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1、膜法富氧用于工业锅炉助燃的安全性分析膜富氧技术是国际上七十年代兴起的用高分子膜将浓度为20.9%的空气制成氧浓度较高的富氧空气的新技术。普通空气只含氧20.9%，在燃烧过程中，近80%的不助燃的氮气吸收了大量的热能并于废气中排掉，这一部分热损失使能源无谓消耗。同时在高温下生成氮氧化物，造成环境污染。采用富氧空气助燃能克服或减轻这些问题。如燃烧一公斤重油需要12.2Nm3普通空气，如果采用30%浓度的富氧空气则只需要8.5Nm3，所产生的氮氧化物减少40%。因此大大提高了燃烧效率，减轻了污染；同时，在高温熔炉中使用富氧空气，火焰温度升高，燃烧速度加快，火焰强度加大，提高了火焰辐射和对流传导，提高
2、了燃烧质量，提高产品质量和生产率。气体膜分离技术的原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的差异来进行分离的。现在作为成熟的工艺技术，广泛用于许多气体的分离、提浓工艺。它的主要优点是无相变，能耗低，装置规模根据处理量的要求可大可小，而且设备简单，操作方便，运行可靠性高，膜的寿命可达数年，无噪声，清洁生产。下面针对氧气在工业应用中的安全性进行说明和分析，以验证膜法富氧工业助燃的安全可靠性：1压缩纯氧及其危险性（膜法富氧为30%低纯度低压氧）在标准状态下，氧气是一种无色、无味、无臭的活性气体，其分子式为O2密度为143kgm3，比空气稍重(空气密度为129
3、k8m3)；在183时，氧变成淡蓝色的液体；在219时，就凝成淡蓝色雪状的固体。国内经常发生输氧管道着火事故，其燃烧多始于管路或管件内部，尤其是减压阀、截止阀、弯头、三通或四通、法兰连接等管件处。当其因某种原因被引燃后，首先管壁的某处被高热的火焰烧穿，高压氧气流夹带火舌从孔口喷出，引起管道呈白热状态的更炽热的燃烧。同时，常在氧气流喷出之际，发生爆炸似的响声，此响声常被误认为发生爆炸。其实只不过是伴随金属火灾而产生的管道破裂，并在压力下气体喷出的燃烧现象。氧气只是助燃物质，本身是不燃烧的，管道材质为碳钢也是难燃的，那为什么会发生输送管道火灾呢?(1)氧气流中夹带的可燃固体颗粒是造成输氧管道火灾的
4、能源之一。（进膜前过滤要求为0.1以下）当管道中残存有铁锈垢，或氧气流中因某种原因混入固体颗粒，而被高速流动的氧气流席卷流动时，尽管固体小颗粒经摩擦所携带的热量很小。但颗粒间被热导率很低的氧气流所包围，就存在蓄热可能。如该颗粒是砂子、Fe3O4等难燃物质，是不会引燃管壁而着火；若为焦炭粒子(积炭)、煤粒子、铁粉(FeO、Fe2O3)等可燃粒子，因其着火温度远低于铁的着火温度，在常压氧气中约300400，而在高压氧气流中还要低数十摄氏度。因此铁粉，在氧气中流中流动时与管壁摩擦很容易达到着火温度而自燃引起受热燃烧。铁粉燃烧放热量大(7285Jg)，而且又被热导率很低的氧气流包围，热的传递受阻，故铁
5、粉在高压氧气流中燃烧热的蓄积会使自身成为高热(多为10002000)的炽热粒子，其温度足以把管道内的可燃物点燃，特别是燃烧反应的铁粒子表面，具有中间生成物的活性氧使燃烧反应更为剧烈。在铁锈垢中，主要是未完全氧化的FeO、Fe2O3和Fe3O4，铁锈垢的颗粒度为10目、50目、100目时，瞬间引燃温度为312315。比铁粉着火温度还低。由此可见，输送潮湿氧气的管道，如再改输干燥氧气时，因其内壁会产生铁锈，则有发生输氧管道火灾的极大危险。(2)输氧管道中存在着可燃物，必定会造成输氧管道着火。（膜法富氧输送选用不锈钢等难燃或不燃材质）任何可燃物质在氧气流中的燃点要比在空气中为低，而氧的浓度和纯度越高
