高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁的工藝風險分析及預防措施

郭倫甫

(廣州市萬保職業安全事務有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著國民經濟的快速發展，鋁及鋁合金被廣泛應用于航天、建筑、電力等重要領域，我國經探測的鋁土礦資源雖然豐富，但能開采的有限[1]。鋁礦產資源因人均占有量不足而日趨短缺，同時也存在開采和利用方式粗放、綜合利用水平低、浪費嚴重等問題，因此我國面臨長期依賴國外鋁礦產資源的風險[2]。針對鋁及鋁合金等基礎原料快速增長的需求，提高氧化鋁產量是目前急需解決的問題。內蒙古A 公司發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，燃燒后產生的粉煤灰中氧化鋁含量達到50%左右，遠遠高于國內常規粉煤灰中的含量，是一種非常寶貴的再生鋁礦物資源，經論證可用于氧化鋁的制備。經過十多年的發展，國內高鋁粉煤灰制備氧化鋁工藝逐漸成熟，產能逐漸提升，不僅可以消化大量煤燃燒排放的工業固體廢棄物，而且大量消化當地其他化工企業排放的電石渣，對推動節能減排，緩解我國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述

目前，國內外高鋁粉煤灰制備氧化鋁的工藝路線主要有兩條：（1）預脫硅加堿石灰燒結法[3]；（2）傳統的石灰石燒結法[4]。經化驗分析，A 公司粉煤灰主要含有Al2O3和SiO2，結果見表1。A 公司采用預脫硅加堿石灰燒結法制備氧化鋁，該技術的主要特點是采用預脫硅技術，提高鋁硅比，降低成渣量。預脫硅加堿石灰燒結法制備氧化鋁工藝流程見圖1。

圖1 預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁工藝流程

表1 粉煤灰主要化學成分

2 工藝危險性分析

目前電解鋁安全管理文獻較多[5]，但高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁工藝危險性分析報道較少。高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁工藝復雜，工藝流程中物料循環利用，不僅涉及大量的化學反應還涉及大量的物理變化。該裝置的原料高鋁粉煤灰，在經過一系列的化學反應后，得到最終產品。一些化學反應需要在高溫、強堿條件下進行，輔料有生石灰、氫氧化鈉等腐蝕性較強的物料，裝置在運行過程中產出CO 等有害氣體，這些物料和反應條件或多或少都具有一定的危險性。因此根據工藝流程，辨識出危險性較大的工段，找出產生危害的原因。

（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有加熱套的反應釜中，用蒸汽加溫至130 ℃左右，在停留罐中停留數小時，使煤灰中的一部分SiO2與NaOH 發生反應，生成Na2SiO3進入溶液中，達到從煤灰中脫硅的目的。將溶液進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反應生成NaOH 與CaSiO3沉淀，得到CaSiO3成品，溶液送往蒸發工段；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行苛化，苛化后的固體是CaCO3，液體是NaOH，溶液送至蒸發工段。該工序主要反應是SiO2與NaOH 在反應罐中反應，如果加熱時間過長、溫度過高，容易造成溶液中大量的水被蒸干；操作失誤時大量的堿液存在泄漏；如果CO2氣體在反應時與過量的堿液反應失控發生放熱，會導致反應釜爆炸。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、機械傷害、觸電、爆炸等有害因素。

（2）生料制備。將經過脫硅的粉煤灰與電石渣、無煙煤、循環母液按一定比例混合后經過磨機研磨，混合均勻，然后經過化驗、加母液調整，最終得到合格的生料漿。該工序不存在化學反應，主要是將物料混合均勻，在用磨機磨料時電石渣和無煙煤存在粉塵爆炸風險，主要存在機械傷害、堿液灼傷、噪聲、觸電、粉塵爆炸、火災等有害因素。

（3）生料燒結。將配制合格的生料漿用柱塞泵定量、定壓力輸送至回轉窯中，在一定的溫度條件下進行燒結，燒結后的熟料經過冷卻破碎后輸送至溶出工序熟料倉。熟料燒結采用回轉窯，熟料采用單筒冷卻。該工序主要發生化學反應，Na2CO3和Al2O3生成NaAlO2和CO2氣體，如果超負荷生產易造成超壓爆炸。該工序主要存在機械傷害、高溫燙傷、噪聲、觸電、爆炸、火災等有害因素。

