煤制天然氣企業主要裝置的火災、爆炸危險性分析及安全對策措施

許永輝

(新疆玖安勞動安全評價檢測中心（有限公司）烏魯木齊 830000)

1 引 言

我國油氣資源短缺、大氣環境治理工程為煤制天然氣產業發展提供了廣闊的市場，從目前的技術成熟度和產業化可行性的角度上來說，煤制天然氣產業已經具備大規模產業化的基礎。

新疆某煤化公司55×108m3/a煤制天然氣工程，以煤為主要原料生產天然氣，主裝置包括碎煤加壓氣化、粗煤氣變換冷卻、低溫甲醇洗、混合吸收制冷、甲烷化、天然氣壓縮干燥、煤氣水分離干燥、酚回收、氨回收、硫回收、空分裝置等系統，公用工程和輔助設施有：火炬、污水處理、給排水、供電、熱電站、物料的運輸裝卸貯存、工藝供熱外管、采暖通風及空氣調節、儀表空壓站、維修、分析化驗、生活福利設施等。

2 工藝流程

以地產煤為主要原料，在碎煤加壓氣化裝置中加入催化劑、水蒸氣、氧氣發生氧化還原反應，產生以H2、CO、CO2為主的粗煤氣，以變換裝置將CO轉化為H2、CO、CO2，當煤氣中H2/CO=3.2時，經低溫甲醇洗凈化，脫除CO、H2S后，通過甲烷化裝置轉化為天然氣（CH4），進一步干燥和加壓后外輸。

3 主要裝置、區域的火災爆炸危險性分析

生產過程中的主要易燃易爆物質有CO、H2、CO2、CH4、H2S、甲醇等在空氣中易形成爆炸性氣體混合物，若從工藝設備、管線泄漏，遇明火、高溫即能引發燃燒爆炸事故，主要裝置、區域的火災爆炸危險性劃分，見表1。

表1 主要裝置、區域的火災爆炸危險性一覽表[8]

3.1 氣化裝置

氣化裝置采用碎煤固定床干法排灰加壓氣化技術。采用逆流氣化，煤氣出爐組分包括CO、H2、CO2、CH4、H2S、有機硫、C2H4、C2H6、C3H8、C4H10、HCN、N2、Ar以及焦油、脂肪酸、酚、氨、石腦油、油、灰塵等。

氣化反應在1100～1300℃的高溫下進行。粗合成氣若發生泄漏即可在外部空間形成爆炸性混合物。

氣化爐內襯耐火材料及水夾套。一旦襯里失去隔熱效能，則水夾套直接受到高溫氣體的作用，加之承受高壓載荷和應力，夾套很快就會蠕變損壞造成停爐。爐內氣體一旦滲漏，即會造成火災、爆炸事故。

投料開車頻繁、入爐氧氣的量控制不好、氣化爐操作過氧，會使氣化爐耐火材料燒蝕嚴重；煤的灰熔點越高，操作溫度則越高，耐火材料蝕損越大[3]。

氣化爐還會因過氧操作致使氣化爐爆炸；蒸汽壓力劇升會導致使氣化爐發生水夾套超壓爆炸；檢修時煤氣倒流或空氣進入系統也可造成爆炸事故。

3.2 氣變換冷卻裝置

粗煤氣變換裝置是將粗煤氣中的CO變換為H2，以滿足甲烷化H2/CO=3.2的要求，同時回收變換反應熱，最后將煤氣冷卻至40℃送入低溫甲醇洗裝置。

進入變換系統的粗煤氣的變換反應是在Co-Mo耐硫耐油催化劑的作用下進行的，催化劑的工作溫度在160～450℃之間，在變換爐上層設觸媒保護層。如果入變換爐煤氣洗滌效果不好或保護層失效，會導致催化劑失活；水煤氣帶水，如氣化洗滌操作不當導致帶水，也會導致觸媒活性組分流失，活性降低。

變換爐操作溫度高、壓力大，若變換爐襯脫落損壞，使得局部爐壁長期處于過熱狀態下運行。長期過熱會造成鋼材蠕變產生裂紋，或造成爐體變形，鼓凸。在高溫高壓下，發生氫腐蝕會加劇鋼材的損害，造成介質泄漏。變換氣泄漏后與空氣混和，可形成爆炸性混合物。

3.3 低溫甲醇洗凈化裝置

低溫甲醇洗凈化裝置一般在-20～-70℃范圍內操作，承受一定的壓力，為有冷脆破壞危險性的低溫壓力容器。設備的選材需選具有特殊要求的低溫用鋼，加工工藝有特殊要求，材質本身存在缺陷或對容器的操作使用不當，會造成容器低溫脆性失效，導致可燃氣體泄漏，引發爆炸事故[2]。

甲醇循環操作過程中，常伴有切液操作，控制不當，在排液過程中有可能將甲醇排出，成為火災爆炸的隱患。

3.4 混合吸收制冷裝置

由精餾塔、過冷器、吸收器、熱交換器、分凝器、解析器、冷卻器、氨水貯槽、液氨貯槽、冷凝液貯槽、氨水泵由于腐蝕或安裝質量焊逢泄漏、連接件法蘭、密封件損壞泄漏，都會造成氨氣泄漏，造成氨灼傷、中毒等重大事故。

氨壓縮機在高壓、高轉速下運行，密封、潤滑條件要求高，調節控制系統復雜，運行中如發生喘振、氣體帶液、軸瓦磨損、密封損壞、軸位移高等都會造成機組故障。而泄漏出來的氣體瞬間即可與空氣混合就可形成爆炸性混合氣體。如遇有氣體泄漏時的沖擊火花等點火源，立即就會產生爆炸燃燒。由于壓力高，易造成連續反應，造成重大的火災、爆炸事故。

