煤氣化裝置消防安全設(shè)計(jì)探討

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(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

煤氣化裝置消防安全設(shè)計(jì)探討

彭愛(ài)軍，龍?chǎng)?/p>

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

以實(shí)際工程為例，分析探討了煤氣化裝置在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和消防安全審查中存在的問(wèn)題，提出了后續(xù)煤氣化裝置設(shè)計(jì)建議，有助于后續(xù)煤氣化裝置的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)改造，以更好地滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、消防安全、運(yùn)行等方面的要求。

煤氣裝置；消防安全；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)已經(jīng)建成運(yùn)行和正在建設(shè)的大型煤氣化裝置有幾十套，代表性的煤氣化技術(shù)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(huán)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(guó)內(nèi)化工行業(yè)重特大安全事故頻發(fā)，煤氣化成為國(guó)家安監(jiān)總局公布的重點(diǎn)危險(xiǎn)化工工藝目錄之一，給已建成和正在實(shí)施的煤氣化裝置帶來(lái)前所未有的消防安全設(shè)計(jì)壓力。本文通過(guò)對(duì)幾個(gè)典型的煤氣化裝置在生產(chǎn)運(yùn)行和消防設(shè)計(jì)審查及整改過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析探討，提出了煤氣化裝置在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何更好地滿足國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，幫助其順利通過(guò)當(dāng)?shù)叵腊踩珜彶楹脱b置驗(yàn)收。

1 國(guó)內(nèi)煤氣化裝置的發(fā)展現(xiàn)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(guó)內(nèi)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(jiàn)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(jiàn)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(guó)內(nèi)煤氣化裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)歷十多年的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)的煤化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了一場(chǎng)新的革新高潮，有力推動(dòng)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)品及技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)。從目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)行和正在建設(shè)的煤氣化裝置數(shù)量來(lái)看，國(guó)外引進(jìn)工藝技術(shù)和國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的技術(shù)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(shù)才剛剛起步。煤氣化主要應(yīng)用于煤制合成氨、煤制甲醇、煤制烯烴(氫氣)、煤制合成油(精細(xì)化學(xué)品)、煤制天然氣和煤制乙二醇項(xiàng)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(guī)模。根據(jù)實(shí)際情況，在消防安全設(shè)計(jì)方面呈現(xiàn)以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)。

(1)由于裝置生產(chǎn)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(xiàng)目中的氣化框架(見(jiàn)圖3)，其高度為86.5 m，單層建筑面積已達(dá)3 350 m2。

圖3 氣化框架立面

(2)因?yàn)槊簹饣蚣艿奶厥庑?，將其火?zāi)危險(xiǎn)性類別是歸于甲類還是乙類，以及是按高層廠房建筑物設(shè)計(jì)還是按大型設(shè)備支承框架構(gòu)筑物設(shè)計(jì)這兩方面存在嚴(yán)重的差異。由于煤氣化裝置所處地區(qū)采用的原料煤種含碳量和揮發(fā)分等不同，干粉煤氣化裝置生產(chǎn)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(jì)算出來(lái)的混合氣體爆炸極限來(lái)看，大部分煤氣化裝置粗合成氣的火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于乙類，少數(shù)煤氣化裝置粗合成氣的火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于甲類。因此，國(guó)內(nèi)有些工程公司將煤氣化框架的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別定為乙類，但按甲類進(jìn)行防火設(shè)計(jì)；有些將煤氣化框架的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別定為甲類，但將煤氣化框架視為大型構(gòu)筑物，以規(guī)避甲類廠房的高度和層數(shù)限制。

(3)許多建設(shè)在新疆、內(nèi)蒙古和寧夏等地區(qū)的煤氣化裝置，因受當(dāng)時(shí)氣候條件的影響，對(duì)氣化框架采取了局部全封閉或半封閉的設(shè)計(jì)。

