船用燃油輔鍋爐爐膛爆燃關(guān)鍵因素研究

王玲

摘 要

柴油機(jī)船上，燃油輔鍋爐爐膛爆燃是非常危險(xiǎn)的，可能引起火災(zāi)，危及人身和設(shè)備。文章分析了燃燒和爆燃機(jī)理，討論了鍋爐結(jié)構(gòu)、燃料特性、操作和管理對(duì)爆燃的影響，提出了引發(fā)爆燃的關(guān)鍵因素和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞

燃油輔鍋爐;柴油;重油;爐膛爆燃;關(guān)鍵因素;預(yù)防

中圖分類號(hào)： U676. 7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 49

Abstract

It is very dangerous when explosive combustion of furnace occurred in fuel oil auxiliary boilers on motor vessels. It may cause fire， endangering personal and equipments safety. Deflagration and burn mechanisms are analysied. Furnace deflagrate factors influenced are discussed about boiler structures， fuel properties， operatiing and managements. Key factor of deflagration and precautions are put forward.

Key words

Fuel oil boiler; Diesel oil; Fuel oil; Furnace deflagrate; Key factors; Precautions

0 引言

柴油機(jī)船常用2MPa以下的低壓燃油輔鍋爐，蒸發(fā)量差異較大，如干貨船、油輪分別用蒸發(fā)量0.4～2.5t/h、20t/h以上的燃油鍋爐，主要產(chǎn)生飽和蒸汽（或熱油）供加熱之用。冷爐啟停用柴油（可以不加熱），產(chǎn)生蒸汽后改燒重油（一般和主柴油機(jī)所用燃油相同），操作或管理不當(dāng)易出現(xiàn)爐膛爆燃、爆炸，危及人身和設(shè)備安全。因此，了解爆燃機(jī)理、影響因素和危險(xiǎn)性，采取有效措施切斷關(guān)鍵因素，預(yù)防、杜絕爆燃是非常必要的。

1 爆燃分析

1.1 輔鍋爐的燃燒過程

油燃燒時(shí)必須有空氣、溫度或火源同時(shí)存在，是油和空氣的混合氣達(dá)一定溫度或濃度后進(jìn)行的復(fù)雜、快速放熱、發(fā)光的氧化反應(yīng)。油能著火的溫度與油質(zhì)、爐膛溫度和壓力、爐膛體積、爐膛散熱量等因素有關(guān)。燃燒放熱量多于散熱量時(shí)，油會(huì)迅速升溫發(fā)生熱力著火;油的活性強(qiáng)、爐膛壓力高、向外散熱少則會(huì)降低油的著火溫度。

船上多用雙噴嘴的壓力式噴油器、轉(zhuǎn)杯式噴油器、回油式噴油器輔鍋爐燃油系統(tǒng)。噴油器的供油壓力一般不超過2.5MPa。兩個(gè)噴油器的供油壓力一樣，但噴嘴直徑不等、噴油量不同。噴油量和供風(fēng)量同時(shí)調(diào)節(jié)達(dá)到適當(dāng)?shù)娘L(fēng)油比例，保證油的充分燃燒。雙噴嘴鍋爐低負(fù)荷時(shí)小噴油器工作，高負(fù)荷時(shí)大小噴油器都工作。氣壓升至上限則熄火停爐。轉(zhuǎn)杯式鍋爐點(diǎn)火時(shí)柴油經(jīng)點(diǎn)火噴油器工作，產(chǎn)生蒸汽后燃油經(jīng)轉(zhuǎn)杯式主噴油器工作[1]。根據(jù)負(fù)荷需求，回油式鍋爐在高負(fù)荷時(shí)主噴油器工作，低負(fù)荷時(shí)點(diǎn)火噴油器工作，無須停爐[2]。工作時(shí)柴油或燃油以霧狀旋入爐膛，在爐膛內(nèi)邊蒸發(fā)邊與供入爐內(nèi)的空氣混合，點(diǎn)火或達(dá)到著火溫度可燃燒。重油比柴油蒸發(fā)慢易滯燃，且發(fā)熱量大，蒸發(fā)后的油氣燃燒更劇烈，燃燒后燃?xì)鉁囟雀遊3]。