6、，燃点越低，压力越大，燃点越低。表1列出金属的燃点与氧气压力的关系。表1 金属的燃点与氧气压力的关系又如，工业矿物油脂与30atm(3039750Pa)以上的氧气接触，会立即发生强烈的化学反应而自燃，并且这些可燃物一旦燃烧起来，燃烧速度比空气中快得多。这样强烈的燃烧是以诱发法兰盘、管道等金属材料的燃烧，而且当可燃材料的燃烧热越大，引燃金属材料的可能性越大。特别是当管道的法兰、阀门、三通等处的密封元件为橡胶、石棉板、塑料等高分子材质时，燃烧软化后会被带压的氧气流吹走，进而造成喷氧灾害。(3)绝热压缩产生的热量可以酿成管道火灾的火源。（膜法仅存在低压0.01MPa0.05MPa富氧空气输送）在管道
7、内，当处于高压状态的氧气急剧降至低压状态，可产生近于绝热状态的压缩过程。由于压缩热量产生的速度快，而且难于在瞬间传递出去，故会使压缩系统急剧升温。其温升与压力变化幅度的函数关系为式中 Y气体的比热容比(Cp，Cv)。当p2150atm(15198750Pa)时绝热压缩后的气体温度为953，足以引起管壁与氧之间的燃烧反应发生。当其中存有铁垢(312315)、铁粉(300400)、润滑油、纤维、橡胶聚乙烯(300500)等可燃物时，15atm(1519875Pa)的氧气急剧压缩就可引起可燃物质着火。因此，绝热压缩发生在输氧管道内是不可忽视的火源之一。(4)熔敷在内壁上的赤热铁粉会烧穿管壁。（根据化
8、工管路手册常用介质流速范围，膜法富氧空气流速设计在限速以下）根据资料记载；铁粉自燃点为316，粉碎下限为120gm3，最小点火能量为100mJ。这样，坚硬固体颗粒或气流冲刷管壁，而摩擦损耗脱离的铁粉，在摩擦热的作用下，是很容易发生自燃。处于自燃状态的赤热铁粉在高速氧气流中高速运动，而流到急变的直转弯部位(如T形管处)，便以极大的动量撞击管内壁，耗去大部分动能后，沿管壁沉积下来，造成赤热铁粉的蓄积，其在燃烧中会逐步熔化而黏附在管内壁上。熔敷处的管壁在此高温下，可发生铁与氧的燃烧反应，造成管壁切割穿孔，发生喷氧灾害。因此，输氧管道选用不锈钢管材、密封垫选难燃或不燃材料。润滑油选用蒸气冷储液。安装检
9、修完后要认真脱脂，并用干燥氮气吹扫、试压。此外，国家标准炼铁安全规程规定输氧的安全浓度为含氧量18%23%（见附件1），高于此浓度的氧气输送需要特殊的安全防护措施。2氧气使用安全(1)常压下空气中氧含量超过正常数值时，会急剧增加可燃物的燃烧速度。如空气中氧浓度达30时，棉布的燃烧速度比在含氧21的空气中快两倍。（膜法富氧助燃即利用此加速燃烧速度的机理提高燃烧速率促进燃料完全燃烧）(2)常压下，空气中氧含量超过40时，有可能发生氧中毒。吸入4060含氧空气时，会出现胸骨后不适感，轻咳、进而胸闷，胸骨后烧灼感和呼吸困难。严重时可发生肺水肿，甚至出现呼吸窘迫综合征。长期处于氧分压为60100kPa(
10、相当于吸人氧浓度为40左右)的条件下，可发生眼损伤，严重时可失明。因此，禁止用纯氧来改善空气条件或通风换气。（膜法富氧提供30%富氧空气，低纯度，低压，安全，甚至可直接用于医疗富氧保健）(3)氧气充装、排放速度过快，容易产生静电火花。充氧时压力超过98MPa，氧气流速将大于允许流速几倍，氧分子与管壁摩擦会产生静电火花，若瓶阀上有油脂，就会发生燃烧。（根据化工管路手册常用介质流速范围，膜法富氧空气流速设计在允许流速内）3.工业助燃为何选用30%富氧空气无论是气体燃料、液体燃料或是固体燃料使用富氧空气燃烧与采用通常空气燃烧相比，不同点在于富氧空气燃烧时，由于氧浓度的增加提高了燃料与空气中氧分子的接
