干熄焦裝置循環氣體安全性的分析

姜士敏 王欣悅 張安洋 毛 旸 石巧囡 張曉光

(1.鞍山華泰環能工程技術有限公司，2.鞍鋼集團眾元產業發展有限公司)

干熄焦是利用情性氣體為循環氣體將紅焦降溫冷卻的一種熄焦方法[1-5]。在干熄焦裝置生產過程中，循環氣體起到熱量載體的作用。氣體循環系統因負壓區中的補償器、二次除塵器灰倉低料位失效等導致系統漏入空氣，以及循環風機停機故障未及時向裝置內補入氮氣等原因，會造成循環氣體含氧量增加。爐頂水封槽、常用放散水封槽等漏水或鍋爐爐管爆漏，會造成系統高溫段內發生水煤氣反應，導致循環氣體中可燃成分CO、H2急劇增加[6]。當循環氣體中可燃成分和氧氣混合并達到一定濃度時，將形成爆炸性氣體，遇火花、電弧或高溫時存在爆炸的危險。對于可燃氣體、蒸汽或薄霧，其在空氣中形成爆炸性氣體混合物的最低濃度即為爆炸下限，其在空氣中形成爆炸性氣體混合物的最高濃度即為爆炸上限[7]。

對于可燃性混合氣體，其理論計算爆炸下限值通常采用Le-Chatelier定律，值得注意的是，Le-Chatelier定律應用的充分條件是混合氣體屬于可燃氣體。干熄焦循環氣體主要由N2、CO、H2、CO2以及少量H2O等組成，可燃成分為CO、H2，從單一組分角度分析，兩者均屬于可燃氣體，但是混合氣體是否屬于可燃氣體或者可燃性的邊界條件是什么，目前行業內尚無完整的理論分析。筆者在查閱并總結相關行業對于混合氣體爆炸性研究的文獻資料的基礎上，從理論層面上具體分析干熄焦循環氣體的安全性。

1 混合氣體可燃性判定

目前國內各規范、標準、手冊中查閱到的可燃氣體爆炸極限值通常為單一組分(純物質)在標準狀態下(20 ℃、101.3 kPa)的爆炸極限值，而實際設計和生產中涉及的氣體(包括干熄焦循環氣體)多為混合氣體?；旌蠚怏w的可燃性及爆炸極限與可燃氣體組分、溫度、壓力等均相關，《化學品分類和標簽規范 第3部分：易燃氣體》(GB 30000.3-2013)[8]第4條規定了易燃氣體(易燃性)分類。因此，應首先判定氣體的易(可)燃性，如氣體屬于易(可)燃氣體再進行爆炸極限的計算。目前國內關于混合氣體的可燃性判斷檢索到相關內容僅為：《化學品分類和標簽規范 第3部分：易燃氣體》(GB 30000.3-2013)的附錄A，部分摘錄的《Gases and gas mixtures-Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder valve outlets》(ISO10156：2017)[9]，以及中國五環工程有限公司武麗娜[10-11]等人發表的一些論文。故文中對于干熄焦循環氣體的可燃性的分析判定也根據ISO10156的方法討論分析。

目前最新版的《Gases and gas mixtures-Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder valve outlets》(ISO10156：2017)中關于混合氣體的可燃性判定按以下方法進行。

1.1 可燃氣體

對于由可燃組分組成的混合氣體，可直接采用Le-Chatelier計算其爆炸下限，公式為：

(1)

式中：Lm為混合氣體的爆炸下限，%；Ln為混合氣體中第n種可燃組分的爆炸下限，%；An為混合氣體中第n種可燃性組分的體積分數，%。

對于由可燃組分、氧氣以及惰性氣體組成的可燃性混合氣體，可用式(2)計算爆炸下限。

(2)

式中：Lm為混合氣體的爆炸下限，%；Li為混合氣體中第i種可燃組分的爆炸下限，%；Ai為混合氣體中第i種可燃組分的體積分數，%。

1.2 可燃氣體和惰性氣體的混合物

若混合氣體為可燃氣體和惰性氣體的混合物，則根據ISO10156-2017標準判斷混合氣體的可燃性，判別條件如下：

(3)

式中：n為氣體混合物中可燃組分的種類；p為氣體混合物中惰性組分的數量；Kk為惰性組分相對于氮氣的惰性系數；Tci為第i種可燃組分與氮氣混合物在空氣中不燃燒的最大體積分數；Ai為氣體混合物中第i種可燃組分的體積分數；Bk為氣體混合物中第k種惰性氣體的體積分數。

若不等式(3)成立則混合氣體不可燃，反之則可燃，再根據Le-Chatelier公式計算爆炸下限。

1.3 可燃氣體、氧氣、惰性氣體的混合物

若混合氣體為可燃氣體、氧氣、惰性氣體的混合物，則根據ISO10156-2017標準判斷混合氣體可燃性，判別條件如下：

①可燃氣體的總濃度≥爆炸下限Lm；

②可燃氣體的總濃度>Tci，F。

(4)

式中：X0為氧氣的濃度，通常<21%；Tcm為混合氣體、氧氣與氮氣混合物在空氣中不燃燒的最大體積分數；Tci，F為混合物在氧氣濃度為X0下不燃燒的最大體積分數，%；Lm和Tcm均采用Le-Chatelier公式計算。

