燃气应用设备的安全技术

　　一、概述

　　众所周知，燃气作为燃料，具有使用方便、火力强、热效率高、对环境污染小、易实现生产自动化及提高产品质量等优点。但它也有易燃、易爆及有毒等缺点。因此在应用燃气时必须采取必要的安全技术措施。

　　由于各种燃气成分不同，其中毒、爆炸及失火的危险程度也有所差异，如天然气除了含有硫化氢以外，几乎是无毒的。因此，对天然气来说，爆炸或失火是主要危险。而对人工燃气来说，则三种危险都有。特别是含一氧化碳多的煤气，毒性就更大。从这点来看，以天然气作为城市燃气比人工燃气优越。

　　二、防止中毒的措施

　　为了防止燃气对人身的毒害，在气源方面，应限制有毒成分(如CO、H2S)的含量，采取加臭措施：在应用方面，则需注意防止漏气，加强通风，选用先进合理的燃烧装置。下面着重讲防止燃气泄漏及其排除方法。

　　(一)防止漏气

　　漏气是引起中毒、爆炸及火灾的主要根源，安全措施的主要任务之一，就是防止漏气，为此必须保证：

　　1．对燃气管道、阀门及其连接件，要求严密和有一定的强度，不允许燃气泄漏，其措施如下：

　　(1)管材与阀门要求采用高质量材料，并进行技术检查。

　　(2)严格检查施工质量(如铺设、焊接及防腐绝缘等)。

　　(3)按安全技术规程进行强度与严密性试验，发现问题及时处理。

　　2．及时发现漏气地点，迅速修理消除。其方法如下：

　　(1)应用钻孔或测漏仪器，经常检查地下阀门，集气管有无漏气现象。

　　(2)经常检查地下室内的管道，特别是管道连接处和阀门等地方。

　　(二)合理布置管道、设备及加强维扩

　　1．在工业企业优先采用地上铺设，这样容易检查与发现漏气，比地下敷设安全。

　　2．地下燃气管道距结构物要有一定距离，不要与其他管线放在一起，特别是不要靠近下水道和热力管沟。因为下水道和热力管沟很不严密，漏出的燃气易扩散进去。

　　3. 设计与安装燃气设备时，要遵守安全技术规程。

　　4．带气操作时，要严格遵守操作规程。

　　5．对运行管理人员要进行专门的技术培训。

　　6. 要专门对有关医务人员进行燃气事故的急救培训。

　　三、燃气工业炉常见爆炸事故及防止

　　(一)工业炉常见事故及原因

　　燃气工业炉发生事故最多的是伴随燃气燃烧产生的爆炸事故，其次是被加热物中挥发出来的可燃气体、可燃保护气氛等引起的爆炸以及水进入熔炼炉引起的水蒸汽爆炸事故。

　　1．燃烧引起的燃气爆炸事故 在开炉点火或中间灭火再点火时，当炉膛或管道中存在的可燃气体达到了爆炸极限范围而引起的爆炸，称为燃气爆炸事故。许多爆炸事故的分析表明，燃气工业炉等应用设备，在点火时引起的爆炸约占总数的2／3，其中有半数是由于停炉时燃气泄漏造成的，其余一半是由于操作人员为了省事在关闭主燃烧器的阀门时没有同时关闭主管的安全切断阀而引起的。燃料爆炸事故中，气体燃料要占一大半以上。其次是由于在空气不足的情况下，CO、H2和空气混合气体达到爆炸极限，点火时引起的爆炸。炉子非正常灭火后，应先关闭燃气阀门，用新鲜空气吹扫后再点火。否则再点火时容易引起爆炸。燃油或油气共用的工业炉在点火时引起的爆炸约占1／4。其中大部分是因为几次点火未点着，而没有用空气吹扫，再点火时引起了爆炸。也有许多运行中的燃气或油气共用的工业炉，由于没有火焰检测装置，火焰脱火后没有发现而引起爆炸。