（4）熟料溶出。破碎后的熟料(粒徑不超過8 mm)在筒形溶出器內與同時加入的調整液進行逆流溶出，溶出后的粗渣與硅鈣渣二次洗液進棒磨機繼續細磨。該工序主要是物理溶解分離，不存在化學反應，主要存在機械傷害、噪聲、觸電等有害因素。

（5）溶出液脫硅與精制。將沉降槽溢流出來的溶出液加入種分母液，提高苛性比值，然后經過兩段脫硅：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，過濾后的溶出液加入石灰乳并攪拌進行二段深度脫硅，使其中的SiO2以水化石榴石形式析出，溶液過濾后進行碳酸化分解。該工序主要存在機械傷害、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行過濾洗滌，得到洗滌合格的氫氧化鋁固體，較細顆粒的氫氧化鋁用立盤過濾后作為種子分解晶種。該工序主要是NaAlO2和CO2氣體反應生產Al(OH)3和NaOH，通入過量的CO2氣體會導致反應釜超壓爆炸，因此主要存在中毒窒息、堿液灼傷、機械傷害、觸電等有害因素。

（7）蒸發。主要針對碳分母液與脫硅用的NaOH 溶液，兩種溶液都需要蒸發以提高濃度。經過蒸發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對下一批粉煤灰進行脫硅，達到循環使用的目的。該工序的主要設備是降膜蒸發器，只發生物理變化。該工序主要存在機械傷害、觸電、噪聲、高溫燙傷等有害因素。

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

（9）煤氣站。全場煤氣的生產基地，主要設備是煤氣發生爐，煤氣發生爐主要消耗煤生產出CO、CO2、H2等混合氣體（簡稱“煤氣”）。煤氣發生爐在反應時壓力容器或壓力管道泄漏或超壓造成火災爆炸。CO 氣體是毒害性氣體，CO 和H2是易燃易爆氣體。該工序主要存在機械傷害、觸電、高溫燙傷、火災、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行煅燒，得到合格的生石灰，并將石灰窯的窯氣經過凈化、壓縮作為生產白碳黑與碳酸化分解的原料—CO2。該工序主要存在機械傷害、觸電、高溫燙傷、火災、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安全分析方法，是復雜系統工程辨識影響因素的常用方法[6]。對辨識出的中毒窒息、堿液灼傷、高空墜落、高溫燙傷、機械傷害、觸電、火災、爆炸、噪聲等9 種危險有害因素進行歸集，結合以上9 種危險有害因素可將車間典型不安全事件歸為以下5 類，即安全防護用品不全或損壞、人員誤操作、裝置超負荷運行、裝置帶病運行、安全管理體系不健全。對車間運行過程發生故障時在各FMEA 條件下進行分析，具體見表2。

表2 高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁車間故障類型及風險因素

對表2 中列出的各個影響因素進行歸并得到21 個影響因素，將21 個影響因素歸集得到高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁車間影響因素集，該影響因素集=﹛裝置人員安全風險意識不強；經驗不足；安全教育培訓不足；社會經濟形勢不佳；監督檢查不到位；防護用品質量差；工作時間過長；班組的氛圍不佳；頻繁重復相同工作；薪資較低；身心不佳；工作環境差；使用技術水平不達標；設備故障不能控制反應或分離；報警設備故障；報警設備冗余量不足；物料有腐蝕性；物料自身具有易燃易爆性；維護不到位；設備的機械完整性能不佳；應急處理能力不強﹜。

4 采取的安全措施

根據高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁車間風險因素集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、煤氣站設可燃氣體檢測儀和有毒氣體報警儀，車間通過防爆軸流風機強制通風，避免可燃氣體和有毒氣體積聚。

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

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

（4）嚴格按照《建筑設計防火規范》進行規范設計。氫氧化鋁焙燒車間、煤氣站和其他車間按功能集中布置。優先采用鋼筋混凝土框架結構，框架采用防火、防爆、耐腐蝕等安全措施。

4.2 電力系統的安全措施

電氣系統是該裝置的核心，一旦裝置失電引起整個車間緊急停工。由于該裝置在多粉塵和腐蝕性很強的生產環境中，為確保電氣安全，采取如下防護措施：

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

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

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

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

（5）配電設備均采用密封式結構，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。變配電均采用戶內式配電裝置，室內配電裝置室的進出風口加設金屬防護網，防止小動物鉆入造成短路事故。

