恩德爐煤氣化工藝的防火設計

●陳志平

(呼倫貝爾市消防支隊，內蒙古呼倫貝爾 021008)

(本欄責任編輯、校對 馬 龍 李 蕾)

我國獨特的“富煤、貧油、少氣”的能源國情決定了我國在發展煤化工產業方面具有明顯的煤炭資源優勢。特別是近年來由于世界性的油氣價格上揚，使得煤制甲醇、煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制二甲醚等以生產潔凈能源產品和替代石油產品為主的新型煤化工產業，在我國能源的可持續利用中扮演了重要角色。發展煤化工離不開煤合成氣的制備，煤氣化就是制備煤合成氣的必要手段。目前，國內外采用的煤氣化技術主要有:常壓固定床間歇式無煙煤(或焦炭)氣化技術、常壓固定床無煙煤(或焦炭)富氧連續氣化技術、魯奇固定床煤加壓氣化技術、灰熔聚煤氣化技術、恩德粉煤氣化技術、GE水煤漿加壓氣化技術、多元料漿加壓氣化技術、多噴嘴(四燒嘴)水煤漿加壓氣化技術、Shell干煤粉加壓氣化技術、GSP干煤粉加壓氣化技術、兩段式干煤粉加壓氣化技術、四噴嘴對置式干粉煤加壓氣化技術等。恩德粉煤氣化技術是新型粉煤氣化技術，與其他粉煤氣化技術相比，具有煤源豐富、價廉、氣化強度高、運行可靠、煤氣凈化工藝簡單、不污染環境、投資少和操作成本低等優點。不僅可生產優質工業燃氣，而且可為化肥廠和甲醇廠生產合成原料氣提供良好的制氣工藝。本文通過分析呼倫貝爾東能化工有限公司年產120萬噸甲醇、30萬噸二甲醚恩德爐煤氣化工藝的火災危險性，對恩德爐煤氣化工藝的防火設計進行研究。

1 工程工藝概況

呼倫貝爾東能化工有限公司年產120萬噸甲醇、30萬噸二甲醚項目生產工藝由煤制甲醇工藝和甲醇制二甲醚工藝兩部分組成。煤制甲醇工藝過程為:經干燥脫水后的褐煤由輸煤系統送恩德爐煤氣化裝置制成合成氣，合成氣經過氣柜、脫硫、電除塵等工序脫除所含的粉塵、焦油、硫泡沫等雜質，再經過壓縮機加壓后送變換工序，經過氣體變換反應，調整氣體成分，然后經過脫碳工序脫除氣體中的CO2，再經過精脫硫工序脫除氣體中的硫，得到合格的合成氣。合成氣再經過壓縮機壓縮至甲醇合成所需的壓力后送甲醇合成塔進行甲醇合成，反應氣經冷卻、分離得到粗甲醇，粗甲醇經精餾后得到精甲醇產品。甲醇制二甲醚采用甲醇氣相催化脫水二甲醚工藝技術，以甲醇為原料，在一定溫度、壓力及催化劑的作用下，脫水生成二甲醚，反應產物中的主要組成為二甲醚、甲醇和水。經精餾塔分離得到二甲醚。

2 火災危險性分析

2.1 輸煤系統

煤粉儲運設備體系龐大，內部煤粉量多，一旦發生泄漏，可能形成大范圍的粉塵云。由于該生產工藝采用的褐煤揮發分含量大，粒度較小，易被引燃、自燃及爆炸。氣化廠房存在多種高溫設備、金屬管道及電氣設備，高溫設備、靜電火花、電火花等均可能引發泄漏出的煤粉爆炸。煤粉著火或爆炸事故對人身及設備的危害主要有以下幾個方面:(1)煤粉著火，倉溫升高，粉倉結構強度下降。若煤粉倉內的惰化保護不好，氧含量超過設定值，粉倉內煤粉易產生緩慢氧化，溫度上升，尤其是在事故停機、煤粉倉粉位較高情況下問題更加突出。鋼板煤粉倉在300～400℃以上時，強度急驟下降，預應力鋼筋混凝土煤粉倉，其耐火極限也只有50min，倉內煤粉著火會對設備造成破壞。同時，煤粉燃燒產生的CO、CO2向外擴散，使人窒息或導致次生火災。(2)煤粉爆炸形成的沖擊波可能導致墻倒、頂掀、發生火災等次生災害，會傷到人身安全，破壞建筑物。同可燃性氣體爆炸相比，粉塵爆炸壓力上升較緩慢，較高壓力持續時間長，釋放的能量大，破壞力也強。粉塵爆炸往往還會引起二次爆炸，二次爆炸時粉塵濃度一般比一次爆炸高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。(3)粉塵爆炸時溫度高，有的可高達2 000～3 000℃，對周圍建筑物或人群造成嚴重的高溫輻射破壞或傷害。(4)由于本項目氣化廠房的煤粉儲運設備與氣化爐、氣體輸送設備之間未有任何分隔設施，煤粉發生爆炸后可能會破壞氣化爐和氣體輸送設備，導致合成氣及純氧泄漏，進一步引發氣體爆炸，增大事故后果和影響范圍，甚至導致災難性后果。

