●陳志平

(呼倫貝爾市消防支隊，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008)

(本欄責任編輯、校對 馬 龍 李 蕾)

我國獨特的“富煤、貧油、少氣”的能源國情決定了我國在發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)方面具有明顯的煤炭資源優(yōu)勢。特別是近年來由于世界性的油氣價格上揚，使得煤制甲醇、煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制二甲醚等以生產(chǎn)潔凈能源產(chǎn)品和替代石油產(chǎn)品為主的新型煤化工產(chǎn)業(yè)，在我國能源的可持續(xù)利用中扮演了重要角色。發(fā)展煤化工離不開煤合成氣的制備，煤氣化就是制備煤合成氣的必要手段。目前，國內(nèi)外采用的煤氣化技術(shù)主要有:常壓固定床間歇式無煙煤(或焦炭)氣化技術(shù)、常壓固定床無煙煤(或焦炭)富氧連續(xù)氣化技術(shù)、魯奇固定床煤加壓氣化技術(shù)、灰熔聚煤氣化技術(shù)、恩德粉煤氣化技術(shù)、GE水煤漿加壓氣化技術(shù)、多元料漿加壓氣化技術(shù)、多噴嘴(四燒嘴)水煤漿加壓氣化技術(shù)、Shell干煤粉加壓氣化技術(shù)、GSP干煤粉加壓氣化技術(shù)、兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)、四噴嘴對置式干粉煤加壓氣化技術(shù)等。恩德粉煤氣化技術(shù)是新型粉煤氣化技術(shù)，與其他粉煤氣化技術(shù)相比，具有煤源豐富、價廉、氣化強度高、運行可靠、煤氣凈化工藝簡單、不污染環(huán)境、投資少和操作成本低等優(yōu)點。不僅可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)工業(yè)燃氣，而且可為化肥廠和甲醇廠生產(chǎn)合成原料氣提供良好的制氣工藝。本文通過分析呼倫貝爾東能化工有限公司年產(chǎn)120萬噸甲醇、30萬噸二甲醚恩德爐煤氣化工藝的火災(zāi)危險性，對恩德爐煤氣化工藝的防火設(shè)計進行研究。

1 工程工藝概況

呼倫貝爾東能化工有限公司年產(chǎn)120萬噸甲醇、30萬噸二甲醚項目生產(chǎn)工藝由煤制甲醇工藝和甲醇制二甲醚工藝兩部分組成。煤制甲醇工藝過程為:經(jīng)干燥脫水后的褐煤由輸煤系統(tǒng)送恩德爐煤氣化裝置制成合成氣，合成氣經(jīng)過氣柜、脫硫、電除塵等工序脫除所含的粉塵、焦油、硫泡沫等雜質(zhì)，再經(jīng)過壓縮機加壓后送變換工序，經(jīng)過氣體變換反應(yīng)，調(diào)整氣體成分，然后經(jīng)過脫碳工序脫除氣體中的CO2，再經(jīng)過精脫硫工序脫除氣體中的硫，得到合格的合成氣。合成氣再經(jīng)過壓縮機壓縮至甲醇合成所需的壓力后送甲醇合成塔進行甲醇合成，反應(yīng)氣經(jīng)冷卻、分離得到粗甲醇，粗甲醇經(jīng)精餾后得到精甲醇產(chǎn)品。甲醇制二甲醚采用甲醇氣相催化脫水二甲醚工藝技術(shù)，以甲醇為原料，在一定溫度、壓力及催化劑的作用下，脫水生成二甲醚，反應(yīng)產(chǎn)物中的主要組成為二甲醚、甲醇和水。經(jīng)精餾塔分離得到二甲醚。

2 火災(zāi)危險性分析

2.1 輸煤系統(tǒng)

