劉全興

（青島特鋼有限公司）

摘  要  本文提出了高爐水煤氣爆炸的概念和特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)幾起公開(kāi)報(bào)道的重大水煤氣爆炸著火事故案例進(jìn)行了原因分析，并從事故成因和爆炸機(jī)理上進(jìn)行了論述。在分析的基礎(chǔ)上提出從安全管理、高爐操作、工藝設(shè)計(jì)缺陷和設(shè)備等方面的防范措施。

關(guān)鍵詞  高爐  水煤氣  爆炸  分析  防范措施

1  概述

在鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，個(gè)別地區(qū)和個(gè)別冶金工廠(chǎng)由于忽視安全生產(chǎn)，缺乏熟知煤氣技術(shù)人員和必要的技術(shù)措施和有效管理，今年以來(lái)，出現(xiàn)了過(guò)去也不多見(jiàn)的高爐水煤氣爆炸和著火事故。造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。煤氣事故頻發(fā)已引起各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門(mén)的高度重視，新聞媒體對(duì)典型案例也進(jìn)行報(bào)道，以警示其他企業(yè)。認(rèn)真分析各類(lèi)煤氣事故產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地加強(qiáng)管理，消除隱患，規(guī)范操作，完善制度的建立，強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)管理部門(mén)的職能，降低事故頻率，減少人員與財(cái)產(chǎn)損失都具有十分重要的意義。

目前，煤氣已經(jīng)應(yīng)用到所有鋼鐵生產(chǎn)工序，但煤氣操作及高水平管理人員隊(duì)伍培養(yǎng)相對(duì)“滯后”,滿(mǎn)足不了實(shí)際需要。煤氣專(zhuān)業(yè)系一門(mén)特殊的“交叉學(xué)科”，煤氣安全技術(shù)普及教育沒(méi)有形成規(guī)范化、制度化，設(shè)計(jì)、審查、生產(chǎn)設(shè)備管理缺乏對(duì)煤氣設(shè)施應(yīng)有的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，部分高爐超設(shè)計(jì)能力操作；干法煤氣凈化，對(duì)爐頂溫度要求嚴(yán)格。

什么是高爐水煤氣爆炸？在高爐生產(chǎn)過(guò)程中，由于有水的因素加入，如爐頂打水降溫或冷卻設(shè)備大量漏水等與熾熱的無(wú)煙煤和焦炭相遇造成煤氣中含有氧氣和氫氣，使得煤氣爆炸極限寬泛，加之溫度條件具備而引起的煤氣爆炸。水煤氣（water gas）的主要成分是CO、H2。水煤氣爆炸不同于一般的煤氣爆炸，燃燒速度為汽油的7.5倍。水煤氣爆炸破壞力更大，損壞程度更嚴(yán)重。

高爐水煤氣爆炸類(lèi)型主要有：高爐停爐打水；高爐爐頂溫度升高打水；爐皮開(kāi)裂打水；高爐冷卻設(shè)備破損漏水等等。

高爐水煤氣爆炸事故的特征：事故突發(fā)性強(qiáng)；爆炸威力巨大；波及范圍面廣；發(fā)生連鎖反應(yīng)；設(shè)備損壞嚴(yán)重；造成群死群傷。

2  國(guó)內(nèi)幾起高爐水煤氣爆炸的案例分析

2.1  案例概況

案例1：某鋼廠(chǎng)煉鐵廠(chǎng)一號(hào)高爐爆炸事故概要：1990年3月12日7時(shí)56分，一號(hào)高爐在生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)生爆炸。高爐托盤(pán)以上爐皮（標(biāo)高15—29米）被崩裂，大面積爐皮趨于展開(kāi)。爐身支柱被推倒，爐頂設(shè)備連同上升管、下降管及上料斜橋等全部?jī)A倒、塌落。出鐵場(chǎng)屋頂被塌落物壓毀兩跨。爐內(nèi)噴出的紅焦四散飛落將卷?yè)P(yáng)機(jī)室內(nèi)的液壓站、主卷?yè)P(yáng)機(jī)、PC—584控制機(jī)等設(shè)備全部燒毀。上料皮帶系統(tǒng)也嚴(yán)重?fù)p壞。由于紅焦和熱浪的灼燙、倒塌物的打擊及煤氣的毒害，造成19名工人死亡，10人受傷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2120萬(wàn)元。 

