張寶軍 魏福順

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 河北唐山 063200)

0 引言

在社會經(jīng)濟建設(shè)過程中，鋼鐵行業(yè)占據(jù)著重要位置，為我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展提供了保障。但是，鋼鐵行業(yè)在實際生產(chǎn)和經(jīng)營過程中存在一系列安全問題，尤為突出的就是煤氣操作安全問題。2018年，全國鋼鐵企業(yè)發(fā)生較大煤氣事故3起，21人死亡，造成了巨大的經(jīng)濟損失。這幾起事故暴露出了部分鋼鐵企業(yè)在安全生產(chǎn)方面存在的以下幾個問題，譬如安全生產(chǎn)主體責(zé)任不落實，安全設(shè)備設(shè)施缺失，施工區(qū)域煤氣隔斷措施不到位，維修作業(yè)安全確認、安全交底、安全監(jiān)護流于形式，應(yīng)急處置不當?shù)葐栴}。因此，在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中，相關(guān)部門應(yīng)該加大煤氣操作的安全管理力度，實行有效的保障技術(shù)措施，確保煤氣操作的安全性。

1 加熱爐煤氣設(shè)施概況

本研究共設(shè)置4座煤氣平臺，由北向南依次為1#、2#、3#、4#爐煤氣平臺。進入車間的煤氣管道直徑為1 400 mm，每座煤氣平臺設(shè)置密封蝶閥、盲板閥、快切閥和氮氣吹掃裝置，4座加熱爐煤氣平臺結(jié)構(gòu)和布置相同。

煤氣管道進入車間后首先進入換熱器預(yù)熱煤氣，煤氣預(yù)熱溫度最高320 ℃，超過該溫度后自動啟動摻冷風(fēng)機進行吹掃，保護煤氣換熱器并防止煤氣過熱，預(yù)熱后的煤氣供入加熱爐用于加熱鋼坯。加熱爐有效長度50 900 mm，爐膛內(nèi)寬度11 700 mm，加熱爐為端部裝、出料。加熱爐分8段供熱，包括預(yù)熱段上下、第一加熱段上下、第二加熱段上下和均熱段上下。

1#、2#、3#加熱爐是常規(guī)式加熱爐，常規(guī)加熱爐共布置88個燒嘴，均熱段上部爐頂采用平焰燒嘴，共30個，其余供熱段采用側(cè)調(diào)焰燒嘴，共58個，每個調(diào)焰燒嘴均安裝氣動間拔閥，能夠遠程控制閥門的開關(guān)。

4#爐是蓄熱式加熱爐，蓄熱式加熱爐共布置92個燒嘴，均熱段上部爐頂采用平焰燒嘴，共30個，其余供熱段采用側(cè)調(diào)焰燒嘴，共62個，每個調(diào)焰燒嘴均安裝氣動間拔閥，能夠遠程控制閥門的開關(guān)。

2 加熱爐煤氣燃燒過程中的回火危害、原因分析及預(yù)防措施

2.1 回火及其危害

燒嘴燃燒時，煤氣-空氣的混合物從燒嘴噴出并被點燃后，不一定形成穩(wěn)定的火焰，當混合氣體流速小于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，火焰可能逆流傳播進燒嘴煤氣孔，使燃燒在噴嘴內(nèi)進行，這種火焰在火孔內(nèi)部燃燒的現(xiàn)象稱為回火。一次空氣系數(shù)太小導(dǎo)致回火；可燃混合氣體燒嘴噴出速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，產(chǎn)生回火；氣體燃燒共振引起回火；燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引起回火；燃燒器頭部過熱引起回火[1]。

回火是不允許的，會造成不完全燃燒，影響燃燒器的穩(wěn)定工作，同時還引起爆鳴聲和噪聲。在燒嘴混合管內(nèi)燃燒，有可能把鋼制混合裝置燒得變形、鑄鐵混合裝置燒出裂縫。當一個段有多個燒嘴，因段煤氣負荷小，會導(dǎo)致部分燒嘴煤氣總管出現(xiàn)負壓，回火進入總管燒壞總管。當幾個燃燒器共用一個混合器，而且燃氣-空氣混合物的輸送管道容積又很大時，若回火就有可能發(fā)生爆炸事故。