煤粉儲運設(shè)備體系龐大，內(nèi)部煤粉量多，一旦發(fā)生泄漏，可能形成大范圍的粉塵云。由于該生產(chǎn)工藝采用的褐煤揮發(fā)分含量大，粒度較小，易被引燃、自燃及爆炸。氣化廠房存在多種高溫設(shè)備、金屬管道及電氣設(shè)備，高溫設(shè)備、靜電火花、電火花等均可能引發(fā)泄漏出的煤粉爆炸。煤粉著火或爆炸事故對人身及設(shè)備的危害主要有以下幾個方面:(1)煤粉著火，倉溫升高，粉倉結(jié)構(gòu)強度下降。若煤粉倉內(nèi)的惰化保護不好，氧含量超過設(shè)定值，粉倉內(nèi)煤粉易產(chǎn)生緩慢氧化，溫度上升，尤其是在事故停機、煤粉倉粉位較高情況下問題更加突出。鋼板煤粉倉在300～400℃以上時，強度急驟下降，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土煤粉倉，其耐火極限也只有50min，倉內(nèi)煤粉著火會對設(shè)備造成破壞。同時，煤粉燃燒產(chǎn)生的CO、CO2向外擴散，使人窒息或?qū)е麓紊馂?zāi)。(2)煤粉爆炸形成的沖擊波可能導(dǎo)致墻倒、頂掀、發(fā)生火災(zāi)等次生災(zāi)害，會傷到人身安全，破壞建筑物。同可燃性氣體爆炸相比，粉塵爆炸壓力上升較緩慢，較高壓力持續(xù)時間長，釋放的能量大，破壞力也強。粉塵爆炸往往還會引起二次爆炸，二次爆炸時粉塵濃度一般比一次爆炸高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。(3)粉塵爆炸時溫度高，有的可高達2 000～3 000℃，對周圍建筑物或人群造成嚴重的高溫輻射破壞或傷害。(4)由于本項目氣化廠房的煤粉儲運設(shè)備與氣化爐、氣體輸送設(shè)備之間未有任何分隔設(shè)施，煤粉發(fā)生爆炸后可能會破壞氣化爐和氣體輸送設(shè)備，導(dǎo)致合成氣及純氧泄漏，進一步引發(fā)氣體爆炸，增大事故后果和影響范圍，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

2.2 煤氣化系統(tǒng)

煤氣化廠房為高層建筑廠房，工藝過程存在高溫，存在CO、H2、煤粉、純氧等易燃易爆危險性介質(zhì)。與傳統(tǒng)的單層或多層甲乙類廠房相比，由于生產(chǎn)規(guī)模大，設(shè)備高，一旦發(fā)生燃燒、爆炸，破壞力強，影響范圍大。同時，高層氣化廠房火災(zāi)撲救難度大，人員疏散和物質(zhì)搶救困難。(1)氣化爐中，煤粉、氧氣和水蒸氣在高溫下進行反應(yīng)，而且里面的可燃性物質(zhì)也比較多樣和復(fù)雜，有粒徑很細小的煤粉及氧氣，還有經(jīng)過煤氣化反應(yīng)后的粗制合成氣(主要由H2、CO等組成)，一旦發(fā)生泄漏，在這樣的高溫情況下，將會發(fā)生射流火，存在著火災(zāi)爆炸危險性。(2)氣化廠房內(nèi)主要的爆炸危險性氣體為合成氣(主要成分是CO、H2等)，裝置區(qū)內(nèi)的工藝設(shè)備、電氣設(shè)備、工藝管道以及金屬平臺等可能積聚靜電荷，引起火災(zāi)爆炸。(3)如果在生產(chǎn)、儲存、設(shè)備檢修或日常維護等作業(yè)過程中，操作不當或設(shè)備設(shè)施缺陷等原因，有可能會造成合成氣泄漏，聚集在氣化框架內(nèi)的“死角”，與空氣易形成爆炸性混合物，遇到靜電火花等易引發(fā)火災(zāi)。(4)如果在防爆區(qū)域未使用防爆電氣設(shè)備，電氣火花有可能引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。(5)如果電氣焊作業(yè)人員未辦理動火作業(yè)許可證或進行動火作業(yè)時違章操作，作業(yè)前未進行清掃置換，作業(yè)時不注意火源控制，完工后作業(yè)現(xiàn)場未做清理，則容易引發(fā)火災(zāi)爆炸。(6)在管道內(nèi)輸送的液體易產(chǎn)生靜電，如果由于靜電接地不良等原因，泄漏的合成氣等遇到靜電火花，則有可能引發(fā)火災(zāi)爆炸。(7)高壓氧氣管線，純氧高速流動，高壓氧泄漏碰到很小靜電火花就會引爆可燃性混合氣，此外氧氣接觸油脂類可燃物也會引發(fā)火災(zāi)爆炸。(8)雷擊、雷電感應(yīng)或雷電波、摩擦火花等引燃爆炸性氣體。(9)設(shè)備和管道及密封結(jié)構(gòu)質(zhì)量差等，易出現(xiàn)跑、冒、漏等現(xiàn)象，梁板間和空氣不流通的地方容易積聚可燃氣體，遇到火源有發(fā)生火災(zāi)爆炸危險。(10)氣化爐冷卻水不足或干燒易產(chǎn)生爆炸，夾套漏水也可引起爆炸。(11)操作溫度和壓力超過工藝設(shè)備的設(shè)計溫度和壓力，導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至爆炸。