案例2：2019年3月30日，河南某煉鐵分廠(chǎng)1號(hào)高爐在環(huán)保限產(chǎn)后復(fù)風(fēng)過(guò)程中，上升管爆炸著火。

案例3：2019年5月29號(hào)江西某煉鐵分廠(chǎng)2號(hào)高爐在生產(chǎn)過(guò)程中上升管發(fā)生爆炸，6死4傷[5]。

案例4：2019年10月31號(hào)，吉林某廠(chǎng)1號(hào)高爐下降管爆炸著火，一死兩傷。

2.2  高爐爐頂煤氣爆炸事故的原因分析

以沖擊波傳播火焰的燃燒方式就是爆炸。燃燒速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，可燃?xì)怏w或蒸汽與空氣或氧的混合物，以及可燃燒物質(zhì)的粉塵與空氣或氧的混合物，在一定濃度范圍內(nèi)都能發(fā)生爆炸。煤氣發(fā)生爆炸的必要條件是：

（1）煤氣中混入空氣或空氣中混入煤氣，形成爆炸性的混合氣體；

（2）要有明火，達(dá)到煤氣的著火溫度。

只有這兩個(gè)條件同時(shí)具備，才能發(fā)生煤氣爆炸，二者缺一不可。轉(zhuǎn)爐煤氣中CO含量比高爐煤氣高出2倍左右，還含有少量的氧，在使用中更要防止爆炸。

煤氣爆燃的化學(xué)反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，速度極快，燃燒產(chǎn)物體積爆增，管道、容器容納不下，壓力急速升高，超過(guò)承受能力即發(fā)生爆炸。爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波很大，因而其破壞和危害也很大，要嚴(yán)加防范。

2.2.1  某鋼廠(chǎng)3.12高爐本體爆炸事故

經(jīng)技術(shù)分析論證認(rèn)為，這是一起由于高爐內(nèi)部爆炸，爐皮脆性斷裂，推倒?fàn)t身支柱，導(dǎo)致?tīng)t體坍塌的特大事故。

據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)勘查、分析，高爐發(fā)生爆炸有以下幾個(gè)方面的特征。

①爐皮斷裂是由23處300～1400毫米長(zhǎng)短不等的預(yù)存裂紋同時(shí)起裂所致，各預(yù)存裂紋兩側(cè)均有明顯可見(jiàn)的向兩側(cè)護(hù)展的人字形斷口走向，斷口的基本特征是多處預(yù)存裂紋同時(shí)起型形成的脆性斷口。

②風(fēng)口的損壞導(dǎo)致向爐內(nèi)漏水，造成爐內(nèi)區(qū)域性不活躍現(xiàn)象，形成呆滯區(qū)。

③爐頂溫度升高，兩次打水降溫，在一定程度上粉化了爐料，造成透氣性差。

2.2.2  某鋼廠(chǎng)“5.29事故”發(fā)生經(jīng)過(guò)

