加热炉煤气操作安全保障技术措施浅析

张宝军 魏福顺

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司 河北唐山 063200)

0 引言

在社会经济建设过程中，钢铁行业占据着重要位置，为我国经济建设的发展提供了保障。但是，钢铁行业在实际生产和经营过程中存在一系列安全问题，尤为突出的就是煤气操作安全问题。2018年，全国钢铁企业发生较大煤气事故3起，21人死亡，造成了巨大的经济损失。这几起事故暴露出了部分钢铁企业在安全生产方面存在的以下几个问题，譬如安全生产主体责任不落实，安全设备设施缺失，施工区域煤气隔断措施不到位，维修作业安全确认、安全交底、安全监护流于形式，应急处置不当等问题。因此，在钢铁企业生产过程中，相关部门应该加大煤气操作的安全管理力度，实行有效的保障技术措施，确保煤气操作的安全性。

1 加热炉煤气设施概况

本研究共设置4座煤气平台，由北向南依次为1#、2#、3#、4#炉煤气平台。进入车间的煤气管道直径为1 400 mm，每座煤气平台设置密封蝶阀、盲板阀、快切阀和氮气吹扫装置，4座加热炉煤气平台结构和布置相同。

煤气管道进入车间后首先进入换热器预热煤气，煤气预热温度最高320 ℃，超过该温度后自动启动掺冷风机进行吹扫，保护煤气换热器并防止煤气过热，预热后的煤气供入加热炉用于加热钢坯。加热炉有效长度50 900 mm，炉膛内宽度11 700 mm，加热炉为端部装、出料。加热炉分8段供热，包括预热段上下、第一加热段上下、第二加热段上下和均热段上下。

1#、2#、3#加热炉是常规式加热炉，常规加热炉共布置88个烧嘴，均热段上部炉顶采用平焰烧嘴，共30个，其余供热段采用侧调焰烧嘴，共58个，每个调焰烧嘴均安装气动间拔阀，能够远程控制阀门的开关。

4#炉是蓄热式加热炉，蓄热式加热炉共布置92个烧嘴，均热段上部炉顶采用平焰烧嘴，共30个，其余供热段采用侧调焰烧嘴，共62个，每个调焰烧嘴均安装气动间拔阀，能够远程控制阀门的开关。

2 加热炉煤气燃烧过程中的回火危害、原因分析及预防措施

2.1 回火及其危害

烧嘴燃烧时，煤气-空气的混合物从烧嘴喷出并被点燃后，不一定形成稳定的火焰，当混合气体流速小于火焰传播速度时，火焰可能逆流传播进烧嘴煤气孔，使燃烧在喷嘴内进行，这种火焰在火孔内部燃烧的现象称为回火。一次空气系数太小导致回火；可燃混合气体烧嘴喷出速度小于火焰传播速度，产生回火；气体燃烧共振引起回火；燃烧器结构设计不合理引起回火；燃烧器头部过热引起回火[1]。

回火是不允许的，会造成不完全燃烧，影响燃烧器的稳定工作，同时还引起爆鸣声和噪声。在烧嘴混合管内燃烧，有可能把钢制混合装置烧得变形、铸铁混合装置烧出裂缝。当一个段有多个烧嘴，因段煤气负荷小，会导致部分烧嘴煤气总管出现负压，回火进入总管烧坏总管。当几个燃烧器共用一个混合器，而且燃气-空气混合物的输送管道容积又很大时，若回火就有可能发生爆炸事故。

2.2 防止回火的措施

防止回火主要是以降低火焰传播速度，提高燃气-空气混合物的出烧嘴的流速，保证速度场均匀等。防止烧嘴回火重点是设定煤气下限压力，保证在该压力之上烧嘴燃烧稳定，不发生回火。加热炉使用的是高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、天燃气4种气体组成的混合煤气，在设定煤气压力下限时考虑充分的安全系数，按照火焰传播速度最快的氢气设定防止回火的总管压力。气体的燃烧性能用火焰传播速度来衡量，一些气体与空气的混合物在直径25.4 mm的管道中火焰传播速度如表1。

表1 可燃气体在直径25.4 mm管道中火焰传播速度

实验数据可见，氢气的燃烧速度最快，此外在管道中测试火焰传播速度时还与管子材料以及火焰的重力场有关。如质量分数10%的甲烷与空气混合气，管子平放时，火焰传播速度为0.65 m/s，向上垂直放时为0.75 m/s，而向下垂直放为0.595 m/s。根据段最小煤气流量计算出煤气出烧嘴速度，根据混合煤气密度计算出该流速下煤气管道压力，在这基础上提高煤气压力20%，确保煤气系统不发生回火，总管煤气压力下限设定为5 kPa，经过3个月跟踪效果，该压力能够保证烧嘴前压力。

总管煤气压力下限设定后，进行段煤气调节阀最小开度试验。在检修时打开装钢炉门，打开某一个段的烧嘴，逐级关小煤气调节阀，观察烧嘴火焰，当出现烧嘴火焰过短时确定此时的最小开度是安全开度。经过对4座加热炉各段逐次试验，确定自动调节时煤气调节阀门最小开度为5%，空气阀门最小开度为15%。确定最低允许煤气压力的目的是保证加热炉烧嘴处于安全的工作压力，避免烧嘴发生回火事故。