2.3 合成氣凈化系統(tǒng)

當合成氣中含氧量超過2%時，遇到火花或其他激發(fā)能(摩擦、高溫、靜電等)極易發(fā)生惡性爆炸。即使少量氧氣進入煤氣中(1%)，在壓送和除塵等易發(fā)生火花的設(shè)備內(nèi)也可能引起爆炸。氣化爐開車初期，如氣體抽引置換不完全，由于爐溫較低，使進入爐內(nèi)的空氣未全部反應(yīng)，剩余的氧氣則混入合成氣中，易造成過氧爆炸。氣化工段在升溫及開、停車過程中如發(fā)生物料互竄，易引發(fā)火災(zāi)爆炸。

3 工藝防火設(shè)計

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及選材的優(yōu)化設(shè)計

3.1.1 煤氣化設(shè)備內(nèi)件與高溫氣體接觸部分(包括對流管束)均采用冷卻效果較好的水冷壁結(jié)構(gòu)。內(nèi)件選材應(yīng)充分考慮工藝介質(zhì)和氣流的影響。對操作條件比較苛刻的關(guān)鍵部位，應(yīng)采取可靠的保護措施。壓力容器主體材料選用能抗氫腐蝕的材料，其他與氣體接觸的壓力殼體均采用耐熱襯里保護，以使壓力容器得到一個安全備用反應(yīng)時間，避免無法控制的操作失誤(膜式壁破裂)造成壓力容器局部快速升溫。

3.1.2 為防止煤粉倉排放管流速太高，阻力太大而超壓導(dǎo)致爆破片破裂，泄漏大量煤粉，排放管的管徑應(yīng)適當增大。為防止含煤粉的氣流速度過快導(dǎo)致循環(huán)進口管磨損穿孔，對異徑管的結(jié)構(gòu)應(yīng)加以改進，并將直管的管徑進行加厚設(shè)計。為減少粉塵釋放源，輸送煤粉的管道采用無縫焊接，不設(shè)法蘭接口。

3.1.3 氣化爐、合成氣冷卻器、輸氣管、激冷器均設(shè)有水冷壁，以冷卻設(shè)備和合成氣。為防止煤燒嘴過熱被燒穿，燒嘴上設(shè)有冷卻水系統(tǒng)。進入水冷壁和燒嘴冷卻水系統(tǒng)中的冷卻水按一定的流量供應(yīng)，為保證事故狀態(tài)下水的供應(yīng)量應(yīng)設(shè)備用泵和緩沖罐。為及時發(fā)現(xiàn)冷卻水不足及漏水事故，防止設(shè)備超溫發(fā)生爆炸，應(yīng)對溫度、水蒸氣產(chǎn)生量和汽包的液位進行監(jiān)測。

3.1.4 為了防止煤粉流量過低或氧氣流量過高導(dǎo)致氣化爐超溫以及氧氣過剩發(fā)生爆炸，同時防止煤粉流量過高或氧氣流量過低導(dǎo)致氣化爐溫度過低，熔融狀態(tài)的渣體流動性差而堵塞管道發(fā)生事故，應(yīng)對煤粉、氧氣的流速和密度進行嚴密監(jiān)測。通過流量調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)閥保證氣化爐的原料干煤粉和氧氣均按一定的流量和壓力供應(yīng)。

3.2 防火防爆措施

3.2.1 由于煤氣化廠房內(nèi)高溫高壓設(shè)備多，設(shè)備內(nèi)含大量的煤粉和可燃氣體，火災(zāi)危險性高，因此煤氣化工藝的氣化廠房應(yīng)敞開生產(chǎn)，以獲得良好的通風效果，減少泄漏出的煤粉和可燃氣體濃度達到爆炸下限的可能，同時保證良好的泄爆效果，大大減輕爆炸時的破壞強度，避免廠房因主體結(jié)構(gòu)遭受破壞而造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。