　　燃气工业炉内燃烧引起的燃气爆炸事故，其原因和比例大致为：违反燃烧安全操作程序占60％；燃气压力过高或炉内负压过大，发生燃烧器脱火占15％～20％；燃气经不严密的切断装置漏入，使可燃混合物聚集在炉膛及烟道占10％～15％；由于不完全燃烧，在炉膛和烟道中发生爆炸占5％～10％。因此，违反操作规程而发生的燃气爆炸事故最多。

　　2．可燃性保护气氛的爆炸 在某些热处理炉中，由于工艺的需要，需通入特殊的控制气氛或保护气氛，以实现无氧化加热、渗碳、氮化等。这些炉子除了供给用于加热的燃气外，还通入可燃性控制气氛。这些控制气氛中的CO和H2当与空气混合达到爆炸极限浓度内时，遇到明火将引起爆炸事故。

　　3．溶剂蒸气引起的爆炸 在燃气工业炉内(多为干燥炉)被加热物蒸发出的可燃气体，在温度和浓度达到爆炸极限内时，引起爆炸。这类事故有一半是因为违反操作规程引起的，另一半是因为设备的排气系统不完善引起的。这类工业炉窑主要有油漆干燥炉、电气绝缘漆干燥装置等设备。

　　4．水蒸汽的爆炸事故 熔炼金属的熔炼炉和电石熔炼炉等，其水冷部件破损或其他原因，水流入炉内，激烈的蒸发引起爆炸事故。或者由于某些原因，高温融熔金属或电石流出炉外与水接触，引起水的激剧蒸发引起爆炸。

　　(二)爆炸的条件及防止

　　1．燃烧爆炸的条件与机理

　　如果燃气与一定量的空气混合，其浓度达到爆炸极限范围内，并充满在封闭容器中(例如房间、燃烧室或管道中)，这就形成了爆炸的条件。这时如遇火种，即可产生爆炸。因此，要防止燃气爆炸，首先应防止爆炸性混合物的形成，执行以防为主。

　　燃气工业炉的各种爆炸事故尽管各不相同，但都与燃烧和爆燃的基本原理有关。可燃性气体和一定量的空气预先混合，其浓度达到着火范围时，火焰在其中的传播速度是极快的。这种可燃混合气一旦着火，在火源周围形成一个反应区并迅速传播，其传播速度随混合物成分不同而异。通常把火源的反应区称为燃烧波或火焰锋面。

　　(1)回火爆炸 混合气从管口喷出燃烧时，其喷出速度与火焰传播速度相匹配，可以得到正常燃烧(也称稳定燃烧)。喷出速度太大时，出现脱火现象而熄灭。相反，喷出速度小于燃烧速度时，火焰就缩入管内燃烧，产生回火现象。很多燃气工业炉的管道爆炸事故是由此而引起的。

　　(2)气体爆炸 可燃性气体与空气或氧气混合的可燃混气一旦着火，就以燃烧波的形式迅速传播，混合气在极短的时间内燃尽。如果在密闭的容器内或有限的空间内，混合气燃烧反应产生的热量加热燃烧气体使之迅速膨胀，压力可达到0．686～0．748MPa，形成气体爆炸。在燃气工业炉等燃气应用设备的燃烧室、风箱、烟道等的爆炸，皆为此类气体爆炸事故。

　　(3)爆震 在管内的可燃混气，由一点着火后，当燃烧波传到一定距离时，其传播速度突然激增，可达1000～3500m/s，此现象称之为爆震。爆震形成了冲击波，具有很大的破坏力。尤其是燃气与氧气混合时，其混合气的爆震速度更高。

　　2．爆炸事故的防止

　　尽管燃气应用设备的爆炸事故各种各样，但几乎都与燃烧过程忽视安全有关。因此，应把安全燃烧作为防止爆炸事故的主要方面。安全燃烧不仅局限于燃烧设备运行时要采取安全措施，还应扩展到全面安全管理系统。

