Особенности пожарной опасности и основные противопожарные мероприятия при нагреве веществ пламенем и топочными газами.

Нагрев веществ пламенем и топочными газами относится к числу наиболее известных и давно применяемых способов нагрева. Этот способ используется в тех случаях, когда вещества необходимо нагреть до температур 400-800 ⁰С или когда другие способы использовать экономически невыгодно. Нагрев пламенем и топочными газами широко применяется на ТЭС, ТЭЦ, в котельных, кормокухнях и кормоцехах, в металлургической, металлообрабатывающей, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Наиболее часто используется этот способ для нагрева промежуточных теплоносителей, которые впоследствии используются в теплообменной аппаратуре, а также для непосредственного нагрева горючих веществ.

Нагрев пламенем и топочными газами может осуществляться в теплогенерирующих установках (теплогенераторах, парогенераторах, воздухоподогревателях) и в специальных сооружениях, называемых печами. На промышленных предприятиях для сжигания чаще всего используется жидкое и газообразное топливо, реже твердое. Это обусловлено прежде всего тем, что жидкое и газообразное топливо имеет высокую теплоту горения, обеспечивает малые потери при сжигании и простоту розжига. Теплота, получаемая при сжигании топлива, передается теплообменной поверхности излучением и конвекцией.

В промышленности нагрев пламенем и топочными газами чаще всего производится в печах. Большая часть предприятий использует в своих технологиях печи непрерывного действия, так как они более экономичны и сравнительно безопасны в эксплуатации. Печи периодического действия используются главным образом на предприятиях сельскохозяйственного типа. Промышленные печи весьма разнообразны по своему конструктивному исполнению. Однако наибольшее распространение получили печи, в которых теплообменная поверхность выполнена в виде пучков труб, соединенных коллекторами, или в виде непрерывного змеевика. Такие печи носят название трубчатых.

Трубчатые печи. Все трубчатые печи имеют принципиально одинаковое устройство (рис. 7.7). Основными элементами любой трубчатой печи являются металлический каркас 1, воспринимающий на себя всю нагрузку от конструктивных элементов; кирпичная кладка 2; устройства для сжигания топлива 3 (форсунки или горелки); теплообменные трубы 4, соединенные в змеевик; двойники (ретурбенды) 5 для соединения труб змеевика; перевальная стена 6 и боров 7 для отвода продуктов сгорания в дымовую трубу.

Внутреннее пространство трубчатой печи разделяется перевальной стеной на две камеры – радиантную и конвективную. В радиантной камере производится сжигание топлива. Передача теплоты трубам змеевика здесь осуществляется главным образом радиацией за счет теплового излучения пламени, горячих продуктов горения и раскаленных поверхностей стенок печи. Через конвективную камеру производится удаление продуктов горения в борова. Передача теплоты в пространстве конвективной камеры осуществляется от топочных газов конвекцией.

Рис. 7.7. Принципиальная схема трубчатой печи:

1 – каркас; 2 – кирпичная кладка; 3 – форсунки (горелки);

4 – змеевик; 5 – двойники (ретурбенды); 6 – перевальная стена; 7 – боров.

Работает трубчатая печь следующим образом. Топливо по системе топливоподачи поступает к горелкам или форсункам, смешивается с воздухом и поджигается запальным устройством. Теплота сгорания топлива используется для нагрева продукта, циркулирующего по трубам змеевика. Продукт изначально подается в конвективную камеру с целью обеспечения его постепенного нагрева, а затем по змеевику поступает в радиантную часть печи, достигает максимальной температуры и выводится из печи для дальнейшего использования в различных технологических установках. Продукты сгорания, отдав теплоту трубам змеевика, выводятся из трубчатой печи через борова в дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу.

Пожарная опасность при нагреве веществ пламенем
и топочными газами

Пожарная опасность при нагреве веществ открытым пламенем и топочными газами характеризуется следующими факторами:

- наличием большого количества сжигаемого топлива;

- высокой температурой в топочном пространстве, превышающей температуру самовоспламенения большинства горючих веществ;

- возможностью взрыва в топочном пространстве и системах удаления продуктов сгорания;

- высокой вероятностью возникновения прогаров в теплообменной поверхности;

- высокой коррозионной активностью продуктов сгорания;

- постоянным наличием источников зажигания при установившемся режиме работы установок.

Горючая среда в установках нагрева пламенем и топочными газами может образоваться при любом режиме, в котором они могут находиться (в режиме отстоя, пуска в эксплуатацию, установившейся работы и остановки).

