張 煒

(中國石化寧波工程有限公司,浙江寧波 315103)

煤化工裝置火災(zāi)爆炸點分布及控制措施

張 煒

(中國石化寧波工程有限公司,浙江寧波315103)

通過煤氣化生產(chǎn)過程的火災(zāi)、爆炸危險性分析，說明煤氣化裝置防火、防爆的工藝安全設(shè)計原則和考慮，提出煤氣化裝置防火、防爆方面存在的問題和建議。

煤氣化 防火 防爆 安全控制 聯(lián)鎖

自2000年以來，隨著石油價格的大幅上漲，國內(nèi)以煤為原料的煤化工得到了快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，以煤為原料經(jīng)過煤氣化生產(chǎn)出的合成氣幾乎可以生產(chǎn)出以石油路線生產(chǎn)出的全部產(chǎn)品。煤氣化技術(shù)為煤化工的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也成為煤化工發(fā)展的龍頭。煤氣化從固體物料出發(fā)，經(jīng)過氣化爐的高溫(在1 400 ℃以上)非催化部分氧化生產(chǎn)合成氣，其工藝過程復(fù)雜、安全聯(lián)鎖要求高。煤氣化裝置防火、防爆的要求，本質(zhì)上是對工藝過程的安全要求。為此，需要從工藝過程進行安全設(shè)計和考慮。

1 煤氣化技術(shù)和工藝簡介

目前主要應(yīng)用的煤氣化技術(shù)按進料方式分為：碎煤加壓氣化技術(shù)和氣流床加壓氣化技術(shù)。碎煤加壓氣化技術(shù)主要有魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)(MARK IV和MARK V型)和BGL氣化技術(shù)，因合成氣中甲烷含量高，多應(yīng)用于SNG。氣流床加壓氣化技術(shù)分為水煤漿氣化技術(shù)和粉煤氣化技術(shù)，其中又可分為激冷流程和廢鍋流程。氣流床氣化技術(shù)因氣化效率高、消耗低、合成氣成分好，成為煤氣化技術(shù)的應(yīng)用主流。同時，在化工生產(chǎn)中，多采用激冷流程。

不論碎煤氣化還是氣流床氣化(水煤漿氣化、粉煤氣化)，整個氣化過程都可大致分為以下幾部分。

a)備煤：原料煤的制備，為進氣化爐做好準備。

b)進煤系統(tǒng)：將制備好的原料煤加壓連續(xù)送入氣化爐。

c)氣化和合成氣初步凈化：原料煤與高純氧氣在加壓氣化爐中進行高溫燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫合成氣經(jīng)過激冷回收熱量、合成氣和渣分離后出氣化爐，進一步經(jīng)過洗滌除灰，合格后送出氣化界區(qū)。

d)除渣：將氣化爐排出的渣泄壓后，經(jīng)渣、水分離，渣送出氣化界區(qū)，黑水送往灰水處理和澄清。

e)灰水處理：回收氣化和合成氣初步凈化排放水熱量；進行灰水/黑水澄清和過濾；經(jīng)過澄清和過濾后大部分水回用，一部分水送去全廠污水處理，過濾后的濾餅可返回氣化備料或送往鍋爐作為燃料。

f)公用工程系統(tǒng)：提供氣化所需的氮氣、空氣、水、蒸汽等。

在上述提及的煤氣化技術(shù)和工藝過程中，因粉煤氣化涉及的原料煤質(zhì)較為廣泛(從褐煤、無煙煤到煙煤)，且粉煤具有粒度細(100 μm以下)，活性好、易燃易爆的特性，因此本文主要以粉煤氣化工藝為主討論和分析煤氣化裝置的防火、防爆工藝安全設(shè)計。

2 煤氣化工藝過程火災(zāi)、爆炸風險分析

從物料來看，氣化過程涉及到的物料有：原料煤、氧氣、氮氣、蒸汽、粗合成氣、黑/灰水、燃料氣、鍋爐水(或脫鹽水)、變換凝液等。原料煤，從煤質(zhì)上有褐煤、煙煤、無煙煤；從進料上，可分為塊煤、水煤漿、粉煤。粗合成氣的主要組成為：氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氮氣、硫氧碳，還有微量甲烷、氨氣。