　　(1)安全燃烧的基础

　　1)正确地掌握燃气的燃烧特性和物理性质。

　　2)防止燃气的泄漏。

　　3)使用燃烧稳定性好的燃烧装置。

　　4)设置安全切断阀。发现异常现象时能及时切断供气是确保燃烧安全的关键。

　　5)正确安装和使用各种安全装置。

　　6)点火前必须按规定用空气先进行吹扫。

　　7)点火时按规定的程序和位置迅速将火点着。

　　8)非正常熄火后再点火时，必须先找出熄火的原因，待排除故障后再按点火程序点火。

　　9)燃气应用设备的运行和熄火的整个过程，必须按操作规程严格进行。

　　10)必须坚持每日检查和定期检查，始终确保设备正常运行。

　　(2)燃烧设备的安全

　　1)燃烧安全系统 为了减少由错误操作而造成的事故，必须选用可靠性高的安全控制设备，对于不同的燃气应用设备应采取与之相适应的安全技术系统。构成系统的各设备及元器件的可靠性必须很高，整个系统才可靠。

　　2)对安全系统的检查 根据系统中各个装置的具体情况，制定出日检查和定期检查的项目。操作和维修人员应严格执行，才能确保安全。

　　(3)操柞运行的安全

　　燃气应用设备装备水平不同，安全控制的自动化程度也不一样，有全自动、半自动及手动之分。即使是自动化的也要人来管理操作。因此，对操作者进行安全教育和技术培训，是保证操作运行安全可靠的重要因素。

