纯氧燃烧氧气管路设计与选型的探讨

阎笠扬， 李 锋

(安德森热能科技(苏州)有限责任公司，江苏 苏州 215002)

引 言

随着节能环保政策的进一步落实，以及玻璃、水泥、钢铁等建筑材料性能的不断提升，纯氧燃烧技术得到了越来越广泛的应用。

上世纪80年代起，国内开始从欧美等先进技术国家引进纯氧燃烧技术以及相关燃烧设备。随着国产化进程的加速，以及自主整合国际先进技术及装备资源的力度加大，成本得到降低，效率进一步提升。但设计规范以及安全方面的投入仍旧存在较大改进的潜力。

本文通过对氧气管道、阀组设计原理及系统组成的分析，对其设计及关键组件的选型提出了建议。

1 纯氧燃烧氧气管道及阀组

1.1 氧气管道设计基本要求

工业上，多依据美国国家防火协会发布的第861号标准《Ovens and Furnaces，2015 Edition》燃烧设备安全设计标准规范。

欧洲标准对氧气的具体规定，即IGC 标准，是目前最严苛的标准之一。在IGCDoc13/02E 有关章节中已对使用于氧气介质的多种材料的流速及耐压限制情况进行了界定，例如材料蒙乃尔(Monel)。蒙乃尔合金又被称作镍合金，是以镍为基体并添加锰、铜、铁等其它元素而成的合金。中国颁布实施的《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》 (GB 16912-2008)对氧气的规定与欧洲标准基本相同(如表1所示)。

1.2 氧气阀组的主要组成部件

所有系统的设计和安装需要按照有关标准制约执行。从氧气的供应，通过阀组再到燃烧器，整个氧气管路的设计安装、测试和使用过程应符合行业标准的要求以及国家的相关规定。

隔离阀：目的是为了设备维护和紧急情况下提供手动切断。因此，阀门必须位于一个在紧急状况下设备操作员可以快速接触到的位置。使用可以适用于氧气管道系统的快速开启球阀或蝶阀。为减少绝热压缩危险，在打开阀门时应当尽量缓慢。阀门需要具有锁定功能，以便在维护操作期间能够将氧气供应锁定在管路系统外。

表1 氧气管道流速设计安全要求

过滤器：滤除颗粒物并防止其进入氧气管道和流动部件。一般根据具体情况，过滤器推荐使用30～100目的黄铜或蒙乃尔合金滤网。氧气管道系统中一般不建议在过滤器上加装排污阀。排污阀的用途是使清洗过滤器的过程变得更加简单；但是排污阀很容易被打开，特别是在清理滤网等不适当的时候，会造成局部的富氧空气产生危险。

减压阀：当上游供氧压力存在波动的情况，或超过阀组燃烧器操作所需的压力时，需要一个调压器以调节稳定压力。

当阀组任意部件或管路的实际压力有可能存在大于最大工作压力的情况下，需要用泄压装置以保证系统的正常运行。减压装置必须按制造商和行业标准进行选型和适当调整。泄压装置的出口必须用管道输送到安全的位置。

(1)压力表用来指示流动元件的氧气计量压力。许多不同类型的流动元件需要精确的压力测量数据来进行精确的流量测量和计算。

(2)使用流量计来测量进入燃烧器的氧流量。流量计的种类有很多，包括差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计，涡街流量计，浮子流量计，科氏力质量流量计，热式(气体)质量流量计，涡轮流量计等。使用时应该保证所有的材料满足氧相容，相关尺寸符合设计。

(3)氧气流量限制开关须联锁以达到在非正常氧气流量的工况下关闭自动安全切断阀。

(4)压力变送器一般用以补偿氧气供应的压力波动。使用压力补偿是该精度所要求的。

(5)温度元件和温度变送器也是可选元件之一。一般使用温度变送器以补偿氧气所计算出的供应氧气的温度波动。

(6)管路中必须设有安全截止阀。在安全截止阀上必须有位置指示(例如“开启”和“关闭”)，不能使用流量控制阀来代替安全截止阀。当任何安全联锁装置处于非正常工作状态时，它必须切换到关闭位置。

在要求不高的情况下，可以使用气动球阀作为安全切断阀。推荐使用带有可调孔的仪表空气三通电磁阀以用于控制球阀的启闭速度。当燃烧器系统的加热能力大于120 kW时需要有第二个安全截止阀。两个安全截止阀中至少有一个必须有限位开关或类似的装置，以用于证明阀门在炉膛吹扫期间处于“关闭”位置。

当在氧气/燃料系统未工作时，为了防止氧气从上游截止阀处泄露，需要使用放气阀和相应的管道，以便将可能从上游关闭阀泄漏的氧气排放到安全位置。放气阀选择和排气管道设计应按照相应准则。

排气阀和其相应的管路不是通风管，应当将排气阀和管道的尺寸保持在最低限度。小管径可以在一定程度上避免因排气阀故障而产生过多的氧气泄露。同时，排气阀及其管路和流量计也为上游安全截止阀的气密性检查提供了直接、方便的方法。