1. В тех случаях, когда установка временно не эксплуатируется, горючая среда может образоваться вследствие подтекания топлива из форсунок (горелок) и системы топливоподачи. Для трубчатых печей опасность образования горючей среды обуславливается также возможностью выхода горючего продукта из змеевиков. Такие ситуации могут возникать прежде всего из-за не герметичности топливопроводов и змеевиков; неплотного перекрытия трубопроводов системы топливоподачи и трубопроводов, подводящих горючий продукт к змеевику; а также в случае нарушения технологической инструкции, которая должна предусматривать освобождение змеевиков от находящегося в них продукта и продувку инертным газом или водяным паром перед остановкой трубчатой печи.

2. При пуске установок в эксплуатацию горючая среда может образоваться главным образом из-за неисправности системы розжига, наличия в системе топливоподачи воздушных пробок, использования обводненного топлива, негерметичности топливопроводов и змеевиков, а также нарушения технологической инструкции.

При наличии в системе топливоподачи воздушных пробок горючая смесь, подаваемая из форсунки, изначально может не воспламениться или гореть с хлопками. После удаления из системы воздуха зажигание может оказаться не включенным, и топливо станет распыляться, не сгорая. Аналогичная ситуация может произойти в том случае, если для сжигания в установках используется обводненное топливо.

В случае неисправности системы розжига, загрязнения электродов свечей зажигания, образования на них нагара и т.п. может возникнуть ситуация, когда при подаче горючей смеси из форсунок (горелок) не появится искра. Это также приведет к тому, что топливо будет поступать в топочное пространство не сгорая и образовывать там в смеси с воздухом взрывоопасные концентрации.

Опасность образования горючей среды в период пуска установок в эксплуатацию неизбежна, если обслуживающий персонал нарушает последовательность операций при розжиге. Такие ситуации возможны при подаче топлива в форсунки или горелки до включения зажигания или внесения запального устройства. Обстановка может значительно осложниться опять же при неисправности системы розжига. В этом случае в топочном пространстве может образоваться взрывоопасная концентрация и при наличии источника зажигания произойти взрыв.

При пуске в эксплуатацию трубчатых печей могут возникнуть значительные температурные напряжения в трубах змеевиков, если они не были предварительно прогреты водяным паром. В результате возникновения температурных напряжений возникает опасность повреждения теплообменных труб, и при подаче продукта в змеевики может произойти его утечка с образованием горючей среды в топочном пространстве.

3. В режиме установившейся работы установок горючая среда может образоваться при плохом распылении топлива и его неполном сжигании, при обрыве пламени, а также при возникновении не плотностей и повреждений в топливопроводах и змеевиках.

Плохой распыл топлива может возникать из-за неисправности форсунки, неправильной ее регулировки, засорении коксом, сажей; из-за применения неочищенного топлива и топлива повышенной вязкости; а также из-за снижения давления в системе топливоподачи. Во всех этих случаях капельки топлива будут скапливаться на дне камеры сгорания, испаряться и образовывать взрывоопасные концентрации. Особенно опасно применение топлив повышенной вязкости. Использование таких топлив приводит не только к плохому распилу в камере сгорания, но и увеличивает вероятность образования продуктов уплотнения (кокса, сажи и т.п.), которыми засоряется форсунка. Вязкость топлив значительно увеличивается в зимний период.

Обрыв пламени в установках нагрева пламенем и топочными газами может происходить при попадании в систему топливоподачи воды; засорении топливопроводов, топливных фильтров и форсунок; а также при временном прекращении подачи топлива. Вода в систему топливоподачи может попасть главным образом при использовании обводненного топлива. В некоторых установках перед тем, как топливо поступает на сжигание, производят его подогрев водяным паром в теплообменных аппаратах. В таких случаях вероятность попадания воды в систему топливоподачи увеличивается из-за возможности повреждения теплообменной поверхности. При использовании газообразного топлива обрыв пламени может произойти из-за образования конденсата в топливных линиях.

Засорения в системах топливоподачи чаще всего возникают вследствие применения неочищенного топлива. Временные перебои в подаче топлива к форсункам могут возникать из-за нарушения нормального режима работы насосов, неисправности электроприводов и т.п. Топливо, поступающее в топку после погасания пламени, будет испаряться, и образовывать в смеси с воздухом взрывоопасные концентрации.

При неправильной регулировке форсунок и горелок могут возникать ситуации, связанные с неполным сгоранием топлива. Продукты неполного сгорания (окись углерода СО, водород Н₂ и другие горючие вещества), нагретые до высоких температур, при смешивании их с воздухом могут самовоспламениться со взрывом. В частности, имелись случаи взрывов в боровах трубчатых печей. Температура дымовых газов в боровах составляет 500-700 ⁰С, что гораздо выше температуры самовоспламенения многих горючих веществ. По справочным данным для водорода Т_св = 510 ⁰С, для окиси углерода Т_св = 605 ⁰С. Однако следует учесть, что эти значения температур самовоспламенения были определены по методике ГОСТ для одного литра газа. В реальных условиях с увеличением объема газов значения температур самовоспламенения значительно уменьшаются. Воздух в борова может подсасываться через неплотности в кирпичной кладке. Практика показала, что в дымовые каналы может подсасываться до 20% свежего воздуха. При этом создаются все условия для возникновения взрывного горения.