　　四、燃气工业炉的安全措施

　　(一)对燃气工业炉结构和功能的要求

　　1．对燃气工业炉的要求

　　(1)点火时炉门能打开

　　(2)烟道闸门关闭时，不能点火。烟道闸门的开度应容易确认。

　　(3)下雨下雪时，地下水不能影响烟道的抽力。

　　(4)燃气工业炉应安装在通风良好的位置，当发生爆炸事故时，人能有逃避的场所。

　　(5)使用比空气重的气体燃料而又设置在地下的炉子，应考虑安装换气设备。

　　(6)炉体应具备抗震的强度。

　　(7)地下部位的检查井，至少应设置2个。

　　2．对燃气管道的要求

　　(1)燃气管道及其附属装置，应设在不易过热和破损的位置。

　　(2)燃气管道等应能承受最大供给压力1. 5倍的强度，并应根据燃气的性质选用合适的材质。

　　(3)为防止燃气的泄诵，对燃气配管等应有防腐措施。

　　(4)应有防止燃气膨胀，管内压力过度升高的设施。

　　(5)燃气配管等应有接地设施。

　　(6)燃气配管应设置紧急操作阀。

　　(7)燃气配管应装有膨胀节，具备防地震振动冲击而破损的性能。

　　(8)燃气管道上的阀门应装在易于检查和维修的地方。

　　3．对燃气燃烧器的要求

　　(1)燃烧器应与使用的燃气性质相适应。

　　(2)为了在使用条件下能正常稳定地燃烧，燃烧器的结构应有稳焰功能，或者设置烧嘴砖来保证火焰的稳定燃烧。

　　(3)燃烧器喷出的火焰应是正常而稳定的，能够调整到最佳空燃比，而且长时间燃烧时空燃比不会自行改变，这些要由其结构来保证。

　　(4)燃烧器应设有用电极点火的点火烧嘴，或设置能确实保证用点火棒能点着火的点火孔。

　　(5)主燃烧器的结构，应保证在用点火燃烧器点燃主燃烧器时，主燃烧器的喷出气流不致吹灭点火燃烧器的火焰。

　　(6)点火燃烧器的安装位置，能确实使其火焰达到能点燃主燃烧器的位置。

　　(7)点火燃烧罪应安装在可用肉眼观察其是否处于燃烧状态的位置上，但如果有火焰监视装置，可不受此限。

　　(8)炉膛的温度低于燃气的着火温度或频繁点火、熄火的炉子，需设置火焰稳定的点火燃烧器或确实能及时点火的其他点火源装置。

　　4．对燃烧安全装置的要求

　　(1)安全切断阀

　　1)燃气管道上应装设当出现空气管供风中断等危险状态的切断燃气供给的安全切断阀。

　　2)在安全切断阀处不准装置旁通管路。

　　3)安全切断阀，采用电动或气动时应具备能自动地切断燃气供给的结构。

　　4)安全切断阀的安装位置应尽量靠近燃烧器。

　　5)在燃气工业炉上装置燃气安全切断阀时，为了作燃气的泄漏试验，在切断阀的下游应设置燃气截止阀、检测旋塞等。

　　(2)燃烧监视装置

　　1)在炉温低于燃气着火温度、频繁点火、熄火或密闭使用的炉子上，最好设置燃烧监视装置。

　　2)对装有多个燃烧器的炉子，希望每个燃烧器各装一个燃烧监视装置。

　　3)燃烧监视装置应有下列性能：

　　(a)在主燃烧器没有点着火或火焰熄灭时，能直接发出信号给切断阀，切断燃气：

　　(b)不会因为炉内的辐射，产生误动作。

　　(c)安装的位置不至由于燃烧器点火时的火花而产生误动作。

　　(3)安全控制装置

　　根据需要，燃气工业炉应该安装有：空气、燃气压力和温度不正常时的检出装置、断水报警装置等，以确保安全。

　　5. 对控制、操作回路的要求

　　(1)控制、操作回路应具备在炉子出现异常现象时用灯光或音响等迅速发出报警的功能。

　　(2)炉子在发生故障停炉后再开炉时，必须先把故障排除，才能再启动。

　　(3)操作按钮应按程序排列，防止误操作。

　　(4)操作盘应放在温度允许的环境，而且不与高温物接触，也不应放在有物品落下砸损处。

　　(5)操作盘的结构应便于检修。

　　6．各种标记

　　(1)燃气工业炉及其配套设备应在明显的位置设置标牌，应注明型号、规格、名称、使用条件、性能、制造厂家、制造日期等。

　　(2)各种管路应按有关规定的颜色涂漆。紧急操作阀应和其他阀门有明显的区别标志。

　　(二)对工业炉使用与操作的要求

　　1．一般注意事项

　　使用与操作必须遵守的一般注意事项如下：

　　(1)掌握应用设备各部件的构造、性能等，了解安全装置的机能。

　　(2)不能把安全装置封闭起来，以免在发生紧急情况时不能及时操作。

　　(3)使用的燃气应适应燃烧器的性能。更换不同性质的燃气时，必须分析原燃烧装置是否适用，必要时应根据新换燃气的性质对原燃烧装置(燃烧器)进行更换或改造。

　　(4)根据燃烧器的使用条件，操作必须遵守点火、运行、熄火等操作规程。

　　(5)启动、点火、熄火、停止及紧急安全措施等操作盘，应安装在显而易见的位置。

　　(6)流量调节阀、压力调节阀等的功能必须完好可靠。

　　(7)燃烧器必须在规定的范围内设定空燃比。

　　(8)不准随意改变燃气、空气的压力，不能在超过规定压力下运行。

　　2．燃烧装置的点火、运行、熄火、停止的通用操作程序

　　(1)点火准备与点火

　　在点火前，主燃烧器与点火燃烧器的截止阀应完全关闭，燃气的压力和温度、空气压力、冷却水压力应稳定在规定值。必须将烟道闸板开到所规定的开度，使排烟处于正常的状况。

　　1)点火前必须进行吹扫，而且需用炉内容积4倍以上的空气量进行吹扫，吹扫空气流量应为最大燃烧负荷时的50％以上的流量。

　　2)点燃主燃烧器时先给空气，再用点火棒、点火燃烧器或其他能点着火的点火源放在指定的位置，遵照所规定的操作方法点火。点火燃烧器的点燃同主燃烧箭。另外，手动点火时，先给空气，准备点火源，打开燃气阀，必须在5秒之内点着。

