煤氣化裝置消防安全設計探討

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(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

煤氣化裝置消防安全設計探討

彭愛軍，龍霏

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

以實際工程為例，分析探討了煤氣化裝置在滿足相關標準規范和消防安全審查中存在的問題，提出了后續煤氣化裝置設計建議，有助于后續煤氣化裝置的設計和生產改造，以更好地滿足標準規范、消防安全、運行等方面的要求。

煤氣裝置；消防安全；標準規范；設計

目前，我國已經建成運行和正在建設的大型煤氣化裝置有幾十套，代表性的煤氣化技術有SHELL干粉煤氣化、GSP干煤粉氣化、航天爐干煤粉氣化、科林爐干煤粉氣化、寧煤爐干煤粉氣化、五環爐干煤粉氣化、E-gas料漿氣化、GE(原Texaco)水煤漿氣化、西北院水煤漿氣化、魯奇MK+碎煤氣化和BGL熔渣氣化[1-2]。由于國內化工行業重特大安全事故頻發，煤氣化成為國家安監總局公布的重點危險化工工藝目錄之一，給已建成和正在實施的煤氣化裝置帶來前所未有的消防安全設計壓力。本文通過對幾個典型的煤氣化裝置在生產運行和消防設計審查及整改過程中存在的問題進行分析探討，提出了煤氣化裝置在設計過程中如何更好地滿足國家現行有關標準規范和安全穩定運行的要求，幫助其順利通過當地消防安全審查和裝置驗收。

1 國內煤氣化裝置的發展現狀

1.1 煤氣化工藝的典型工藝流程

目前，按原料煤形式分，國內所有的煤氣化工藝為干煤粉法和濕料漿兩大類，干煤粉氣化工藝的主要工藝流程見圖1，包括磨煤干燥、煤粉輸送、煤粉氣化、除渣、合成氣洗滌、渣水閃蒸及處理等工序；濕料漿煤氣化工藝的主要工藝流程見圖2，包括煤漿制備、煤漿輸送、煤粉氣化、除渣、合成氣洗滌、渣水閃蒸及處理等工序。

圖1 干煤粉氣化工藝流程示意

圖2 濕料漿氣化工藝流程示意

1.2 國內煤氣化裝置的發展現狀

經歷十多年的迅猛發展，國內的煤化工產業進行了一場新的革新高潮，有力推動了國家經濟發展和產品及技術的創新升級。從目前國內已運行和正在建設的煤氣化裝置數量來看，國外引進工藝技術和國內自主開發的技術約各占50%，干煤粉加壓氣化和水煤漿氣化工藝分別占60%和40%，固定床加壓碎煤氣化技術才剛剛起步。煤氣化主要應用于煤制合成氨、煤制甲醇、煤制烯烴(氫氣)、煤制合成油(精細化學品)、煤制天然氣和煤制乙二醇項目等。氣化爐單爐投煤量主要有1 000 t/d、2 000 t/d和3 000 t/d三種規模。根據實際情況，在消防安全設計方面呈現以下幾個顯著特點。

(1)由于裝置生產能力的不同，其核心的氣化框架高度從五十多米到一百多米不等，框架單層面積從1 000 m2到3 000 m2不等。如神華寧煤煤炭間接液化項目中的氣化框架(見圖3)，其高度為86.5 m，單層建筑面積已達3 350 m2。

圖3 氣化框架立面

(2)因為煤氣化框架的特殊性，將其火災危險性類別是歸于甲類還是乙類，以及是按高層廠房建筑物設計還是按大型設備支承框架構筑物設計這兩方面存在嚴重的差異。由于煤氣化裝置所處地區采用的原料煤種含碳量和揮發分等不同，干粉煤氣化裝置生產出的粗合成氣成分相差較大。從粗合成氣中的H2、CO、H2S、CH4具體含量計算出來的混合氣體爆炸極限來看，大部分煤氣化裝置粗合成氣的火災危險性屬于乙類，少數煤氣化裝置粗合成氣的火災危險性屬于甲類。因此，國內有些工程公司將煤氣化框架的火災危險性類別定為乙類，但按甲類進行防火設計；有些將煤氣化框架的火災危險性類別定為甲類，但將煤氣化框架視為大型構筑物，以規避甲類廠房的高度和層數限制。

(3)許多建設在新疆、內蒙古和寧夏等地區的煤氣化裝置，因受當時氣候條件的影響，對氣化框架采取了局部全封閉或半封閉的設計。

(4)煤化工裝置大型化是目前國內煤化工項目的一種發展趨勢。從已經投入生產或開工建設的項目來看，單套投煤量已經從1 000 t/d發展到了3 000 t/d，氣化裝置的氣化框架從布置單套氣化爐，發展到了2套、3套或4套氣化爐同時布置于同一框架內。