若上述①、②條件均成立，則該混合氣體為可燃氣體；反之，則不可燃。

1.4 爆炸極限計算及溫度修正

混合氣體的爆炸下限直接采用Le-Chatelier公式進行計算?；旌蠚怏w的壓力對爆炸極限的影響一般可以忽略，相對而言溫度對爆炸極限存在一定的影響，溫度越高，化學反應越易進行，即爆炸下限越低，爆炸上限越高，爆炸極限的范圍越大。Zabetakis提出一種溫度對爆炸下限的修正方法[12]，由于干熄焦循環氣體爆炸極限一般按溫度170 ℃計算，其對爆炸極限的影響很小，文中不做分析討論。

2 干熄焦循環氣體可燃性判定及爆炸極限計算

在正常值、高報警值和高高報警值三種情形下，分別計算Lm、Tcm、Tci，F，因為計算過程相似，僅給出正常值情形的詳細計算過程。

正常值情形下，即循環氣體中O2、H2、CO、CO2、N2的體積分數分別為1%、2%、5%、18%、74%，該混合氣體為可燃氣體、惰性氣體和氧氣的混合物，因此采用1.3節中的方法計算并判斷其可燃性。

根據標準ISO10156可知，H2和CO的體積分數分別為2%和5%時，爆炸下限分別為4%和10.9%，Tci分別為5.5%和15.2%。

可燃氣體總濃度為2%+5%=7%，

=10.1%，

=9.6%。

此時的干熄焦循環氣不可燃。這與實際設計中循環風機、除塵風機均為非防爆風機相符。然而在實際生產中，可能會出現干熄焦循環氣體中可燃組分或者氧氣濃度高于正常操作值的情況，關乎到干熄焦生產的安全性。因此，確定循環氣體中可燃組分和氧氣的操作濃度上限，可以指導生產，將各類氣體的濃度控制在安全范圍內，并保障干熄焦生產的安全有序進行。

GB51363-2019[13]中規定循環氣體中H2和CO的體積分數不應大于3%和6%，即為H2和CO濃度的高報警值。此時Lm=6.9%、Tci，F=9.9%，而可燃氣體總體積分數=3%+6%=9%，故此時的干熄焦循環氣體不可燃，但已接近可燃臨界點。

在高高報警值情況下，H2和CO的體積分數分別為5%和8%，Lm=6.6%，Tci，F=7.2%，可燃氣體總體積分數=5%+8%=13%，故此時的干熄焦循環氣體具有可燃性。

將上述計算結果匯總于表1。

表1 干熄焦循環氣體組分和可燃性 %

3 氧氣濃度對干熄焦循環氣體可燃性的影響

將干熄焦循環氣體中的O2濃度設定為正常操作時的最高濃度1%。當H2、CO的濃度為3%和6%，即可燃氣體總體積分數=3%+6%=9%時，Lm=6.9%、Tci，F=9.11%。

干熄焦循環氣體可燃性的判斷：可燃氣體的總濃度(9%)>爆炸下限Lm(6.9%)；可燃氣體的總濃度(9%)

當H2、CO的濃度為3%和6%時，干熄焦循環氣中的O2濃度對Lm和Tci，F的影響如圖1所示?？梢钥闯?，因負壓系統漏入空氣等原因造成循環氣體中O2濃度大于1%，循環氣體將逐漸過渡為可燃氣體，因此在干熄焦裝置生產過程中，應避免O2、H2、CO濃度同時達到高報警值。

圖1 O2濃度對循環氣體可燃性的影響

4 單種可燃組分對干熄焦循環氣體可燃性的影響

按照極限值計算，干熄焦循環氣中的O2、H2和CO的濃度分別取0.9%、0.9%和12%，即可燃氣體總濃度=0.9%+12%=12.9%時，計算可得Lm=9.729%、Tci，F=12.955%。

干熄焦循環氣體可燃性的判斷：可燃氣體的總濃度(12.9%)>爆炸下限Lm(9.729%)；可燃氣體的總濃度(12.9%)

當H2、O2的濃度分別為0.9%和0.9%時，干熄焦循環氣中的CO濃度對Lm和Tci，F的影響如圖2所示。生產中循環氣體中的CO濃度達到極限值12%時，必須做到O2濃度穩定小于0.9%、H2濃度穩定小于0.9%。

圖2 CO濃度對循環氣體可燃性的影響

5 結論

(1)對可燃氣體、可燃氣體與惰性氣體混合物、可燃氣體與惰性氣體及氧氣混合物三種情況，使用不同方法判定可燃性并計算爆炸極限。

(2)正常工況下循環氣體為不可燃氣體，當O2、H2、CO含量均同時達到設計值規定的高報警值時，循環氣體為可燃氣體(接近臨界點)；當O2、H2、CO含量均同時達到設計值規定的高高報警值時，循環氣體為可燃氣體。

(3)從理論計算的角度分析，若循環氣體中O2濃度穩定小于0.9%、H2濃度穩定小于0.9%，則CO濃度控制上限可放寬到≤12%。