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湿法煤气化厂房的火灾危险性及其防火防爆措施分析

文档作者：胡宜磊1 倪照鹏黄鑫2 文档来源： 1．内蒙古自治区公安消防总队 2．公安部天津消防研究所		点击数：	更新时间： 2021年12月08日
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第2期(总第159期)
2012年4月
煤化工
Coal Chemical Indus
No．2(TotM No．159)
Apr．2012
湿法煤气化厂房的火灾危险性及其
防火防爆措施分析
胡宜磊1，倪照鹏z，黄 鑫2
(1．内蒙古自治区公安消防总队，内蒙古呼和浩特010070；
2．公安部天津消防研究所，天津300381)
摘要针对湿法煤气化工艺的特点，分析了水煤浆、高压纯氧及粗煤气等物料的火灾危险性，讨论了煤
气化厂房在生产中的火灾危险因素，计算了粗煤气泄漏后发生爆炸或形成喷射火时的影响范围，提出了湿法
煤气化厂房所应采取的控制点火源、防止产生爆炸性混合气体、及时发现和处理事故等防火防爆措施，以及寒
冷地区封闭的煤气化厂房所应采取的泄压及通风措施。
关键词湿法煤气化，火灾危险性，防火，防爆
文章编号：1005-9598(2012)一02—0047—05 中图分类号：TO52 文献标识码：B
引 言
煤气化是现代煤化工工程中的一个重要生产环
节。现代煤气化装置反应一般要求在1 000℃以上的
高温和3．5 MPa 6．5 SPa的高压下进行，加之原料
煤、高压纯氧及粗煤气为可燃、助燃物质，因此，煤气
化厂房在生产时存在着很大的火灾及爆炸危险性Ⅲ。
本文以湿法煤气化工艺为例，分析物料的火灾危险性
和厂房在生产中的火灾危险性及发生火灾爆炸的可
能后果，并探讨相关的防火、防爆措施，以实现生产安
全，最大限度地减小煤化工生产危险。
1 物料的火灾危险性
湿法煤气化的工艺过程中，原料为水煤浆和高压
氧气，生成物为粗煤气和固渣，其中固渣为气化反应
后剩余的固体残渣，为不燃物质[z]。因此，厂房内的主
要火灾危险物为水煤浆、高压纯氧和粗煤气。
1-1 水煤浆的火灾危险性
从内蒙古伊泰煤等几种适合于水煤浆煤气化的
原料煤的特性参数可知，原料煤的挥发分通常在25％
以上，有些甚至大于30％，易被点燃或发生自燃。
湿法煤气化过程中，需将粒度小于i0 ibm的碎
煤、水和料浆添加剂混合后，在磨煤机中研磨成水煤
浆作为反应原料，其中煤粉质量分数约为60％。水煤
浆含水量高，不会被引燃。通常煤粉挥发分小于10％，
无爆炸危险；而挥发分大于25％、粒度小于100 的
煤粉，容易发生爆炸。由于水煤浆中粒径小于100 pjn
的煤粉约占50％，因此，水煤浆发生泄漏或喷洒滴落
后，如不及时清扫，干燥后的煤粉存在燃烧和粉尘爆
炸的危险。根据煤化工生产实际情况，水煤浆的火灾
危险性可按戊类考虑，但该生产部位的火灾危险性宜
按丙类考虑。
1．2 高压纯氧的火灾危险性
纯度大于99％的高压(8．0 MPa 8．3 MPa)纯氧，是
煤气化装置的原料之一。在纯氧环境下，可燃物的燃
点及最小点火能量会急剧下降，难燃物质也会具有可
燃物的燃烧特性，甚至钢铁也能被引燃。因此，高压纯
氧的火灾危险性应为乙类。
1．3 粗煤气的火灾危险性
湿法煤气化典型粗煤气的c0体积分数为33％
45％，H。体积分数为27％ 37％，具有火灾和爆炸的危
险。而根据最危险的H。的火灾危险类别，粗煤气的火
收稿日期：2012-02-13
作者简介：胡宜磊(1969一)，男，内蒙古呼和浩特，高级工程师，学士，1991年毕业于廊坊武警学院建筑防火专业，主要从
事防火工程研究，E-mail：ht一
2070@163．tom。
一48一 煤化工 2012年第2期