（6）變壓器室按一級耐火建筑物設計，高低壓配電室按二級耐火建筑物設計。各變配電室均設置消防設施，注油設備配置泡沫滅火器，并設事故儲油設施，帶電部分使用干粉滅火器。

（7）嚴格按繼電保護規定，合理配置各級保護設施。電氣系統設短路保護、過負荷保護等裝置。

4.3 防堿液灼傷措施

堿燒傷是該工藝最常見的傷害，在設計上采取一系列措施：各堿液槽罐區設圍堰，避免事故時漫溢；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/石灰侵害的地區設事故淋浴、水龍頭等，配備硼酸溶液或其他沖洗設施及時沖洗。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面罩，尤其在粉煤灰預脫硅事故排料排入安全槽時，在工藝設計時考慮操作人員遠離可能發生事故的排料地點。加強人員培訓，提高安全意識。

4.4 生產系統安全設施

該工藝設有自控系統（DCS 操作系統），主機柜(控制器)、不間斷電源設備（UPS）等安裝在技術室內，操作員站和工程師站位于控制室內，通過控制室對生產過程進行監控和操作。自控系統可對全廠各車間生產過程工藝參數(如溫度、壓力、液位、流量、重量、密度、電導率、成分、電流、電壓、功率等)進行自動檢測、監控，有顯示和記錄工藝參數的功能，在相關參數超過工藝要求的上下限時發出聲光報警信號。設置一套緊急停工系統，遇到緊急情況可迅速、就近停車。對遠距離控制或多臺電機采用聯鎖信號控制，發生事故時按順序自動停車，并發出事故警報。

4.5 防燙傷及高溫措施

（1）對高溫管道、設備外部采取保溫隔熱措施，外表溫度高于50 ℃的均設有巖棉保溫層，使設備及管道表面溫度均在50 ℃以下，防止燙傷事故發生。

（2）原礦漿磨制、蒸發、空壓站等有余熱產生的工段，均設通風器、避風天窗及通風帽等自然通風措施。循環水泵房等車間設機械通風系統，強制排除余熱及有害氣體。

（3）工業窯爐在設計時盡量減少散熱。采用高效隔熱內襯材料，煅燒爐及焙燒爐爐面溫度不高于40 ℃。建筑上采用通風窗結構，操作崗位附近配備軸流風機。

4.6 防噪聲控制措施

為降低噪聲的影響，首先從聲源上進行控制，設計階段盡量選用低噪聲的設備。其次，真空泵、羅茨風機、空壓機、破碎機、排風機、鼓風機等均為室內布置，利用建筑物的隔聲作用減少噪聲擴散，一般隔音間的隔音量為l5 dB(A)左右；空壓機、羅茨風機和排風機進出口處安裝消音器和減振基礎。此外，為降低噪聲對操作員的影響，高噪聲崗位設有隔音操作室。控制室內噪聲在75 dB(A)以下、作業場所噪聲在85 dB(A)以下(工作場所操作人員每天連續接觸噪聲8 h)。采取以上措施后滿足《工業企業設計衛生標準》和《工業企業噪聲控制設計規范》的要求。

4.7 防機械傷害、高空墜落和中毒窒息措施

所有運轉設備外露部分設有防護罩，傳送帶設皮帶廊，帶式輸送機設置緊急拉線開關、啟動預報裝置、防止誤啟動裝置、膠帶打滑、跑偏探測器和自動調整跑偏裝置等。起重機械不使用鑄造的吊鉤，設過卷、超載、極限位且限制器及啟動、事故信號裝置，并設置安全聯鎖保護裝置。操作、檢修平臺設護欄，其高度和強度符合國標要求；直梯、斜梯、欄桿按照國家標準設踢腳板、護籠。有墜落危險的檢修場所設防護欄桿或防護網。焙燒爐、石灰爐、煤氣站系統設置CO 報警儀、可燃氣體報警儀，配備多套正壓式空氣呼吸器。

5 結論

通過危險有害因素的辨識，高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁車間主要危險有害因素為中毒窒息、堿液灼傷、高空墜落、高溫燙傷、機械傷害、觸電、火災、爆炸、噪聲。通過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。根據危險有害因素采取針對性措施后，A 公司高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結法制備氧化鋁車間已安全運行十多年，驗證了本文提出的安全措施完全滿足安全生產的需要。