干粉煤气化厂房封闭的探讨

魏 涛，陈 京，李银凡

(中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223)

干粉煤气化厂房封闭的探讨

魏 涛，陈 京，李银凡

(中国五环工程有限公司，湖北武汉430223)

以干粉煤气化装置为研究对象，分析了煤气化装置的主要火灾危险性、煤气化主厂房封闭的原因及封闭可能存在的主要问题，对干粉煤气化厂房的可封闭性进行了探讨。

干粉煤气化 火灾危险性 气化厂房 封闭

1 干粉煤气化工艺

干粉煤气化工艺在煤化工领域有广泛的应用，其中壳牌煤气化、航天炉煤气化、GSP煤气化等工艺是粉煤气化工艺的典型代表。

典型粉煤气化工艺流程，见图1。

2 干粉煤气化厂房的工艺危险性

干粉煤气化厂房的主要危险物质为合成气、高压纯氧和煤粉。合成气的主要成分为H2和CO，两者皆为易燃易爆气体。

煤气化厂房的装置大多为高温高压设备，若发生爆炸事故破坏力大，影响范围广。气化厂房内法兰、阀门、泵等气体可能泄漏点多，若通风不畅，可燃气体容易积聚，形成爆炸性混合物。气化厂房内煤粉仓、煤粉锁斗等盛有大量的煤粉，煤粉一旦泄漏，容易被引燃，甚至发生爆炸。气化厂房内金属设备和管路多，容易积聚静电荷；气化厂房内电气设备和照明灯具多，若非防爆设备，会产生电火花；气化厂房高度高，有遭受雷击的可能，这些均会成为点火源。

3 干粉煤气化厂房火灾危险等级

根据某项目的煤气化数据资料，煤气化装置生产的合成气中CO和H2的体积含量分别达到48.25%和17.24%。根据北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室为本项目出具的《混合气体爆炸极限计算分析技术总结报告》，本项目气化生产的合成气在空气中的爆炸下限计算结果为14.3%，爆炸上限计算结果为74.0%。根据公安部天津消防研究所对本项目送测的参照合成气配比配出的标准混合气体(N2占20%，H2占20%，CO占50%，CO2占10%，水蒸气使用N2替代)爆炸极限的标准试验测试结果，合成气的爆炸极限为10.5%～75.8%。

从理论计算和试验测试结果来看，本项目气化生产的合成气在空气中的爆炸下限大于10%，应属乙类气体，气化厂房属乙类厂房。国内的某些项目也是基于此将气化装置按乙类进行设计。有些地区及有关研究报告，直接将煤气化装置定义为甲类，其主要原因如下。

a)理论计算和试验测试的合成气配比是根据工艺包确定的，实际生产中合成气的配比可能会依煤种性质的变化和操作条件的变化而有所波动。

b)爆炸危险性与爆炸范围有很大关系。虽然合成气的爆炸下限高于10%，但是合成气爆炸极限范围很宽。根据API及欧洲等国家标准，可燃气体的爆炸浓度上限与下限之差值大于20%时，其危险性与爆炸极限小于10%的甲类气体类似。

图1典型粉煤气化工艺流程

1-碎煤仓；2-石灰仓；3-磨煤机；4-鼓风机；5-高效袋滤器；6-粉煤仓；7-粉煤给料仓；8-气化炉；9-合成气冷却器；10-飞灰过滤器；11-飞灰仓；12-洗涤塔；13-澄清槽；14-酸浆汽提塔

c)气化炉内合成气的温度较高，理论计算和试验测试得出的合成气爆炸极限均是室温下的爆炸极限，而爆炸性气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，即爆炸下限降低、爆炸上限增高。因此高温合成气泄漏后，其爆炸下限应比理论计算和试验测试的结果更低。

正在编制的《煤化工工程设计防火规范》也是基于类似原因，将煤气化装置直接定义为甲类。

4 干粉煤气化装置封闭厂房的分析

从安全生产及污染物扩散的角度出发，敞开式厂房或半敞开式厂房更有利于有爆炸危险气体及煤粉的扩散。由于南方环境气候因素,煤气化厂房均无封闭的必要。与南方不同,北方环境气候主要以寒冷、严寒为主,煤气化厂房应考虑封闭或局部封闭，干粉煤气化厂房封闭或局部封闭主要基于以下原因分析。

a)干粉煤气化炉虽然没有水煤浆气化炉开停车频率高，但严寒情况下，当气化装置发生停车、检修或设备故障抢修时，气化气体通过管线紧急排往火炬系统、整个气化框架水系统、渣系统、湿洗系统等在冬季极易结冰、冻结，造成设备损坏，带来事故隐患。在停车期间，特别是气化装置核心设备气化炉内也会有多处滞留水无法排出，如环境温度过低，有导致气化炉水冷壁管道发生冻堵、冻裂的风险。

b)如SHELL工艺，煤粉经过热风炉干燥，在进气化炉之前，其含水率理想状态下为5%，正常情况下为8%。在低温环境下，极易析湿，导致煤粉板结、架桥，影响粉煤正常输送。

c)化工生产实行巡检制度。生产过程中，煤气化装置巡检频率较高,且冬季低气温经常伴随高频率的大风以及霜冻等，气化框架封闭能为巡检、操作员工创造相对良好的工作环境，体现“以人为本”的生产管理理念。在冬季检修时，由于气化框架上温度过低、风速过大，不采取适当提高作业环境温度及挡风措施，将直接影响检修人员作业，影响检修质量及人员安全。