2.2 煤氣化系統

煤氣化廠房為高層建筑廠房，工藝過程存在高溫，存在CO、H2、煤粉、純氧等易燃易爆危險性介質。與傳統的單層或多層甲乙類廠房相比，由于生產規模大，設備高，一旦發生燃燒、爆炸，破壞力強，影響范圍大。同時，高層氣化廠房火災撲救難度大，人員疏散和物質搶救困難。(1)氣化爐中，煤粉、氧氣和水蒸氣在高溫下進行反應，而且里面的可燃性物質也比較多樣和復雜，有粒徑很細小的煤粉及氧氣，還有經過煤氣化反應后的粗制合成氣(主要由H2、CO等組成)，一旦發生泄漏，在這樣的高溫情況下，將會發生射流火，存在著火災爆炸危險性。(2)氣化廠房內主要的爆炸危險性氣體為合成氣(主要成分是CO、H2等)，裝置區內的工藝設備、電氣設備、工藝管道以及金屬平臺等可能積聚靜電荷，引起火災爆炸。(3)如果在生產、儲存、設備檢修或日常維護等作業過程中，操作不當或設備設施缺陷等原因，有可能會造成合成氣泄漏，聚集在氣化框架內的“死角”，與空氣易形成爆炸性混合物，遇到靜電火花等易引發火災。(4)如果在防爆區域未使用防爆電氣設備，電氣火花有可能引發火災爆炸事故。(5)如果電氣焊作業人員未辦理動火作業許可證或進行動火作業時違章操作，作業前未進行清掃置換，作業時不注意火源控制，完工后作業現場未做清理，則容易引發火災爆炸。(6)在管道內輸送的液體易產生靜電，如果由于靜電接地不良等原因，泄漏的合成氣等遇到靜電火花，則有可能引發火災爆炸。(7)高壓氧氣管線，純氧高速流動，高壓氧泄漏碰到很小靜電火花就會引爆可燃性混合氣，此外氧氣接觸油脂類可燃物也會引發火災爆炸。(8)雷擊、雷電感應或雷電波、摩擦火花等引燃爆炸性氣體。(9)設備和管道及密封結構質量差等，易出現跑、冒、漏等現象，梁板間和空氣不流通的地方容易積聚可燃氣體，遇到火源有發生火災爆炸危險。(10)氣化爐冷卻水不足或干燒易產生爆炸，夾套漏水也可引起爆炸。(11)操作溫度和壓力超過工藝設備的設計溫度和壓力，導致設備損壞甚至爆炸。

2.3 合成氣凈化系統

當合成氣中含氧量超過2%時，遇到火花或其他激發能(摩擦、高溫、靜電等)極易發生惡性爆炸。即使少量氧氣進入煤氣中(1%)，在壓送和除塵等易發生火花的設備內也可能引起爆炸。氣化爐開車初期，如氣體抽引置換不完全，由于爐溫較低，使進入爐內的空氣未全部反應，剩余的氧氣則混入合成氣中，易造成過氧爆炸。氣化工段在升溫及開、停車過程中如發生物料互竄，易引發火災爆炸。

3 工藝防火設計

3.1 設備結構及選材的優化設計

3.1.1 煤氣化設備內件與高溫氣體接觸部分(包括對流管束)均采用冷卻效果較好的水冷壁結構。內件選材應充分考慮工藝介質和氣流的影響。對操作條件比較苛刻的關鍵部位，應采取可靠的保護措施。壓力容器主體材料選用能抗氫腐蝕的材料，其他與氣體接觸的壓力殼體均采用耐熱襯里保護，以使壓力容器得到一個安全備用反應時間，避免無法控制的操作失誤(膜式壁破裂)造成壓力容器局部快速升溫。

3.1.2 為防止煤粉倉排放管流速太高，阻力太大而超壓導致爆破片破裂，泄漏大量煤粉，排放管的管徑應適當增大。為防止含煤粉的氣流速度過快導致循環進口管磨損穿孔，對異徑管的結構應加以改進，并將直管的管徑進行加厚設計。為減少粉塵釋放源，輸送煤粉的管道采用無縫焊接，不設法蘭接口。