3.2.2 在合成氣易泄漏點附近及氣體易聚集的部位應(yīng)分別設(shè)置可燃氣體探測器，在可燃氣體容易聚集且自然通風不暢的部位應(yīng)設(shè)計機械通風裝置，當可燃氣體探測器探測到可燃氣體泄漏時，應(yīng)能聯(lián)動該區(qū)域內(nèi)的通風風機稀釋空氣中有毒、有害和爆炸危險性物質(zhì)的濃度。

3.2.3 氣化廠房中使用的煤粉粒度小，更容易在空氣中懸浮形成爆炸性粉塵，有較大的火災(zāi)爆炸危險性。建議在氣化廠房內(nèi)煤粉倉等可能存在煤粉泄漏的部位設(shè)置水噴霧或細水霧滅火系統(tǒng)進行保護，且與火災(zāi)探測器、氧氣探測器或粉塵濃度監(jiān)測儀聯(lián)動?；馂?zāi)探測器設(shè)置于煤粉泄漏源所在樓層頂部，氧氣探測器宜設(shè)置于泄漏源附近不超過1m的范圍內(nèi)。

3.2.4 氣化廠房整個煤粉加壓進料系統(tǒng)均使用 N2或CO2惰化保護，防止設(shè)備內(nèi)的煤粉發(fā)生自燃和爆炸，同時也可以降低煤粉泄漏發(fā)生爆炸的可能性。為控制系統(tǒng)惰性化，應(yīng)設(shè)置O2、CO濃度在線分析設(shè)備，以根據(jù)需要補充N2或CO2。

3.2.5 氣化廠房內(nèi)應(yīng)設(shè)有氮氣儲罐，在正常開車和停車時使用氮氣對氣化廠房內(nèi)的所有設(shè)備和火炬進行置換。發(fā)生重大事故緊急停車時，一方面打開放空閥，將可燃氣體通入火炬燃燒，另一方面使用氮氣對設(shè)備內(nèi)的氧氣及可燃氣體進行快速置換，通過放空和氮氣置換以切斷可燃氣的供應(yīng)，防止事故的擴大。

3.2.6 根據(jù)《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，整個氣化廠房屬于氣體防爆2區(qū)(二級釋放源)，所以廠房內(nèi)的用電設(shè)備和儀表均按該規(guī)范的要求進行設(shè)計。生產(chǎn)裝置應(yīng)設(shè)置安全接地網(wǎng)，并視具體情況增設(shè)接地極。電動機保護接地線采用專用接地線，照明燈具采用保護管(鍍鋅鋼管)作為接地線。所有裝置及其管線，按工藝及管道要求作防靜電接地，一般情況下與電氣設(shè)備的工作接地和保護接地共用接地網(wǎng)。氣化廠房屬二類防雷，應(yīng)設(shè)有防直擊雷﹑感應(yīng)雷和防雷電波侵入的措施。

3.3 自動安全控制措施

目前國內(nèi)的煤氣化工藝都采用了集散控制系統(tǒng)(DCS)及自動調(diào)節(jié)、報警、安全聯(lián)鎖等自控措施。在緊急情況下，安全聯(lián)鎖將自動動作，以確保裝置設(shè)備安全。主要緊急停車和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)有:氣化爐緊急停車系統(tǒng)、燒嘴氧氣緊急停車系統(tǒng)、煤燒嘴緊急停車系統(tǒng)。為保證工藝安全措施的可靠性，防止事故漏報，在設(shè)計上還應(yīng)采用冗余設(shè)計、多參數(shù)測量及按最不利情況設(shè)防等方式。為防止洗滌塔的液位超出正常范圍發(fā)生事故，應(yīng)設(shè)計同時監(jiān)測設(shè)備內(nèi)液位、溫度、壓力以及進水和排水速度。為防止氣化爐發(fā)生事故，應(yīng)設(shè)計同時監(jiān)測煤粉和氧氣的流量和壓力、氧煤比、爐膛壓力、爐膛溫度、氣化爐表面溫度等參數(shù)。這些監(jiān)測的參數(shù)有一個超過了正常的工作范圍即發(fā)生報警。DCS系統(tǒng)的重要硬件如控制單元的CPU、重要控制回路的I/O卡、控制器的電源和通訊總線均按1∶1冗余設(shè)置，保證系統(tǒng)在硬件有故障的情況下，仍能繼續(xù)正常運行。

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