從壓力來看，備煤為常壓或微正壓；進煤系統(tǒng)為加壓系統(tǒng)，對于水煤漿為泵連續(xù)加壓輸送過程，對于粉煤和塊煤為以鎖斗為核心的加壓過程，通過鎖斗的間歇加壓、泄壓過程，將常壓煤連續(xù)加壓送至氣化爐；氣化和合成氣初步凈化為高壓系統(tǒng)；除渣鎖斗為高低壓交變系統(tǒng)；灰水處理系統(tǒng)為低壓和真空系統(tǒng)。

從操作溫度來看，備煤系統(tǒng)、進料系統(tǒng)溫度在150 ℃以下；氣化和合成氣初步凈化系統(tǒng)溫度在200 ℃以上，氣化爐反應(yīng)溫度在1 400 ℃以上；除渣和灰水處理系統(tǒng)操作溫度在150 ℃以下。

2.1 備煤工段

對于水煤漿氣化，備煤主要是磨煤機濕法制漿，水煤漿濃度在55%～62%之間；對于碎煤氣化，主要是型煤和篩分，制得6～80 mm之間的塊煤；對于粉煤氣化，是采用磨煤和干燥系統(tǒng)，制得粒度和水分符合要求的粉煤，一般要求煤中水分含量(質(zhì)量)小于2%，煤的粒度在10～90 μm之間。

備煤工段，特別是粉煤氣化的干燥單元，主要的火災(zāi)爆炸風險是粉煤的燃燒、爆炸；熱風爐燃料氣(LPG、甲烷、凈化脫硫后的合成氣)的燃燒、爆炸；另外，大型機械如磨煤機、風機的潤滑油、控制油，也是燃燒風險源。

2.2 進煤系統(tǒng)

進煤系統(tǒng)將原料煤由常壓加壓送至氣化爐，其工藝過程存在以下風險：由于超壓引起爆破片破裂導(dǎo)致粉煤的泄漏；氣化爐高壓、高溫合成氣倒流至粉煤管線甚至粉煤給料罐；布袋過濾器破裂導(dǎo)致煤粉泄漏；粉煤長時間貯存在進料系統(tǒng)容器中，當打開容器時，粉煤自燃；更換粉煤布袋過濾器濾芯時，粉煤自燃，特別是處理高活性的褐煤時；高壓系統(tǒng)物料串至低壓系統(tǒng)；設(shè)備和管道的超壓等。這些因素都可能導(dǎo)致進煤系統(tǒng)發(fā)生燃燒和爆炸。

2.3 氣化和合成氣初步凈化

氣化和合成氣初步凈化工段，將粉煤和氧氣、蒸汽轉(zhuǎn)化為粗合成氣，是高溫、高壓工段，也是有毒、可燃、爆炸性危險介質(zhì)集中的工段。對于此工段，主要火災(zāi)、爆炸風險有：氧氣管道系統(tǒng)的燃燒爆炸；高溫合成氣、甚至氧氣倒竄入粉煤管線；氣化爐在開車、停車過程中的爆炸、在正常運行中的過氧燃燒導(dǎo)致設(shè)備損壞的爆炸；設(shè)備和管道超壓爆炸；氣化爐高溫合成氣的泄漏；設(shè)備和管道中粗合成氣的泄漏；高溫合成氣竄入相對低溫的設(shè)備和管道。

2.4 除渣

除渣工段是鎖斗加壓、泄壓排渣過程，本單元主要風險為：排渣后水中溶解的可燃氣體H2S的局部積聚；渣鎖斗的超壓。

2.5 灰水處理

灰水處理工段的主要介質(zhì)是灰水、黑水，在灰水、黑水高壓閃蒸后，會汽提出少量CO、H2S等可燃氣體；另外有設(shè)備超壓的可能。

2.6 氣化公用工程

本工段主要風險是設(shè)備的超壓，特別是高壓氮氣罐或二氧化碳罐的設(shè)備超壓。

3 煤氣化的工藝安全設(shè)計

a)設(shè)置DCS和ESD(SIS)系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)對裝置進行常規(guī)的監(jiān)控外，還設(shè)置有單獨的安全保護系統(tǒng)ESD。裝置中重要的安全聯(lián)鎖保護都將進入ESD系統(tǒng)，主要包括了粉煤加壓及輸送、氣化及洗滌等單元中與氣化爐系統(tǒng)相關(guān)的安全保護。ESD系統(tǒng)在整個裝置中的安全級別最高。

b)控制調(diào)節(jié)措施的應(yīng)用。氣化過程是高度自動化的過程，順序控制、復(fù)雜控制、對關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測控制是氣化安全操作的保證。