1.2 爐膛爆燃

爐膛內(nèi)積存油蒸汽后，遇空氣混合，著火后爐膛內(nèi)溫度和壓力急劇升高的振動(dòng)、爆炸性燃燒現(xiàn)象為爆燃。爆燃時(shí)爐膛內(nèi)壓力過高則火焰從燃燒器向外噴出，壓力超出鍋爐承壓極限時(shí)高壓燃?xì)獠〞?huì)炸開風(fēng)道擋板或鍋殼而爆炸[3]。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，爆燃分輕微、中等、嚴(yán)重和惡性四種。爐膛壓力升高值不超過200Pa、時(shí)間短、危害小的不穩(wěn)定燃燒是輕微爆燃。中等爆燃時(shí)爐膛壓力升高到200pa以上甚至達(dá)800Pa，燃燒波動(dòng)較大使運(yùn)行參數(shù)變化，但危害不大。爐膛內(nèi)壓力高于800pa后，持續(xù)燃燒瞬間會(huì)使燃?xì)獾膲毫_(dá)到2300Pa，火焰從爐內(nèi)向外燃燒或燃?xì)馔蝗粍×艺駝?dòng)的爆炸性燃燒，是嚴(yán)重爆燃，危害大。爐內(nèi)大量可燃?xì)馑查g燃燒產(chǎn)生更大沖擊波使?fàn)t膛壓力超過2300Pa后，會(huì)引起爐膛變形、爆炸、危害極大的惡性爆燃。

爆燃與爐膛溫度、油的發(fā)熱值、爐膛內(nèi)積存的油氣量有關(guān)。爆燃前爐膛溫度越低爆燃后壓力越高，即冷爐爆燃時(shí)危害較大;油氣單位容積發(fā)熱值越大爆燃后壓力越高，即燃油爆燃危害性大;積存油氣體積與爐膛容積的比值越大（最大為1）爆燃后的壓力越高[5]，即積存的油氣多，爆燃危害性大。油和空氣的比例達(dá)到剛好完全燃燒時(shí)，燃燒放出的熱量最多、產(chǎn)生的壓力最大，瞬間的燃?xì)鈮毫ΣO高而引發(fā)爆燃爆炸。油量太多時(shí)不能完全燃燒且生成不燃物導(dǎo)致缺氧而停止燃燒;油量太少則很快會(huì)燒完，多余空氣起冷卻作用阻止火焰蔓延、不再燃燒，也不可能爆炸。這說明燃燒和爆燃是有極限的，油量多至能引起爆炸和油量少至能引起燃燒的兩個(gè)極限值分別是爆炸上限和下限。油、氣比例介于爆炸下限和上限區(qū)間時(shí)，點(diǎn)火或溫度達(dá)到著火點(diǎn)會(huì)燃燒甚至爆燃爆炸，而低于爆炸下限或高于爆炸上限將可能燃燒但不會(huì)爆炸。

爆炸極限隨油氣混合物的組分而變，同一混合油氣的爆炸極限隨壓力、初始溫度、爐膛容積變化。油氣壓力高時(shí)分子間距小、加速分子碰撞，擴(kuò)大了爆炸極限（即上限升高、下限降低）;油氣的初溫升高則分子活性大使反應(yīng)加速，燃燒放熱量大于散熱量[6]，同時(shí)原本初溫較低時(shí)混合氣中的不燃物可能也達(dá)到了可燃、可爆，擴(kuò)大了爆炸極限;爐膛越大則油氣的爆炸極限越大。

綜上所述，爆炸極限越寬出現(xiàn)爆燃爆炸的概率越大，危險(xiǎn)性越大?？扇嘉锝M分中易燃物多、爐膛內(nèi)燃?xì)鈮毫Ω?、熱爐、爐膛容積大時(shí)，易發(fā)生爆燃爆炸。

1.3 影響燃油輔鍋爐爆燃的因素

1.3.1 爐膛結(jié)構(gòu)、鍋爐部件

一般燃油鍋爐的爐膛比其他鍋爐較大，故爆炸極限相對(duì)較寬。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，低負(fù)荷時(shí)爐膛內(nèi)熱流量分布明顯不均，峰值在爐膛底部。因此低負(fù)荷時(shí)，燃油鍋爐若噴油器堵塞或霧化不好、漏泄等造成爐膛底部積存油氣較多時(shí)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重、惡性爆燃。

噴油器或閥件故障如關(guān)不嚴(yán)使油液漏入爐膛、堵塞使油壓不足霧化變差、噴油量突然變大（如噴油器磨損、噴油閥突然開大）、風(fēng)油聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)不匹配或突然失靈、工作中風(fēng)門突然關(guān)小等使油量大或風(fēng)門故障掃風(fēng)時(shí)開度過小等，會(huì)導(dǎo)致爐膛積存過多油氣引發(fā)爆燃。

