煤化工項(xiàng)目高層封閉氣化廠房通風(fēng)次數(shù)探討

張曉陽

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

某項(xiàng)目是以煤為原料生產(chǎn)合成氣的煤化工項(xiàng)目，采用粉煤加壓氣化技術(shù)?？紤]到工藝操作豎向生產(chǎn)的要求和工藝裝置基本參數(shù)，氣化廠房設(shè)計(jì)成15層，為型鋼混凝土+鋼結(jié)構(gòu)框架，建筑高度78 m；同時(shí)，該地區(qū)氣候嚴(yán)寒，近年月平均最低氣溫為-23℃，采暖期從10月到次年4月，受氣候條件限制，為滿足安全生產(chǎn)的要求，須設(shè)計(jì)成全封閉式廠房。這類廠房如何確定合理的通風(fēng)次數(shù)，降低廠房起火爆炸的危險(xiǎn)，達(dá)到保證整個(gè)廠房及設(shè)備和巡檢人員安全的目的，顯得尤為重要。

1 粉煤氣化技術(shù)流程及危險(xiǎn)介質(zhì)概述

本項(xiàng)目煤氣化過程的主要原料是煤粉和高壓純氧。它們進(jìn)入氣化爐內(nèi)后，在1400℃，4.7 MPa的高溫、高壓條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成CO、CO2、H2、H2O和少量的CH4、H2S等混合氣。H2、CH4、H2S的火災(zāi)危險(xiǎn)類別為“甲類”；CO的火災(zāi)危險(xiǎn)類別為“乙類”。

該項(xiàng)目的煤粉粒徑約為95μm，粉煤的引燃溫度為590℃。泄露的干燥煤粉堆積起來很容易被引燃或者自然，若煤粉被風(fēng)揚(yáng)起形成煤粉塵云，遭遇明火將會(huì)發(fā)生爆炸，其產(chǎn)生的爆炸能量大，破壞性強(qiáng)，通常還會(huì)導(dǎo)致二次爆炸。所以氣化廠房屬于甲類廠房，其中包括大量的易燃、易爆和毒性物質(zhì)，一旦泄漏，可能發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒或窒息事故，引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，將對(duì)廠區(qū)和周邊產(chǎn)生較大影響。該項(xiàng)目廠房?jī)?nèi)主要危險(xiǎn)介質(zhì)性質(zhì)見表1。

表1 主要危險(xiǎn)介質(zhì)性質(zhì)

2 廠房?jī)?nèi)存在大量設(shè)備及閥門

此煤氣化廠房?jī)?nèi)的主要物料屬于甲、乙類，生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，高溫高壓設(shè)備多，且有大量閥門，危險(xiǎn)介質(zhì)釋放源多(二級(jí)釋放源)，整個(gè)裝置所在廠房都為防爆區(qū)。尤其是本廠房為封閉設(shè)計(jì)，可燃 氣體介質(zhì)容易聚集，遇到明火極其容易發(fā)生燃燒甚至爆炸的情況。在裝置投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，由于設(shè)計(jì)原因、設(shè)備儀表故障、操作失誤以及安全維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?，存在一定的泄露風(fēng)險(xiǎn)。

3 封閉的廠房使得危險(xiǎn)介質(zhì)容易聚集

該裝置為甲類，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大，此類裝置的廠房通常不作封閉設(shè)計(jì)。但該項(xiàng)目所在地屬于寒冷地區(qū)，歷年最冷月份平均最低氣溫為-23℃，極端最低氣溫-34℃。氣化裝置每隔一段時(shí)間需要更換燒嘴，氣化爐需在熱備狀態(tài)甚至停車，如遇到在寒冷天氣進(jìn)行此類工作，會(huì)影響正常運(yùn)行，甚至造成設(shè)備及管道因溫度低而凍裂、凍壞等問題。嚴(yán)寒的天氣還會(huì)帶來設(shè)備損壞，儀表的指示不準(zhǔn)確乃至損壞，這會(huì)給正常產(chǎn)生帶來很大的安全隱患，使整個(gè)生產(chǎn)裝置的操作負(fù)荷及彈性降低，進(jìn)而影響到全廠區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)行。基于以上原因，煤氣化廠房在寒冷地區(qū)需作封閉設(shè)計(jì)。封閉的廠房?jī)?nèi)空氣流通不暢，降低了可能泄露出來的粉煤及其他危險(xiǎn)介質(zhì)的擴(kuò)散速率，使其更容易積聚，對(duì)廠房泄爆也帶來不利影響。

4 廠房防火分區(qū)的劃分復(fù)雜

氣化裝置部分設(shè)備體積大，在廠房?jī)?nèi)豎向布置，會(huì)貫穿2～3層樓板，這就導(dǎo)致了廠房?jī)?nèi)局部為兩層或者三層是貫通的，使得防火分區(qū)劃分難度大。該項(xiàng)目廠房某個(gè)防火分區(qū)并不只是同一樓層，而是兩層或者三層的部分空間為一個(gè)防火分區(qū)。該項(xiàng)目防火分區(qū)劃分見圖1。這樣的防火分區(qū)劃分增大了部分防火分區(qū)的體積，擴(kuò)大了發(fā)生火災(zāi)后可能蔓延到的區(qū)域，增大了危險(xiǎn)介質(zhì)影響的范圍，加大了廠房?jī)?nèi)泄露的危險(xiǎn)介質(zhì)發(fā)生燃燒、爆炸的可能性。

5 廠房通風(fēng)量的計(jì)算

5.1 計(jì)算依據(jù)

