船用惰性气体系统原理与应用

一、惰性气体系统概要

1.发展过程

我们知道任何可燃物质的燃烧必须同时具备下列三个条件:

(1)有可燃物存在:凡能与空气中的氧或氧化剂起剧烈反应的物质均称为可燃物。可燃物包括可燃固体，如煤、木材、纸张、棉花等;可燃液体，如汽油、酒精、甲醇等;可燃气体，如氢气，氧化碳、液化石油气等。在化工生产中很多原料、中间体、半成品和成品是可燃物质。

(2)有助燃物存在:凡能帮助和维持燃烧的物质，均称为助燃物。常见的助燃物是空气和氧气以及氯气和氯酸钾等氧化剂。

(3)有点火源存在:凡能引起可燃物质燃烧的能源，统称为点火源，如明火、撞击、摩擦高温表面、电火花、光和射线、化学反应热等。

可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三个要素，缺少其中任何一一个，燃烧便不能发生;另外,燃烧反应在温度、压力、组成和点火能量等方面都存在极限值。在某些条件下，如可燃物未达到一定的浓度，助燃物数量不够,点火源不具备足够的温度或热量，即使具备了燃烧的三个条件，燃烧也不会发生。例如氢气在空气中的浓度小于4%时就不能点燃，而一般可燃物质在空气中的氧气低于14%时也不会发生燃烧。对于已经进行着的燃烧，若消除其中一个条件，燃烧便会终止,这就是灭火的基本原理。

因此油舱内可燃气体发生燃烧爆炸事故，也必须同时具备三个条件:可燃石油气浓度在“爆炸范围”内;有足够量的氧气，舱内氧气含量在“临界点"以上;有点火源，其能量达到可燃气燃烧所需最低点火能量。

作为防止油船爆炸的方法，自古以来主要是从控制明火点火源出发的。但是，自1969年末,3艘新造的大型油船连续发生爆炸事故之后,人们才更清楚地了解到静电乃是一种新的点火源，而且又很难控制。在这种形势的推动下,关于强制造成一种即使有火源存在也不会发生爆炸的“油舱气体状态控制”的研究，才有了急速的进展。

这种方式的原理如图5-5所示,它是利用从原油中挥发出来的石油气体只有在某一限定的气体浓度范围内才会发生爆炸的原理，强制性地使货油舱内的气体状态处在不能燃烧爆炸的范围之内。这种气体状态可由三种方式来达到，即使石油气浓度过剩的“超浓度方式”,使浓度过稀的“过稀方式”和造成缺氧状态的“充惰性气体方式”。从可靠性和经济性两方面出发,对三种方式进行比较,结果得出,惰性气体系统具有明显的优越性。所以，自1970年初以来,IGS也就在世界上得到了广泛应用的机会。其后设置惰性气体装置的要求也被列入国际公约,今天,对于载重量为3万吨以上的新建原油油船来说，设置IGS已成为必须承担的义务，也可以说,惰性气体系统已成为油船不可缺少的最重要的装置之一。

2.惰性气体的定义

所谓惰性气体就是化学性质不活泼的气体，也可以说是具有不与氧化合的化学稳定性的气体。真正的惰性气体是指氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)等5种稀有的气体而言的，但一般也包括在常温、常压下难以与氧化合的氮(N2)、二氧化碳(CO2)以及含氧浓度很低的空气。

鉴于锅炉烟道中的气体,乃是燃油经过良好燃烧后所产生的燃烧排气，所以它的主要成分就是氮、二氧化碳、水蒸气以及少量的氧和微量的固体物质，因此，如果将其冷却，再去除其中含有的杂质和剩余的水蒸气，则就会成为惰性气体。将这样的气体充注到油舱内以防止油船爆炸的装置系统，就是惰性气体系统。

在船舶的油舱内充注惰性气体，以使舱内的气体惰性化，需要大量的惰性气体。这些惰性气体可由三种方式获得。一种是利用锅炉排气经冷却、脱硫、洗涤后得到惰性气体。这种方式称为“烟道气”方式。另一种是用专门的惰性气体发生器，燃烧煤油等液体燃料得到惰性气体。这种装置称为“惰性气体发生装置”。还有一种，是将两者串联起来使用,形成“组合式”惰性气体系统。

在第一种方式中，由于燃料的原因，会混有二氧化硫( SO2)和烟尘等杂质，这是它的缺点;但是船用锅炉能够产生大量的排气，且其氧气的含量通常都在5%以下，因此，同第二种方式相比较，成本比较低，故为普通大型原油油船所采用。与此相反，第二种方式的成本虽然较高，但在所运货物本身要求惰性气体纯度较高的特殊油船(液化石油气船、液化天然气船、成品油船等)上，则使用较多。第三种方法则介于前两种之间。

通常所说的惰性气体体系统大多系指“烟道气”方式的装置系统，为加区别，故将“发生器”方式即称作惰性气体发生器系统。此外,也有将“烟道气”方式的惰性气体系统叫作“烟道气”气体系统。