化工尾气锅炉炉膛爆炸风险分析及安全措施
徐浩田1，张增亮2*，白永康2，黄家越2，林嘉仪2
（1 临沂市水务集团有限公司，山东 临沂 276000；2 青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛 266042）
摘要：随着国家对环境污染的重视及环保意识的提高，使用蒸汽锅炉的化工企业都在不断地开展“煤改气”工作。特别是许多危化企业在生产过程中会产生大量可燃性尾气，因此，其中很多企业改用尾气锅炉，既可以达到节能减排的目标，也会为企业带来可观的经济收益，同时还能降低废气处理的成本。但由于这些企业产生的尾气具有易燃易爆的危险性，在锅炉燃烧使用过程中仍存在一定的爆炸事故风险。为此，本文提出了科学合理的预防措施和应急措施，对尾气锅炉的安全运行具有一定的指导意义。
关键词：尾气锅炉；炉膛爆炸；风险分析；安全管理
Risk analysis and safety measures for furnace explosion in chemical exhaust gas boilers
Xu Haotian 1,Zhang Zengliang 2*,Wang Yuling 2,Chen Huisong 2,Zhou Qian 2
(1 Linyi Water Group Co.,Ltd.,Linyi 276000,China; 2 College of Environmental and Safety Engineering, Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042,China)
Abstract: With the increasing attention of the country to environmental pollution and the improvement of environmental awareness, chemical companies that use steam boilers are constantly carrying out "coal-to-gas" work.. Especially, many hazardous chemical enterprises generate a large amount of combustible exhaust gas during the production process. Many of them switch to exhaust gas boilers, which can not only achieve the goal of energy conservation and emission reduction, but also bring considerable economic benefits to the enterprises, while also reducing the cost of exhaust gas treatment. However, due to the flammable and explosive nature of the exhaust gas from these enterprises, there is still a certain risk of explosion accidents during the use of boilers. Therefore, this article proposes scientific and reasonable preventive and emergency measures, which have certain guiding significance for the safe operation of exhaust gas boilers.
Key words: exhaust gas boiler; furnace explosion; combustible material; risk analyse; safety management
引 言
目前，蒸汽锅炉大量应用于化工企业中。随着国家对环境污染的重视和环保意识的提高，使用蒸汽锅炉的化工企业都在不断地开展“煤改气”工作[1]，燃煤、燃油锅炉逐渐被取缔，取而代之的是燃气锅炉，（如：天然气锅炉、煤气锅炉等）。特别是很多危化品生产企业在生产过程中会产生大量可燃性尾气，不但给环保处理带来难度，而且会产生大量处理费用。因此，很多企业改用尾气锅炉，通过燃烧可燃尾气或适当添加天然气等可燃气体进行掺烧的形式提供热能[2,3]，这样既可以达到节能减排的目标，也会为企业带来可观的经济收益，同时还能降低废气处理的成本。但是，由于这些企业的生产工艺尾气具有易燃易爆的危险性，在锅炉燃烧使用过程中，当处于异常工作状态或人为操作不当时，炉膛中的混合气体很容易发生爆炸。因此，本文提出了科学合理的预防措施和应急措施，将对尾气锅炉的安全运行具有一定的指导意义。
1 尾气锅炉存在的主要事故隐患及爆炸风险分析
在化工生产中，尾气锅炉能够为生产、办公等提供高效、稳定的蒸汽或热能来源。然而，尾气在使用过程中也潜藏着较多的爆炸事故隐患，主要表现在以下几个方面，给安全生产带来了挑战[4]。