3.1.3 氣化爐、合成氣冷卻器、輸氣管、激冷器均設有水冷壁，以冷卻設備和合成氣。為防止煤燒嘴過熱被燒穿，燒嘴上設有冷卻水系統。進入水冷壁和燒嘴冷卻水系統中的冷卻水按一定的流量供應，為保證事故狀態下水的供應量應設備用泵和緩沖罐。為及時發現冷卻水不足及漏水事故，防止設備超溫發生爆炸，應對溫度、水蒸氣產生量和汽包的液位進行監測。

3.1.4 為了防止煤粉流量過低或氧氣流量過高導致氣化爐超溫以及氧氣過剩發生爆炸，同時防止煤粉流量過高或氧氣流量過低導致氣化爐溫度過低，熔融狀態的渣體流動性差而堵塞管道發生事故，應對煤粉、氧氣的流速和密度進行嚴密監測。通過流量調節閥和壓力調節閥保證氣化爐的原料干煤粉和氧氣均按一定的流量和壓力供應。

3.2 防火防爆措施

3.2.1 由于煤氣化廠房內高溫高壓設備多，設備內含大量的煤粉和可燃氣體，火災危險性高，因此煤氣化工藝的氣化廠房應敞開生產，以獲得良好的通風效果，減少泄漏出的煤粉和可燃氣體濃度達到爆炸下限的可能，同時保證良好的泄爆效果，大大減輕爆炸時的破壞強度，避免廠房因主體結構遭受破壞而造成重大人員傷亡和經濟損失。

3.2.2 在合成氣易泄漏點附近及氣體易聚集的部位應分別設置可燃氣體探測器，在可燃氣體容易聚集且自然通風不暢的部位應設計機械通風裝置，當可燃氣體探測器探測到可燃氣體泄漏時，應能聯動該區域內的通風風機稀釋空氣中有毒、有害和爆炸危險性物質的濃度。

3.2.3 氣化廠房中使用的煤粉粒度小，更容易在空氣中懸浮形成爆炸性粉塵，有較大的火災爆炸危險性。建議在氣化廠房內煤粉倉等可能存在煤粉泄漏的部位設置水噴霧或細水霧滅火系統進行保護，且與火災探測器、氧氣探測器或粉塵濃度監測儀聯動?；馂奶綔y器設置于煤粉泄漏源所在樓層頂部，氧氣探測器宜設置于泄漏源附近不超過1m的范圍內。

3.2.4 氣化廠房整個煤粉加壓進料系統均使用 N2或CO2惰化保護，防止設備內的煤粉發生自燃和爆炸，同時也可以降低煤粉泄漏發生爆炸的可能性。為控制系統惰性化，應設置O2、CO濃度在線分析設備，以根據需要補充N2或CO2。

3.2.5 氣化廠房內應設有氮氣儲罐，在正常開車和停車時使用氮氣對氣化廠房內的所有設備和火炬進行置換。發生重大事故緊急停車時，一方面打開放空閥，將可燃氣體通入火炬燃燒，另一方面使用氮氣對設備內的氧氣及可燃氣體進行快速置換，通過放空和氮氣置換以切斷可燃氣的供應，防止事故的擴大。

3.2.6 根據《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》的規定，整個氣化廠房屬于氣體防爆2區(二級釋放源)，所以廠房內的用電設備和儀表均按該規范的要求進行設計。生產裝置應設置安全接地網，并視具體情況增設接地極。電動機保護接地線采用專用接地線，照明燈具采用保護管(鍍鋅鋼管)作為接地線。所有裝置及其管線，按工藝及管道要求作防靜電接地，一般情況下與電氣設備的工作接地和保護接地共用接地網。氣化廠房屬二類防雷，應設有防直擊雷﹑感應雷和防雷電波侵入的措施。

3.3 自動安全控制措施

目前國內的煤氣化工藝都采用了集散控制系統(DCS)及自動調節、報警、安全聯鎖等自控措施。在緊急情況下，安全聯鎖將自動動作，以確保裝置設備安全。主要緊急停車和安全聯鎖系統有:氣化爐緊急停車系統、燒嘴氧氣緊急停車系統、煤燒嘴緊急停車系統。為保證工藝安全措施的可靠性，防止事故漏報，在設計上還應采用冗余設計、多參數測量及按最不利情況設防等方式。為防止洗滌塔的液位超出正常范圍發生事故，應設計同時監測設備內液位、溫度、壓力以及進水和排水速度。為防止氣化爐發生事故，應設計同時監測煤粉和氧氣的流量和壓力、氧煤比、爐膛壓力、爐膛溫度、氣化爐表面溫度等參數。這些監測的參數有一個超過了正常的工作范圍即發生報警。DCS系統的重要硬件如控制單元的CPU、重要控制回路的I/O卡、控制器的電源和通訊總線均按1∶1冗余設置，保證系統在硬件有故障的情況下，仍能繼續正常運行。

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