煤制烯烴項目中氣化高層廠房消防設計問題探討

王桂芳

(包頭市消防支隊，內蒙古 包頭 014030)

煤制烯烴項目中氣化高層廠房消防設計問題探討

王桂芳

(包頭市消防支隊，內蒙古 包頭 014030)

煤制烯烴項目中氣化工段是核心工藝，氣化廠房屬于甲類生產廠房。在我國北方寒冷地區(qū)，受氣候條件的限制以及現(xiàn)實生產工藝的需求，必須采用封閉式高層廠房，這與我國現(xiàn)行的消防技術標準相沖突。以包頭市煤制烯烴項目為例，通過對氣化廠房火災危險性的分析，對氣化廠房建設為封閉式高層廠房的可行性以及相關的消防設計問題進行探討。

煤制烯烴；氣化高層廠房；消防設計

煤制烯烴項目中氣化廠房的工藝以水煤漿和純氧為原料，采用氣流床反應，在高溫、高壓、非催化條件下，進行部分氧化反應，生成一氧化碳和氫氣為有效成分的粗合氣體。由于粗合氣體中一氧化碳和氫氣的含量分別達到18.39%和15.34%，爆炸極限為8.25%～74%，火災危險性為甲類。在我國南方地區(qū)，煤氣化裝置被設計放置在煤氣化框架上，框架四周敞開。在北方寒冷地區(qū)，由于工藝操作豎向生產的要求，必須采用完全封閉的廠房。以包頭市煤制烯烴項目氣化廠房為例，該廠房位于廠區(qū)的西部南側，設置了8臺氣化爐。氣化廠房主體共10層，為鋼筋混凝土框架結構，建筑高度63.2 m，占地面積為5 456 m2。按照《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016-2006)第3.3.1條規(guī)定，甲類生產廠房除生產必須采用多層外，宜采用單層，不應建造高層廠房；第3.6.1條規(guī)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結構。

一、氣化廠房的火災危險性分析

氣化廠房以及工藝設備存在的主要危險物質為合成氣體和高壓純氧。氣化廠房生產的合成氣體為一種粗煤氣，經(jīng)測算，合成氣的分子當量為19.6，爆炸極限范圍為8.25%～74%，爆炸極限范圍寬。合成氣體的爆炸危險度為7.97，H2、CO的爆炸危險度分別為17.07和4.94，因此，合成氣體一旦泄漏發(fā)生爆炸事故，其爆炸危險性相對較大。爆炸極限受合成氣的溫度、壓力等因素的影響，爆炸性混合物的初始溫度越高，爆炸極限范圍越寬,初始壓力增大，爆炸范圍也擴大。由于合成氣體生成的溫度在1 300 ℃以上，壓力為6.5 MPa，管道運輸在200 ℃以上，因此爆炸范圍明顯擴大，混合氣體的火災爆炸危險性增大。高壓純氧具有強烈的助燃作用，可使可燃物的最低點火能量降低，增大了可燃物的范圍，一旦發(fā)生泄漏，將大大提高可燃物和設備裝置系統(tǒng)的火災危險性。氣化廠房裝置區(qū)內的工藝設備、電氣設備、工藝管道以及金屬平臺可能積聚靜電，引起火災爆炸。在生產、儲存、設備檢修中發(fā)生泄漏，可能聚集在廠房框架的死角，泄漏的易燃氣體與空氣形成爆炸性混合氣體，遇到各種靜電火花，極易引起火災事故。設備管道出現(xiàn)跑冒滴漏等現(xiàn)象，地溝、電纜溝等低凹處和空氣不流通的地方極易積聚易燃氣體，遇到火源發(fā)生火災爆炸事故。

二、氣化廠房的火災危害性分析

氣化廠房工藝過程高溫、高壓，存在CO、H2等易燃易爆危險氣體，與傳統(tǒng)的單層或多層甲類廠房相比，由于生產規(guī)模大，設備高，一旦發(fā)生燃燒、爆炸，破壞力強，影響范圍大。氣化廠房的火災危害性主要存在兩種情況：一是易燃易爆化學氣體管道泄漏沒有被點燃，形成擴散蒸氣云，發(fā)生爆炸事故。以H2為例，假定管壁內部光滑，考慮泄漏管徑20%，泄漏孔面積為78.52 cm2，最大平均持續(xù)泄漏流速為0.95 kg·s-1，利用ALOHA進行泄漏模擬分析，得出數(shù)據(jù)顯示，蒸氣云被引燃發(fā)生爆炸，破壞范圍在60～100 m范圍之內。二是合成氣體在泄漏后立即被點燃，以H2為例，假定條件與上述情況相同，根據(jù)ALOHA進行泄漏模擬分析，得出數(shù)據(jù)顯示，60 s之內嚴重死亡致命區(qū)域在18 m之內，二度嚴重燒傷區(qū)域在25 m之內，感覺疼痛區(qū)域在41 m之內。