可选用第二隔离阀来为维护操作提供手动关闭阀。一般使用适用于氧气管路的快速开启球阀或蝶阀。在打开阀门时应当尽量缓慢，以减少绝热压缩的危险。

对于燃气以及氧气的安全截止阀进行严格的气密性检查。同时，在燃烧器上游的氧气管道中必须安装单向阀以防止任何燃气回流到氧气管道中。

2 氧气阀组关键组件及其选型实例

2.1 减压阀

减压阀有多种类型，如膜片式减压阀(如图1所示)和双级氧气减压阀等。

图1 膜片减压阀工作原理示意图

2.2 流量调节阀

流量调节阀必须适当地调整尺寸。流量调节阀的目的是根据所需燃烧器的燃烧率来控制输送的氧气流量。流量调节阀一般采用手动或可自动控制的球心阀。

如果采用自动流量控制模式，该系统可以由有两个平行螺线管驱动的流动支路，或PID闭环控制组成。在一个典型的PID闭环控制功能中，控制器发送一个电信号到I/O转换器，它产生一个气动信号来定位自动控制阀。控制器还可以接受氧气流量的反馈信号，并将阀门开度控制在期望的设定值以稳定气体流速。

2.3 单向阀

根据氧气管道设计标准规定的各类材料压力、压力流速积限制、冲击工况判断原则，分析不同类型阀门阀体及内件材料所受的摩擦、冲击。结合工程项目的操作工况，得出阀门的主要材料、阀门压力等选择。

图2所示为旋启式单向阀，其它类型有双板式，轴流式，贺尔碧格气阀等。

图2 旋启式单向阀工作原理示意图

3 氧气管路安全要求与检测

3.1 安全截止阀及其控制回路

燃烧的三个要素如图3所示，切断任一个要素即可阻止燃烧的发生。因此，在出现任何不符合安全联锁的情况下，安全截止阀将立刻切断氧气流量，如：燃气或氧气压力过低或过高；燃气或氧气流量过低或过高；燃烧器熄火；炉膛温度过高；燃烧器冷却空气/水流量过低；炉压过高；断电。

图3 燃烧三角形

3.2 常见典型安全事故原因分析

氧气管道或阀组内的铁锈、粉尘、焊渣与管道内壁或阀口摩擦产生高温发生爆炸。管道内或阀门存在油脂、橡胶等低燃点的物质，在一定条件下引燃。绝热压缩后产生的高温可使燃烧物燃烧。

高压纯氧中可燃物的燃点降低是氧气管道阀门燃烧的诱因。氧气管道和阀门在高压纯氧中，其危险性是非常大的，其反应会显著加剧，设计或应用不当易引发安全事故。

3.3 管路清洁处理

3.3.1 管道吹扫

吹扫前应做好相应准备，安装好吹扫排放管道。气密性试验合格后，管道需用不带油的空气或氮气吹扫。一般分段时都以阀门、法兰为吹出口，吹出口应装设阀门，并用临时排气管接至安全地区排放。排气管的截面积宜和被吹扫管相同或稍小，但不得小于吹扫管截面积的75%，排气管端应用支架固定，排气管阀门应时开、时关用以控制吹扫压力。吹扫压力不得超过设计压力，流速应不低于工作流速且一般不小于15～20 m/s。吹扫合格后，应及时拆除临时设施，恢复管道原来位置，对管道系统进行全面检查，并做最终封闭。氧气管道在投入使用前，应以管道系统至少3倍体积的氧气进行吹扫。氧气吹扫的排气管应接至室外安全处，排出口距地面高度应不小于2.5 m并应注意防火。

3.3.2 氧气阀组的脱脂

根据燃烧的三要素，压缩氧气流过管路产生摩擦，当遇到管道中残余油脂，可能立刻燃烧继而引发爆炸事故。因此，氧气阀组的管道、各配件和一切同氧气有接触的部件全部需要在投产前进行严格的除锈、吹扫以及脱脂等清理工作。工业上常用的脱脂剂包括：四氯化碳、精馏酒精和工业用二氯乙烷等。碳素钢、不锈钢及铜的管道、管件的阀门一般使用工业用四氯化碳。四氯化碳与二氯乙烷具有毒性，使用时应当做好防护措施。很多脱脂剂都属于易燃物，脱脂工作现场应严格遵守防火的有关规定。

脱脂完毕后，应按设计规定进行脱脂质量检验。当设计无规定时，脱脂质量检验的方法及合格标准规定如下：

①用清洁干燥的白滤纸擦拭氧气阀门通道内壁，纸上应无油脂痕迹。

②用紫外线灯照射，脱脂表面应无紫蓝荧光。

3.3.3 焊接要求

为了确保满足氧气管道内壁清洁度和光滑度的要求，不能有焊瘤出现，并有效防止焊渣进入管道内，碳钢管道应采用氩弧焊打底、手工电弧涵盖面的焊接工艺；不锈钢管全部采用氩弧焊的焊接工艺。管道焊接后必须对焊缝进行外观检查和无损探伤。焊缝表面不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。碳钢咬边深度不得大于0.5 mm，不锈钢焊缝不能有咬边。焊缝外观检查后，应对所有焊缝按造设计要求或标准、规范规定的比例，进行无损探伤。

4 结束语

纯氧燃烧技术，满足了针对性产品质量提高的需求，对于减少废气排放量、控制有害成分的生成等方面也有独特效果。环境保护、生产成本、企业效益之间的考量，存在对燃烧技术以及设备选型等方面不同的选择。

通过氧气管道以及氧气阀组的设计及选型，以及安装和安全检查等方面的优化措施，可以实现系统安全运行以及对纯氧燃烧效益的充分利用。