灾危险性应为甲类。
通常可燃气体的爆炸极限范围会随其温度和压
力增高而扩大。由于粗煤气的生成温度高于1 000℃，
压力达6．5 MPa，出气化厂房时的温度大于200℃ ，压
力大于3 MPa，水气比为1．O-1．6，因此，粗煤气在生
成过程中的火灾危险性较常态时要高。粗煤气内的惰
性气体含量对爆炸范围有很大影响，惰性气体含量增
加，爆炸范围缩小。粗煤气内所含水蒸气和c0 ，一定
程度上会降低粗煤气的爆炸危险性，但由于粗煤气泄
漏后，水蒸气很容易从粗煤气中分离出来，因此水蒸
气对降低粗煤气爆炸范围的作用有限。
2 煤气化厂房的火灾危险性
2．1 火灾危险因素
煤气化厂房内的水煤浆只是在泄漏后不及时清
扫，并在干燥成煤粉后，才具有火灾危险性。高压纯氧
作为助燃气体，本身并不燃烧，但存在以下火灾危险：
(1)氧气管道内的铁锈、焊渣或其他杂质与管道
内壁产生摩擦或与阀门、弯管冲撞以及这些物质相互
冲撞，均能产生高温而燃烧。
(2)氧气管道及其配件中存在的油脂、溶剂和橡
胶等可燃物质，在高纯度和高压力的氧气流中会迅速
燃烧。
(3)氧气管道减压阀开启或关闭动作过快、过猛
时，阀后气体温度可达到接近几种常用金属的熔点，
易造成阀门、管路损坏或爆炸。
(4)管道若接地不好，在氧气管道的气流出口或
调节阀处，会因静电积聚而造成事故。
粗煤气是煤气化厂房中的主要火灾危险物质，厂
房的主要火灾形式就是粗煤气爆炸事故。图1利用事
故树对煤气化厂房中粗煤气的爆炸事故作了分析，主
要事件说明见表1。
通过事故树分析可知，煤气化厂房发生粗煤气爆
炸事故需同时满足2个条件：存在点火源和可燃气体
浓度达到爆炸极限。主要有13个因素会导致煤气化
厂房内出现明火、撞击火花、电火花、静电火花、雷击
火花等点火源，有4个因素会导致可燃气泄漏，有3
个因素导致空气或氧气进入设备或管道。
2．2 粗煤气泄漏的危害性计算
根据组分构成，计算得到的粗煤气密度为0．75
kg／m3～1．0 kg／m3，略低于空气密度(1．29 kg／ms)，泄漏
后会向上浮升，容易在厂房顶部聚集并且达到其爆炸
浓度。
Al
一
。I
表1 煤气化厂房中粗煤气爆炸事故的主要事件说明
事件代号 事件说明
T
Al、A2
A11 AI5
A21、A22
A151
A211、A2l2
X1~X3
X4、X5
X6、X7
X8、X9
X10
X11～X14
XI5、X16
X17 X20
X21~X23
厂房可燃性混合气体爆炸
A卜点火源、A2一可燃气体浓度达到爆炸极限
All一明火、A12一撞击火花、AI3一电火花、
AI4一静电火花、AI5-雷击火花
A21一可燃气泄漏、A22一空气或氧气进入设
备或管道
避雷失效
A21 1一通风不良、A212-设备管道泄漏
x卜吸烟、X2一雷电、x3一违章用火
x4一金属工具撞击、X5一穿带钉鞋
x6一电气设备不防爆、x7一导线漏电
x8一气化炉等设备装置静电、x9一人体静电
雷雨天气
Xli一防雷接地电阻损坏、XI2一防雷接地电
阻超标、xl3一设计缺陷、Xl4一无避雷器
X15一排风设计不当、X16一排风设备损坏
X17一操作失误、X18-密封不严、XI9-设备
管道损坏、X20-排料过快
X21一无惰性置换或氮气置换不彻底、X22-
氧煤比过高、X23-液封液位失控
由于无法对混合气体进行计算，而粗煤气主要成
分是H 和cO，因此本文使用ALOHA软件对H。和c0泄
漏导致的扩散蒸气云爆炸及喷射火的危害性进行了
计算，以此来判断粗煤气泄漏造成的危害。根据湿法
煤气化厂房中输送粗煤气的管道尺寸，取可能泄漏的
管道直径为500 nlm，管道内温度为239℃ ，压力为
6．25 MPa。环境温度取7℃ ，相对湿度为50％，环境风
2012年4月 胡宜磊等：湿法煤气化厂房的火灾危险性及其防火防爆措施分析 一49一
