魏 濤，陳 京，李銀凡

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223)

干粉煤氣化廠房封閉的探討

魏 濤，陳 京，李銀凡

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢430223)

以干粉煤氣化裝置為研究對象，分析了煤氣化裝置的主要火災(zāi)危險性、煤氣化主廠房封閉的原因及封閉可能存在的主要問題，對干粉煤氣化廠房的可封閉性進(jìn)行了探討。

干粉煤氣化 火災(zāi)危險性 氣化廠房 封閉

1 干粉煤氣化工藝

干粉煤氣化工藝在煤化工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其中殼牌煤氣化、航天爐煤氣化、GSP煤氣化等工藝是粉煤氣化工藝的典型代表。

典型粉煤氣化工藝流程，見圖1。

2 干粉煤氣化廠房的工藝危險性

干粉煤氣化廠房的主要危險物質(zhì)為合成氣、高壓純氧和煤粉。合成氣的主要成分為H2和CO，兩者皆為易燃易爆氣體。

煤氣化廠房的裝置大多為高溫高壓設(shè)備，若發(fā)生爆炸事故破壞力大，影響范圍廣。氣化廠房內(nèi)法蘭、閥門、泵等氣體可能泄漏點多，若通風(fēng)不暢，可燃?xì)怏w容易積聚，形成爆炸性混合物。氣化廠房內(nèi)煤粉倉、煤粉鎖斗等盛有大量的煤粉，煤粉一旦泄漏，容易被引燃，甚至發(fā)生爆炸。氣化廠房內(nèi)金屬設(shè)備和管路多，容易積聚靜電荷；氣化廠房內(nèi)電氣設(shè)備和照明燈具多，若非防爆設(shè)備，會產(chǎn)生電火花；氣化廠房高度高，有遭受雷擊的可能，這些均會成為點火源。

3 干粉煤氣化廠房火災(zāi)危險等級

根據(jù)某項目的煤氣化數(shù)據(jù)資料，煤氣化裝置生產(chǎn)的合成氣中CO和H2的體積含量分別達(dá)到48.25%和17.24%。根據(jù)北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室為本項目出具的《混合氣體爆炸極限計算分析技術(shù)總結(jié)報告》，本項目氣化生產(chǎn)的合成氣在空氣中的爆炸下限計算結(jié)果為14.3%，爆炸上限計算結(jié)果為74.0%。根據(jù)公安部天津消防研究所對本項目送測的參照合成氣配比配出的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體(N2占20%，H2占20%，CO占50%，CO2占10%，水蒸氣使用N2替代)爆炸極限的標(biāo)準(zhǔn)試驗測試結(jié)果，合成氣的爆炸極限為10.5%～75.8%。

從理論計算和試驗測試結(jié)果來看，本項目氣化生產(chǎn)的合成氣在空氣中的爆炸下限大于10%，應(yīng)屬乙類氣體，氣化廠房屬乙類廠房。國內(nèi)的某些項目也是基于此將氣化裝置按乙類進(jìn)行設(shè)計。有些地區(qū)及有關(guān)研究報告，直接將煤氣化裝置定義為甲類，其主要原因如下。

a)理論計算和試驗測試的合成氣配比是根據(jù)工藝包確定的，實際生產(chǎn)中合成氣的配比可能會依煤種性質(zhì)的變化和操作條件的變化而有所波動。

b)爆炸危險性與爆炸范圍有很大關(guān)系。雖然合成氣的爆炸下限高于10%，但是合成氣爆炸極限范圍很寬。根據(jù)API及歐洲等國家標(biāo)準(zhǔn)，可燃?xì)怏w的爆炸濃度上限與下限之差值大于20%時，其危險性與爆炸極限小于10%的甲類氣體類似。