(5)我國的相關規范(如GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》)滯后于煤化工裝置大型化的發展趨勢和現狀，新起草編制多年的《煤化工工程設計防火規范》遲遲未審批發布，加劇了煤氣化裝置的安全設計風險。

2 煤氣化裝置安全設計存在的問題

2.1 當前煤氣化裝置中典型消防安全設計措施

(1)備煤框架的消防安全設計。 因工藝生產的需要，干煤粉氣化工藝的備煤框架中使用的火災危險類別為甲類的LPG、LNG或合成氨裝置燃料尾氣的熱風爐與火災類別為乙類的煤粉設備(磨煤機系統)共框架布置，磨機系統的主電機設計時考慮到粉塵防爆，在磨煤機與熱風爐之間增設防火隔離墻。同時，考慮到磨機定位處于氣化框架氣體防爆分區的附加2區，特將磨機所在地坪抬高600 mm，以滿足GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中5.3.5(2)“對于可燃物質比空氣重的爆炸性氣體環境，位于爆炸危險附加2區的變電所、配電所和控制室的電氣和儀表的設備層地面應高出室外地面0.6 m”的要求(見圖4)。

圖4 備煤框架立面圖

根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》對乙類高層廠房最大防火分區面積≤2 000 m2的要求，在熱風爐與磨煤機之間及局部樓層設置防火墻，各防火分區間設有甲級防火門。框架全封閉的樓梯間設計防火門斗并配置感煙探測器?？蚣軆葍H在生產介質類別為戊類的稱重給煤機層和煤運皮帶層的區域設置全圍護封閉結構，以方便北方地區冬季的檢修。

(2)氣化框架的消防安全設計。 根據氣化框架和備煤框架的火災危險類別，此前少數氣化框架與備煤框架之間的防火間距不夠，采取在氣化框架外側增加防火卷簾進行分隔的措施，如中國五環工程有限公司設計的大唐煤制烯烴項目中的煤氣化裝置，其黑水處理框架與過濾框架之間增設防火墻，解決了兩個廠房之間防火間距不夠的問題；又如中國寰球工程公司設計的寧煤間接液化項目中的黑水閃蒸框架，對單層防火分區面積超過2 000 m2的框架，均可通過增設防火墻進行分隔，同時設計消防電梯，滿足規范中有關防火安全設計的要求。

2.2 煤氣化裝置安全設計存在的問題

(1)從國內現有運行的煤氣化裝置來看，兩臺或多臺氣化爐布置于同一框架已經成為一種必然發展趁勢。例如神華寧夏煤制烯烴項目的GSP煤氣化裝置、河南龍宇二期醋酸項目五環爐(WHG)煤氣化示范裝置，均采用了雙平行布置在同一氣化框架；伊泰杭錦旗精細化學品項目煤氣化裝置(西北化工研究院)是三系列氣化爐布置在同一氣化框架；正在建設的神華寧煤煤炭間接液化項目是四系列氣化爐布置在同一氣化框架。在實際生產運行時，各系列氣化爐互為備用，且采用獨立進出工藝物料的流程，其實際開車、停車、運行和檢修均為獨立完成，并聯運行。這種操作運行模式有別于GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》中第2.0.11條關于可以集中布置聯合裝置的定義：由兩個或兩個以上獨立裝置集中緊湊布置，且裝置間直接進料，無供大修設置的中間原料儲罐，其開工或停車檢修等均同步進行，視為一套裝置[4]。因此，目前氣化框架中同時布置兩個系列氣化爐并不符合上述規范中提到的聯合裝置的概念，不能實現各系列氣化爐同開同停的操作，存在安全隱患[3]。

(2)國內北方的煤氣化裝置，從冬季檢修環境的考慮出發，用戶要求備煤、氣化和黑水處理框架的部分火災類別為乙類的防火分區進行全封閉或半封閉設計，為后續消防設計審查驗收和運行帶來了極大的麻煩和安全隱患。如內蒙古的某一煤化工項目煤氣化裝置，由于對氣化框架做了全圍護施工，結果導致不能通過當地消防部門的安全驗收，要求進行全部拆除并整改。其原因是當地消防部門煤氣化框架的封閉設計不符合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》第3.6.1條規定：有爆炸危險的甲、乙類廠房宜獨立設置，并宜采用敞開或半敞開式。這對項目進度、費用和相關方造成了很大的影響。

