煤气化装置消防安全设计探讨

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(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

煤气化装置消防安全设计探讨

彭爱军，龙霏

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

以实际工程为例，分析探讨了煤气化装置在满足相关标准规范和消防安全审查中存在的问题，提出了后续煤气化装置设计建议，有助于后续煤气化装置的设计和生产改造，以更好地满足标准规范、消防安全、运行等方面的要求。

煤气装置；消防安全；标准规范；设计

目前，我国已经建成运行和正在建设的大型煤气化装置有几十套，代表性的煤气化技术有SHELL干粉煤气化、GSP干煤粉气化、航天炉干煤粉气化、科林炉干煤粉气化、宁煤炉干煤粉气化、五环炉干煤粉气化、E-gas料浆气化、GE(原Texaco)水煤浆气化、西北院水煤浆气化、鲁奇MK+碎煤气化和BGL熔渣气化[1-2]。由于国内化工行业重特大安全事故频发，煤气化成为国家安监总局公布的重点危险化工工艺目录之一，给已建成和正在实施的煤气化装置带来前所未有的消防安全设计压力。本文通过对几个典型的煤气化装置在生产运行和消防设计审查及整改过程中存在的问题进行分析探讨，提出了煤气化装置在设计过程中如何更好地满足国家现行有关标准规范和安全稳定运行的要求，帮助其顺利通过当地消防安全审查和装置验收。

1 国内煤气化装置的发展现状

1.1 煤气化工艺的典型工艺流程

目前，按原料煤形式分，国内所有的煤气化工艺为干煤粉法和湿料浆两大类，干煤粉气化工艺的主要工艺流程见图1，包括磨煤干燥、煤粉输送、煤粉气化、除渣、合成气洗涤、渣水闪蒸及处理等工序；湿料浆煤气化工艺的主要工艺流程见图2，包括煤浆制备、煤浆输送、煤粉气化、除渣、合成气洗涤、渣水闪蒸及处理等工序。

图1 干煤粉气化工艺流程示意

图2 湿料浆气化工艺流程示意

1.2 国内煤气化装置的发展现状

经历十多年的迅猛发展，国内的煤化工产业进行了一场新的革新高潮，有力推动了国家经济发展和产品及技术的创新升级。从目前国内已运行和正在建设的煤气化装置数量来看，国外引进工艺技术和国内自主开发的技术约各占50%，干煤粉加压气化和水煤浆气化工艺分别占60%和40%，固定床加压碎煤气化技术才刚刚起步。煤气化主要应用于煤制合成氨、煤制甲醇、煤制烯烃(氢气)、煤制合成油(精细化学品)、煤制天然气和煤制乙二醇项目等。气化炉单炉投煤量主要有1 000 t/d、2 000 t/d和3 000 t/d三种规模。根据实际情况，在消防安全设计方面呈现以下几个显著特点。

(1)由于装置生产能力的不同，其核心的气化框架高度从五十多米到一百多米不等，框架单层面积从1 000 m2到3 000 m2不等。如神华宁煤煤炭间接液化项目中的气化框架(见图3)，其高度为86.5 m，单层建筑面积已达3 350 m2。

图3 气化框架立面

(2)因为煤气化框架的特殊性，将其火灾危险性类别是归于甲类还是乙类，以及是按高层厂房建筑物设计还是按大型设备支承框架构筑物设计这两方面存在严重的差异。由于煤气化装置所处地区采用的原料煤种含碳量和挥发分等不同，干粉煤气化装置生产出的粗合成气成分相差较大。从粗合成气中的H2、CO、H2S、CH4具体含量计算出来的混合气体爆炸极限来看，大部分煤气化装置粗合成气的火灾危险性属于乙类，少数煤气化装置粗合成气的火灾危险性属于甲类。因此，国内有些工程公司将煤气化框架的火灾危险性类别定为乙类，但按甲类进行防火设计；有些将煤气化框架的火灾危险性类别定为甲类，但将煤气化框架视为大型构筑物，以规避甲类厂房的高度和层数限制。

