淺談煤氣發(fā)生爐的安全與能效問題

成德芳 鐘豐平

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

淺談煤氣發(fā)生爐的安全與能效問題

成德芳 鐘豐平

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

本文通過對(duì)一起煤氣發(fā)生爐爆炸事故分析，繼而討論了煤氣發(fā)生爐的安全現(xiàn)狀，提出了煤氣發(fā)生爐安全管理和能效提升方面的優(yōu)化建議。

煤氣發(fā)生爐 事故分析 安全管理 能效提升

煤氣發(fā)生爐是將煤炭轉(zhuǎn)化為煤氣的生產(chǎn)設(shè)備，按結(jié)構(gòu)可分為一段式煤氣發(fā)生爐和二段式煤氣發(fā)生爐，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，在國內(nèi)冶金、機(jī)械、建材、化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]，總量超過4000臺(tái)。

然而，由于管理不善、操作不當(dāng)導(dǎo)致的煤氣發(fā)生爐事故時(shí)有發(fā)生。2014年末，某冶金企業(yè)發(fā)生煤氣發(fā)生爐爆炸事故，造成4人死亡，4人受傷，浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院作為政府設(shè)立的技術(shù)機(jī)構(gòu)，受事故發(fā)生地安監(jiān)局委托，順利完成該事故技術(shù)鑒定工作，并在隨后的煤氣發(fā)生爐運(yùn)行情況專項(xiàng)安全檢查中，發(fā)現(xiàn)目前在用的煤氣發(fā)生爐存在較多的安全和能效問題，急待改進(jìn)。

筆者認(rèn)為，雖然煤氣發(fā)生爐不屬于特種設(shè)備監(jiān)察范圍，但借鑒特種設(shè)備（蒸汽鍋爐）成功的安全管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)保障煤氣發(fā)生爐的安全運(yùn)行和能效提升有著重大意義。

1 煤氣發(fā)生爐事故分析

1.1 煤氣發(fā)生爐事故概況

發(fā)生事故的煤氣發(fā)生爐屬“一段式煤氣發(fā)生爐”（見圖1），可按原料煤及給水的流程將工藝分為兩部分：原料煤從煤氣發(fā)生爐頂部加入，與從爐底進(jìn)入的空氣、蒸汽逆流相遇，同時(shí)受爐底燃料層高溫氣體加熱，發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣，其中氧化煤層溫度在1000℃以上。給水直接通過集汽包，進(jìn)入水夾套，保證煤氣發(fā)生爐內(nèi)膽得到有效冷卻。夾套內(nèi)受熱形成的汽水混合物回到集汽包，分離后的蒸汽通過集汽包蒸汽出口管與風(fēng)機(jī)輸送的空氣混合之后進(jìn)入爐膛內(nèi)參與反應(yīng)。在正常運(yùn)行工況下，煤氣發(fā)生爐是常壓的。

圖1 煤氣發(fā)生爐工藝流程圖

通過技術(shù)鑒定，專家組初步認(rèn)定這是一起由于誤操作引起水夾套缺水導(dǎo)致的爆炸事故。盡管煤氣發(fā)生爐在正常工況下為常壓運(yùn)行，但若嚴(yán)重缺水，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)膽過熱，材料強(qiáng)度下降，特別是在嚴(yán)重缺水后立即加水時(shí)，煤氣發(fā)生爐夾套內(nèi)壓力會(huì)瞬間升高，造成夾套的失穩(wěn)、爆炸，該起事故中對(duì)爆炸能量與現(xiàn)場(chǎng)破壞能量分別進(jìn)行了估算。

1.2 爆炸能量估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察、相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果以及相關(guān)人員筆錄，筆者對(duì)該起事故的爆炸能量進(jìn)行了估算。爆炸前夾套內(nèi)水位應(yīng)在爆炸破口以下，本次估算取夾套內(nèi)水位高度400mm進(jìn)行分析，估算結(jié)果表明即使爆炸前夾套內(nèi)僅存少量的水，所得到的飽和水爆炸能量也與現(xiàn)場(chǎng)破壞能量相當(dāng)。以下是本次爆炸能量分析過程。

●1.2.1 飽和水爆炸能量估算

不考慮氣體膨脹做的功，煤氣發(fā)生爐中飽和水爆炸總能量E按式（1）計(jì)算：

式中：

E——飽和水的爆炸能量，kJ；

V——煤氣發(fā)生爐內(nèi)飽和水所占的容積，m3；

CW——飽和水爆炸能量系數(shù)，kJ/m3，其值見表1。

表1 常用壓力下CS、CW值（kJ/m3）[2]

爆炸時(shí)壓力取集汽包安全閥的整定壓力0.07MPa,該壓力為最低的爆炸壓力，會(huì)低于實(shí)際值。已知爐膽內(nèi)直徑2000mm，水冷夾套厚度200mm，夾套高度3140mm。根據(jù)斷口位置，僅以汽液分界線距離夾套底部400mm進(jìn)行計(jì)算，則可以根據(jù)爆炸部位初步估算爆炸前夾套內(nèi)剩余水的體積V水按式（2）計(jì)算。