三、氣化廠房本質安全措施分析

氣化廠房本質安全主要通過工藝安全措施來保證，工藝防火、防爆措施是最大限度減小事故發(fā)生的可能性以及危害性的主要手段。在氣化廠房中，全部選用防爆電氣，設置了防雷、防靜電等措施來控制點火源；同時，廠房內還通過設置DCS系統(tǒng)和各種生產參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)保證及時發(fā)現(xiàn)事故，并設置了ESD系統(tǒng)、安全連鎖、止回閥和緊急切斷閥等緊急處理措施。這些措施在完好的情況下，能夠保證氣化廠房在正常生產過程中不發(fā)生火災爆炸事故，即使在設備發(fā)生故障的情況下也能夠及時發(fā)現(xiàn)并進行處理，避免事故的進一步發(fā)展。

四、消防設計中的問題探討

(一)平面布局

以包頭市煤制烯烴項目氣化廠房為例，火災危險性類別為甲類，共10層，建筑高度為63.2 m，為甲類高層廠房。在《建筑設計防火規(guī)范》中，未對高層甲類廠房防火間距做出規(guī)定。參照對氣化廠房火災危害性的分析以及《建筑設計防火規(guī)范》對高層廠房防火間距的有關規(guī)定，確定氣化廠房與四周建筑廠房的防火間距最少不低于25 m，對有人操作的廠房、變電站等防火間距不少于90 m。兩個生產框架之間的防火間距則控制在13 m。氣化廠房與周圍建筑的防火間距較大，有利于降低氣化廠房發(fā)生火災事故時，對周圍廠房或者設備、人員造成的影響。同時，在氣化廠房周圍設置環(huán)形消防車道，并將連續(xù)2個外立面作為消防撲救面，在每層均開設外窗。在廠房內設置兩部消防電梯，為撲救廠房高層部位的火災提供了較好的外部消防救援條件。

(二)防火分區(qū)劃分

氣化廠房按照一級耐火等級設計，建筑主體的鋼構件均刷防火涂料進行保護。在防火分區(qū)的劃分標準上，參照《建筑設計防火規(guī)范》中對乙類高層廠房防火分區(qū)的劃分標準，每個防火分區(qū)的面積不超過2 000 m2。按照每層劃分防火分區(qū)，有利于降低火災的危害，同時利于人員疏散和消防撲救。廠房因為生產工藝的要求，有設備和管道穿越樓板，為滿足設備隨著溫度變化而變形的需要，仍然存在一些縫隙。這些縫隙可能成為可燃氣體和火災時產生的煙氣擴散的途徑，降低了防火分區(qū)豎向分隔的效果。因此，在劃分防火分區(qū)時，要注意對穿越廠房樓板的部位采取防火分隔和封堵措施，盡量降低火災豎向蔓延的可能性。

(三)消防安全疏散

氣化廠房的整個生產過程中均為自動化管理，廠房內部設置固定工作崗位，平時現(xiàn)場巡檢為2人。中央控制室不設置在氣化廠房內，操作人員在控制室內進行全程遠程監(jiān)控。按照《建筑設計防火規(guī)范》第3.7.6條的規(guī)定，氣化廠房設置了2部封閉樓梯和2部室外樓梯。在疏散距離的消防設計中，參照甲類多層廠房安全疏散距離不應大于25 m的要求執(zhí)行。因此，即使廠房發(fā)生火災事故，也不會對生產人員造成較大的影響。

(四)消防通風系統(tǒng)

