恩德炉煤气化工艺的防火设计

●陈志平

(呼伦贝尔市消防支队，内蒙古呼伦贝尔 021008)

(本栏责任编辑、校对 马 龙 李 蕾)

我国独特的“富煤、贫油、少气”的能源国情决定了我国在发展煤化工产业方面具有明显的煤炭资源优势。特别是近年来由于世界性的油气价格上扬，使得煤制甲醇、煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制二甲醚等以生产洁净能源产品和替代石油产品为主的新型煤化工产业，在我国能源的可持续利用中扮演了重要角色。发展煤化工离不开煤合成气的制备，煤气化就是制备煤合成气的必要手段。目前，国内外采用的煤气化技术主要有:常压固定床间歇式无烟煤(或焦炭)气化技术、常压固定床无烟煤(或焦炭)富氧连续气化技术、鲁奇固定床煤加压气化技术、灰熔聚煤气化技术、恩德粉煤气化技术、GE水煤浆加压气化技术、多元料浆加压气化技术、多喷嘴(四烧嘴)水煤浆加压气化技术、Shell干煤粉加压气化技术、GSP干煤粉加压气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术等。恩德粉煤气化技术是新型粉煤气化技术，与其他粉煤气化技术相比，具有煤源丰富、价廉、气化强度高、运行可靠、煤气净化工艺简单、不污染环境、投资少和操作成本低等优点。不仅可生产优质工业燃气，而且可为化肥厂和甲醇厂生产合成原料气提供良好的制气工艺。本文通过分析呼伦贝尔东能化工有限公司年产120万吨甲醇、30万吨二甲醚恩德炉煤气化工艺的火灾危险性，对恩德炉煤气化工艺的防火设计进行研究。

1 工程工艺概况

呼伦贝尔东能化工有限公司年产120万吨甲醇、30万吨二甲醚项目生产工艺由煤制甲醇工艺和甲醇制二甲醚工艺两部分组成。煤制甲醇工艺过程为:经干燥脱水后的褐煤由输煤系统送恩德炉煤气化装置制成合成气，合成气经过气柜、脱硫、电除尘等工序脱除所含的粉尘、焦油、硫泡沫等杂质，再经过压缩机加压后送变换工序，经过气体变换反应，调整气体成分，然后经过脱碳工序脱除气体中的CO2，再经过精脱硫工序脱除气体中的硫，得到合格的合成气。合成气再经过压缩机压缩至甲醇合成所需的压力后送甲醇合成塔进行甲醇合成，反应气经冷却、分离得到粗甲醇，粗甲醇经精馏后得到精甲醇产品。甲醇制二甲醚采用甲醇气相催化脱水二甲醚工艺技术，以甲醇为原料，在一定温度、压力及催化剂的作用下，脱水生成二甲醚，反应产物中的主要组成为二甲醚、甲醇和水。经精馏塔分离得到二甲醚。

2 火灾危险性分析

2.1 输煤系统

煤粉储运设备体系庞大，内部煤粉量多，一旦发生泄漏，可能形成大范围的粉尘云。由于该生产工艺采用的褐煤挥发分含量大，粒度较小，易被引燃、自燃及爆炸。气化厂房存在多种高温设备、金属管道及电气设备，高温设备、静电火花、电火花等均可能引发泄漏出的煤粉爆炸。煤粉着火或爆炸事故对人身及设备的危害主要有以下几个方面:(1)煤粉着火，仓温升高，粉仓结构强度下降。若煤粉仓内的惰化保护不好，氧含量超过设定值，粉仓内煤粉易产生缓慢氧化，温度上升，尤其是在事故停机、煤粉仓粉位较高情况下问题更加突出。钢板煤粉仓在300～400℃以上时，强度急骤下降，预应力钢筋混凝土煤粉仓，其耐火极限也只有50min，仓内煤粉着火会对设备造成破坏。同时，煤粉燃烧产生的CO、CO2向外扩散，使人窒息或导致次生火灾。(2)煤粉爆炸形成的冲击波可能导致墙倒、顶掀、发生火灾等次生灾害，会伤到人身安全，破坏建筑物。同可燃性气体爆炸相比，粉尘爆炸压力上升较缓慢，较高压力持续时间长，释放的能量大，破坏力也强。粉尘爆炸往往还会引起二次爆炸，二次爆炸时粉尘浓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)粉尘爆炸时温度高，有的可高达2 000～3 000℃，对周围建筑物或人群造成严重的高温辐射破坏或伤害。(4)由于本项目气化厂房的煤粉储运设备与气化炉、气体输送设备之间未有任何分隔设施，煤粉发生爆炸后可能会破坏气化炉和气体输送设备，导致合成气及纯氧泄漏，进一步引发气体爆炸，增大事故后果和影响范围，甚至导致灾难性后果。