蒸汽式噴油器的霧化蒸汽中有凝水混入重油會(huì)降低油溫、減緩蒸發(fā)，或霧化蒸汽量小、蒸汽壓力低都可能導(dǎo)致積存多余的油氣而爆燃。轉(zhuǎn)杯式噴油器的轉(zhuǎn)杯和一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低，將使油膜變厚蒸發(fā)延遲、霧化風(fēng)不足等使油氣聚積而爆燃。

配風(fēng)器與噴油器的相對(duì)位置突變、配風(fēng)器葉片松動(dòng)使油霧、風(fēng)向和風(fēng)量改變，導(dǎo)致風(fēng)、油不能充分交叉混合等，惡化油的霧化、難以形成低壓回流、著火延遲等積存油氣而引發(fā)爆燃。裝有多個(gè)燃燒器的鍋爐，不工作的燃燒器突然滴漏、風(fēng)門突然關(guān)嚴(yán)也會(huì)積存油氣而爆燃。

1.3.2 燃料特性

當(dāng)油溫低、油質(zhì)差、爐膛溫度低、霧化差時(shí)，重油蒸發(fā)更慢，一旦著火將有大量油蒸汽參與燃燒，增加嚴(yán)重爆燃發(fā)生率。爐膛溫度或壓力高則擴(kuò)大爆炸上限，尤其在點(diǎn)火失敗時(shí)會(huì)增加爆燃發(fā)生率。

換油時(shí)存在兩種油同時(shí)燃燒的情況，而油質(zhì)混雜則爆燃極限變化。研究和實(shí)踐證明，燒重油、混油時(shí)易發(fā)生爆燃。某船在一段時(shí)間內(nèi)輕重油轉(zhuǎn)換時(shí)總發(fā)生爆燃，分析是燒兩種混油所致，適當(dāng)加大風(fēng)量減小了爆炸極限解決了爆燃。而某船新上重油后不能點(diǎn)燃或點(diǎn)燃后易爆燃（按粘溫性選擇的油溫），經(jīng)研究是油質(zhì)差、油溫低擴(kuò)大了爆炸極限，適當(dāng)提高重油溫度可消除爆燃改善燃燒。

1.3.3 違規(guī)操作

雖然鍋爐操作有嚴(yán)格規(guī)定，但眾多爐膛爆炸事故證明，違規(guī)操作是引發(fā)鍋爐爐膛爆燃、爆炸的重要原因。如點(diǎn)火前未有效掃風(fēng)、點(diǎn)火失敗后圖省事不掃風(fēng)再點(diǎn)火、多次點(diǎn)火失敗不查找原因繼續(xù)點(diǎn)火、發(fā)現(xiàn)堵塞或漏泄或報(bào)警后不處理、換新元件不試驗(yàn)就直接運(yùn)行、停爐或突然斷電停爐后不掃風(fēng)等，均導(dǎo)致了爐膛積存過多油氣給爆燃埋下了隱患。

1.3.4 管理不當(dāng)

運(yùn)行前：若點(diǎn)火前爐內(nèi)積存了大量可燃?xì)馇椅丛黾哟祾邥r(shí)間或吹掃時(shí)風(fēng)門開度過小使掃風(fēng)不徹底或無效;未檢查漏泄、點(diǎn)火失敗噴油延時(shí)設(shè)置過長(zhǎng)、油溫預(yù)熱低、油壓設(shè)置低等可能導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)爐膛積存多余可燃?xì)庖l(fā)爆燃。

運(yùn)行中：當(dāng)風(fēng)量小、油壓低、油溫低、閥件或?yàn)V器堵塞、臟污使油壓不足等不能形成合適的油霧和錐角使霧化差，霧化片磨損嚴(yán)重油量大、管路或噴油嘴漏油、火焰熄滅等導(dǎo)致的爐內(nèi)積存油氣而爆燃的危險(xiǎn);未及時(shí)查看儀表、風(fēng)門、火焰、排煙，未及時(shí)吹灰使排煙不暢、爐膛內(nèi)壓高，使儀表失靈、風(fēng)油比不當(dāng)、燃燒變差而達(dá)到了爆燃條件。若某些船燒柴油也會(huì)爆燃，可能是噴油器嚴(yán)重磨損或噴嘴滴漏油致油量大爆燃，換新備件可消除爆燃。