c)物料限流。在煤氣化中，需要對粉煤、氧氣系統(tǒng)進行吹掃，對高壓吹掃介質(zhì)進行必要的限流(采用限流孔板)可以有效避免系統(tǒng)的超壓。

d)超壓物理層保護。合理選擇和確定管道設(shè)計壓力，選用合適的安全閥和爆破片作為最后的物理層超壓保護措施。

e)設(shè)備、材料的合理選擇，電氣和儀表設(shè)備的防爆設(shè)計。

f)可燃、有毒氣體的泄漏監(jiān)測。

對于氣化各工段，分別采取相應(yīng)的防火、防爆工藝安全設(shè)計。

3.1 備煤

設(shè)計中采取了以下措施：密閉環(huán)境下進行研磨和干燥，避免粉煤泄漏；監(jiān)控磨煤干燥熱風中氧含量、溫度，避免爆炸性氣體環(huán)境(氧氣、粉煤和溫度)的形成，必要時的充氮保護；熱風爐燃料系統(tǒng)的安全監(jiān)測；粉煤布袋過濾器壓差和溫度的監(jiān)控；停車后，進行系統(tǒng)的吹掃，特別是粉煤過濾器的吹掃，避免粉煤積聚在死角；爆破片的設(shè)置。

3.2 進煤系統(tǒng)

設(shè)計中采取了以下措施：在開停車和正常操作過程中，在自動控制上采取措施，確保本工段給煤壓力始終高于氣化壓力；采用順序控制，將常壓粉煤加壓連續(xù)送至氣化爐；監(jiān)控鎖斗閥的閥位，確保鎖斗閥正確開關(guān)，避免高壓竄低壓；操作中，始終確保氮氣系統(tǒng)壓力高于進煤系統(tǒng)壓力，避免粉煤倒竄污染氮氣系統(tǒng)，造成次生危害；整個進煤系統(tǒng)，在惰氣環(huán)境下操作；停車時，及時清理出系統(tǒng)的煤粉，加強粉煤布袋過濾器的停車吹掃；罐設(shè)備和管道的設(shè)計壓力與來源處壓力相同；低壓系統(tǒng)設(shè)置爆破片等。

3.3 氣化和合成氣初步凈化

氣化使用的氧氣為高純氧氣，在氧氣系統(tǒng)材質(zhì)和閥門選型、氧氣流速、配管、靜電接地、清洗脫脂上有專門的設(shè)計要求，避免發(fā)生碰撞或絕熱壓縮等等原因引起的氧氣管道爆燃。氧氣直接通過燒嘴進入氣化爐，在設(shè)計上必須避免氧氣管道的回火，為此，除采用止回閥外，還分別設(shè)置了壓力、壓差、流量安全聯(lián)鎖，聯(lián)鎖動作時，確保氧閥在數(shù)秒內(nèi)迅速切斷，實現(xiàn)與氣化爐的隔離。

粉煤管線上無法設(shè)置止回閥，為確保避免氣化爐的回火，一方面，設(shè)計給煤壓力跟蹤隨動氣化爐壓力，確保給料壓力始終高壓氣化爐壓力；另一方面，將粉煤速度、粉煤密度引入聯(lián)鎖，聯(lián)鎖動作時，迅速切斷粉煤給料，與氣化爐實現(xiàn)隔離。

為避免氧氣流量過高，氣化爐溫度太高而燒毀氣化爐，對氧氣流量進行高負荷限制，同時以氧煤比作為最主要的控制參數(shù)，調(diào)整合適的氧煤比，將氧煤比失調(diào)參數(shù)引入聯(lián)鎖。

為防止氣化爐發(fā)生危險，在設(shè)計上采取以下措施：采用水冷壁或耐火磚抗高溫，外殼抗高壓，水冷壁與壓力殼體間設(shè)置吹掃氣和安全閥；水冷壁管內(nèi)壓力大于氣化爐反應(yīng)室壓力，即使水冷壁燒壞，也不會發(fā)生高溫反應(yīng)氣倒竄；燒嘴冷卻循環(huán)水壓力大于氣化爐操作壓力；對氣化爐的點火、開工和停車過程進行自動安全控制；確保氣化激冷水流量的穩(wěn)定連續(xù)供應(yīng)(至少兩個來源)并將此參數(shù)引入聯(lián)鎖；將氣化爐壓力、溫度、壓差等參數(shù)引入聯(lián)鎖，確保氣化爐操作異常時及時停車。