(4)煤化工裝置大型化是目前國(guó)內(nèi)煤化工項(xiàng)目的一種發(fā)展趨勢(shì)。從已經(jīng)投入生產(chǎn)或開(kāi)工建設(shè)的項(xiàng)目來(lái)看，單套投煤量已經(jīng)從1 000 t/d發(fā)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(fā)展到了2套、3套或4套氣化爐同時(shí)布置于同一框架內(nèi)。

(5)我國(guó)的相關(guān)規(guī)范(如GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》)滯后于煤化工裝置大型化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀，新起草編制多年的《煤化工工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》遲遲未審批發(fā)布，加劇了煤氣化裝置的安全設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

2 煤氣化裝置安全設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

2.1 當(dāng)前煤氣化裝置中典型消防安全設(shè)計(jì)措施

(1)備煤框架的消防安全設(shè)計(jì)。 因工藝生產(chǎn)的需要，干煤粉氣化工藝的備煤框架中使用的火災(zāi)危險(xiǎn)類別為甲類的LPG、LNG或合成氨裝置燃料尾氣的熱風(fēng)爐與火災(zāi)類別為乙類的煤粉設(shè)備(磨煤機(jī)系統(tǒng))共框架布置，磨機(jī)系統(tǒng)的主電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到粉塵防爆，在磨煤機(jī)與熱風(fēng)爐之間增設(shè)防火隔離墻。同時(shí)，考慮到磨機(jī)定位處于氣化框架氣體防爆分區(qū)的附加2區(qū)，特將磨機(jī)所在地坪抬高600 mm，以滿足GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.3.5(2)“對(duì)于可燃物質(zhì)比空氣重的爆炸性氣體環(huán)境，位于爆炸危險(xiǎn)附加2區(qū)的變電所、配電所和控制室的電氣和儀表的設(shè)備層地面應(yīng)高出室外地面0.6 m”的要求(見(jiàn)圖4)。

圖4 備煤框架立面圖

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)乙類高層廠房最大防火分區(qū)面積≤2 000 m2的要求，在熱風(fēng)爐與磨煤機(jī)之間及局部樓層設(shè)置防火墻，各防火分區(qū)間設(shè)有甲級(jí)防火門(mén)?？蚣苋忾]的樓梯間設(shè)計(jì)防火門(mén)斗并配置感煙探測(cè)器。框架內(nèi)僅在生產(chǎn)介質(zhì)類別為戊類的稱重給煤機(jī)層和煤運(yùn)皮帶層的區(qū)域設(shè)置全圍護(hù)封閉結(jié)構(gòu)，以方便北方地區(qū)冬季的檢修。

(2)氣化框架的消防安全設(shè)計(jì)。 根據(jù)氣化框架和備煤框架的火災(zāi)危險(xiǎn)類別，此前少數(shù)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(cè)增加防火卷簾進(jìn)行分隔的措施，如中國(guó)五環(huán)工程有限公司設(shè)計(jì)的大唐煤制烯烴項(xiàng)目中的煤氣化裝置，其黑水處理框架與過(guò)濾框架之間增設(shè)防火墻，解決了兩個(gè)廠房之間防火間距不夠的問(wèn)題；又如中國(guó)寰球工程公司設(shè)計(jì)的寧煤間接液化項(xiàng)目中的黑水閃蒸框架，對(duì)單層防火分區(qū)面積超過(guò)2 000 m2的框架，均可通過(guò)增設(shè)防火墻進(jìn)行分隔，同時(shí)設(shè)計(jì)消防電梯，滿足規(guī)范中有關(guān)防火安全設(shè)計(jì)的要求。