速为2．6 m／s。假定管径内壁光滑，发生泄漏后，一端
采取关闭措施，管道的裂口面积取管径的20％计算确
定[引，即78．52 cm2。则事故设定及计算结果如下：
(1)气体泄漏后没有被点燃
若泄漏气体为H。，计算可得平均泄漏流量为
0．95 kg／s，沿泄漏方向距泄漏源124 Ill以内的气体浓
度可达到爆炸下限的60％，307 m以内的气体浓度可
达到爆炸下限的10％；一旦蒸气云被引燃发生爆炸，
建筑物破坏和人员严重伤害区域最远可达距泄漏源
104 Il处，大部分玻璃破坏区域可达距泄漏源190 m处。
若泄漏气体为c0，计算可得平均泄漏流量为13．21
kg／s，沿泄漏方向距泄漏源70 m以内的气体浓度可
达到爆炸下限的60％，距泄漏源172 m以内的气体浓
度可达到爆炸下限的10％；一旦蒸气云被引燃发生爆
炸，大部分玻璃破坏区域最远可达距泄漏源60 m处。
(2)气体泄漏后即被点燃
气体泄漏后被立即点燃，形成喷射火。对于H’，火
焰长度可达2 m，最大燃烧速度为22．7 kg／s，60 S之
内致死区域在距火焰中心半径为13 m的范围之内，
二度烧伤区域在半径为18 m的范围之内，感觉疼痛
区域在半径为28 m的范围之内。对于c0，火焰长度可
达8 nl，最大燃烧速度为84．5 kg／s，60 S之内致死区
域在距火焰中心半径为18 m的范围之内，二度烧伤
区域在半径为26 m的范围之内，感觉疼痛区域在半
径为41 m的范围之内。
根据计算结果，若粗煤气泄漏后未形成喷射火，
将在很大范围内形成可燃蒸气云。一旦蒸气云发生爆
炸，周围的建筑都将受到影响，气化厂房会被破坏，并
可能引发二次事故。若粗煤气泄漏后形成喷射火，危
害性相比爆炸要明显小，但在10 Ill以内仍会造成人
员死亡，影响范围可达数10 m，这使得消防队员难以
靠近扑救。
3 煤气化过程的工艺防火防爆措施
3．1 工艺防火防爆措施
3．1．1 控制点火源
根据气化厂房内火灾危险性最大的粗煤气的火
灾危险类别，厂房的生产类别应为甲类。根据《爆炸和
火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058-92)的规
定，整个气化厂房属于气体防爆2区(二级释放源)，
厂房内的用电设备和仪表均应按该规范的要求，选用
隔爆型(dIICT4)或本安型(iaIICT4)产品。由于水煤
浆不具粉尘爆炸的危险，气化厂房内的电气设备可不
要求具有防粉尘爆炸的功能。
湿法煤气化厂房的高度可达60 m，厂房内金属设
备和管道众多，因此厂房和相应的设备管道均应设有
防雷击、雷电感应和雷电波的措施。
厂房内的工艺设备、电气设备、工艺管道以及金
属平台等可能积聚静电荷而引起火灾爆炸或危害人
身安全的区域，均应装有静电接地装置。对氧气管线，
应设置更加严格的静电接地措施。厂房的楼地面均应
采用不发火花的地面。
3．1．2 防止产生爆炸性混合气体
送至气化炉的水煤浆和氧气均应通过流量控制
装置和压力控制装置，保证按一定的流量和压力供
应，防止水煤浆流量过低或氧气流量过高时，导致气
化炉超温以及氧气过剩发生爆炸，同时防止水煤浆流
量过高或氧气流量过低时，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。
激冷室、洗涤塔和烧嘴冷却水槽均应设有液位控
制仪，送至激冷室的激冷水、送至洗涤塔的冷凝液以
及送至工艺烧嘴的冷却水均应通过流量调节阀，保证
按一定的流量供应，使液位在安全范围内。通过对激
冷室的液位及激冷水流量的监控，可防止激冷室液位
过高，水进入燃烧室内破坏设备；同时防止激冷室液
位过低，粗煤气温度高、带灰多，甚至粗煤气泄出，温
度过高、灰分堵塞管道或粗煤气进入黑水管道均可能
导致爆炸事故。通过对洗涤塔的液位及冷凝液流量的