由于氣化廠房主體采用全封閉的形式，需要采取合理的通風措施，使空氣對流，以降低有毒、有害、易燃易爆危險物質的濃度。氣化廠房的設備內有甲類危險物質CO、H2，均屬于防爆區(qū)域，在風機的選擇中，應選用防爆等級為dⅡCT1的防爆型產品。根據(jù)國家有關規(guī)定，事故通風換氣次數(shù)確定為15次·h-1。在風機的設置中，以防火分區(qū)為單位，防火分區(qū)內上下區(qū)域均設置軸流風機，同時，在每個防火分區(qū)上部梁板可能產生氣體積聚的空間，設計通風口，保證在所有高度大于100 mm的梁間均設置通風口。由于每層樓板上設備和管道的穿越處留有縫隙，會成為可燃氣體擴散的通道，因此，在消防設計中，當發(fā)生易燃易爆氣體泄漏時，整個氣化廠房的事故通風系統(tǒng)應全部開啟。

(五)自動消防設施

由于氣化廠房為甲類廠房，合成氣的主要成分為CO、H2，按照《建筑設計防火規(guī)范》的要求，應當設置可燃氣體報警裝置。在報警裝置的選擇上，由于氫氣密度小，容易在合成氣中分離，爆炸危險性大，因此，應當設置探測H2的可燃氣體探測裝置，同時，設置有毒氣體的探測裝置，監(jiān)測CO的泄漏情況。兩種探測器的設置，要盡量與生產過程中可能發(fā)生易燃氣體、有毒氣體泄漏、聚集的位置一致，探測器與事故通風連鎖，在探測到泄漏的第一時間，要啟動事故通風。生產裝置設置的可燃氣體或有毒氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)的在線檢測信號應送至全廠性消防控制中心，對氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)進行顯示和報警；同時將信號送至中央控制室的DCS系統(tǒng)操作站進行顯示和報警。廠房內均應按照規(guī)范要求，設置防爆型手動報警裝置。在滅火設施的設置中，除了設置室外消火栓外，根據(jù)《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB 50160-2008)第8.6.1條的規(guī)定，設置室外消防水炮。同時，根據(jù)《固定消防炮滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50338-2003)的要求，消防水炮的額定流量不宜小于30 L·s-1，滅火用水連續(xù)供給時間不小于2 h。在室內消火栓的設置中，由于氣化廠房存在易燃易爆氣體火災的危險，因此，室內消火栓的水槍應采用直流、水霧兩用型。當廠房內發(fā)生可燃氣體泄漏時，可利用水霧稀釋可燃氣體濃度，降低可燃氣體聚集并達到爆炸下限的可能。同時，水霧的冷卻窒息效果在一定程度上可以起到限制氣體火災的影響范圍等作用。

五、結束語

通過對高層封閉氣化廠房的火災危險性、危害性分析，從控制生產的溫度和壓力，控制點火源，防止爆炸性混合物形成，保證安全疏散，設置泄壓、報警、滅火設施入手，強化生產本質安全、強化消防安全，保證事故能夠早期發(fā)現(xiàn)、早期處理，將事故控制在初級階段，并限制火災爆炸規(guī)模和影響范圍，確保人員在發(fā)生事故時安全疏散，基本上可保證甲類封閉高層廠房的消防安全，采用封閉式高層廠房是可行的。在廠房的使用過程中，要制定嚴格的安全生產管理制度和消防應急預案，并加強演練。要定期對員工進行消防安全教育和培訓，提高消防安全意識，提高整體抗御火災的能力。

[1] GB 50016-2006,建筑設計防火規(guī)范[S].

[2] GB 50160-2008,石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S].

[3] GB 50338-2003,固定消防炮滅火系統(tǒng)設計規(guī)范[S].

(責任編輯 李 蕾)

The Research on the Fire Protection Design of a High Rise Gasification Plant in Coal-to-olefins Project

WANG Guifang

(BaotouMunicipalFireBrigade,InnerMongoliaAutonomousRegion014030,China)

Gasification process is commonly regarded as the key process in the coal-to-olefins project and gasification plants are categorized as Class A plants. In North China, all the gasification plants were designed as enclosed high rise plants due to the constraints of cold weather and current technical requirements. It causes a serious contradiction between the status quo of a technical standard and specified fire protection criteria. This paper takes the CTO project in Baotou city as an example, verifies the feasibility of enclosed high rise gasification plants in CTO project and discusses the related issues in the fire protection designs.

coal-to-olefins; high rise gasification plant; fire protection design

2015-03-03

王桂芳(1971— )，女，山西大同人，高級工程師。

TU972+.4

A

1008-2077(2015)06-0062-03