3 加热炉非稳态煤气使用易发事故分析及预防措施

分析各种煤气事故案例，事故均发生在非稳态煤气使用工况情况，梳理非稳态煤气使用工况共有6种易发事故分别为煤气管道和加热炉送煤气、加热炉点火、加热炉停炉、煤气压力低于规定值、鼓风机突然停止、低热负荷工况。下面就6种易发事故进行分析。

3.1 煤气管道和加热炉送煤气

(1)易发事故。向煤气管道和加热炉送煤气，首先进行煤气管道内的空气置换，将加热炉烧嘴的煤气手阀关闭，将烧嘴放散阀打开，连接氮气软管至煤气管道，打开氮气对煤气管道内的空气进行置换。送煤气时易发生煤气泄漏，极端情况管道断裂突然大量泄漏煤气，会发生群死群伤事故。

(2)防范措施。①送煤气前确认煤气区域无关人员撤离，操作人员由一人统一指挥。为防止因烧嘴煤气手阀未关导致大量煤气泄漏进炉内，要对煤气手阀状态进行二次确认。②制定煤气区域协作单位人员撤离签字表，由协作单位负责人清点本单位人数，确认撤离后协作单位负责人签字。制定起炉煤气阀门开关确认表，由操作人员确认签字，班长负责最终检查确认阀门状态。

3.2 加热炉点火

(1)易发事故。煤气送至烧嘴前，爆发实验合格后则加热炉进行点火操作。如果煤气泄漏进炉内就会发生爆燃甚至爆炸事故。

(2)防范措施。检测炉内CO含量，炉内CO体积分数大于2×10-4时加热炉停止点火操作，排查原因，体积分数低于2×10-4后再进行点火操作。检测点要覆盖整个烧嘴，防止漏检。

3.3 加热炉停炉

(1)易发事故。在加热炉停炉时，由于炉内处于高温状态，停炉时要保证烧嘴处煤气压力，使得煤气流速始终大于煤气燃烧速度。阀门关闭顺序错误也会导致发生回火事故。

(2)防范措施。对煤气系统阀门开闭顺序进行规范，制定标准化停炉操作，对操作工进行培训。将阀门操作顺序固化到紧急停炉程序中，确保停炉安全。正常停炉阀门操作按照关闭烧嘴煤气手阀、打开烧嘴煤气放散阀、连接氮气置换管道、给煤气管道充氮气同时打开煤气总放散阀、关闭煤气总管快切阀、关闭总管蝶阀、关闭总管盲板阀、吹扫检测合格后关闭氮气阀门，断开软连接[2]。

3.4 煤气压力低于规定值

(1)易发事故。当煤气压力低于规定值5 kPa时，触发紧急停炉程序，加热炉自动停炉。紧急停炉后烧嘴煤气间拔阀关闭不严发生回火，危及总管道安全。

(2)防范措施。发生紧急停炉后去外网煤气平台连接氮气管道，保证煤气总管压力在6～8 kPa。自动停炉煤气阀门关闭顺序为烧嘴煤气间拔阀、段煤气流量调节阀、总管快切阀。

3.5 鼓风机突然停止

(1)易发事故。当鼓风机发生突然停止运行的故障时，加热炉风压降低，自动停炉程序启动，自动停炉。如果烧嘴间拔阀关闭不严煤气反串进空气管道中，该混合气体进入风机风箱处，在启动风机时引起混合气体爆炸。

(2)防范措施。发生风机突然停止的故障时，要第一时间关闭烧嘴煤气手阀，确保煤气不会反串进空气管道。对煤气管道进行氮气保压，如果风机在2 h内不能恢复，对煤气管道进行吹扫置换。再恢复启动鼓风机前，检测鼓风机内的CO含量，检测存在CO时，无论值多小，均需要对空气管道进行氮气吹扫，吹扫后再次检测没有CO时才能启动鼓风机。

3.6 低热负荷工况

(1)易发事故。当某个供热段热负荷低于段最小允许流量时，调节阀开度较小，烧嘴前煤气压力降低到煤气燃烧速度以下，此时就发生煤气回火事故。

(2)防范措施。根据烧嘴的技术参数确定设计的段最小煤气流量；进行段最小煤气流量烧嘴燃烧试验，调整到最小段煤气流量，观察段内每个烧嘴的燃烧情况，如果烧嘴均匀燃烧，逐渐降低段最小流量，直至出现个别烧嘴没有火焰，记录此时的段煤气流量和煤气调节阀开度。根据实验结果给出段最小流量和调节阀开度，并将这个值固化到煤气自动调节程序中。

4 结语

本文根据加热炉煤气设施情况，分析了加热炉煤气燃烧过程中的回火的危害及原因，并提出了防止回火的措施。加热炉非稳态煤气使用易发事故主要有6种：煤气管道和加热炉送煤气、加热炉点火、加热炉停炉、煤气压力低于规定值、鼓风机突然停止、低热负荷工况，文章论述了6种易发事故的产生原因及防范措施。针对加热炉煤气正常燃烧、非稳态煤气使用作业过程中存在的各种潜在的易发事故，全面系统地制定安全保障技术措施，实现规范、安全的作业流程非常必要，有利于煤气作业的安全实施。