飽和水爆破能量系數(shù)Cw，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合（見圖2）。

圖2 CW值的多項(xiàng)式擬合

從而得到了CW的擬合多項(xiàng)式（3）：

將p=0.07MPa帶入式（3），得到CW=1.35×104kJ/m3，將以上結(jié)果帶入式（1），得到爆炸時(shí)飽和水的能量約為E=7.46×103kJ。

●1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)破壞能量估算

煤氣發(fā)生爐的爆炸能量以沖擊波能量E1、自身獲得的動(dòng)能E2以及自身殘余變形的形式釋放。其中自身殘余變形釋放的能量占比重很小，可以忽略，因此取現(xiàn)場(chǎng)沖擊波能量和動(dòng)能的總和（E1+E2）作為現(xiàn)場(chǎng)破壞能量的估算值。以下是E1和E2的估算方法。

目前，可以利用TNT當(dāng)量法來確定以沖擊波形式轉(zhuǎn)化的爆炸能量[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，按無限空氣介質(zhì)中爆炸時(shí)空氣沖擊波峰值超壓計(jì)算式（4）[4]，計(jì)算得到煤氣發(fā)生爐爆炸的TNT當(dāng)量W，再按照單位TNT炸藥爆炸的平均能量4.5×103kJ/kg[1]使用式（5）進(jìn)行換算，得到?jīng)_擊波能量E1。

式中：

Δp——爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓見表2，單位MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，取Δp=0.020MPa；

r——出現(xiàn)傷害現(xiàn)象的對(duì)象離爆炸點(diǎn)的距離，單位m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，r=7m；

W——產(chǎn)生對(duì)應(yīng)破壞所需要的TNT炸藥當(dāng)量，單位kg。

E1——沖擊波形式轉(zhuǎn)化的爆炸能量；

4.5 ×103kJ/kg為單位TNT炸藥爆炸的平均能量[1]。

表2 沖擊波超壓對(duì)建筑的破壞作用[2]

通過計(jì)算得到煤氣發(fā)生爐爆炸的TNT當(dāng)量W為1.285kg，得到?jīng)_擊波能量E1為5.782×103kJ。

爆炸后煤氣發(fā)生爐就落在原位置附近，因此建立豎直上拋問題模型，初始動(dòng)能E2轉(zhuǎn)化為勢(shì)能W1，按下式（6）計(jì)算。計(jì)算得到拋出部分爐體的能量W1，初始的動(dòng)能近似等于拋出物體的勢(shì)能E2，取E2=W1。

式中：

g——重力加速度9.8m/s2；

m——煤氣發(fā)生爐、附屬管道以及集汽包質(zhì)量kg。煤氣發(fā)生爐被整體上拋，質(zhì)量數(shù)據(jù)來自整體起吊時(shí)吊車的重量顯示，為7000kg。

h——煤氣發(fā)生爐重心在爆炸過程中所達(dá)到的最大高度值m。筆者發(fā)現(xiàn)煤氣發(fā)生爐上拋過程中，對(duì)其配套煙囪的上部造成了一定損傷，并借此估算了上拋的高度為10m。

計(jì)算得到拋出部分爐體的能量：W1=mgh =7000×9.8×10=6.86×102kJ。初始的動(dòng)能近似等于拋出物體的勢(shì)能，取E2=W1=6.86×102kJ。

現(xiàn)場(chǎng)沖擊波能量和勢(shì)能的總和為E1+E2=5.782× 103+6.86×102=6.468×103kJ,爆炸時(shí)飽和水釋放的總能量E=7.46×103kJ。由此可見飽和水爆炸能量與現(xiàn)場(chǎng)破壞能量相當(dāng)。

1.3 事故總結(jié)

事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該煤氣發(fā)生爐沒有基本的操作規(guī)程和安全管理制度，操作人員進(jìn)行了在非停爐狀態(tài)下水位表維修、關(guān)閉進(jìn)水閥的違章操作，暴露出煤氣發(fā)生爐安全管理、運(yùn)行方面存在的漏洞，最終導(dǎo)致煤氣發(fā)生爐爆炸事故。

2 煤氣發(fā)生爐現(xiàn)狀

通過事故的分析總結(jié)，結(jié)合事故后全省部分地區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)察機(jī)構(gòu)邀請(qǐng)筆者單位所開展的相關(guān)安全檢查，筆者認(rèn)為目前在用的煤氣發(fā)生爐在安全管理和能效方面存在以下主要問題：

1）操作人員技術(shù)水平低，安全意識(shí)薄弱。多數(shù)煤氣發(fā)生爐操作人員學(xué)歷較低，沒有經(jīng)過相關(guān)的操作培訓(xùn)，不了解煤氣發(fā)生爐的基本工作原理，特別對(duì)于煤氣及煤氣發(fā)生爐的爆炸危險(xiǎn)性缺乏認(rèn)識(shí)；

2）使用單位管理制度缺失，崗位職責(zé)不明。多數(shù)煤氣發(fā)生爐使用單位沒有制定管理制度，特別是沒有操作規(guī)程，或者操作規(guī)范流于形式；煤氣發(fā)生爐的管理、操作、維護(hù)等崗位職責(zé)不明確；