2.2 防止回火的措施

防止回火主要是以降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高燃?空氣混合物的出燒嘴的流速，保證速度場均勻等。防止燒嘴回火重點是設(shè)定煤氣下限壓力，保證在該壓力之上燒嘴燃燒穩(wěn)定，不發(fā)生回火。加熱爐使用的是高爐煤氣、焦爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、天燃氣4種氣體組成的混合煤氣，在設(shè)定煤氣壓力下限時考慮充分的安全系數(shù)，按照火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁斓臍錃庠O(shè)定防止回火的總管壓力。氣體的燃燒性能用火焰?zhèn)鞑ニ俣葋砗饬浚恍怏w與空氣的混合物在直徑25.4 mm的管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣热绫?。

表1 可燃氣體在直徑25.4 mm管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

實驗數(shù)據(jù)可見，氫氣的燃燒速度最快，此外在管道中測試火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r還與管子材料以及火焰的重力場有關(guān)。如質(zhì)量分數(shù)10%的甲烷與空氣混合氣，管子平放時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.65 m/s，向上垂直放時為0.75 m/s，而向下垂直放為0.595 m/s。根據(jù)段最小煤氣流量計算出煤氣出燒嘴速度，根據(jù)混合煤氣密度計算出該流速下煤氣管道壓力，在這基礎(chǔ)上提高煤氣壓力20%，確保煤氣系統(tǒng)不發(fā)生回火，總管煤氣壓力下限設(shè)定為5 kPa，經(jīng)過3個月跟蹤效果，該壓力能夠保證燒嘴前壓力。

總管煤氣壓力下限設(shè)定后，進行段煤氣調(diào)節(jié)閥最小開度試驗。在檢修時打開裝鋼爐門，打開某一個段的燒嘴，逐級關(guān)小煤氣調(diào)節(jié)閥，觀察燒嘴火焰，當出現(xiàn)燒嘴火焰過短時確定此時的最小開度是安全開度。經(jīng)過對4座加熱爐各段逐次試驗，確定自動調(diào)節(jié)時煤氣調(diào)節(jié)閥門最小開度為5%，空氣閥門最小開度為15%。確定最低允許煤氣壓力的目的是保證加熱爐燒嘴處于安全的工作壓力，避免燒嘴發(fā)生回火事故。

3 加熱爐非穩(wěn)態(tài)煤氣使用易發(fā)事故分析及預(yù)防措施

分析各種煤氣事故案例，事故均發(fā)生在非穩(wěn)態(tài)煤氣使用工況情況，梳理非穩(wěn)態(tài)煤氣使用工況共有6種易發(fā)事故分別為煤氣管道和加熱爐送煤氣、加熱爐點火、加熱爐停爐、煤氣壓力低于規(guī)定值、鼓風(fēng)機突然停止、低熱負荷工況。下面就6種易發(fā)事故進行分析。

3.1 煤氣管道和加熱爐送煤氣

(1)易發(fā)事故。向煤氣管道和加熱爐送煤氣，首先進行煤氣管道內(nèi)的空氣置換，將加熱爐燒嘴的煤氣手閥關(guān)閉，將燒嘴放散閥打開，連接氮氣軟管至煤氣管道，打開氮氣對煤氣管道內(nèi)的空氣進行置換。送煤氣時易發(fā)生煤氣泄漏，極端情況管道斷裂突然大量泄漏煤氣，會發(fā)生群死群傷事故。

(2)防范措施。①送煤氣前確認煤氣區(qū)域無關(guān)人員撤離，操作人員由一人統(tǒng)一指揮。為防止因燒嘴煤氣手閥未關(guān)導(dǎo)致大量煤氣泄漏進爐內(nèi)，要對煤氣手閥狀態(tài)進行二次確認。②制定煤氣區(qū)域協(xié)作單位人員撤離簽字表，由協(xié)作單位負責(zé)人清點本單位人數(shù)，確認撤離后協(xié)作單位負責(zé)人簽字。制定起爐煤氣閥門開關(guān)確認表，由操作人員確認簽字，班長負責(zé)最終檢查確認閥門狀態(tài)。

3.2 加熱爐點火

(1)易發(fā)事故。煤氣送至燒嘴前，爆發(fā)實驗合格后則加熱爐進行點火操作。如果煤氣泄漏進爐內(nèi)就會發(fā)生爆燃甚至爆炸事故。

(2)防范措施。檢測爐內(nèi)CO含量，爐內(nèi)CO體積分數(shù)大于2×10-4時加熱爐停止點火操作，排查原因，體積分數(shù)低于2×10-4后再進行點火操作。檢測點要覆蓋整個燒嘴，防止漏檢。