5.1.1 氣化廠房防火分區(qū)的劃分

該項(xiàng)目氣化廠房共有11個(gè)防火分區(qū)，防火分區(qū)劃分見圖1，每個(gè)防火分區(qū)體積見表2。

根據(jù)《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]HG/T20698-2009計(jì)算了氣化廠房?jī)?nèi)有氣體(一氧化碳、氫氣)泄露風(fēng)險(xiǎn)的防火分區(qū)所需的通風(fēng)次數(shù)。

表2 氣化廠房防火分區(qū)體積

其中氣化廠房有氣體(一氧化碳、氫氣)泄露風(fēng)險(xiǎn)的防火分區(qū)為4、6分區(qū)。

5.1.2 根據(jù)有害氣體散放量計(jì)算通風(fēng)量

根據(jù)《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T20698-2009附錄B：按車間衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)確定稀釋通風(fēng)量，按式1計(jì)算：

24.45×W×K×106

(1)

式中：L——通風(fēng)量，m3/h；

W——車間內(nèi)有害氣體放散量，kg/h；

當(dāng)不能確定時(shí)，可參考表3計(jì)算；

M——有害物質(zhì)分子量；

K——風(fēng)量修正系數(shù)，其取值范圍為3～11，由車間內(nèi)稀釋通風(fēng)氣流組織有效性和有害物危害程度兩個(gè)因素確定?？蓞⒖急?確定。

表3 化工車間有害物質(zhì)泄露放散量估算指標(biāo)

表4 風(fēng)量修正系數(shù)K值

5.1.3 根據(jù)爆炸性氣體散放量計(jì)算通風(fēng)量

根據(jù)《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T20698-2009附錄F：按爆炸性氣體的放散量及其操作下限計(jì)算通風(fēng)量，按式1計(jì)算：

(2)

式中：L——通風(fēng)量，m3/h；

W——危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)爆炸性氣體最大放散量，kg/h；

LEL——危險(xiǎn)場(chǎng)所沒爆炸性氣體的爆炸下限，mg/m3；應(yīng)按照表3確定。表中LEL體積百分比數(shù)值按下式換算：

LEL(mg/m3)=0.416×103×M×LEL(體積百分比)；

K——安全系數(shù)，數(shù)值最小取4，即將爆炸性氣體濃度稀釋至爆炸下限的25%；

T——環(huán)境溫度，K；

M——爆炸性氣體的分子量；

5.2 計(jì)算過程(以氣化廠房第4防火分區(qū)為例計(jì)算)

5.2.1 以有害氣體散放量計(jì)算通風(fēng)量

該分區(qū)內(nèi)有閥門13個(gè)，法蘭33片，根據(jù)1.1中表3計(jì)算氣體散放量：

W=21.3×13+0.23×33=284.49g/h；

因廠房為封閉的，廠房?jī)?nèi)通風(fēng)狀況一般，CO為高度危害，查詢表4可確定K值取8；CO為有害氣體，M值為28；TLV查詢表5值為35。

表5 車間空氣中有害物質(zhì)容許濃度

氣化廠房第4分區(qū)體積為6475m3，則通風(fēng)次數(shù)為：

n=56781.88/6475=8.77次。

氣化廠房?jī)?nèi)泄漏氣體為粗合成氣，其組分為31.35%CO、13.17%H2(濕基)，其中CO為有害氣體，則所需的通風(fēng)次數(shù)n1=n×0.3135=8.77×0.3135=2.75次。

5.2.2 以爆炸性氣體散放量計(jì)算通風(fēng)量

W根據(jù)2.1計(jì)算結(jié)果為284.49g/h；

K取值為4；

LEL為爆炸性氣體的爆炸下限，CO和H2均為爆炸性氣體，查詢表6可知，H2的爆炸下限更低，則LEL取值3.4X103；

環(huán)境溫度T取值20℃，即293

氣化廠房第2分區(qū)體積為6475m3，則通風(fēng)次數(shù)為：

n=334.69/6475=0.05次。

5.3 計(jì)算結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T20698-2009計(jì)算分區(qū)泄漏量、所需通風(fēng)量及通風(fēng)次數(shù)，結(jié)果如表7、表8。

表6 可燃性氣體和蒸汽的數(shù)據(jù)

表7 氣化廠房按車間衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算通風(fēng)次數(shù)

表8 氣化廠房按爆炸性氣體的放散量及其爆炸下限計(jì)算通風(fēng)次數(shù)

比較兩種不同標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，選取較大的通風(fēng)次數(shù)9次/小時(shí)，可以滿足要求。

6 總結(jié)

(1)廠房?jī)?nèi)設(shè)置有可燃有毒氣體探測(cè)器，可以監(jiān)控一氧化碳和氫氣泄露的情況，同時(shí)在廠房布置防爆型手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕，將可燃有毒探測(cè)器與事故通風(fēng)進(jìn)行連鎖，在監(jiān)測(cè)到火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)立即開啟通風(fēng)。

(2)煤氣化廠房?jī)?nèi)磨煤、輸煤及氣化工段均有煤粉，在其泄露后，通風(fēng)的效果會(huì)加大煤粉塵的擴(kuò)散速率，造成更大危害。清除廠房?jī)?nèi)的散落煤粉對(duì)氣化廠房的安全也是十分重要的，本項(xiàng)目設(shè)置了真空除塵系統(tǒng)。在每層樓預(yù)留了除塵系統(tǒng)接口，在有除塵需求的時(shí)候，將軟管接至除塵系統(tǒng)，可將散落的煤粉收集起來運(yùn)至室外。

(3)氣化裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中危險(xiǎn)介質(zhì)的泄露具有很大的不確定性，稀釋有毒危害氣體的廠房通風(fēng)次數(shù)一般按照《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)定》附錄C的規(guī)定確定。