与煤炭、室友等黑色能源相比，天然气燃烧过程中产生的氮化物、一氧化碳、可吸入悬浮微粒极少，几乎不产生导致酸雨的二氧化硫。而导致地球温室效应的二氧化碳排放数量为煤的40%左右，燃烧之后也没有废渣、废水。天然气具有转换效率高，环境代价低，投资省和建设周期短等优势，积极开发利用天然气资源已成为全世界能源工业的主要潮流。我国以油、天然气为燃料的燃气（油）工业窑炉已广泛用于耐火砖、墙地砖、卫生洁具等高档陶瓷的生产，但是砖瓦工业却仍沿用以煤为燃料的窑炉。以天然气为燃料的侧烧式隧道窑和顶烧式隧道窑工程造价相对较高，而且生产过程中燃料成本高，而砖瓦产品有属于低利润行业，至今未得到全面发展。近年来随着建材市场的多元化以及墙材革新的趋势，一系列高档装饰砖等新产品的需求，促使国内出现新建或改造的天然气外燃隧道窑。但由于起步晚，技术经验不足，对天然气这种易燃易爆气体的使用需慎之又慎。本文对将隧道窑天然气管道置换放散发放进行初步探讨。

对于新建窑炉或者长期停窑后在运行的窑炉燃烧系统来说，管道中必然充满空气介质，在引入燃气进行窑炉电话运行之前，须对管道中的空气进行置换清除，称之为通气置换。或者是对已供气的管道、设施需动用明火检修或长期用时需停气、将燃气置换干净，即停火置换（反置换）。以上就是根据置换目的所介绍的通气置换和停气置换。置换过程中需要将燃气设施内的空气、燃气或混合气体安全地排放到外界大气中，称之为放散。

1 天然气置换安全

天然气置换是一项非常危险的工作，若置换方案不当或操作失误，可能发生恶性事故，给人民群众的生命和财产造成损失。天然气置换的安全问题是在置换过程中首先要解决的问题，必须符合下述有要求才允许实施置换工作。

⑴置换前必须进行风险评估；

⑵戴上适合的个人防护装置；

⑶准备呼吸器并能正常使用；

⑷准备灭火器并置于适当的位置；

⑸管道内空气的置换应在强度试验、严密性试验、吹扫清管、干燥合格后进行；

⑹间接置换应采用氮气或其他无腐蚀、五毒的惰性气体为置换介质；

⑺现场必须设置禁止火源、禁止吸烟等安全警示牌；

⑻置换进气端处必须安装压力表、检测压力；

⑼放散口高出地面2.5米以上；

⑽要求管道在置换中接地，特别是链接PE管道时必须接地；

⑾货源必须距离放散口的上风向5米以外；

⑿确保气体能畅通无阻地排到大气中；

⒀置换过程中放空系统的混合气体应彻底放完；

⒁采用阻隔置换法置换空气时，氮气或惰性气体的隔离长度应保证到达置换管道末端空气与天然气不混合；

⒂防控隔离区内不允许有烟火和静电火花产生；

⒃置换管道末端应配备气体含量检测设备，当置换管道末端口空气含氧量体积分数不大于2%或可燃气体积分数大于95%时即可认为置换合格。

2 天然气置换方法

按照采用的置换方法不同，将置换方法分为三类：直接置换、间接置换和阻隔置换。直接置换：将天然气直接通入管道中，天然气与待投产管道中的空气直接接触，直至天然气完全取代空气；或用空气直接通入管道中，空气与待拆管道中的天然气直接接触，直至空气完全取代天然气的置换方法称为直接置换。间接置换：将惰性气体通入管道内，直至管道内的空气或天然气完全被取代，然后再将天然气或空气通入管道直至惰性气体完全被取代，这种用惰性气体作为中间介质置换的方法称为间接置换。阻隔置换：在间接置换条件下，使用隔离设备（如：阻气球、清管球、专用隔离装置等）或惰性气体将天然气与空气隔离的置换方法称为阻隔置换。

为确保安全，在长输管道和厂站的投产过程中一般都选用惰性气体置换（间接置换）。惰性气体置换虽然安全性方面比较好，但是操作复杂且成本高，专业性较强。在低压管道置换过程中一般采用天然气间接置换。本文结合砖瓦隧道窑行业标准和国内实际工作，探讨隧道窑天然气官网的置换安全及置换方法。

3 隧道窑天然气燃烧系统简介

该窑炉为年产4000万块（折标砖）烧结装饰砖隧道窑，配备天然气燃烧系统，采用CNG压缩天然气为燃料。CNG经厂区减压站总成由燃气主管道送至车间，然后经过滤器、流量计，安全切断阀、燃气减压阀、安全释放阀及电磁切断阀等构成的炉前阀组后（图1，炉前管道系统）分组送到窑炉上方的燃烧系统支路。本窑的燃烧系统支路共分为13个控制单元，其中辅燃区3个单元，主燃区10个控制单元，每个控制单元控制10个烧嘴，整个燃烧系统共130个顶烧烧嘴。其中辅燃区与主燃区第一组烧嘴（共40个烧嘴）为配备自动点火及火检装置。各单元所用天然气分别从窑上天然气管道（DN150）引出，经单元手动阀门和由电磁阀及空燃比例阀后送至笨调节单元的各烧嘴。燃烧系统设计进入燃气稳压阀上游燃气压力控制在20kPa，燃烧系统运行时3-15kPa可调。根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006中对城镇燃气设计压力（表压）分级规定中，一般燃气隧道窑燃烧系统属于低压燃气管道（P＜0.01MPa）或中低压燃气管道中的B类（0.01≦P≦0.2），在低压管道置换过程中一般采用天然气直接置换。