2.2 煤氣化裝置安全設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

(1)從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有運(yùn)行的煤氣化裝置來(lái)看，兩臺(tái)或多臺(tái)氣化爐布置于同一框架已經(jīng)成為一種必然發(fā)展趁勢(shì)。例如神華寧夏煤制烯烴項(xiàng)目的GSP煤氣化裝置、河南龍宇二期醋酸項(xiàng)目五環(huán)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(xì)化學(xué)品項(xiàng)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(shè)的神華寧煤煤炭間接液化項(xiàng)目是四系列氣化爐布置在同一氣化框架。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，各系列氣化爐互為備用，且采用獨(dú)立進(jìn)出工藝物料的流程，其實(shí)際開(kāi)車、停車、運(yùn)行和檢修均為獨(dú)立完成，并聯(lián)運(yùn)行。這種操作運(yùn)行模式有別于GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中第2.0.11條關(guān)于可以集中布置聯(lián)合裝置的定義：由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立裝置集中緊湊布置，且裝置間直接進(jìn)料，無(wú)供大修設(shè)置的中間原料儲(chǔ)罐，其開(kāi)工或停車檢修等均同步進(jìn)行，視為一套裝置[4]。因此，目前氣化框架中同時(shí)布置兩個(gè)系列氣化爐并不符合上述規(guī)范中提到的聯(lián)合裝置的概念，不能實(shí)現(xiàn)各系列氣化爐同開(kāi)同停的操作，存在安全隱患[3]。

(2)國(guó)內(nèi)北方的煤氣化裝置，從冬季檢修環(huán)境的考慮出發(fā)，用戶要求備煤、氣化和黑水處理框架的部分火災(zāi)類別為乙類的防火分區(qū)進(jìn)行全封閉或半封閉設(shè)計(jì)，為后續(xù)消防設(shè)計(jì)審查驗(yàn)收和運(yùn)行帶來(lái)了極大的麻煩和安全隱患。如內(nèi)蒙古的某一煤化工項(xiàng)目煤氣化裝置，由于對(duì)氣化框架做了全圍護(hù)施工，結(jié)果導(dǎo)致不能通過(guò)當(dāng)?shù)叵啦块T(mén)的安全驗(yàn)收，要求進(jìn)行全部拆除并整改。其原因是當(dāng)?shù)叵啦块T(mén)煤氣化框架的封閉設(shè)計(jì)不符合GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.6.1條規(guī)定：有爆炸危險(xiǎn)的甲、乙類廠房宜獨(dú)立設(shè)置，并宜采用敞開(kāi)或半敞開(kāi)式。這對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度、費(fèi)用和相關(guān)方造成了很大的影響。

(3)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)整個(gè)煤氣化框架中備煤、氣化和黑水閃蒸框架的建構(gòu)筑物的認(rèn)知存在較大偏差。國(guó)內(nèi)部分正在實(shí)施的煤氣化框架被認(rèn)為是大型設(shè)備支承平臺(tái)，屬于構(gòu)筑物，尤其是氣化框架的鋼結(jié)構(gòu)層是設(shè)備支承框架和操作平臺(tái)，設(shè)計(jì)只需滿足GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》 中對(duì)于設(shè)備構(gòu)架或平臺(tái)的安全疏散等消防設(shè)計(jì)要求即可，尤其是氣化框架的鋼結(jié)構(gòu)層，設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有執(zhí)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》相關(guān)高層廠房的設(shè)計(jì)要求。

2.3 煤氣化裝置消防安全審查中的典型意見(jiàn)

以下是對(duì)煤氣化裝置在消防安全設(shè)計(jì)審查中的幾個(gè)典型審查意見(jiàn)，筆者建議應(yīng)該執(zhí)行并盡早修正設(shè)計(jì)文件。

(1)氣化框架未設(shè)置消防電梯，不符合GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第7.3.3條規(guī)定：建筑高度大于32 m且設(shè)置電梯的高層廠房，每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)宜設(shè)置1臺(tái)消防電梯。

(2)氣化框架疏散樓梯未設(shè)置防爆門(mén)斗，不符合GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.6.10條規(guī)定：有爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的樓梯間，室外樓梯或有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域與相鄰區(qū)域連通處，應(yīng)設(shè)置門(mén)斗等防護(hù)措施。