　　3)着火的确认，从窥视孔观察或由火焰监测器指示是否点着。

　　4)有2个以上的燃烧器时，需先开一个燃气阀，点燃一个燃烧器。程序同上。

　　5)点火失败时，应迅速关闭燃气阀门。再点火前，应先用空气吹扫后，再用上述方法进行点火。

　　6)点燃主燃烧器时，按规定的点火燃气量进行点火。

　　(2)运行丑异常时的操作

　　1)炉子运行中，应经常检查其是否处于正常状态。

　　2)发现不正常，如火焰不稳定、熄火及其他危险现象时，应迅速切断燃气供应，关闭燃气截止阀。这时必须查清原因，检修或采取必要的措施。在查清原因和检修完好之前，不能再投入运行。

　　3)不正常停炉后再开炉时，必须检查确认安全后，按操作规程从吹扫洗炉开始，再进行点火。

　　4)暂时停炉时，关闭燃气的截止阀，并检查其是否确实关严。

　　(3)熄火 熄火应按规定的操作方法进行。使用点火燃烧器连续点火或重复点火的燃烧装置，应先将主燃烧器熄灭后，再将点火燃烧器熄灭。

　　(4)停炉

　　1)运行终了停炉时，按规定的操作方法关闭燃气切断阀，必要响应对炉子进行清洗，使炉内不残存燃气。

　　2)燃烧器熄火后，顺次从燃气管路的下游向上游逐个关断燃气阀门。

　　3. 操作环境

　　为了确保安全，必须十分注意保持燃气工业炉等应用设备周围、地面、采光、照明、通风排气等都处于正常完好整洁的状态。

　　(三)对工业炉检查与维修的要求

　　1．检查

　　(1)检查的通用原则

　　1)对燃气工业炉的炉体、燃气管道、主燃烧器、点火燃烧器、燃烧安全装置、各种控制仪表及其系统等，按规定的检查标准进行检查。

　　2)进行检查时，切断本炉电源，关闭燃气的手动截止阀。在检查中应在操作盘上挂上“检修中”的标牌，以免其他人误操作。

　　(2)日常检查

　　按所确定的检查表进行日常检查。

　　(3)定期检查

　　1)按所规定的检查项目、检查方法及检查表，进行定期检查。

　　2)记录检查结果，并保存一定时间。

　　2．维修

　　(1)检查后的维修

　　1)检查结果发现问题时，应立即修理或采取其他必要的措施。

　　2)将维修和更换零部件的结果，记录存档，保留一定的时间。

　　3)对于安全装置的备件，按需要应定期更换。应常备其备件。

　　(2)计划维修

　　1)燃气切断阀、各种一次检测元器件、有一定寿命规定的装置以及确保安全的关键零件、装置等，必须定期检查；发现问题时，及时更换上合格的备件。

　　2)当炉子生产的产品质量不稳定时，可能是炉子将要出现或已经出现问题。因此，可通过掌握日常生产中是否出现异常现象来及时发现事故的隐患，及早采取措施，以确保设备的安全运行。

　　除上述燃气工业炉安全措施外，还应遵守当地公安消防部门规定的有关安全消防条例。

　　五、减小燃气爆炸破坏力的措施

　　在实际工作中，除采用上述防止爆炸的措施外，还采用其他一些技术措施，来减小燃气爆炸的破坏力，其方法如下：

　　1．在燃气应用设备上设置防爆门。防爆门本身并不能防止爆炸，但它可以迅速排泄高温烟气，降低爆炸波在炉内或烟道内的破坏力，保护设备不致毁坏。

　　防爆面积可通过计算近似确定。根据经验，一般1m3炉膛和烟道取250cm2，对大型窑炉应视情况而定。

　　工业炉的工作温度高，而且有很多操作孔和设有转弯的排烟道。因此，可不设防爆门。但对低温炉(低于700～800℃)和有很大工作室(如干燥炉)的炉子，可能有部分燃气—空气混合物在炉膛和烟道形成爆炸混合物。所以，对这些炉子安装防爆门是必要的。