2019年5月29日15時(shí)16分，二號(hào)高爐南出鐵場(chǎng)出鐵時(shí)，作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)渣鐵邊出邊凝結(jié)，導(dǎo)致鐵口堵不上，被迫減風(fēng)處理。16時(shí)整，白班值班工長(zhǎng)沈某與中班值班工長(zhǎng)葉某交接班后，沈某到爐前查看情況，葉某于16時(shí)20分開(kāi)始對(duì)二號(hào)高爐實(shí)施減風(fēng)操作。16時(shí)20分12秒首次減風(fēng)，風(fēng)量從1199m3/min減至1026m3/min，熱風(fēng)壓力239 kPa，爐頂壓力88.9kPa；16時(shí)21分40秒第二次減風(fēng)，風(fēng)量減至869m3/min，熱風(fēng)壓力221kPa，爐頂壓力84.1kPa；16時(shí)22分28秒，風(fēng)量降至770 m3/min，爐頂壓力上升至99.2kPa；16時(shí)23分33秒，爐頂壓力瞬間陡升至300kPa（隨后因超出可顯示最大峰值，數(shù)據(jù)缺失），爐頂溫度由152℃快速上升至696℃后數(shù)據(jù)缺失（超出顯示范圍）。約0.4秒后，東南、西南方向二根爐頂煤氣上升管底部波紋補(bǔ)償器處發(fā)生爆裂，上升管移位、形變，從波紋補(bǔ)償器處斷開(kāi)，上升管旁的平臺(tái)護(hù)欄受上升管撞擊后落下，擊穿南側(cè)出鐵場(chǎng)屋面彩鋼瓦。波紋補(bǔ)償器爆裂的瞬間，大量高溫焦炭從爆裂處噴出、掉落，最遠(yuǎn)飛出距離約300米，集中掉落的高溫焦炭造成南出鐵場(chǎng)的9名作業(yè)人員和西側(cè)安全通道上的1名員工被灼燙。

“某廠(chǎng)5.29事故”《調(diào)查報(bào)告》明確指出，當(dāng)班工長(zhǎng)未認(rèn)真履行職責(zé)，未及時(shí)辨識(shí)出29日白班和本作業(yè)區(qū)內(nèi)存在的安全隱患，在其當(dāng)班期間，對(duì)爐況把握不準(zhǔn)，操作不當(dāng)，過(guò)量打水，留下重大安全隱患，對(duì)事故的發(fā)生負(fù)有直接責(zé)任。

3  高爐水煤氣爆炸的機(jī)理

3.1  高爐打水過(guò)量是主因

煤氣與空氣（氧氣）混合，在一定濃度范圍內(nèi)，達(dá)到著火溫度或遇明火，發(fā)生爆炸。此濃度范圍稱(chēng)為爆炸范圍或爆炸極限。

焦?fàn)t煤氣的爆炸范圍為4.72%--37.59%；

高爐煤氣的爆炸范圍為30.84%-89.49%；

轉(zhuǎn)爐煤氣的爆炸范圍為18.22%-83.22%。

氫氣的爆炸范圍為4.0%－75.2%以上皆為體積濃度)。各種氣體的爆炸極限不同，與其所含可燃?xì)怏w的組分及濃度有關(guān)。

正常生產(chǎn)時(shí)高爐煤氣系統(tǒng)是一密閉的煤氣系統(tǒng)。產(chǎn)生的煤氣一般不會(huì)有空氣或氧氣混入，不可能滿(mǎn)足爆炸極限的條件。正常生產(chǎn)的高爐，頂溫一般在350度以下，雖然不會(huì)滿(mǎn)足煤氣著火爆炸的溫度條件，但高爐料面以下溫度都較高，偶爾吹出明火是不可避免的事情，所以造成爐頂煤氣爆炸的原因一定是煤氣中混入了空氣或氧氣。通常情況下，打水如不能迅速汽化，水滴下落遇熾熱的焦炭會(huì)發(fā)生如下水煤氣反應(yīng):

           C+H2OCO+H2    

2H2O= 2H2+O2

           C+2H2OCO2+H2

           2C+O2=2CO

以上反應(yīng)是在焦炭層表面反應(yīng)的，水分解生成的氫氣和氧氣被下部煤氣流迅速吹離焦炭層表面；爐頂打水的水煤氣反應(yīng)實(shí)質(zhì)上只進(jìn)行了水分解反應(yīng)生成氫氣和氧氣。這就使得煤氣中含有了大量氫和氧。落到焦層表面的水越多，煤氣中含有的氫和氧濃度就越高。