Кроме этого в системах удаления дымовых газов на поверхностях может откладываться сажа, которая также образуется при неполном сгорании топлива. Сажа опасна склонностью к самовозгоранию и возможностью взаимодействовать с углекислым газом. В результате взаимодействия сажи с углекислым газом образуется оксид углерода, который, как указывалось выше, представляет значительную пожарную опасность. Реакция взаимодействия сажи с углекислым газом записывается следующим образом:

С + СО₂ = 2СО – Q.

Как видно, реакция эндотермическая, то есть происходит с поглощением теплоты. Поэтому чем выше температура в системах удаления дымовых газов, тем больше вероятность возникновения взрыва.

В трубчатых печах в режиме установившейся работы горючая среда может образоваться при возникновении неплотностей и повреждений в змеевиках, заполненных горючим продуктом. Основными причинами повреждений теплообменных труб являются прогары, коррозия и эрозия материала стенок, а также возникновение повышенного давления.

Повышенное давление внутри змеевиков может возникнуть в результате резкого повышения температуры в печи, приводящего к перегреву продукта; увеличения гидравлического сопротивления труб при образовании отложений и возникновении пробок; а также в результате нарушения нормального режима работы насосов.

Прогары представляют собой вспучивание и разрыв металла в результате сильного перегрева отдельных участков теплообменной поверхности. Условия для перегрева труб змеевиков создаются при наличии малотеплопроводных отложений (кокса, солей и т.п.) на их внутренних поверхностях. В таких случаях стенка трубы оказывается изолированной от продукта, не охлаждается им и перегревается.

Вероятность прогара увеличивается при активизации процессов коррозии и эрозии материала труб. Наружная поверхность труб змеевика подвергается химической коррозии под действием кислорода воздуха и сернистых соединений, содержащихся в продуктах сгорания. Внутренняя поверхность подвергается коррозии под действием нагреваемого продукта и находящихся в нем примесей. Наличие в продукте механических примесей способствует сильному эрозионному износу внутренних стенок теплообменных труб.

При эксплуатации установок огневого нагрева горючая среда может образоваться не только в топочном пространстве и системах удаления продуктов горения. Выход горючих веществ возможен при разгерметизации насосов, трубопроводов и другого оборудования системы топливоподачи.

Для трубчатой печи опасность образования горючей среды возникает при выходе нагреваемого в змеевиках продукта через двойники, вынесенные за кладку печи. Выход продукта наружу через двойники наблюдается при неплотном прилегании пробки к корпусу двойника, выбросе пробки, нарушении герметичности соединения труб с корпусом двойника и при повреждениях корпуса.

4. В режиме остановки установок нагрева пламенем и топочными газами горючая среда может образоваться главным образом при неплотном перекрытии трубопроводов системы топливоподачи. Во время эксплуатации рабочие части задвижек и вентилей (клапаны, тарелки, плашки и т.п.) изнашиваются, деформируются, места сопряжений подвижных частей с корпусом задвижек могут быть загрязнены твердыми отложениями. Все это приводит к тому, что и в закрытом состоянии такие задвижки способны пропускать жидкость, газы и пары. Просачиваясь через задвижки, они могут образовывать в топочном пространстве взрывоопасные концентрации. А если учесть, что в режиме остановки температура конструктивных элементов установок еще достаточно велика (гораздо выше температуры самовоспламенения большинства горючих веществ), то вероятность взрыва очень велика.

В трубчатых печах опасность образования горючей среды увеличивается в режиме аварийной остановки, то есть при наличии повреждений в змеевиках. Если своевременно не обеспечена подача пара в змеевик и топочное пространство, то также могут возникать ситуации, приводящие к взрыву и пожару.

Источниками зажигания (инициаторами горения) при эксплуатации установок нагрева пламенем и топочными газами могут явиться:

- открытое пламя запальных устройств, факелов, форсунок или горелок;

- искры и нагревательные спирали систем электророзжига;

- высоконагретые конструктивные элементы установок;

- искровые разряды статического электричества;

- теплота самовозгорания отложений кокса, сажи и т.п.;

- искровые разряды молнии и ее вторичные проявления (для наружных установок);

- искры и открытое пламя при проведении огневых работ;

- искры механического происхождения при ремонте или производстве очистных работ;

- тепловые проявления (искры, дуги, перегрев и т.п.), возникающие при аварийных режимах работы силового, осветительного электрооборудования, сетей автоматического контроля, а также при несоответствии эксплуатируемого электрооборудования требованиям Правил устройства электроустановок.