11、触频率，宏观行则表现出燃烧气体量的减少，从而有利于火焰温度的提高（见下图1，m为过剩空气系数），增加燃烧速度，提高了单位体积燃料的能量密度，并使整个燃烧装置热效率提高。从上图可以看出：（1）火焰温度随着氧浓度的提高而提高；（2）随着富氧空气浓度逐渐提高，火焰温度增加的幅度将逐渐下降，在绝热状态下，空气含量从23%到25%时，火焰温度增加100，而空气含量从25%到27%时，同样是增加2%的含氧量，火焰温度仅增加了30；（3）过热系数m不宜过大，一般取1.051.1。因此，为了有效利用富氧空气，其浓度不易选取过高。按照过剩空气系数m=1.11.5组织火焰时，富氧空气浓度取2327%为宜。采用膜法
12、产出的30%富氧空气在适宜的部位助燃可实现此条件，提高炉温，同时由于含氧量增加排气量逐渐减少，排烟黑度也明显下降。节能率%1300 1400 1500 16000 40302010图2 火焰温度与节能关系=25% 图2 为火焰温度与节能关系，可以看出炉温越高，应用富氧浓度越高，其节能效果越好。综上所述，工业锅炉富氧助燃宜采用30%的富氧空气，而这一浓度正是膜法生产富氧空气的经济区域。4膜法富氧助燃的特殊安全设计尽管膜法富氧的氧气属于低浓度氧，但如果使用不当，仍然会增加装置着火和爆炸的危险性，因此在系统设计时应对以下方面进行仔细考虑：(1)对氧气的输送系统进行慎重设计，以确保生产安全；(2)在氧
13、气与助燃空气混合处适当的设置性能良好的氧气分布系统，以确保均匀混合，防止氧气在管线中局部性高浓度积累；(3)氧气输送管线上设有控制压力和流量的设施，使氧气流量能够随意调节；(4)氧气的输送管线以及附件(控制阀、垫片等)应采用耐纯氧腐蚀的材质(例如青铜或Monel高强度耐蚀Ni-cu合金等)，氧气管道上法兰间设有跨接电缆以使法兰的跨接电阻小于0.03，室外架空氧气管线设有导静电设施，以使最大接地电阻小于10；(5)装置设置特殊的安全报警和联锁系统，在氧气系统设置自动切断控制放空，例如鼓风机等设备发生故障时，将氧气放空可以防止管线中氧气浓度的局部过高，氧气的放空地点设置在远离装置的安全地带；(6)
14、氧气管线在投用之前应进行彻底的清扫，凡是与氧气接触的设备、管道、阀门、仪表及零部件在投用前都进行严格的除锈和脱脂处理，氧气压力表应使用设有禁油标志的压力表；(7)氧气系统严禁使用闸阀，而是采用球阀；(8)氧气管线采用不锈钢材质，氧气线速按小于25 m/s控制。综上所述，结合氧气的安全输送和工业富氧助燃的要求，30%氧气用于工业助燃在一定的安全防护措施下（另见附件1、2）是安全可靠的，目前全世界范围内的工业锅炉均采用30%氧含量的富氧空气进行助燃。附1炼铁安全规程1111 富氧鼓风11.1 氧气管道及设备的设计、施工、生产、维护，应符合GB16912的规定。连接富氧鼓风处，应有逆止阀和快速自动切
15、断阀。吹氧系统及吹氧量应能远距离控制。11.2 富氧房应设有通风设施。高炉送氧、停氧，应事先通知富氧操作室，若遇烧穿事故，应果断处理，先停氧后减风。鼓风中含氧浓度超过25时，如发生热风炉漏风、高炉坐料及风口灌渣（焦炭），应停止送氧。11.3 吹氧设备、管道以及工作人员使用的工具、防护用品，均不应有油污；使用的工具还应镀铜、脱脂。检修时宜穿戴静电防护用品，不应穿化纤服装。富氧房及院墙内不应堆放油脂和与生产无关的物品，吹氧设备周围不应动火。11.4 氧气阀门应隔离，不应沾油。检修吹氧设备动火前，应认真检查氧气阀门，确保不泄漏，应用干燥的氮气或无油的干燥空气置换，经取样化验合格（氧浓度不大于23），并经主管部门同意，方可施工。11.5 正常送氧时，氧气压力应比冷风压力大0.1MPa；否则，应通知制氧、输氧单位，立即停止供氧。11.6 在氧气管道中，干、湿氧气不应混送，也不应交替输送。11.7 检修后和长期停用的氧气管道，应经彻底检查、清扫，确认管内干净、无油脂，方可重新启用。11.8 对氧气管道进行动火作业，应事先制定动火方案，办理动火手续，并经有关部门审批后，严格按方案实施。