圖1典型粉煤氣化工藝流程

1-碎煤倉；2-石灰倉；3-磨煤機(jī)；4-鼓風(fēng)機(jī)；5-高效袋濾器；6-粉煤倉；7-粉煤給料倉；8-氣化爐；9-合成氣冷卻器；10-飛灰過濾器；11-飛灰倉；12-洗滌塔；13-澄清槽；14-酸漿汽提塔

c)氣化爐內(nèi)合成氣的溫度較高，理論計算和試驗測試得出的合成氣爆炸極限均是室溫下的爆炸極限，而爆炸性氣體的初始溫度越高，爆炸極限范圍越寬，即爆炸下限降低、爆炸上限增高。因此高溫合成氣泄漏后，其爆炸下限應(yīng)比理論計算和試驗測試的結(jié)果更低。

正在編制的《煤化工工程設(shè)計防火規(guī)范》也是基于類似原因，將煤氣化裝置直接定義為甲類。

4 干粉煤氣化裝置封閉廠房的分析

從安全生產(chǎn)及污染物擴(kuò)散的角度出發(fā)，敞開式廠房或半敞開式廠房更有利于有爆炸危險氣體及煤粉的擴(kuò)散。由于南方環(huán)境氣候因素,煤氣化廠房均無封閉的必要。與南方不同,北方環(huán)境氣候主要以寒冷、嚴(yán)寒為主,煤氣化廠房應(yīng)考慮封閉或局部封閉，干粉煤氣化廠房封閉或局部封閉主要基于以下原因分析。

a)干粉煤氣化爐雖然沒有水煤漿氣化爐開停車頻率高，但嚴(yán)寒情況下，當(dāng)氣化裝置發(fā)生停車、檢修或設(shè)備故障搶修時，氣化氣體通過管線緊急排往火炬系統(tǒng)、整個氣化框架水系統(tǒng)、渣系統(tǒng)、濕洗系統(tǒng)等在冬季極易結(jié)冰、凍結(jié)，造成設(shè)備損壞，帶來事故隱患。在停車期間，特別是氣化裝置核心設(shè)備氣化爐內(nèi)也會有多處滯留水無法排出，如環(huán)境溫度過低，有導(dǎo)致氣化爐水冷壁管道發(fā)生凍堵、凍裂的風(fēng)險。

b)如SHELL工藝，煤粉經(jīng)過熱風(fēng)爐干燥，在進(jìn)氣化爐之前，其含水率理想狀態(tài)下為5%，正常情況下為8%。在低溫環(huán)境下，極易析濕，導(dǎo)致煤粉板結(jié)、架橋，影響粉煤正常輸送。

c)化工生產(chǎn)實行巡檢制度。生產(chǎn)過程中，煤氣化裝置巡檢頻率較高,且冬季低氣溫經(jīng)常伴隨高頻率的大風(fēng)以及霜凍等，氣化框架封閉能為巡檢、操作員工創(chuàng)造相對良好的工作環(huán)境，體現(xiàn)“以人為本”的生產(chǎn)管理理念。在冬季檢修時，由于氣化框架上溫度過低、風(fēng)速過大，不采取適當(dāng)提高作業(yè)環(huán)境溫度及擋風(fēng)措施，將直接影響檢修人員作業(yè)，影響檢修質(zhì)量及人員安全。

5 敞開式干粉煤氣化廠房采取的安全措施

5.1 建筑防火分區(qū)、防火疏散設(shè)計

a)防火分區(qū)：依據(jù)GB 50016-2006《建筑設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定，如果按耐火等級為一級的乙類高層廠房考慮，其防火分區(qū)的最大允許建筑面積2 000 m2，某項目干粉煤氣化裝置的氣化框架最大防火分區(qū)面積為1 352 m2，滿足規(guī)范要求，如果把煤氣化裝置定義為甲類裝置，現(xiàn)行的規(guī)范是不允許建設(shè)高層廠房的，正在編制的《煤化工工程設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定其最大防火分區(qū)面積為3 000 m2。