3）設(shè)備本身液位監(jiān)控薄弱，低水位報(bào)警缺失。部分煤氣發(fā)生爐液位計(jì)安裝位置過高或液位計(jì)處光線昏暗，導(dǎo)致液位觀測(cè)困難；部分煤氣發(fā)生爐僅采用浮球閥調(diào)整液位，液位無法得到有效監(jiān)控；甚至有個(gè)別煤氣發(fā)生爐未設(shè)置液位計(jì)，使得液位完全處于失控狀態(tài)。大多數(shù)煤氣發(fā)生爐都沒有設(shè)置低水位報(bào)警裝置，設(shè)備的安全聯(lián)鎖功能缺失；

4）煤氣發(fā)生爐產(chǎn)能小，能耗高。煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)和工藝特性，導(dǎo)致了其灰渣含碳量高，煤氣帶粉量高，CO2排放高等問題，煤炭資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重；

5）煤氣發(fā)生爐余熱利用率低，資源浪費(fèi)高。煤氣發(fā)生爐的煤氣出口溫度較高，一段式煤氣發(fā)生爐出口溫度超過500℃, 兩段式煤氣發(fā)生爐出口溫度超過450℃，這部分余熱沒有得到有效利用。煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的高溫灰渣直接進(jìn)入煤渣盤的水封中，也浪費(fèi)了灰渣顯熱。同時(shí)蒸汽分解率低，蒸汽潛熱無法回收。

3 改進(jìn)建議及對(duì)策

針對(duì)上述問題，參照目前特種設(shè)備（蒸汽鍋爐）成功的安全與節(jié)能工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)提出以下改進(jìn)建議和對(duì)策：

1）加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高安全意識(shí)。煤氣發(fā)生爐操作人員應(yīng)經(jīng)培訓(xùn)考核持證上崗；企業(yè)還應(yīng)對(duì)煤氣發(fā)生爐操作人員進(jìn)行專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，提高操作水平及應(yīng)變能力，并對(duì)其進(jìn)行事故警示教育，提高安全意識(shí)。

2）健全管理制度，落實(shí)操作規(guī)程。企業(yè)應(yīng)建立健全煤氣發(fā)生爐崗位安全生產(chǎn)責(zé)任制和安全管理制度，包括隱患排查治理、教育培訓(xùn)考核、崗位運(yùn)行檢查、檢維修管理等，并建立健全各崗位安全操作規(guī)程、臺(tái)賬等，同時(shí)落實(shí)制度規(guī)程上墻。

3）加強(qiáng)液位監(jiān)控，設(shè)置低水位報(bào)警。應(yīng)確保每臺(tái)煤氣發(fā)生爐設(shè)置液位計(jì)并方便觀察，同時(shí)定期對(duì)液位計(jì)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保持清晰可讀。對(duì)光線昏暗處應(yīng)該設(shè)置足夠強(qiáng)度的照明。有條件的企業(yè)應(yīng)該設(shè)置缺水報(bào)警裝置，有效杜絕缺水隱患。

4）加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，防止金屬超溫。煤氣發(fā)生爐夾套內(nèi)部的水垢堆積會(huì)降低鍋爐傳熱性能，導(dǎo)致金屬超溫，降低材料的強(qiáng)度，因此必須強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)控。爐外水處理是比較好的選擇。

5）優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。為使反應(yīng)更加充分，可從參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化。減小原料煤的粒度，增加反應(yīng)表面積；設(shè)定合適的料層厚度，保證足夠的反應(yīng)時(shí)間；維持足夠的爐溫促使反應(yīng)充分，提高蒸汽分解率。

6）建議政府相關(guān)部門加強(qiáng)監(jiān)管，強(qiáng)制淘汰一批結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高耗能的產(chǎn)品。

[1] 岳勇.淺談水夾套煤氣發(fā)生爐安全管理及質(zhì)量控制[J].工業(yè)爐，2005，27(5)：26-28.

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.安全評(píng)價(jià)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[3] 劉盛平，周曄.鍋爐爆炸沖擊波危害范圍計(jì)算[J].地質(zhì)勘探安全，1998，5(4)：25-26.

[4] 段卓，黃風(fēng)雷.地下彈藥庫爆炸產(chǎn)生的地面空氣沖擊波的估算與數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2001，04：45-49.

Discussion on the Safety and Energy Efficiency of the Gas Generator

Cheng Defang Zhong fengping
(Zhejiang Special Equipment Inspection and Research Institute Hangzhou 310020)

An explosion accident of coal-gas producer was analyzed in this article. Then, the current security status of coal-gas producers was discussed and the suggestions to improve the safety management and energy efficiency of coal-gas producers were proposed.

Coal-gas producer Fault analysis Safety management Energy efficiency improvement

X933.2

B

1673-257X(2015)10-0059-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.015

成德芳(1964～),男，本科，教授級(jí)高工，長(zhǎng)期從事鍋爐檢驗(yàn)、安全評(píng)估和節(jié)能科研等工作。

2015-07-22）