（1）尾气锅炉燃烧系统是整个锅炉系统中的核心部分，其涉及到燃烧器、烟道、空气预热器等关键组成部分。若这些设备的设计或维护不当，可能会导致炉膛出现局部爆炸。特别是在一些老旧的锅炉中，由于缺乏定期的检查和必要的维修保养，存在较大的事故风险；
（2）尾气锅炉排烟系统同样重要，它包括排风机和引风机。在一些情况下，炉膛吹扫不彻底，排风机出口被堵塞，而引风机入口也出现堵塞现象，这样会阻碍空气流动，影响烟气的正常排放，从而增加爆炸的可能性；
（3）炉膛内部的燃烧系统如果温度控制不当，也会产生事故隐患。异常高温不仅会缩短设备的寿命，还可能引发意外爆炸，因此，炉膛温度的异常升高也是一个不容忽视的因素。炉膛内若有较多水分，随着温度的上升，水分会蒸发，导致可燃气体体积膨胀，最终可能引发爆炸；
（4）炉膛内部压力的异常升高往往预示存在着潜在的安全问题。当压力过高时，炉膛内部结构可能会受到破坏，甚至出现变形，这种变化足以引起局部爆炸。
除了上述常见原因外，还有其他因素可能导致锅炉发生爆炸。这些因素包括但不限于材料老化、结构缺陷、操作失误、突然停电以及其他外部环境的影响等。另外，锅炉炉膛内部结构复杂，任何一个微小的故障都可能引发连锁反应，酿成重大事故[5]。因此，对于尾气锅炉的日常管理和维护工作需要投入更多的关注和资源，以确保安全运行。
总之，尾气锅炉在为化工生产提供热能的同时，也必须时刻警惕潜在的事故隐患，通过严格、科学的管理预防和减少爆炸事故的发生。这不仅关系到企业的经济利益，更关乎员工的生命安全和社会的和谐稳定。因此，加强对尾气锅炉安全问题的研究和解决，已成为一项重要课题。
2 尾气锅炉炉膛爆炸的预防措施
燃烧和爆炸的最根本区别是：燃烧是扩散燃烧，是可燃物与空气或氧气逐渐混合、同时逐渐点燃的过程，因此燃烧速度慢，不能形成爆炸；而爆炸是预混燃烧，是可燃物与空气或氧气预先混合好、然后点燃的过程，燃烧速度非常快，从而形成爆炸。因此，在锅炉设计、运行、操作、检修及异常故障中，都要防止事先形成预混气体，这时如果点火或遇到火源，就会发生爆炸[6]。因此，为了有效地降低爆炸风险，必须从多个层面采取措施，以确保锅炉的安全、稳定运行。
（1）在预防技术措施中，保障本质安全是关键。其中，科学可靠的设计是最重要的措施，这不仅涉及到锅炉的型号和规格，还包括其结构设计、材质以及使用寿命等因素。为防止炉膛内形成预混燃烧，锅炉设计要实现燃烧机联锁保护、鼓引风机联锁以及燃烧机与鼓引风机综合联锁等手段。只有设计、使用符合国家相关标准的高质量锅炉，才能从源头上减少事故发生的可能性。其次，要定期严格按照《工业锅炉安全技术监察规程》（TSG 11-2020）的规定进行尾气锅炉的监督检验工作，确保锅炉安全运行的要求。
此外，强化炉膛的通风管理也是保障安全的重要环节。良好的通风系统可以帮助及时排出炉膛内的废气和热量，保持空气流通的畅通，避免因空气滞留而产生过多的可燃气体。因此，应该对通风系统进行定期的检测和清洁，确保其有效性和可靠性。
对尾气锅炉进行定期的检测和维护保养同样不可忽视。这样做不仅能够及时发现潜在的故障和缺陷，还能及时消除设备运行中的隐患，延长设备的使用寿命。特别是对于那些长时间运转的锅炉，更应增加检查频率，确保所有部件都处于最佳工作状态。
（2）安全监测监控是另一个重要的预防性措施。锅炉附近由于锅炉炉膛、生产工艺尾气管道的聚集，可能会发生尾气较大量的泄漏和聚集，一旦遇到火源，就可能发生爆炸。因此，除了保证管道、锅炉的可靠设计、及时检修外，应在锅炉底部、周围及锅炉附近的管道旁加设可燃气体泄漏报警装置和视频监控装置，一旦报警应及时处置。
此外，要及时检测并控制生产工艺尾气中成分的较大波动，特别是防止尾气中氢气等可燃气体的大量出现[7]。一旦出现，应及时查找原因进行控制，同时对锅炉尾气的焚烧以及可能出现的管道、炉膛的泄漏隐患加强管控，防止因可燃气体的大量出现导致的爆炸风险。
（3）事故的发生往往大多是由人为原因造成的，锅炉炉膛爆炸事故同样如此。因此要加强对锅炉操作的班组长、安全员及一线操作人员的教育培训，特别是重点加强一线锅炉操作工的安全教育培训。因为一线锅炉操作工时时刻刻面临可能出现的危险，一旦出现危险、紧急状况时，又必须由一线锅炉操作工及时、正确处置，才能防止发生事故或控制事故的发展以免造成更大的损失。因此，要定期、不定期对一线锅炉操作工进行安全教育培训，使他们熟练掌握安全知识和安全技能，熟悉本岗位可能存在的危险物质、危险操作等，能及时消除隐患，把事故消灭在萌芽状态；一旦发生事故，能及时正确处置，防止事故扩大，减少事故损失。
另外，加强劳动纪律、规章制度及安全操作规程的建设和严格执行。要奖罚分明，对遵章守纪、善于发现隐患、消除隐患者进行奖励，对“三违”人员予以严惩，杜绝野蛮、图省事等故意违章操作，从而有效地预防事故的发生。
此外，加强锅炉及其设施的安全检查、检修、整改工作，把故障消灭在萌芽状态，防止事故的发生。在安全检查工作中，往往忽视了对人的检查，而事故又往往是由于指挥人员、操作工缺乏安全知识或安全操作技能，不及时发现隐患或及时控制事态发展而造成的。所以，在安全检查中，重点要加强对锅炉班组长、操作工的安全知识、安全技能的检查、考核，同时奖罚分明。通过这项措施进一步提高员工的安全素质，有效防止事故的发生。