(3)许多建设在新疆、内蒙古和宁夏等地区的煤气化装置，因受当时气候条件的影响，对气化框架采取了局部全封闭或半封闭的设计。

(4)煤化工装置大型化是目前国内煤化工项目的一种发展趋势。从已经投入生产或开工建设的项目来看，单套投煤量已经从1 000 t/d发展到了3 000 t/d，气化装置的气化框架从布置单套气化炉，发展到了2套、3套或4套气化炉同时布置于同一框架内。

(5)我国的相关规范(如GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》)滞后于煤化工装置大型化的发展趋势和现状，新起草编制多年的《煤化工工程设计防火规范》迟迟未审批发布，加剧了煤气化装置的安全设计风险。

2 煤气化装置安全设计存在的问题

2.1 当前煤气化装置中典型消防安全设计措施

(1)备煤框架的消防安全设计。 因工艺生产的需要，干煤粉气化工艺的备煤框架中使用的火灾危险类别为甲类的LPG、LNG或合成氨装置燃料尾气的热风炉与火灾类别为乙类的煤粉设备(磨煤机系统)共框架布置，磨机系统的主电机设计时考虑到粉尘防爆，在磨煤机与热风炉之间增设防火隔离墙。同时，考虑到磨机定位处于气化框架气体防爆分区的附加2区，特将磨机所在地坪抬高600 mm，以满足GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中5.3.5(2)“对于可燃物质比空气重的爆炸性气体环境，位于爆炸危险附加2区的变电所、配电所和控制室的电气和仪表的设备层地面应高出室外地面0.6 m”的要求(见图4)。

图4 备煤框架立面图

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》对乙类高层厂房最大防火分区面积≤2 000 m2的要求，在热风炉与磨煤机之间及局部楼层设置防火墙，各防火分区间设有甲级防火门。框架全封闭的楼梯间设计防火门斗并配置感烟探测器。框架内仅在生产介质类别为戊类的称重给煤机层和煤运皮带层的区域设置全围护封闭结构，以方便北方地区冬季的检修。

(2)气化框架的消防安全设计。 根据气化框架和备煤框架的火灾危险类别，此前少数气化框架与备煤框架之间的防火间距不够，采取在气化框架外侧增加防火卷帘进行分隔的措施，如中国五环工程有限公司设计的大唐煤制烯烃项目中的煤气化装置，其黑水处理框架与过滤框架之间增设防火墙，解决了两个厂房之间防火间距不够的问题；又如中国寰球工程公司设计的宁煤间接液化项目中的黑水闪蒸框架，对单层防火分区面积超过2 000 m2的框架，均可通过增设防火墙进行分隔，同时设计消防电梯，满足规范中有关防火安全设计的要求。

2.2 煤气化装置安全设计存在的问题

(1)从国内现有运行的煤气化装置来看，两台或多台气化炉布置于同一框架已经成为一种必然发展趁势。例如神华宁夏煤制烯烃项目的GSP煤气化装置、河南龙宇二期醋酸项目五环炉(WHG)煤气化示范装置，均采用了双平行布置在同一气化框架；伊泰杭锦旗精细化学品项目煤气化装置(西北化工研究院)是三系列气化炉布置在同一气化框架；正在建设的神华宁煤煤炭间接液化项目是四系列气化炉布置在同一气化框架。在实际生产运行时，各系列气化炉互为备用，且采用独立进出工艺物料的流程，其实际开车、停车、运行和检修均为独立完成，并联运行。这种操作运行模式有别于GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》中第2.0.11条关于可以集中布置联合装置的定义：由两个或两个以上独立装置集中紧凑布置，且装置间直接进料，无供大修设置的中间原料储罐，其开工或停车检修等均同步进行，视为一套装置[4]。因此，目前气化框架中同时布置两个系列气化炉并不符合上述规范中提到的联合装置的概念，不能实现各系列气化炉同开同停的操作，存在安全隐患[3]。

(2)国内北方的煤气化装置，从冬季检修环境的考虑出发，用户要求备煤、气化和黑水处理框架的部分火灾类别为乙类的防火分区进行全封闭或半封闭设计，为后续消防设计审查验收和运行带来了极大的麻烦和安全隐患。如内蒙古的某一煤化工项目煤气化装置，由于对气化框架做了全围护施工，结果导致不能通过当地消防部门的安全验收，要求进行全部拆除并整改。其原因是当地消防部门煤气化框架的封闭设计不符合GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第3.6.1条规定：有爆炸危险的甲、乙类厂房宜独立设置，并宜采用敞开或半敞开式。这对项目进度、费用和相关方造成了很大的影响。