(3)設計時對整個煤氣化框架中備煤、氣化和黑水閃蒸框架的建構筑物的認知存在較大偏差。國內部分正在實施的煤氣化框架被認為是大型設備支承平臺，屬于構筑物，尤其是氣化框架的鋼結構層是設備支承框架和操作平臺，設計只需滿足GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》 中對于設備構架或平臺的安全疏散等消防設計要求即可，尤其是氣化框架的鋼結構層，設計時沒有執行《建筑設計防火規范》相關高層廠房的設計要求。

2.3 煤氣化裝置消防安全審查中的典型意見

以下是對煤氣化裝置在消防安全設計審查中的幾個典型審查意見，筆者建議應該執行并盡早修正設計文件。

(1)氣化框架未設置消防電梯，不符合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》第7.3.3條規定：建筑高度大于32 m且設置電梯的高層廠房，每個防火分區內宜設置1臺消防電梯。

(2)氣化框架疏散樓梯未設置防爆門斗，不符合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》第3.6.10條規定：有爆炸危險區域內的樓梯間，室外樓梯或有爆炸危險的區域與相鄰區域連通處，應設置門斗等防護措施。

(3)框架中防煙樓梯間，僅前室設置了煙感探測器，樓梯間未設置。

(4)框架樓梯間的門均為乙級防火門，且未設置門斗，不符合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》第3.6.10條之規定。

3 煤氣化裝置消防安全設計的建議

(1)對于兩臺或兩臺以上氣化爐布置于同一框架的設計方案，針對目前無明確設計依據的情況，應在設計初期啟動專家評審。如神華寧煤煤炭間接液化項目，就針對此問題形成了專家意見：“考慮到當前國內大型煤化工裝置的特殊性和已建成的煤化工裝置的實際情況，且參考中石化普光氣田項目中12套脫硫裝置的設計原則，可將4臺氣化爐集中布置在一個框架中。由于生產過程中，一個框架里可能會出現有的氣化爐在運行、有的氣化爐在動火檢修的情況。因此，應加強安全檢測手段(如可燃氣體探測)、消防冷卻噴淋等消防安全措施，同時在生產管理中加強相應的安全監督和檢查。”這樣為后續設計提供了依據，規避了設計和運行風險。

(2)近幾年來，由于化工領域的安全生產形勢嚴峻，并且從許多項目的當地政府消防設計審查意見分析來看，均提出煤氣化框架按建筑物不應按構筑物，且應執行《建筑設計防火規范》的規定：乙類高層廠房(耐火等級為一級)，每層最大允許建筑面積為2 000 m2，同時要按防火分區設計消防通道、消防電梯、防火門斗等消防設施[5]。這樣以便順利通過后續消防設計的審查和驗收。

4 結語

(1)隨著我國經濟的快速發展，我國的相關規范(如《石油化工企業設計防火規范》)滯后于煤化工領域裝置大型化的發展趨勢和現狀，設計合規性的風險日益明顯，急需在規范升版時從實際出發解決這些問題。建議新起草編制多年的《煤化工工程設計防火規范》盡早發布，明確煤氣框架的火災危險性類別和建構筑物屬性，讓防火設計做到有據可依，以降低設計風險。

(2)結合眾多煤氣化裝置的消防審查意見，筆者認為，將氣化框架的氣化爐支承層EL38.5 m以上鋼結構層按設備構架或操作平臺開展有關消防的設計不妥，氣化框架的鋼結構層與混凝土層應執行統一設計標準。建議按照GB50016-2014《建筑設計防火規范》有關乙類高層廠房的要求開展防火設計較為穩妥。

[1]汪家銘.SES煤氣化技術及其在國內的應用[J].化肥設計，2010，48(5)：14.

[2]汪壽建.國內外新型煤化工及煤氣化技術發展動態分析[J].化肥設計，2011，49(1)：3-4.

[3]段中華，張洪偉.大型化工聯合裝置防火設計的合規性分析[J].化肥設計，2014，52(3)：23-24.

[4]GB 50160—2008，石油化工企業設計防火規范[S].

[5]GB 50016—2014,建筑設計防火規范[S].

修改稿日期：2017-06-06

DiscussiononFireSafetyDesignofCoalGasificationPlant

PENG Ai-jun，LONG Fei

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223，China)

Taking practical project as example，this paper analyzes the problems of coal gasification in meeting relevant standard specification and in fire safety inspection. It also proposes the suggestions for the design of coal gasification plants，which facilitates the design and reconstruction of the subsequent coal gasification devices in satisfying the requirements for standard，fire safety，operation，etc..

coal gasification plant；fire safety；standard；specification design

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.006

TQ545

B

1004-8901(2017)05-0021-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.006

彭愛軍(1974年—)，湖南祁陽人，1996年畢業于鄭州工業大學化工工藝專業，高級工程師，現主要從事壓力管道的設計與管理工作。