5 敞开式干粉煤气化厂房采取的安全措施

5.1 建筑防火分区、防火疏散设计

a)防火分区：依据GB 50016-2006《建筑设计防火规范》规定，如果按耐火等级为一级的乙类高层厂房考虑，其防火分区的最大允许建筑面积2 000 m2，某项目干粉煤气化装置的气化框架最大防火分区面积为1 352 m2，满足规范要求，如果把煤气化装置定义为甲类装置，现行的规范是不允许建设高层厂房的，正在编制的《煤化工工程设计防火规范》规定其最大防火分区面积为3 000 m2。

b)楼梯间：依据GB 50016-2006规定，“高层厂房和甲、乙、丙类多层厂房应设置封闭楼梯间或室外楼梯；建筑高度大于32 m且任一层人数超过10人的高层厂房，应设置防烟楼梯间或室外楼梯”。气化框架建筑高度虽大于32 m，但装置正常运行时，规定值班人员每2小时巡检一次，且(只限)2人共同进行巡检，任一层人数都少于10人，因此可不设置防烟楼梯间。结合某煤气化项目当地自然条件(严寒地区)，设置了3个封闭楼梯间，气化框架东、南面各设置了一个从一层至顶层的疏散楼梯间(通道)，西北面设置了一个由48.4 m楼层至110 m楼层的疏散楼梯(通道)。满足其要求。

c)电梯：依据GB 50016-2006规定，气化框架正常生产时无人值班，仅每2小时有2人一起巡检一次，因此人员不超过2人，可不设置消防电梯。设置的双电源控制的防爆等级为ExdⅡCT4防爆电梯兼消防电梯。

d)疏散距离：依据GB 50016-2006规定，气化框架的疏散距离为30 m，所设置的楼梯和走道均能满足规范规定的疏散要求。

5.2 建筑物构件的耐火极限

气化框架标高40 m以上为钢框架结构，由于钢结构自身的耐火时间只有0.25 h，无法达到GB 50016-2006要求，因此我们对钢结构柱、梁、支撑及楼板涂刷钢结构防火涂料，使钢构件的耐火时间达到规范要求(钢柱：3 h;钢梁与钢支撑2.0 h；钢楼板1.5 h;钢楼梯1.5 h)。

煤气化厂房共设置了封闭楼梯间，楼梯间围护墙体采用防火板，该防火板的耐火极限≥2.0 h，楼梯间围护的防火板外侧采用单层彩钢板，满足GB 50016-2006有关要求。

5.3 防爆设计

仪表电气设备等选型按爆炸性气体环境危险区域要求选型，满足框架防爆要求。

在各层可能释放危险源处设可燃气体检测器，气化装置布置可燃气体检测器、防爆光电感烟探测器、消防手动报警按钮等。

依据GB 50016-2006，楼地面均采用不发火花楼地面(钢筋混凝土楼板部位)或防静电楼面(钢楼板部位)。电梯依据电气防爆区域划分图，防爆等级采用Exd ⅡCT4防爆电梯1台。

5.4 消防水设计

煤气化装置四周设有稳高压消防供水管线，管径为DN500呈环状布置，环状管道上采用阀门分成若干独立段，每段内室外消火栓的数量不超出5个。管线上布置SS100/65型室外地上式消火栓(防冻自泄型)，距路边距离均为1.5 m，室外消火栓布置间距不大于60 m，气化装置四周设置地面消防水炮。

室内消火栓的布置，根据GB 50016-2006要求，室内消防给水管道呈环状布置，下环设在一层室外地下，上环设在14层平面上，室外有两条进水管与室内环状管道连接，室内消防给水管道采用阀门分成若干独立段，以便检修。室内消火栓采用减压稳压消火栓，其布置保证同层有两支水枪的充实水柱同时到达室内任何部位。14层平屋顶上设置试验和检查用的消火栓，消防管道最高处设有自动排气阀。室内消防栓静水压力大于1.0 MPa时，采用了分区供水。室内消火栓系统在室外设有2套消防水泵接合器，供消防车向系统补水。

5.5 褐煤制备与输送安全设计

针对褐煤易自燃的特点，对干燥后褐煤采用埋刮板输送机、斗提机、管道等密封输送，输送设备、管道和贮存设备内均通有氮气防止褐煤自燃，同时密闭输送减少了输送过程的扬尘；为防止褐煤自燃和控制排出气体的露点，在系统中设有CO和H2O在线分析仪，超标时，向系统补充氮气。系统设计满足安全生产要求。