停爐：熄火后延遲噴油時(shí)間過長(zhǎng)、停爐時(shí)爐膛內(nèi)有未完全燃燒的油氣或有油漏入爐膛且掃風(fēng)不足（同樣的掃風(fēng)時(shí)間并不能掃除積存過多的燃?xì)猓?dǎo)致爐膛積存燃?xì)膺^多、停爐后未關(guān)嚴(yán)風(fēng)門致多余燃?xì)鈴?fù)燃而爆燃。

維修：部件檢修時(shí)未徹底清洗、組裝不規(guī)范、檢修后誤將噴油器的位置互換[8]、隨意更換不同規(guī)格的霧化片等導(dǎo)致噴油壓力低、管路部件堵塞霧化效果差、噴油量大爐內(nèi)正壓高[9]、點(diǎn)火電壓不足或電極位置設(shè)置不當(dāng)或結(jié)焦炭、熄火停爐噴油延時(shí)設(shè)置過長(zhǎng)等油量在爐膛內(nèi)積存過多引發(fā)爆燃。某雙噴嘴鍋爐小大火轉(zhuǎn)換時(shí)爆燃時(shí)有發(fā)生，經(jīng)分析是風(fēng)油比不當(dāng)致油氣積存所致，調(diào)換兩噴嘴位置后爆燃消失。

1.3.5 引發(fā)爆燃的關(guān)鍵因素

根據(jù)油的燃燒和爆燃機(jī)理，綜上所述，燃油鍋爐、爐膛內(nèi)積存較多燃油或混合油、爐膛內(nèi)壓力高、熱爐噴油量多、冷爐點(diǎn)火或連續(xù)多次點(diǎn)火、噴油量突然增大、油霧化不良等均易發(fā)生爆燃。

考慮輔鍋爐冷爐時(shí)要點(diǎn)火、運(yùn)行中爐膛內(nèi)溫度較高，而且都需要供風(fēng)，因此引發(fā)爆燃的最關(guān)鍵因素是爐膛內(nèi)積存了爆燃極限范圍內(nèi)的可燃油氣。

2 預(yù)防、杜絕爆燃

爆燃是引發(fā)鍋爐外爆的因素之一。目前輔鍋爐的自動(dòng)化程度高，要嚴(yán)守操作規(guī)程，勤于管理，及時(shí)維護(hù)，切斷引發(fā)爆燃的關(guān)鍵因素，預(yù)防或杜絕爆燃。

正常航行每七至十天停爐1次（1～2小時(shí)），清理噴油器防止堵塞;保證點(diǎn)火、噴油、配風(fēng)及油溫參數(shù)正常。規(guī)范修理和裝復(fù)，裝復(fù)后應(yīng)點(diǎn)火調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。

充分掃風(fēng)切斷點(diǎn)火時(shí)多余油氣積存。任何一次點(diǎn)火都要有效掃風(fēng);點(diǎn)火失敗先停油，排除故障再點(diǎn)火，并延長(zhǎng)掃風(fēng)時(shí)間。實(shí)踐證明啟用長(zhǎng)期不用的鍋爐時(shí)，若二三次點(diǎn)不著火，要立即停爐檢查。若換新重油易發(fā)生爆燃，可將油溫適當(dāng)升高。

運(yùn)行中確保油氣充分及時(shí)燃燒，避免多余油氣積存。突然熄火、斷電、緊急停用都要先停油;注意觀察火色、滴漏、風(fēng)門開度、煙色和壓降、風(fēng)油壓力、油溫及濾器壓降并確保正常;特別注意低負(fù)荷、負(fù)荷轉(zhuǎn)換、熄火后、點(diǎn)火后的燃燒狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)排氣黑煙、火色發(fā)紅跳動(dòng)、漏油、部件卡死或不靈活時(shí)及時(shí)處理，切斷油氣積存環(huán)節(jié)。若燒柴油也會(huì)爆燃，需要修理或更換噴油器。

3 結(jié)束語

引發(fā)燃油輔鍋爐爐膛爆燃的因素有很多，危害性極大。研究分析和實(shí)踐證明，引發(fā)爆燃的關(guān)鍵的因素是爐膛內(nèi)積存了爆炸極限范圍的油氣，要嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)解決，維持合適的風(fēng)油比，切斷過多油氣的積存，徹底預(yù)防和杜絕爆燃，確保鍋爐的安全運(yùn)行。

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