总之，通过上述各项措施的实施，可以极大程度地降低锅炉炉膛爆炸的风险，保护人民生命财产安全，保障企业的安全生产。
3 尾气锅炉炉膛爆炸的应急措施
3.1 安全联锁控制技术措施
安全联锁控制技术措施是通过控制预混气体的形成而防止尾气锅炉炉膛爆炸的重要应急措施。为防止尾气锅炉炉膛预混气体的形成，应针对尾气锅炉的实际使用环境和条件，合理配置必要的安全联锁控制装置。这些装置能够在炉膛内部出现异常情况时自动关闭阀门，阻断火焰传播路径，从而避免灾难性后果的发生。同时，对于这些安全联锁装置，还必须建立定期检查制度，通过专业手段确保它们始终处于良好的工作状态。主要联锁装置及其应急控制措施如下：
（1）在炉膛运行前、炉膛检修前，能联锁自动置换炉膛内的气体。如果因意外事先进入炉膛大量尾气，燃烧机能联锁控制不打火。
（2）当控制不当或突然停电时，燃烧机能自动关闭气动快切阀门，防止尾气进入炉膛，关闭燃烧机自动熄火。
3.2 泄爆措施
当化工生产工艺尾气在锅炉炉膛中可能发生爆炸时，为了降低爆炸威力，减少事故损失，应采取必要的应急防护措施，而泄爆是最主要的应急处置措施。安全阀是一种有效的泄爆方式。当锅炉炉膛爆炸发生时，炉膛内压力超过安全阀的极限开启压力，安全阀则自动开启泄压，减少爆炸对锅炉本体的冲击破坏，减轻爆炸冲击波危害程度，保障人员安全和锅炉不受破坏[8]。在锅炉实际应用中，应根据不同的实际情况，选用相应的安全阀类型。
安全阀主要有重力式安全阀、膜板式安全阀、水封式安全阀、弹簧式安全阀四种类型。其中，重力式安全阀密封性较差，易产生漏风、漏气等问题，且在锅炉爆燃产生的压力过大时，会导致安全阀打开后无法自动闭合情况，甚至会损坏，显然，对尾气锅炉来说，重力式安全阀是不合适的。由于其自身只能一次性使用，再次使用则必须打开夹紧装置重新更换模板，该过程会影响锅炉工作效率。膜板式安全阀对于连续性生产的锅炉显然是不适用的。水封式安全阀结构简易，制作简单，经常运用于微正压运行的锅炉中，不适于能承受较大燃气压力的尾气锅炉。而弹簧式安全阀，当炉膛内部爆炸波的压力达到安全阀的预紧压力时，则安全阀会开启泄压；当锅炉内爆炸波压力消失时，安全阀会被弹簧压力压回而自动关闭，是一种能够自动复位的安全阀，且弹簧式安全阀具有良好的密闭性，在锅炉正常工作状态下不会漏风而影响工作效率。因此，经综合考虑，弹簧式安全阀具有结构简单、工作稳定可靠、适用于各种压力和温度条件下的尾气锅炉、易于维护、成本较低等特点，是尾气锅炉中可靠的选择。
对于尾气锅炉安全阀泄爆面积的计算可采用以下两种方法：
方法一：对于长径比小于等于2的容器，根据美国消防协会标准NFPA68-2018《爆炸泄压指南》[9]、德国泄爆标准VDI 3673及中国相关标准，可用公式（1）计算锅炉炉膛的泄爆面积。
（1）
式（1）中：
Av—锅炉炉膛爆炸的泄爆面积，m3；
KG—爆燃指数KG，可根据封闭体内爆炸的最大压力上升速率和封闭体体积V，由公式（2）计算得到：
，bar·m/s （2）
Pred—泄爆后容腔内的残余压力，bar；
V—炉膛容积，m3；
Pstat—安全阀开启的静态压力，bar。
方法二：针对Pred≤0.1bar的低强度锅炉，可根据美国ASME《锅炉和压力容器准则》，利用公式（3）计算锅炉炉膛的泄爆面积：
（3）
式（2）中：
Av—锅炉炉膛爆炸的泄爆面积，m3；
C—泄放常数，当基本燃烧速率Su小于60cm/s时，泄放常数C的定义如下：
（4）
As—锅炉内表面积，m2；
Pred—泄放过程中产生的最大压力，bar。
另外，必须制订科学、合理的炉膛爆炸事故应急预案，并定期进行培训及应急演练。对于已发生炉膛爆炸事故的情况，应立即启动应急预案，迅速采取有效措施，尽量将损失降至最低，包括切断电源、控制火源、释放压力等步骤。同时，应密切关注事态发展，评估现场状况，并根据实际情况调整后续处理方案，以防事故进一步恶化。
4 结束语
本文对化工尾气锅炉炉膛爆炸的风险进行了深入分析，并提出了一系列安全措施，以减少爆炸事故发生的可能性。通过对风险识别和防范措施的详细论述，强调了安全意识和防护措施在化工生产过程中的重要性。在尾气锅炉日常运行过程中，要加强维护与保养并进行定期检验，强化职工安全培训，设计、安装、使用尾气泄漏监测、故障联锁控制、泄爆等安全保障系统，并严格执行操作规程，才能有效预防和减少炉膛爆炸事故的发生。
参考文献
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[6] 毕明树.气体和粉尘爆炸防治工程学[M].北京:化学工业出版社,2019.
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[9] NFPA68-2018. Standard on explosion protection by deflagration venting [S].Quincy: National Fire Protection Association,2018.
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