另外，氫氣的爆炸下限要遠(yuǎn)低于高爐煤氣，而且氫氣與高爐煤氣的混合氣，其爆炸下限應(yīng)該低于兩者的最低下限，使氫氣與高爐煤氣的混合氣更容易產(chǎn)生爆炸。但起關(guān)健作用的還是氧氣，沒(méi)有氧氣也不會(huì)爆炸。水遇熾熱的焦炭分解生成了一部分氧氣。常溫常態(tài)下，水中也溶解著1－10ppm的游離氧，沒(méi)有落到焦層表面而直接汽化的水隨著水的汽化而釋放出來(lái)，提供了另一個(gè)氧源。兩者累積到一定濃度時(shí)，就會(huì)達(dá)到爆炸條件。   

無(wú)論高爐打水停爐或是處理爐頂溫度高打水都存在這一風(fēng)險(xiǎn)。有人認(rèn)為，料面上面應(yīng)該有一層焦炭層，作為打水的過(guò)濾層，噴入高爐的水滴不是立即全部汽化的，尚有部分水未來(lái)得及汽化而落在料面上，在料柱的頂層形成一層濕潤(rùn)層。這樣，一旦遇有懸料崩料，大量濕的爐料突然進(jìn)入熾熱的焦炭層，將造成破壞性的水煤氣爆炸。在事故案例中，高爐操作出現(xiàn)“管道行程”是水煤氣爆炸的幫兇。

3.2  爐體設(shè)備老化

爐體煤氣系統(tǒng)設(shè)備老化，腐蝕嚴(yán)重或波紋膨脹器薄弱處，遇高爐大型崩塌料或管道行程，頂壓突然升高，或爐頂打水頂壓升高等，腐蝕嚴(yán)重的管壁受高壓作用撕開(kāi)，大量煤氣泄出。這種情況因沒(méi)有空氣及氧氣混入，不會(huì)爆炸，但突然撕開(kāi)的煤氣管網(wǎng)使高爐頂壓迅速下降，大量熾熱焦炭被吹出引燃煤氣，發(fā)生火災(zāi)。事故細(xì)分，水煤氣爆炸為主體，著火為次生災(zāi)害。

3.3  冷卻設(shè)備漏水

高爐冷卻設(shè)備漏水，同樣會(huì)發(fā)生水煤氣反應(yīng)，不過(guò)因?yàn)槁┧O(shè)備上方有充足的炙熱焦炭，反應(yīng)比較徹底，煤氣中不會(huì)有游離態(tài)的氧存在。所以對(duì)于送風(fēng)中的高爐不會(huì)有煤氣爆炸的危險(xiǎn)。但因?yàn)槠鋾?huì)使煤氣中氫含量增加，使煤氣爆炸極限范圍擴(kuò)大，休風(fēng)狀態(tài)下，有少量空氣混入遇明火極易爆炸，如爐頂點(diǎn)火爆炸等。

因此，能夠引起送風(fēng)狀態(tài)下?tīng)t頂煤氣爆炸的根本原因是煤氣中氧，氫氣濃度升高造成的，而其罪魁禍?zhǔn)拙褪菭t頂打水。

4  高爐水煤氣爆炸事故的防范措施

現(xiàn)代高爐多采用無(wú)鐘頂布料和氣密箱密封，密封性能好，為保護(hù)爐頂設(shè)備，無(wú)一例外的配備了爐頂打水裝置。自動(dòng)或手動(dòng)，常規(guī)或高霧化等各種形式都有。可以說(shuō)，這些方便的打水裝置有效地保護(hù)了爐頂設(shè)備和容易實(shí)現(xiàn)高爐高壓操作。然而，其具有優(yōu)越性的同時(shí)，爐頂打水不當(dāng)也會(huì)帶來(lái)的水煤氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