(3)设计时对整个煤气化框架中备煤、气化和黑水闪蒸框架的建构筑物的认知存在较大偏差。国内部分正在实施的煤气化框架被认为是大型设备支承平台，属于构筑物，尤其是气化框架的钢结构层是设备支承框架和操作平台，设计只需满足GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》 中对于设备构架或平台的安全疏散等消防设计要求即可，尤其是气化框架的钢结构层，设计时没有执行《建筑设计防火规范》相关高层厂房的设计要求。

2.3 煤气化装置消防安全审查中的典型意见

以下是对煤气化装置在消防安全设计审查中的几个典型审查意见，笔者建议应该执行并尽早修正设计文件。

(1)气化框架未设置消防电梯，不符合GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第7.3.3条规定：建筑高度大于32 m且设置电梯的高层厂房，每个防火分区内宜设置1台消防电梯。

(2)气化框架疏散楼梯未设置防爆门斗，不符合GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第3.6.10条规定：有爆炸危险区域内的楼梯间，室外楼梯或有爆炸危险的区域与相邻区域连通处，应设置门斗等防护措施。

(3)框架中防烟楼梯间，仅前室设置了烟感探测器，楼梯间未设置。

(4)框架楼梯间的门均为乙级防火门，且未设置门斗，不符合GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第3.6.10条之规定。

3 煤气化装置消防安全设计的建议

(1)对于两台或两台以上气化炉布置于同一框架的设计方案，针对目前无明确设计依据的情况，应在设计初期启动专家评审。如神华宁煤煤炭间接液化项目，就针对此问题形成了专家意见：“考虑到当前国内大型煤化工装置的特殊性和已建成的煤化工装置的实际情况，且参考中石化普光气田项目中12套脱硫装置的设计原则，可将4台气化炉集中布置在一个框架中。由于生产过程中，一个框架里可能会出现有的气化炉在运行、有的气化炉在动火检修的情况。因此，应加强安全检测手段(如可燃气体探测)、消防冷却喷淋等消防安全措施，同时在生产管理中加强相应的安全监督和检查。”这样为后续设计提供了依据，规避了设计和运行风险。

(2)近几年来，由于化工领域的安全生产形势严峻，并且从许多项目的当地政府消防设计审查意见分析来看，均提出煤气化框架按建筑物不应按构筑物，且应执行《建筑设计防火规范》的规定：乙类高层厂房(耐火等级为一级)，每层最大允许建筑面积为2 000 m2，同时要按防火分区设计消防通道、消防电梯、防火门斗等消防设施[5]。这样以便顺利通过后续消防设计的审查和验收。

4 结语

(1)随着我国经济的快速发展，我国的相关规范(如《石油化工企业设计防火规范》)滞后于煤化工领域装置大型化的发展趋势和现状，设计合规性的风险日益明显，急需在规范升版时从实际出发解决这些问题。建议新起草编制多年的《煤化工工程设计防火规范》尽早发布，明确煤气框架的火灾危险性类别和建构筑物属性，让防火设计做到有据可依，以降低设计风险。

(2)结合众多煤气化装置的消防审查意见，笔者认为，将气化框架的气化炉支承层EL38.5 m以上钢结构层按设备构架或操作平台开展有关消防的设计不妥，气化框架的钢结构层与混凝土层应执行统一设计标准。建议按照GB50016-2014《建筑设计防火规范》有关乙类高层厂房的要求开展防火设计较为稳妥。

[1]汪家铭.SES煤气化技术及其在国内的应用[J].化肥设计，2010，48(5)：14.

[2]汪寿建.国内外新型煤化工及煤气化技术发展动态分析[J].化肥设计，2011，49(1)：3-4.

[3]段中华，张洪伟.大型化工联合装置防火设计的合规性分析[J].化肥设计，2014，52(3)：23-24.

[4]GB 50160—2008，石油化工企业设计防火规范[S].

[5]GB 50016—2014,建筑设计防火规范[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

彭爱军(1974年—)，湖南祁阳人，1996年毕业于郑州工业大学化工工艺专业，高级工程师，现主要从事压力管道的设计与管理工作。