2.2 煤气化系统

煤气化厂房为高层建筑厂房，工艺过程存在高温，存在CO、H2、煤粉、纯氧等易燃易爆危险性介质。与传统的单层或多层甲乙类厂房相比，由于生产规模大，设备高，一旦发生燃烧、爆炸，破坏力强，影响范围大。同时，高层气化厂房火灾扑救难度大，人员疏散和物质抢救困难。(1)气化炉中，煤粉、氧气和水蒸气在高温下进行反应，而且里面的可燃性物质也比较多样和复杂，有粒径很细小的煤粉及氧气，还有经过煤气化反应后的粗制合成气(主要由H2、CO等组成)，一旦发生泄漏，在这样的高温情况下，将会发生射流火，存在着火灾爆炸危险性。(2)气化厂房内主要的爆炸危险性气体为合成气(主要成分是CO、H2等)，装置区内的工艺设备、电气设备、工艺管道以及金属平台等可能积聚静电荷，引起火灾爆炸。(3)如果在生产、储存、设备检修或日常维护等作业过程中，操作不当或设备设施缺陷等原因，有可能会造成合成气泄漏，聚集在气化框架内的“死角”，与空气易形成爆炸性混合物，遇到静电火花等易引发火灾。(4)如果在防爆区域未使用防爆电气设备，电气火花有可能引发火灾爆炸事故。(5)如果电气焊作业人员未办理动火作业许可证或进行动火作业时违章操作，作业前未进行清扫置换，作业时不注意火源控制，完工后作业现场未做清理，则容易引发火灾爆炸。(6)在管道内输送的液体易产生静电，如果由于静电接地不良等原因，泄漏的合成气等遇到静电火花，则有可能引发火灾爆炸。(7)高压氧气管线，纯氧高速流动，高压氧泄漏碰到很小静电火花就会引爆可燃性混合气，此外氧气接触油脂类可燃物也会引发火灾爆炸。(8)雷击、雷电感应或雷电波、摩擦火花等引燃爆炸性气体。(9)设备和管道及密封结构质量差等，易出现跑、冒、漏等现象，梁板间和空气不流通的地方容易积聚可燃气体，遇到火源有发生火灾爆炸危险。(10)气化炉冷却水不足或干烧易产生爆炸，夹套漏水也可引起爆炸。(11)操作温度和压力超过工艺设备的设计温度和压力，导致设备损坏甚至爆炸。

2.3 合成气净化系统

当合成气中含氧量超过2%时，遇到火花或其他激发能(摩擦、高温、静电等)极易发生恶性爆炸。即使少量氧气进入煤气中(1%)，在压送和除尘等易发生火花的设备内也可能引起爆炸。气化炉开车初期，如气体抽引置换不完全，由于炉温较低，使进入炉内的空气未全部反应，剩余的氧气则混入合成气中，易造成过氧爆炸。气化工段在升温及开、停车过程中如发生物料互窜，易引发火灾爆炸。

3 工艺防火设计

3.1 设备结构及选材的优化设计

3.1.1 煤气化设备内件与高温气体接触部分(包括对流管束)均采用冷却效果较好的水冷壁结构。内件选材应充分考虑工艺介质和气流的影响。对操作条件比较苛刻的关键部位，应采取可靠的保护措施。压力容器主体材料选用能抗氢腐蚀的材料，其他与气体接触的压力壳体均采用耐热衬里保护，以使压力容器得到一个安全备用反应时间，避免无法控制的操作失误(膜式壁破裂)造成压力容器局部快速升温。

3.1.2 为防止煤粉仓排放管流速太高，阻力太大而超压导致爆破片破裂，泄漏大量煤粉，排放管的管径应适当增大。为防止含煤粉的气流速度过快导致循环进口管磨损穿孔，对异径管的结构应加以改进，并将直管的管径进行加厚设计。为减少粉尘释放源，输送煤粉的管道采用无缝焊接，不设法兰接口。