為避免合成氣竄入低壓系統(tǒng)，對氣化爐激冷室液位、洗滌塔等液位進行控制，失調(diào)參數(shù)觸發(fā)聯(lián)鎖停車。

3.4 除渣

除渣工段主要采用順序控制，監(jiān)控渣鎖斗閥的閥位，確保鎖斗閥正確開關(guān)。將充壓壓力作為渣鎖斗設(shè)計壓力，同時設(shè)置安全閥避免鎖斗超壓。撈渣機中的氣體進行高點排放，避免H2S局部積聚。

3.5 灰水處理和公用工程

灰水處理工段的閃蒸氣送變換或硫回收進行處理；本單元的設(shè)備和管道，特別是灰水閥后的真空閃蒸罐和管道會發(fā)生磨蝕，設(shè)計上主要采取抗磨蝕和加強檢查的措施。

在灰水處理和公用工程工段，在合理設(shè)置操作和設(shè)計參數(shù)外，采用安全閥應(yīng)對設(shè)備超壓。

4 存在的問題和建議

通過在設(shè)計上采取上述措施，煤氣化基本上從源頭避免了發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性，從近10年的煤氣化運行實踐來看，煤氣化的防火、防爆設(shè)計是安全可靠的。但也有一些裝置發(fā)生了事故，如氣化爐進煤管線的回火、氧氣管線的燒損以及檢修粉煤過濾器時布袋的自燃等等。對于氣化爐進煤管線的回火，有操作者擅自解除聯(lián)鎖的原因、也有現(xiàn)場手動人為誤操作的原因。對于氧氣管線的燒損，主要原因是設(shè)計、采購質(zhì)量控制或施工質(zhì)量控制等未滿足氧氣管線的特殊要求。對此，提出如下建議。

a)加強操作運行的管理，不得輕易解除聯(lián)鎖；煤氣化裝置是自動化程度非常高的裝置，在正常運行中，基本不需要現(xiàn)場操作，對于現(xiàn)場的操作，尤其是氣化爐間切換檢修時，應(yīng)特別注意，避免誤操作的發(fā)生。

b)應(yīng)注意停車后的粉煤或煤線吹掃。由于磨細煤粉的高活性，應(yīng)及時進行煤系統(tǒng)的吹掃。在氣化裝置框架上，應(yīng)及時清理泄漏的粉煤，對于高活性的褐煤，尤其要注意。

c)煤氣化裝置面臨較多腐蝕、磨蝕工況，應(yīng)定期對設(shè)備和管道進行壁厚監(jiān)測。

d)不少煤化工裝置建在高寒地區(qū)，為改善冬季氣化裝置的檢修環(huán)境，不少業(yè)主提出對氣化框架進行封閉，但由此帶來可燃氣體積聚導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸的可能性，同時增加了大量投資。這些都需要進一步商榷。

e)目前的消防總管壓力不能滿足氣化框架的高層消防要求，如果發(fā)生高層框架火災(zāi)，撲滅火災(zāi)能力受到挑戰(zhàn)。

f)對于磨煤干燥單元的儀表防爆，采用氣體防爆還是粉塵防爆，現(xiàn)在還有爭議，目前，大部分裝置采用氣體防爆，但在爆炸性氣體和粉塵存在時，應(yīng)進行氣體和粉塵的雙防爆考慮。

5 結(jié)語

經(jīng)過近30年的煤化工實踐，特別是近十年來的快速發(fā)展，已經(jīng)證明煤氣化工藝是安全的，煤氣化的防火、防爆措施基本上是可靠的。但是，出現(xiàn)的問題也說明，確保煤氣化裝置的安全，設(shè)計是龍頭，設(shè)備質(zhì)量和施工是保障，操作和運行管理是關(guān)鍵。一些出現(xiàn)的問題，還需進一步解決和規(guī)范化。

ThePointDistributionandControlMeasuresofCoalChemicalPlantExplosionFire

Zhang Wei

(SINOPEC Ningbo Engineering Construction Co. Ltd., Zhejiang, Ningbo, 315103)

Through fire in coal gasification process and explosion hazard analysis, this paper shows coal gasification plant fire, coal gasification safety design principle and consideration, puts forward coal gasification plant fire, explosion-proof problems and its suggestions.

coal gasification; fire-proof; explosion-proof; safety control; interlocking

2015-12-03

張煒，高級工程師，注冊化工工程師/咨詢工程師，現(xiàn)就職于中國石化寧波工程公司從事化工設(shè)計、煤化工開發(fā)工作。