监控，可以防止洗涤塔液位过低时，导致粗煤气温度
高、带灰多，甚至粗煤气进入黑水管道，而发生爆炸等
事故。通过对烧嘴冷却水槽的液位及冷却水流量的监
控，可防止冷却水流量过低，烧嘴被烧穿，粗煤气泄出。
洗涤塔出口管线上，应设置在线分析仪，分析粗
煤气中cH4、c0、c0。、H 和0。的含量，通过监测粗煤气
的气体成分，判断气化炉是否正常工作。
激冷室和洗涤塔底部的黑水应通过流量调节阀
和压力调节阀来控制排放的流量和压力，防止排放速
度过快，使粗煤气泄出。
锁斗进渣和排渣速度可由锁斗程序通过监控锁
斗内压力和锁斗冲洗水罐液位来自动控制，防止进渣
和排渣速度过快，损坏设备，发生事故。
烧嘴在1 350℃ 的高温下工作，为了防止高温损
坏烧嘴，在烧嘴上应设置冷却水盘管和头部水夹套。
烧嘴冷却水分离罐通入低压氮气，作为c0分析的载
气，由放空管排人大气。在放空管上安装c0监测器，
通过监测c0浓度，来判断烧嘴是否被烧穿，c0体积
分数的正常值应为0。
一50一 煤化工 2012年第2期
气化厂房内应设置足够容量的高压氮气储罐，在
正常开车和停车时，使用氮气对氧气管线、水煤浆管
线、气化炉进行保护。投料前，使用来自氮气储罐或空
分系统的低压氮气，对气化炉、激冷室、洗涤塔和火炬
进行气体置换，并在洗涤塔取样分析，0 体积分数小
于2％后，再停止氮气置换。
发生重大事故紧急停车时，一方面打开放空阀，
将可燃气体通人火炬燃烧，另一方面，使用氮气对管
道和设备内的氧气、水煤浆及可燃气体进行快速封
堵、置换、吹扫，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。
此外，开车期间火炬管线应连续通入低压氮气，
使之保持微正压，防止外部空气进入，形成爆炸性混
合气体。
气化装置在生产过程中技术复杂，高温、高压介
质多，危险性大。对气化炉、洗涤塔等设备的压力、温
度，都应设置现场就地监测系统和DCS远程监测系统
进行监测。对于特别危险的气化炉，其炉壁外表面还
应设置网状热电偶，对气化炉壁外表面的温度分区域
进行监测，防止炉壁超温，损坏设备，发生事故。
3．1．3 及时发现和处理事故
为及时发现事故，气化厂房内需设置集散控制系
统和各种生产参数(温度、压力、流量、液位等)的监测
系统。对于气化厂房中危险性较大的部位，如工艺烧
嘴所在楼层和第一层的粗渣输送位置，还应该设置视
频监控系统。设备和管道的泄漏点附近应设置可燃气
体探测器及有毒气体探测器，监视H 和c0气体泄漏
情况。
气化厂房内需通过设置ESD系统(紧急停车系
统)、安全联锁、止回阀、切断阀和进行高压氮气置换、
放空等措施，以便紧急处理发生的事故。
3．2 保证措施的可靠性
工艺安全措施在运行时的可靠性十分重要。为防
止事故漏报，设计上应采用冗余设计、多参数测量及
按最不利情况设防等保证措施。比如，为防止激冷室
和洗涤塔的液位超出正常范围，可通过同时监测设备
内的液位、温度、压力以及进水和排水速度；为防止气
化炉发生超温超压事故，可通过同时监测水煤浆和氧
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。在所监测的这些参数中，如有1
个超过正常工作范围即应报警。此外，为防止监测仪
器发生故障漏报，对参与联锁的关键部位的流量、压
力、温度和液位均建议采用三重冗余的ESD输入输出
设置体系[4]。
为保证烧嘴冷却水系统供水的可靠性，应设置备
用泵和事故冷却水槽。正常情况下，置换用的氮气来
自空分系统，为防止空分系统故障而停止氮气供应，
应设置应急氮气储罐。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
和通讯总线均应按1：1冗余设置，以保证系统在硬件
故障情况下，仍能继续正常运行。