(3)框架中防煙樓梯間，僅前室設(shè)置了煙感探測(cè)器，樓梯間未設(shè)置。

(4)框架樓梯間的門(mén)均為乙級(jí)防火門(mén)，且未設(shè)置門(mén)斗，不符合GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.6.10條之規(guī)定。

3 煤氣化裝置消防安全設(shè)計(jì)的建議

(1)對(duì)于兩臺(tái)或兩臺(tái)以上氣化爐布置于同一框架的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)目前無(wú)明確設(shè)計(jì)依據(jù)的情況，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期啟動(dòng)專家評(píng)審。如神華寧煤煤炭間接液化項(xiàng)目，就針對(duì)此問(wèn)題形成了專家意見(jiàn)：“考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型煤化工裝置的特殊性和已建成的煤化工裝置的實(shí)際情況，且參考中石化普光氣田項(xiàng)目中12套脫硫裝置的設(shè)計(jì)原則，可將4臺(tái)氣化爐集中布置在一個(gè)框架中。由于生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)框架里可能會(huì)出現(xiàn)有的氣化爐在運(yùn)行、有的氣化爐在動(dòng)火檢修的情況。因此，應(yīng)加強(qiáng)安全檢測(cè)手段(如可燃?xì)怏w探測(cè))、消防冷卻噴淋等消防安全措施，同時(shí)在生產(chǎn)管理中加強(qiáng)相應(yīng)的安全監(jiān)督和檢查。”這樣為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，規(guī)避了設(shè)計(jì)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

(2)近幾年來(lái)，由于化工領(lǐng)域的安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，并且從許多項(xiàng)目的當(dāng)?shù)卣涝O(shè)計(jì)審查意見(jiàn)分析來(lái)看，均提出煤氣化框架按建筑物不應(yīng)按構(gòu)筑物，且應(yīng)執(zhí)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定：乙類高層廠房(耐火等級(jí)為一級(jí))，每層最大允許建筑面積為2 000 m2，同時(shí)要按防火分區(qū)設(shè)計(jì)消防通道、消防電梯、防火門(mén)斗等消防設(shè)施[5]。這樣以便順利通過(guò)后續(xù)消防設(shè)計(jì)的審查和驗(yàn)收。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的相關(guān)規(guī)范(如《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》)滯后于煤化工領(lǐng)域裝置大型化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)合規(guī)性的風(fēng)險(xiǎn)日益明顯，急需在規(guī)范升版時(shí)從實(shí)際出發(fā)解決這些問(wèn)題。建議新起草編制多年的《煤化工工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》盡早發(fā)布，明確煤氣框架的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別和建構(gòu)筑物屬性，讓防火設(shè)計(jì)做到有據(jù)可依，以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)結(jié)合眾多煤氣化裝置的消防審查意見(jiàn)，筆者認(rèn)為，將氣化框架的氣化爐支承層EL38.5 m以上鋼結(jié)構(gòu)層按設(shè)備構(gòu)架或操作平臺(tái)開(kāi)展有關(guān)消防的設(shè)計(jì)不妥，氣化框架的鋼結(jié)構(gòu)層與混凝土層應(yīng)執(zhí)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。建議按照GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》有關(guān)乙類高層廠房的要求開(kāi)展防火設(shè)計(jì)較為穩(wěn)妥。

[1]汪家銘.SES煤氣化技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用[J].化肥設(shè)計(jì)，2010，48(5)：14.

[2]汪壽建.國(guó)內(nèi)外新型煤化工及煤氣化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2011，49(1)：3-4.

[3]段中華，張洪偉.大型化工聯(lián)合裝置防火設(shè)計(jì)的合規(guī)性分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2014，52(3)：23-24.

[4]GB 50160—2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[5]GB 50016—2014,建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)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(ài)軍(1974年—)，湖南祁陽(yáng)人，1996年畢業(yè)于鄭州工業(yè)大學(xué)化工工藝專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事壓力管道的設(shè)計(jì)與管理工作。