b)樓梯間：依據(jù)GB 50016-2006規(guī)定，“高層廠房和甲、乙、丙類多層廠房應(yīng)設(shè)置封閉樓梯間或室外樓梯；建筑高度大于32 m且任一層人數(shù)超過10人的高層廠房，應(yīng)設(shè)置防煙樓梯間或室外樓梯”。氣化框架建筑高度雖大于32 m，但裝置正常運行時，規(guī)定值班人員每2小時巡檢一次，且(只限)2人共同進(jìn)行巡檢，任一層人數(shù)都少于10人，因此可不設(shè)置防煙樓梯間。結(jié)合某煤氣化項目當(dāng)?shù)刈匀粭l件(嚴(yán)寒地區(qū))，設(shè)置了3個封閉樓梯間，氣化框架東、南面各設(shè)置了一個從一層至頂層的疏散樓梯間(通道)，西北面設(shè)置了一個由48.4 m樓層至110 m樓層的疏散樓梯(通道)。滿足其要求。

c)電梯：依據(jù)GB 50016-2006規(guī)定，氣化框架正常生產(chǎn)時無人值班，僅每2小時有2人一起巡檢一次，因此人員不超過2人，可不設(shè)置消防電梯。設(shè)置的雙電源控制的防爆等級為ExdⅡCT4防爆電梯兼消防電梯。

d)疏散距離：依據(jù)GB 50016-2006規(guī)定，氣化框架的疏散距離為30 m，所設(shè)置的樓梯和走道均能滿足規(guī)范規(guī)定的疏散要求。

5.2 建筑物構(gòu)件的耐火極限

氣化框架標(biāo)高40 m以上為鋼框架結(jié)構(gòu)，由于鋼結(jié)構(gòu)自身的耐火時間只有0.25 h，無法達(dá)到GB 50016-2006要求，因此我們對鋼結(jié)構(gòu)柱、梁、支撐及樓板涂刷鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，使鋼構(gòu)件的耐火時間達(dá)到規(guī)范要求(鋼柱：3 h;鋼梁與鋼支撐2.0 h；鋼樓板1.5 h;鋼樓梯1.5 h)。

煤氣化廠房共設(shè)置了封閉樓梯間，樓梯間圍護(hù)墻體采用防火板，該防火板的耐火極限≥2.0 h，樓梯間圍護(hù)的防火板外側(cè)采用單層彩鋼板，滿足GB 50016-2006有關(guān)要求。

5.3 防爆設(shè)計

儀表電氣設(shè)備等選型按爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域要求選型，滿足框架防爆要求。

在各層可能釋放危險源處設(shè)可燃?xì)怏w檢測器，氣化裝置布置可燃?xì)怏w檢測器、防爆光電感煙探測器、消防手動報警按鈕等。

依據(jù)GB 50016-2006，樓地面均采用不發(fā)火花樓地面(鋼筋混凝土樓板部位)或防靜電樓面(鋼樓板部位)。電梯依據(jù)電氣防爆區(qū)域劃分圖，防爆等級采用Exd ⅡCT4防爆電梯1臺。

5.4 消防水設(shè)計

煤氣化裝置四周設(shè)有穩(wěn)高壓消防供水管線，管徑為DN500呈環(huán)狀布置，環(huán)狀管道上采用閥門分成若干獨立段，每段內(nèi)室外消火栓的數(shù)量不超出5個。管線上布置SS100/65型室外地上式消火栓(防凍自泄型)，距路邊距離均為1.5 m，室外消火栓布置間距不大于60 m，氣化裝置四周設(shè)置地面消防水炮。

室內(nèi)消火栓的布置，根據(jù)GB 50016-2006要求，室內(nèi)消防給水管道呈環(huán)狀布置，下環(huán)設(shè)在一層室外地下，上環(huán)設(shè)在14層平面上，室外有兩條進(jìn)水管與室內(nèi)環(huán)狀管道連接，室內(nèi)消防給水管道采用閥門分成若干獨立段，以便檢修。室內(nèi)消火栓采用減壓穩(wěn)壓消火栓，其布置保證同層有兩支水槍的充實水柱同時到達(dá)室內(nèi)任何部位。14層平屋頂上設(shè)置試驗和檢查用的消火栓，消防管道最高處設(shè)有自動排氣閥。室內(nèi)消防栓靜水壓力大于1.0 MPa時，采用了分區(qū)供水。室內(nèi)消火栓系統(tǒng)在室外設(shè)有2套消防水泵接合器，供消防車向系統(tǒng)補(bǔ)水。