　　防爆门的最合理的位置是，应使其表面垂直于爆炸波方向。如燃气轻于空气时，可放在炉膛顶部，亦可放在烟道转弯及烟道突出处。要考虑爆炸时由防爆门出来的热气体与火焰不伤害工人，所以防爆门不要布置在操作地点。

　　防爆门大致有四种结构：上悬式铸铁防爆门，石棉板防爆门、耐热旋启式防爆门及金属薄板防爆门。

　　图3—11—6所示为耐热旋启式防爆门。是由两面抹耐火粘土粉加石棉粉调和料的金属网，固定在可以旋启的金属框架上所组成的。

　　图3-11-6 耐热施施式防爆门

　　1-固定框架；2-金属板；3-金属网；4-石棉纸板；5-铆钉；6-石棉质耐火粘土

　　图3-11-7 石棉板防爆门(膜)

　　1-短管；2-法兰；3-石棉薄板；4-金属网；5、6-螺栓、螺母；7-角钢；8-砖砌体

　　图3—11—7所示为石棉板防爆门。防爆膜通常用2～3mm厚的石棉板，并采用金属框架将石棉板固定。为保证石棉板的稳定性，在板外还垫以金属网。

　　2. 使用燃气的房间，应有足够大的向外开的门窗面积。从安全角度，每100m3房间容积的门窗总面积不应小于5m2。

　　3．为了防爆，应用燃气的动力车间通常为单层厂房。

　　六、燃气爆炸典型事故分析

　　下面介绍两起燃气锅炉爆炸事故。从中可以看出，只要我们采取前述种种安全措施，爆炸事故是完全可以避免的。

　　(一)违反操作规程产生的爆炸事故

　　某厂一台K4—13型锅炉，原以煤为燃料，后改用燃气，安装4个中压引射式燃烧器。由于该厂锅炉改烧燃气后，未对操作人员进行专门培训，操作人员未按燃气锅炉操作程序进行点火，在二次点火时发生爆炸事故。幸好有防爆门，未造成重大损失。事故发生后，操作人员叙述点火程序如下：

　　1．点火前检查所有供气管道、阀门与各种仪表，均属正常。

　　2．点火前开动引风机6min，将炉膛内气体排出。

　　3．开主阀放散1min，后关闭放散阀。

　　4．点燃点火器，放人炉内燃烧器出口上方。

　　5．开燃烧器前的调节阀与控制阀。这时由于调节阀开启太大，而控制阀又开启太快，以及炉内温度过低等因素，点火未燃。

　　6．关闭控制阀，准备二次点火。

　　7．点燃点火器，重新放入炉内，这时立即发生爆炸。

　　事故分析：由于一次点火未燃，锅炉内已形成燃气—空气混合物，而且浓度已达到爆炸极限以内。按照操作程序，本应在二次点火前再重新开引风机，排出炉内气体，然后再进行点火。但操作人虽并未这样做。因此，二次点火时立即发生爆炸事故。从该例看出，一切必要的合理规章制度必须严格执行，领导要经常检查，操作人员更不能马虎大意。

　　(二)阀门关闭不严造成的爆炸事故

　　某厂一台K2—13型锅炉，原以煤为燃料，后用燃气，采用鼓风式燃烧器。当时为了早日用气，在燃烧器前只安装一个关闭不严密的阀门，打算以后有好阀门时再更换。

　　事故发生后，操作人员叙述点火程序如下：

　　1．点火前检查所有燃气管道、阀门、风管、风机与各种仪表均属正常，只有燃烧器前一个阀门关闭不严。

　　2．点火前开鼓风机5min，将炉内气体排出。

　　3．将点火器点燃放入炉内，这时立即发生爆炸。

　　事故分析：虽然点火前已换气5min，但由于燃烧器前只装了一个关闭不严密的阀门，因此点火器放入炉内之前炉内还是有漏入的燃气，并已形成可燃混合物，所以在初次点火时即发生爆炸。通过该例说明，炉前管道系统设计一定要合理，而且阀门等设备一定要保证质量，不合格者一律不准使用，以免发生事故。