5.6 自动控制和监控设计

气化框架在正常开车期间除定期巡检人员外实行DCS操作，装置区现场实况由46部工业电视监视，并设广播呼叫系统，现场设34个扬声器。

在各层危险源处增设有毒气体报警检测，每套气化装置布置H2S检测器29台、CO探测器52台。同时考虑到框架封闭后当有大量氮气泄漏时，可能产生局部环境缺氧的情况，故在氮气易泄漏处和氮气泄漏后容易聚集处设置了欠氧检测器，每套煤气化装置布置欠氧检测器11台。

5.7 安全管理

在气化框架的部分楼层设置正压呼吸器，当发生大量气体泄漏时，作为人员事故处理及紧急逃生的必备器具。巡检时，工艺人员必须随身携带检测可燃气体、一氧化碳、硫化氢、氧气的四合一监测仪以及满足15 min需要的逃生包。

6 干粉煤气化厂房封闭主要障碍分析

a)国内无相关规定。国内尚无封闭的干粉煤气化厂房经过消防验收。部分干粉气化工艺的专利商对于煤气化厂房封闭持反对意见。

b)危险性增强。厂房封闭后相对于敞开式厂房增加了可燃气体和煤粉积聚的可能性，同时不利于发生爆炸后的压力释放。厂房高度的增加则加大了人员安全疏散和消防救援的难度。由此可见，封闭式气化厂房的火灾危险性大，发生事故后若不能有效控制，破坏力和影响范围大。

c)如果煤气化厂房封闭，且把煤气化装置的的火灾危险性定义为甲类，则煤气化装置的设计与GB 50016-2006中有关厂房的建设要求规定不相符。

d)煤粉安全性有待进一步证明。气化装置内的煤粉颗粒极细，如果发生煤粉大量泄漏时，泄漏出的煤粉携带着氮气，较为安全，但目前没有定量的数据能证明其安全性；煤粉形成煤粉云飘散在空中，采用水喷淋对煤粉灭火或火灾防范是否有很好的效果还需要相关科研单位做试验和研究，提出针对性的措施。

7 煤气化装置封闭后增加的可行性安全措施

a)封闭的煤气化厂房应采取机械通风和自然通风相结合的方式，以防止可燃、有毒有害气体及煤粉尘的聚积。

可实施性：工程上可以实现机械通风与自然通风相结合的通风方式。

b)封闭后气化框架外维护结构的泄压性能应进一步的核实确认，以确保爆炸情况下能够及时有效泄压。

可实施性：如某项目，根据GB50016的规定，经过计算煤气化厂房计算泄压面积为268.7 m2，选用泄压板泄压，气化框架可以很容易满足泄压面积的要求。

c)煤粉易泄漏区域需要增设煤粉浓度检测系统和水喷雾系统。

可实施性：结合煤气化框架的实际情况，可在煤粉易泄漏区域增加粉尘浓度探测器的设置，如某项目，考虑在煤粉减压管区域增加水喷雾系统。了解到某类似项目备煤工序增设了水喷淋，但未安装粉尘监测系统。其它工序增设了粉尘监测仪，但未安装水喷淋。其粉尘监测系统采用的是国内产品，由于量程等实际问题，现场并未参与联锁投用，而是采用摄像头监控，手动操作控制水喷雾系统。

d)欠氧探测等安全设施的设置应能够保证人员安全。

可实施性：根据煤气化厂房的布置，可增设欠氧变送器。

e)其它：仪表电气设备等选型按爆炸性气体环境危险区域1区要求选型，满足框架防爆要求。

局部增加可燃气体检测器、有毒气体探测器、感烟探测器数量，增加空气呼吸器等安全防护用品数量。

8 结论

在严寒地区运行的干粉煤气化装置，因为严寒给煤气化装置运行带来的问题，虽然没有水煤浆气化装置那样明显，但存在的问题也不容忽视。

采用干粉煤气化工艺经过论证，在采取相关的措施后，干粉煤气化厂房是可以封闭的。

但是考虑到国内气化装置安全性研究尚未成熟；干粉煤气化厂房封闭尚无相关的案例可循；也有专家认为煤气化框架内，防止煤粉尘聚集不宜采用机械通风方式，机械通风方式可能引起的粉尘二次扬起等问题也有安全隐患；气化框架每层均有较多可能的气体泄漏点，采取机械通风和自然通风相结合的方式不能完全达到防止可燃、有毒有害气体、煤粉尘聚集的目的；封闭后干粉煤气化厂房危险性会增加很多，给设备选型等造成困难；另外干粉煤气化装置尚有一些涉及安全的问题还在进一步的研究中。综上所述，干粉煤气化厂房是否可以封闭还未有定论，目前在严寒地区最通常的做法是仅在迎风面封闭，也就是所说的半敞开式厂房。

[1] 郭长洋. 某煤气化项目高层封闭化房火灾风险评价方法[J]. 武警学院学报, 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

魏涛，高级工程师，主要从事化工项目的安全设计及项目管理工作。