4.1  爐頂打水要科學(xué)合理

必須指出，濫用爐頂打水是造成送風(fēng)狀態(tài)下?tīng)t頂煤氣爆炸的直接原因，也是造成降料面過(guò)程中產(chǎn)生爆震的直接原因。無(wú)奈的是，現(xiàn)代高爐操作特別是年青一代操作者，已經(jīng)對(duì)爐頂打水產(chǎn)生了過(guò)度的依賴(lài)，能減風(fēng)該減風(fēng)的挺著不減，打打水就挺過(guò)去了。心存僥幸是高爐操作和安全生產(chǎn)大忌。怕?lián)p失產(chǎn)量，怕領(lǐng)導(dǎo)批評(píng)。這應(yīng)該也是當(dāng)前爐頂煤氣爆炸事故頻發(fā)且不斷向大型化高爐發(fā)展的原因。

4.2  煤氣上升管設(shè)計(jì)能力與結(jié)塵

由于高爐煤氣上升管設(shè)計(jì)能力偏小，爐頂放散閥打不開(kāi)及煤氣含塵粘結(jié)諸多因素影響。含塵可吸附水分及煤氣，也吸附因爐頂打水產(chǎn)生的少量氧氣，同時(shí)也會(huì)沉積一些堿金屬物質(zhì)。這些吸附物在高爐正常狀態(tài)下，不會(huì)自燃，爆炸的幾率很小。但它遇到爐內(nèi)煤氣爆炸，卻可以迅速連爆，催化和加劇爆炸的危害。

4.3  高爐停爐正確打水方法 

正確的打水停爐，水在爐內(nèi)的軸向分布，應(yīng)是在料面與打水管之間存在著高溫層(無(wú)水層)、汽化層、水滴層，稱(chēng)為三層次分布。料線(xiàn)空的越深，爐頂溫度越高，高溫層、汽化層就越厚；反之亦然。當(dāng)爐頂溫度過(guò)低時(shí)，其高溫層可能消失。這是打水停爐的一種失誤，如遇懸料崩料，可引起水煤氣大爆炸。因此空料線(xiàn)停爐，爐頂溫度不宜太低，但也不宜過(guò)高。過(guò)高不但會(huì)使停爐過(guò)程中燒損爐頂設(shè)備和引起爐頂煤氣放散閥著火，更會(huì)使高溫層、汽化層加厚，煤氣中H2含量猛增。一般空料線(xiàn)打水停爐，爐頂溫度控制在150-250℃為宜。 

如果在停爐過(guò)程中，破壞水在爐內(nèi)的合理分布，將導(dǎo)致破壞性的大爆炸。如某廠(chǎng)1號(hào)高爐，1981年4月停爐接連發(fā)生兩起大爆炸。

4.4  改進(jìn)打水裝置與方法

（1）打水裝置加氮?dú)忪F化；

（2）按溫度條件控制打水量；

（3）高爐及時(shí)大幅度減風(fēng)；

（4）爐頂放散閥及時(shí)泄爆；

（5）重新校核上升管能力；

（6）重大爐況處理要制定《應(yīng)急預(yù)案》。

5  結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)幾起案例分析，造成高爐爐頂水煤氣爆炸的主因是大量的水進(jìn)入爐內(nèi)，形成易爆性極高的含氫氣的水煤氣。滿(mǎn)足溫度條件后產(chǎn)生爆炸。

（2）造成以上幾起生產(chǎn)中高爐煤氣爆炸的直接原因除了濫用爐頂打水，使得煤氣中氫氧濃度升高滿(mǎn)足爆炸條件意外。還有追求產(chǎn)量，沒(méi)能及時(shí)大幅度減風(fēng)，出現(xiàn)管道行程，迅速達(dá)到溫度條件，爐頂放散閥打不開(kāi)，不能及時(shí)泄壓等多重原因。生產(chǎn)中應(yīng)努力做到全面采取有效措施，并努力改進(jìn)打水設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全霧化打水，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理打水，保證安全生產(chǎn)。

6  參考文獻(xiàn)

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[2] 湯清華.181死312傷，鋼廠(chǎng)近年來(lái)32起煤氣中毒事故案例分析及預(yù)防，冶金安全.

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