5.5 褐煤制備與輸送安全設(shè)計

針對褐煤易自燃的特點，對干燥后褐煤采用埋刮板輸送機(jī)、斗提機(jī)、管道等密封輸送，輸送設(shè)備、管道和貯存設(shè)備內(nèi)均通有氮氣防止褐煤自燃，同時密閉輸送減少了輸送過程的揚(yáng)塵；為防止褐煤自燃和控制排出氣體的露點，在系統(tǒng)中設(shè)有CO和H2O在線分析儀，超標(biāo)時，向系統(tǒng)補(bǔ)充氮氣。系統(tǒng)設(shè)計滿足安全生產(chǎn)要求。

5.6 自動控制和監(jiān)控設(shè)計

氣化框架在正常開車期間除定期巡檢人員外實行DCS操作，裝置區(qū)現(xiàn)場實況由46部工業(yè)電視監(jiān)視，并設(shè)廣播呼叫系統(tǒng)，現(xiàn)場設(shè)34個揚(yáng)聲器。

在各層危險源處增設(shè)有毒氣體報警檢測，每套氣化裝置布置H2S檢測器29臺、CO探測器52臺。同時考慮到框架封閉后當(dāng)有大量氮氣泄漏時，可能產(chǎn)生局部環(huán)境缺氧的情況，故在氮氣易泄漏處和氮氣泄漏后容易聚集處設(shè)置了欠氧檢測器，每套煤氣化裝置布置欠氧檢測器11臺。

5.7 安全管理

在氣化框架的部分樓層設(shè)置正壓呼吸器，當(dāng)發(fā)生大量氣體泄漏時，作為人員事故處理及緊急逃生的必備器具。巡檢時，工藝人員必須隨身攜帶檢測可燃?xì)怏w、一氧化碳、硫化氫、氧氣的四合一監(jiān)測儀以及滿足15 min需要的逃生包。

6 干粉煤氣化廠房封閉主要障礙分析

a)國內(nèi)無相關(guān)規(guī)定。國內(nèi)尚無封閉的干粉煤氣化廠房經(jīng)過消防驗收。部分干粉氣化工藝的專利商對于煤氣化廠房封閉持反對意見。

b)危險性增強(qiáng)。廠房封閉后相對于敞開式廠房增加了可燃?xì)怏w和煤粉積聚的可能性，同時不利于發(fā)生爆炸后的壓力釋放。廠房高度的增加則加大了人員安全疏散和消防救援的難度。由此可見，封閉式氣化廠房的火災(zāi)危險性大，發(fā)生事故后若不能有效控制，破壞力和影響范圍大。

c)如果煤氣化廠房封閉，且把煤氣化裝置的的火災(zāi)危險性定義為甲類，則煤氣化裝置的設(shè)計與GB 50016-2006中有關(guān)廠房的建設(shè)要求規(guī)定不相符。

d)煤粉安全性有待進(jìn)一步證明。氣化裝置內(nèi)的煤粉顆粒極細(xì)，如果發(fā)生煤粉大量泄漏時，泄漏出的煤粉攜帶著氮氣，較為安全，但目前沒有定量的數(shù)據(jù)能證明其安全性；煤粉形成煤粉云飄散在空中，采用水噴淋對煤粉滅火或火災(zāi)防范是否有很好的效果還需要相關(guān)科研單位做試驗和研究，提出針對性的措施。

7 煤氣化裝置封閉后增加的可行性安全措施

a)封閉的煤氣化廠房應(yīng)采取機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)相結(jié)合的方式，以防止可燃、有毒有害氣體及煤粉塵的聚積。