3.1.3 气化炉、合成气冷却器、输气管、激冷器均设有水冷壁，以冷却设备和合成气。为防止煤烧嘴过热被烧穿，烧嘴上设有冷却水系统。进入水冷壁和烧嘴冷却水系统中的冷却水按一定的流量供应，为保证事故状态下水的供应量应设备用泵和缓冲罐。为及时发现冷却水不足及漏水事故，防止设备超温发生爆炸，应对温度、水蒸气产生量和汽包的液位进行监测。

3.1.4 为了防止煤粉流量过低或氧气流量过高导致气化炉超温以及氧气过剩发生爆炸，同时防止煤粉流量过高或氧气流量过低导致气化炉温度过低，熔融状态的渣体流动性差而堵塞管道发生事故，应对煤粉、氧气的流速和密度进行严密监测。通过流量调节阀和压力调节阀保证气化炉的原料干煤粉和氧气均按一定的流量和压力供应。

3.2 防火防爆措施

3.2.1 由于煤气化厂房内高温高压设备多，设备内含大量的煤粉和可燃气体，火灾危险性高，因此煤气化工艺的气化厂房应敞开生产，以获得良好的通风效果，减少泄漏出的煤粉和可燃气体浓度达到爆炸下限的可能，同时保证良好的泄爆效果，大大减轻爆炸时的破坏强度，避免厂房因主体结构遭受破坏而造成重大人员伤亡和经济损失。

3.2.2 在合成气易泄漏点附近及气体易聚集的部位应分别设置可燃气体探测器，在可燃气体容易聚集且自然通风不畅的部位应设计机械通风装置，当可燃气体探测器探测到可燃气体泄漏时，应能联动该区域内的通风风机稀释空气中有毒、有害和爆炸危险性物质的浓度。

3.2.3 气化厂房中使用的煤粉粒度小，更容易在空气中悬浮形成爆炸性粉尘，有较大的火灾爆炸危险性。建议在气化厂房内煤粉仓等可能存在煤粉泄漏的部位设置水喷雾或细水雾灭火系统进行保护，且与火灾探测器、氧气探测器或粉尘浓度监测仪联动。火灾探测器设置于煤粉泄漏源所在楼层顶部，氧气探测器宜设置于泄漏源附近不超过1m的范围内。

3.2.4 气化厂房整个煤粉加压进料系统均使用 N2或CO2惰化保护，防止设备内的煤粉发生自燃和爆炸，同时也可以降低煤粉泄漏发生爆炸的可能性。为控制系统惰性化，应设置O2、CO浓度在线分析设备，以根据需要补充N2或CO2。

3.2.5 气化厂房内应设有氮气储罐，在正常开车和停车时使用氮气对气化厂房内的所有设备和火炬进行置换。发生重大事故紧急停车时，一方面打开放空阀，将可燃气体通入火炬燃烧，另一方面使用氮气对设备内的氧气及可燃气体进行快速置换，通过放空和氮气置换以切断可燃气的供应，防止事故的扩大。

3.2.6 根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定，整个气化厂房属于气体防爆2区(二级释放源)，所以厂房内的用电设备和仪表均按该规范的要求进行设计。生产装置应设置安全接地网，并视具体情况增设接地极。电动机保护接地线采用专用接地线，照明灯具采用保护管(镀锌钢管)作为接地线。所有装置及其管线，按工艺及管道要求作防静电接地，一般情况下与电气设备的工作接地和保护接地共用接地网。气化厂房属二类防雷，应设有防直击雷﹑感应雷和防雷电波侵入的措施。

3.3 自动安全控制措施

目前国内的煤气化工艺都采用了集散控制系统(DCS)及自动调节、报警、安全联锁等自控措施。在紧急情况下，安全联锁将自动动作，以确保装置设备安全。主要紧急停车和安全联锁系统有:气化炉紧急停车系统、烧嘴氧气紧急停车系统、煤烧嘴紧急停车系统。为保证工艺安全措施的可靠性，防止事故漏报，在设计上还应采用冗余设计、多参数测量及按最不利情况设防等方式。为防止洗涤塔的液位超出正常范围发生事故，应设计同时监测设备内液位、温度、压力以及进水和排水速度。为防止气化炉发生事故，应设计同时监测煤粉和氧气的流量和压力、氧煤比、炉膛压力、炉膛温度、气化炉表面温度等参数。这些监测的参数有一个超过了正常的工作范围即发生报警。DCS系统的重要硬件如控制单元的CPU、重要控制回路的I/O卡、控制器的电源和通讯总线均按1∶1冗余设置，保证系统在硬件有故障的情况下，仍能继续正常运行。

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