但由于煤气化厂房内各种监测仪器较多，重要的
参数还应采用三点测量，以防因单个仪器的经常故障
误报而导致监控人员麻痹，失去对真实事故的正确判
断。此外，还应定期对各种监测设备进行检测、标定和
维护，及时更换损坏的设备，减小误报的发生概率。
4 封闭煤气化厂房的建筑防火防爆措施
由于生产过程中存在H。，煤气化厂房属于甲类厂
房，根据《建筑设计防火规范》GB50016—2o06(以下简
称《建规》)的要求，甲类厂房宜采取敞开或半敞开式
布置。然而，为了实现资源的就地转化利用，我国很大
一部分的煤气化厂房建在了内蒙古、黑龙江等煤炭资
源丰富的严寒地区，这些地区的煤气化厂房一般采取
封闭布置。与敞开布置相比，封闭布置增加了可燃气
体聚集的可能性，同时也加大了可燃气体爆炸对建筑
和设备的破坏力，因此封闭式煤气化厂房需要采取泄
压和通风设施。
4．1 泄压设施
为了减小爆炸破坏力，封闭煤气化厂房的外部围
护除楼梯间部位和为满足防火间距要求而设置防火
墙的部位外，均应采用镀锌压型钢板墙、彩钢岩棉夹
芯板以及玻璃窗等重量不大于60 kg／mz的材料，把外
部围护部分尽可能设计为泄压面。但是由于受建筑布
局的限制，即使所有可利用的外围护部分均设计为泄
压面，大部分煤气化厂房的泄压面积仍不能满足《建
规》中有关对H 的要求(泄压比为0．25)，但能满足
CO(泄压比为0．11)的泄压要求。
由于气化厂房生产的合成气为混合气体，内部含
有c0 和水蒸气等惰性气体，且H 和c0的体积比值
约为1：1．2，因此实际混合气的泄压比要小于0．25，
并且惰性气体的存在会降低爆炸压力和爆炸压力上
升速率。试验证明，H 中含有20％的N。时，最大爆炸压
力将下降约10％，最大爆炸压力上升速率将下降约
50％，且惰性气体的含量越大，爆炸压力和爆炸压力上
升速率的降低幅度越大。因此可适当地降低对煤气化
厂房泄压比的要求，但泄压面积宜分层计算且吊装孔
等开口不应计人泄压面积内。
2012年4月 胡宜磊等：湿法煤气化厂房的火灾危险性及其防火防爆措施分析 一5l一
4．2 通风设施
为防止泄漏的可燃气体聚集，封闭煤气化厂房的
外围护墙体应最大限度地设置轻质可开启外窗，生产
时窗户应保持敞开。由于冬季检修，为防冻需要关闭
窗户，为保证在事故状态下能尽快地排出可燃气体，
防止气体聚集发生爆炸，厂房内应设置机械事故通风
系统。事故通风系统的换气次数建议按《化工采暖气
通风与空气调节设计规定》(HGT 20698—2000)对c0稀
释通风量的要求(15次／h)进行设计，且每层均应设
计事故机械通风系统。在楼层上部梁板可能产生气体
积聚的空间，应设计斜流风机，通过风管排风，并根据
实际情况，确定吸风口的具体位置，保证在所有高度
大于100ⅡⅡn的梁间均设置吸风口，且吸风口上缘至
顶棚平面或屋顶距离不大于0．1 m。机械事故通风系
统应注意防止可燃气体倒吸。
参考文献：
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2003：259-302．
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析[J]．煤化工，1997，25(2)：18—26．
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550-559．
[4]赵克强．水煤浆气化装置安全联锁系统[J]．化工自
动化及仪表，1998，25(4)：16—2O．
Fire Risk and Fire／explosion Prevention M ethod During Operation of
the W et-feed Coal Gasification Plant House
