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钢铁厂煤气锅炉快速切断阀的选择

1 序言

“十二五”期间,我国钢铁生产能力已达11.3亿吨左右,钢铁生产过程中产生了大量的副产气。这些副产气在热风炉、转炉、加热炉等部门使用后,仍有大量的富气。为了消除富气造成的空气污染,回收低热值的能源,大多数钢铁企业都有不同容量的富气锅炉。

燃气是一种易燃易爆的危险气体,因此燃气锅炉有发生瓦斯爆炸的可能性,已成为燃气锅炉使用中的一个潜在的安全隐患。“火电厂锅炉安全监控系统技术规范”(DL/T 1091/2008)要求燃气锅炉发生MFT后,必须快速关闭主跳闸阀和燃烧器跳闸阀。普通电动闸阀或蝶阀的关闭时间通常为1×2 min,无法达到“快速”关闭的功能。因此,需要使用气动或液压快速截止阀来实现MFT后的燃油切断。

2 快速截止阀的选择

2.1 问题

在燃气锅炉供气系统中,为了减少煤气泄漏到炉膛中的量,避免因煤气量达到爆炸极限而发生爆炸事故,对快速切割阀的切割时间要求尽可能短。

在工程设计中,国内关于燃气锅炉的标准和手册虽然要求安装快速截止阀,但没有规定快速截止阀的允许切断时间。美国消防协会的“锅炉和燃烧系统危害法规”(NFPA 85/2011)对天然气和液化石油气系统的要求是,快速切断阀完全关闭的炉膛熄火时间不超过5秒。

目前,NFPA标准中规定的快速截止阀的允许切断时间已成为许多工程设计的参考标准。虽然快速切断阀的切断时间越短,效果越好,但并不适合所有情况。随着钢铁企业大型富气锅炉的出现,煤气监测器的口径越来越大,400 t/h高炉煤气锅炉系统主煤气管直径达DN 2800 mm。此时,由于控制蝶阀较大,快速关闭时产生的惯性冲量很大,容易损坏蝶阀、旋转机构及相邻管道系统的附件,造成气体泄漏。因此,应合理选择快速截止阀的允许切断时间.

2.2 快速切断阀允许切断时间的计算

工程中使用的气体几乎都是几种可燃气体的混合物,其爆炸极限可用Leichart(Le Chatelier)公式[1]计算:

当气体中没有惰性气体时:


当气体中含有惰性气体时:


在公式中,各可燃组分在西气中的体积百分比为%;

Li-气体中每种可燃成分的爆炸极限(上限或下限),%;

X/C-惰性气体的体积分数。

在使用上述公式时,应该注意到爆炸极限一般是指混合气体中可燃气体或蒸气的体积百分比,因此计算复杂混合气体爆炸极限的第一步需要提取复杂混合气体的空气部分。最后,将空气化计算的爆炸限值与第一步去除的空气部分相结合,得到复合混合气体的爆炸限值。

假设最不利的情况是,从炉膛熄火到快速关闭阀完全关闭过程,炉膛烟气全部排出,炉膛内充满新鲜空气,而忽略了气体扩散等因素。这样,只要进炉气体与炉内风量之间的关系满足公式(3)的关系,就可以避免爆炸的危险。


其中,



在公式中,Vd-进入炉内的气量为m3;

Vl-炉体积,m~3;

LDX-气体爆炸浓度下限,%;

ΔT_1≤-从炉膛熄火到快速切断阀的响应时间s,可认为0≤1s;

ΔT2≤-从响应到快速截止阀完全关闭的时间;

在Q量条件下,进入锅炉的气体流量为m3/s;

ΔT≤-快速切断阀的允许切断时间.

2.3 计算实例

(1)验证NFPA标准中的要求

NFPA标准确定的天然气平均热值为37.3MJ/m3。天然气成分中CH496.56%,C2H61.34%,C3H80.35%,nC4H101.15%,N20.6%。

LDX=4.87%是根据公式(1)和(2)计算的。

假定2t≤h型燃气蒸汽锅炉所需天然气流量为Q≤0.042 m3/s,通过公式(3)、(4)、(5):ΔT<2.71 s的联合求解,得到了Vl=1.11m3,ΔT1≤0s的炉膛体积。

根据上述计算方法,快速截止阀的允许切断时间短于NFPA标准,根据计算结果选择快速截止阀的切割时间是安全可靠的。

(2)某钢厂400 t/h高炉煤气锅炉

高炉煤气成分占CO的24%,CO的221.57%,N 249.62%的249.62%,O21.32%的21.32%,H23.49%。

由公式(1)和(2)计算出LDX=28.95%。

锅炉所需高炉煤气流量为Q≥107.34m3/s,炉膛容积为Vl=2723m3,ΔT1≤1s。公式(3)、(4)和(5)的联合解可得到ΔT<19.67s。

因此,该厂在主输气管道(DN 2800 Mm)上选用了快速截止阀,切断时间为19s,燃烧器前面的燃气管道直径较小,快速截流阀的允许切断时间仍为3≤5 s,自投产以来,效果良好。

3 结语

利用上述公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5),计算了快速截止阀的允许切割时间,为燃气锅炉供气系统中快速截止阀的合理选择提供了依据,既实现了燃气锅炉供气系统的安全,又避免了大口径阀门在太短时间内关闭造成的破坏性冲击。从而进一步保证了燃气锅炉供气系统的安全。

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