此外，為降低噪聲對(duì)操作員的影響，高噪聲崗位設(shè)有隔音操作室?？刂剖覂?nèi)噪聲在75 dB(A)以下、作業(yè)場(chǎng)所噪聲在85 dB(A)以下(工作場(chǎng)所操作人員每天連續(xù)接觸噪聲8 h)。采取以上措施后滿足《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

4.7 防機(jī)械傷害、高空墜落和中毒窒息措施

所有運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備外露部分設(shè)有防護(hù)罩，傳送帶設(shè)皮帶廊，帶式輸送機(jī)設(shè)置緊急拉線開關(guān)、啟動(dòng)預(yù)報(bào)裝置、防止誤啟動(dòng)裝置、膠帶打滑、跑偏探測(cè)器和自動(dòng)調(diào)整跑偏裝置等。起重機(jī)械不使用鑄造的吊鉤，設(shè)過(guò)卷、超載、極限位且限制器及啟動(dòng)、事故信號(hào)裝置，并設(shè)置安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置。操作、檢修平臺(tái)設(shè)護(hù)欄，其高度和強(qiáng)度符合國(guó)標(biāo)要求；直梯、斜梯、欄桿按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)踢腳板、護(hù)籠。有墜落危險(xiǎn)的檢修場(chǎng)所設(shè)防護(hù)欄桿或防護(hù)網(wǎng)。焙燒爐、石灰爐、煤氣站系統(tǒng)設(shè)置CO 報(bào)警儀、可燃?xì)怏w報(bào)警儀，配備多套正壓式空氣呼吸器。

5 結(jié)論

通過(guò)危險(xiǎn)有害因素的辨識(shí)，高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁車間主要危險(xiǎn)有害因素為中毒窒息、堿液灼傷、高空墜落、高溫燙傷、機(jī)械傷害、觸電、火災(zāi)、爆炸、噪聲。通過(guò)故障類型和影響分析（FMEA）得到制備氧化鋁車間的影響因素集。根據(jù)危險(xiǎn)有害因素采取針對(duì)性措施后，A 公司高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法制備氧化鋁車間已安全運(yùn)行十多年，驗(yàn)證了本文提出的安全措施完全滿足安全生產(chǎn)的需要。