3.3 加熱爐停爐

(1)易發(fā)事故。在加熱爐停爐時，由于爐內(nèi)處于高溫狀態(tài)，停爐時要保證燒嘴處煤氣壓力，使得煤氣流速始終大于煤氣燃燒速度。閥門關(guān)閉順序錯誤也會導(dǎo)致發(fā)生回火事故。

(2)防范措施。對煤氣系統(tǒng)閥門開閉順序進行規(guī)范，制定標準化停爐操作，對操作工進行培訓(xùn)。將閥門操作順序固化到緊急停爐程序中，確保停爐安全。正常停爐閥門操作按照關(guān)閉燒嘴煤氣手閥、打開燒嘴煤氣放散閥、連接氮氣置換管道、給煤氣管道充氮氣同時打開煤氣總放散閥、關(guān)閉煤氣總管快切閥、關(guān)閉總管蝶閥、關(guān)閉總管盲板閥、吹掃檢測合格后關(guān)閉氮氣閥門，斷開軟連接[2]。

3.4 煤氣壓力低于規(guī)定值

(1)易發(fā)事故。當煤氣壓力低于規(guī)定值5 kPa時，觸發(fā)緊急停爐程序，加熱爐自動停爐。緊急停爐后燒嘴煤氣間拔閥關(guān)閉不嚴發(fā)生回火，危及總管道安全。

(2)防范措施。發(fā)生緊急停爐后去外網(wǎng)煤氣平臺連接氮氣管道，保證煤氣總管壓力在6～8 kPa。自動停爐煤氣閥門關(guān)閉順序為燒嘴煤氣間拔閥、段煤氣流量調(diào)節(jié)閥、總管快切閥。

3.5 鼓風(fēng)機突然停止

(1)易發(fā)事故。當鼓風(fēng)機發(fā)生突然停止運行的故障時，加熱爐風(fēng)壓降低，自動停爐程序啟動，自動停爐。如果燒嘴間拔閥關(guān)閉不嚴煤氣反串進空氣管道中，該混合氣體進入風(fēng)機風(fēng)箱處，在啟動風(fēng)機時引起混合氣體爆炸。

(2)防范措施。發(fā)生風(fēng)機突然停止的故障時，要第一時間關(guān)閉燒嘴煤氣手閥，確保煤氣不會反串進空氣管道。對煤氣管道進行氮氣保壓，如果風(fēng)機在2 h內(nèi)不能恢復(fù)，對煤氣管道進行吹掃置換。再恢復(fù)啟動鼓風(fēng)機前，檢測鼓風(fēng)機內(nèi)的CO含量，檢測存在CO時，無論值多小，均需要對空氣管道進行氮氣吹掃，吹掃后再次檢測沒有CO時才能啟動鼓風(fēng)機。

3.6 低熱負荷工況

(1)易發(fā)事故。當某個供熱段熱負荷低于段最小允許流量時，調(diào)節(jié)閥開度較小，燒嘴前煤氣壓力降低到煤氣燃燒速度以下，此時就發(fā)生煤氣回火事故。

(2)防范措施。根據(jù)燒嘴的技術(shù)參數(shù)確定設(shè)計的段最小煤氣流量；進行段最小煤氣流量燒嘴燃燒試驗，調(diào)整到最小段煤氣流量，觀察段內(nèi)每個燒嘴的燃燒情況，如果燒嘴均勻燃燒，逐漸降低段最小流量，直至出現(xiàn)個別燒嘴沒有火焰，記錄此時的段煤氣流量和煤氣調(diào)節(jié)閥開度。根據(jù)實驗結(jié)果給出段最小流量和調(diào)節(jié)閥開度，并將這個值固化到煤氣自動調(diào)節(jié)程序中。

4 結(jié)語

本文根據(jù)加熱爐煤氣設(shè)施情況，分析了加熱爐煤氣燃燒過程中的回火的危害及原因，并提出了防止回火的措施。加熱爐非穩(wěn)態(tài)煤氣使用易發(fā)事故主要有6種：煤氣管道和加熱爐送煤氣、加熱爐點火、加熱爐停爐、煤氣壓力低于規(guī)定值、鼓風(fēng)機突然停止、低熱負荷工況，文章論述了6種易發(fā)事故的產(chǎn)生原因及防范措施。針對加熱爐煤氣正常燃燒、非穩(wěn)態(tài)煤氣使用作業(yè)過程中存在的各種潛在的易發(fā)事故，全面系統(tǒng)地制定安全保障技術(shù)措施，實現(xiàn)規(guī)范、安全的作業(yè)流程非常必要，有利于煤氣作業(yè)的安全實施。