4 直接置换方案

直接置换操作过程是直接将天然气缓慢通入管道替换空气，过程中必须监控置换情况和出口的天然气体积分数或氧气体积分数。从燃烧系统管道每个最末端位置设置放散立管并预留检测管，从检测管的采样口取样，用高精度燃气检测仪进行实时的监测分析，如果连续2次测得天然气体积分数达到95%以上或取样中的氧气体积分数在2%以下即为合格（在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上或取样中的氧气体积分数在4%以下即为合格），可以确定达到预定的置换标准，置换工作完成。置换过程如在封闭的厂房或车间进行必须将置换放散管延伸至厂房外（如图2所示）。如放散管垂直出厂房，应具有符合国家现行规范的防雷防静电接地设施。并做朝下弯头，防止雨雪灰尘落入。

天然气直接置换的特点比较简单也比较经济，但是具有一定的危险性。因为在置换过程中，管道里必然要产生天然气与空气的混合气体，天然气的前部气体与空气混合后，有一部分的混合气在爆炸极限内，很容易在某外界因素的诱发下（如管道内焊渣、金属颗粒滚动等）产生爆炸，因此操作有严格的控制条件和要求，必须严格按规程实施，否则非常可能发生事故。对于天然气来讲，它的爆炸极限为5%-15%，再考虑到其混合的不均匀性，天然气体积分数在45%以下均应视为危险区（如图3，图中数据均为体积分数），遇火源就要发生爆炸。为此必须严格控制，采取各种安全措施，确保物火源。

由于天然气管道是封闭的，管道建成后经历了吹扫、强度试验、严密性试验等工序，管道内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花。可能出现的火源有两种：一是高速气流因摩擦产生静电，所以置换时要对管道进行接地（如图2），即便有静电负荷产生，也会通过接地装置导入大地，不会有电荷集聚导致高电位而产生放电火花。二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物质，与管道内壁碰撞产生火花。引起此类事故的根本原因是高速气流，解决的关键是确保气流的低速，这样即便是有石块等杂物，也不会被吹动，也就不可能产生火花。此外，为了避免将杂物带进管道，应事先在进气管道上设置过滤器。根据英国相关资料及国内应用经验，我们将置换管道用天然气的气流速度控制在最小置换流速以上，一般最大流速控制在3米/秒以下。在置换过程中采用流速计或U型压力表观察管道升压速度来测量其充气流速，用阀门的开度来控制流速（混气过程中控制阀前的压力要保持稳定）。

5 置换过程注意事项

（1）分层现象

在气体对气体的置换过程中密度小的气体（如天然气）在密度大的气体（如空气、氮气）上方流动，或者密度大的气体在密度小的气体下流动时，容易出现两种气体分层流动现象，称之为分层现象。天然气置换空气或氮气的分层现象见图4，空气或氮气置换天然气的分层现象见图5。

在置换过程中，将天然气缓缓输入到新建管道内，由于其密度小，相对密度一般为0.6左右，天然气就会在管道的上部流动，而位于管道下部的空气或氮气就会滞留在管道内。当检测人员从出口取样检测时，仪器会显示体积分数为100%的天然气，如果此时停止置换，滞留在管道内的空气将于天然气混合，极有可能形成爆炸型混合气体，在用户使用时发生危险。这种情况会给安全运行带来极大的隐患。

通过实验研究发现，必须保持一定的置换流速才能杜绝置换中的分层现象。英国研究机构对各种管径的燃气管道进行实验，测得了最小的可能发生分层现象的流速和流量，将实验数据列于表1中。为了避免分层现象的出现，实际置换流速必须大于表1中所列的最小置换流速。

g =720πd1.5

假如输送管道管径为200mm，按照上述公式计算其安全流量约为200m³/h。为了尽可能减少景点带来的危险，我们在管网的置换操作中，采用严格控制管网压力，降低流速、流量的办法，尽可能地减少静电的积累。《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》CJJ51-2006要求进行燃气直接置换时，将压力控制在5kPa以内，实际上也是出于控制流速从而达到减少静电影响的考虑。

（3）顺序置换

顺序置换就是按照管道管径大小顺序，先大管径后小管径，依次置换每个支管。在置换时一般选择方法是从最大管径的管道开始置换，选择最远端放散，然后再依次置换其他支管。置换支管也是按大管径优先的原则进行。对于隧道窑燃烧系统的支路部分，因其管径小，管道短，且支路分支较少，一般采取以每排支路末端烧嘴的位置为放散口进行排空置换。顺序置换的方法简单易行，在置换时，需要的操作人员少，容易控制。

（4）专业负责

实施置换作业前，必须确保完成了吹扫、强度试验、严密性试验等工序，并对管道和设备逐一检查，使各项符合要求。置换作业必须由三人以上协同进行，专人负责，并随时联系，没有指令不得随意开启或关闭阀门。置换遇阻时，必须查明原因，清楚阻塞物，不能随意提高管内压力强制通过。

---作者：中国建筑材料工业规划研究设计所  马发红

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