Hu Yilei ，Ni Zhaopeng2 and Huang Xin
(1．General Fire Brigade Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot Inner Mongolia 010070，China；
2．Tianjin Firefighting Research Institute of MPS，Tianjin 300381，China)
Abstract Based on the pmcess characteristics of the wet-feed coal gasification，the fire risks of coal water slurry，
pure oxygen with high pressure and crude gas were analyzed，the fire risk factors of the plant house were discussed，and
the afected areas of the explosion and jet fire caused by escaped crude gas Were calculated．Some methods were advised to
prevent fire and explosion in the wet-feed coal gasification plant house on controlling ignition source，preventing forming
explosive gas mixture and discovering and han dling accidents promptly．The methods of pressure relief and ventilation of
enclosed plant house were also discussed．
Key words wet—feed coal gasification，fire risk，fire prevention，explosion prevention
产业动态：标题新闻
·2011年，新疆实现原煤产量1．2亿t，在保障区内煤炭供需的同时，实现“疆煤东运”2 000多万t，主要运往甘肃、
宁夏等地。
·三一重装国际控股有限公司将与三一集团、i一电气合资成立“三一煤化工有限公司”，涉足煤化工领域。
·2011年，我国甲醇产量同比增加49．9％。
·2011年，我国原煤生产总量达35．2亿t，同比增加8．7％。
·2012年3月6日，大唐多伦煤化工公司46万t／a MTP项目首批聚丙烯产品成功下线。
·2012年3月13日，冀中能源焦炉煤气综合利用项目一期将2．3亿m 焦炉煤气转化为9 000万mS／a天然气项目在
井陉矿区循环经济工业园开工。
·2012年3月9日，山西金晖集团37 378 mS／h焦炉煤气制天然气项目在拜城县重化工工业园开工建设。
·2011年全国甲醇产量排名前3位的企业分别是神华集团、山西晋城无烟煤矿业集团、中海化学。
·大唐国际克什克腾煤制天然气项目煤气变换冷却及脱氧站将于4月30日中交。
·2011年美国煤炭出口超过1．07亿t，创20年来的最高水平。
·2012年4月10日，神华鄂尔多斯20亿m3／a煤制天然气项目场平施工开工。
·2012年第一季度，内蒙古全区生产原煤2．397万t，同比增长l5．4％。
·2012年4月16日，同煤集团6O万t／a烯烃项目开工奠基。
·2012年4月19日，延长集团100万t／a(一期50万t／a)煤焦油加氢项目在榆林神木锦界工业园开工。

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