可實施性：工程上可以實現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式。

b)封閉后氣化框架外維護(hù)結(jié)構(gòu)的泄壓性能應(yīng)進(jìn)一步的核實確認(rèn)，以確保爆炸情況下能夠及時有效泄壓。

可實施性：如某項目，根據(jù)GB50016的規(guī)定，經(jīng)過計算煤氣化廠房計算泄壓面積為268.7 m2，選用泄壓板泄壓，氣化框架可以很容易滿足泄壓面積的要求。

c)煤粉易泄漏區(qū)域需要增設(shè)煤粉濃度檢測系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)。

可實施性：結(jié)合煤氣化框架的實際情況，可在煤粉易泄漏區(qū)域增加粉塵濃度探測器的設(shè)置，如某項目，考慮在煤粉減壓管區(qū)域增加水噴霧系統(tǒng)。了解到某類似項目備煤工序增設(shè)了水噴淋，但未安裝粉塵監(jiān)測系統(tǒng)。其它工序增設(shè)了粉塵監(jiān)測儀，但未安裝水噴淋。其粉塵監(jiān)測系統(tǒng)采用的是國內(nèi)產(chǎn)品，由于量程等實際問題，現(xiàn)場并未參與聯(lián)鎖投用，而是采用攝像頭監(jiān)控，手動操作控制水噴霧系統(tǒng)。

d)欠氧探測等安全設(shè)施的設(shè)置應(yīng)能夠保證人員安全。

可實施性：根據(jù)煤氣化廠房的布置，可增設(shè)欠氧變送器。

e)其它：儀表電氣設(shè)備等選型按爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域1區(qū)要求選型，滿足框架防爆要求。

局部增加可燃?xì)怏w檢測器、有毒氣體探測器、感煙探測器數(shù)量，增加空氣呼吸器等安全防護(hù)用品數(shù)量。

8 結(jié)論

在嚴(yán)寒地區(qū)運行的干粉煤氣化裝置，因為嚴(yán)寒給煤氣化裝置運行帶來的問題，雖然沒有水煤漿氣化裝置那樣明顯，但存在的問題也不容忽視。

采用干粉煤氣化工藝經(jīng)過論證，在采取相關(guān)的措施后，干粉煤氣化廠房是可以封閉的。

但是考慮到國內(nèi)氣化裝置安全性研究尚未成熟；干粉煤氣化廠房封閉尚無相關(guān)的案例可循；也有專家認(rèn)為煤氣化框架內(nèi)，防止煤粉塵聚集不宜采用機(jī)械通風(fēng)方式，機(jī)械通風(fēng)方式可能引起的粉塵二次揚(yáng)起等問題也有安全隱患；氣化框架每層均有較多可能的氣體泄漏點，采取機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)相結(jié)合的方式不能完全達(dá)到防止可燃、有毒有害氣體、煤粉塵聚集的目的；封閉后干粉煤氣化廠房危險性會增加很多，給設(shè)備選型等造成困難；另外干粉煤氣化裝置尚有一些涉及安全的問題還在進(jìn)一步的研究中。綜上所述，干粉煤氣化廠房是否可以封閉還未有定論，目前在嚴(yán)寒地區(qū)最通常的做法是僅在迎風(fēng)面封閉，也就是所說的半敞開式廠房。

[1] 郭長洋. 某煤氣化項目高層封閉化房火災(zāi)風(fēng)險評價方法[J]. 武警學(xué)院學(xué)報, 2013(6)： 46-48.

DiscussionsintoClosureofDryPowderCoalGasificationUnit

Wei Tao，Chen Jing，Li Yinfan

(Wuhuan Engineering Corporation Co. ltd., Hubei, Wuhan, 430223)

With the dry powder coal gasification unit as the object of the research, this paper analyzes the major fire risk of the coal gasification unit, introduces the closure reason of the coal gasification unit and the main problems that may exist. According to related feasibility study of some project existed, relative approach on the closure of powder coal gasification unit was done in the thesis.

dry powder coal gasification；fire risk；gasification unit；closure

2015-12-30

魏濤，高級工程師，主要從事化工項目的安全設(shè)計及項目管理工作。