3.5 甲烷化裝置

甲烷合成用的是鎳催化劑，介質為CO、CO2和H2，在高溫高壓的運行環境中，反應器的材質可能會產生蠕變脆化、氫脆、氫腐蝕、應力腐蝕和介質腐蝕，可能導致設備裂紋或破裂，致使介質滲漏，高溫高壓下，可能造成火災、爆炸事故。

進入甲烷化工段的氫含量較高，氫的爆炸極限為4.0%～74.2%，混合氣泄漏極易與空氣混合形成爆炸性混合氣體。高壓氫氣泄漏時，流速大，與設備劇烈摩擦產生的高溫和靜電即能引起爆炸。

CH4的合成反應是在高溫高壓下進行的，氫在高溫高壓下對碳鋼設備具有較強的滲透能力，形成了氫氣腐蝕使金屬變脆，機械強度減弱。溫度控制十分重要，一旦超溫在高壓下的金屬抗氫腐蝕能力將大大降低。

合成反應產生大量熱量，熱反應生成熱大量積聚使反應溫度超高，嚴重的會造成催化劑嚴重結焦而失去活性，破壞設備結構，使反應器壁過熱，發生裂紋，嚴重時引起物料大量泄漏，加速鋼材的高溫氫腐蝕，降低鋼材強度，增大設備發生物理性爆炸和次生火災的可能性。

3.6 天然氣壓縮、干燥裝置

離心式壓縮機在高壓、高轉速下運行，密封、潤滑條件要求高，調節控制系統復雜，運行中如發生喘振、氣體帶液、軸瓦磨損、密封損壞、軸位移高等都會造成機組故障。泄漏出來的氣體瞬間即可與空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇明火源，就會立即產生爆炸燃燒。

蒸氣透平驅動壓縮機由于潤滑油及控制油儲存量較大，壓力高，為可燃物。如發生泄漏，遇高溫蒸汽管線，也可造成火災。

3.7 空分裝置

采用深冷空氣分離法制氧、氮。由于有高純氧氮存在，液氧是強助燃劑，與可燃氣體形成具有爆炸危險的爆炸性氣體。當與臭氧、氮的化合物存在時，會使液氧的可燃物質混合物的爆炸敏感性增大。

裝置中碳氫化合物隨原料空氣進入空分設備，在低溫條件下，有可能在液氧和液氮中濃縮析出。大量有機碳氫化合物在深冷的液氧中以固體析出后懸浮在液氧表面，在湍急的液氧表面的撞擊、磨擦、打火會產生爆炸。

進入精餾系統的空氣需要經過空氣壓縮機加壓輸送，壓縮機用油脂液氧中就形成了“液氧炸藥”，若遇火源就會發生爆炸。

3.8 硫回收裝置

酸性氣、燃料氣在高溫轉化過程中，酸性氣燃燒的配風量是工藝操作的重點參數，若配風量不足或因鼓風機停機而中斷，容易引起二次燃燒、閃爆。

生產過程中如果發生燃氣帶液，燃氣管線泄漏，點火操作不當，均可能引發燃燒爐閃爆。

冷凝器入口溫度較高，操作條件苛刻，換熱器內管子與管板接頭承受著反復的熱沖擊、高溫腐蝕，極易發生破壞。在酸性氣焚燒爐燃燒不完全，H2S濃度較高時，可能出現超溫（尤其在開停工過程中易發生），發生設備損壞、催化劑活性喪失等事故，設備嚴重損壞導致泄漏發生時可釀成H2S中毒及火災爆炸事故。

酸性氣帶液一旦進入燃燒爐，突然發生相變，導致進入燃燒爐內的氣體體積驟然增加，會使爐內壓力驟升，可引起防爆膜爆裂，有毒氣體泄漏。

3.9 煤氣水分離、酚氨回收裝置

裝置貯存成品煤氣水的緩沖槽利用減壓膨脹原理，分離出溶解在煤氣水中的氣體，并且利用無壓重力沉降分離，根據不同組分的密度差，將煤氣水中焦油、中油、粗酚等組分分離。易燃氣體泄漏，遇明火易引發火災。

3.10 密封系統泄漏

各裝置中塔、容器、管路等若焊縫泄漏、腐蝕泄漏、連接件泄漏、密封件老化失效、操作失誤、壓力變化過大、溫度過高都有可能造成可燃介質的泄漏，引起火災爆炸、人員中毒事故。

4 防火防爆安全對策措施

4.1 總平面布置

⑴總圖布置在滿足防火、防爆及安全標準和規范要求的前提下，盡量采用露天化、集中化和按流程布置，并考慮同類設備相對集中。便于安全生產和檢修管理[4]。

⑵根據《建筑設計防火規范》和裝置生產的火災危險性分類的不同，進行建筑物的防火設計。裝置建筑物的耐火等級按不低于二級設計。有火災爆炸危險性的生產廠房、設備露天布置；建構筑物的結構形式采用鋼筋混凝土柱或框架結構，選用材料符合防火防爆要求[6]。

⑶甲醇可燃液體儲罐應分別集中布置，應設外噴淋冷卻設施，并宜設氮封裝置。

⑷可燃液體的裝卸輸送泵與化學藥劑的裝卸輸送泵宜分開布置。

⑸有爆炸危險的生產廠房的泄壓部位不應布置在鄰近人員集中或交通要道處，以減少對鄰近生產裝置和建筑物的影響[1]。

⑹DCS操作室面向裝置區的外墻應為抗爆墻。

4.2 技術、工藝安全對策措施

⑴為防止高壓串低壓而產生危險，設備管道應根據具體情況設置自動切斷閥、止回閥等，且應與放空系統聯鎖。

⑵帶壓裝置應設置阻火、隔爆裝置，防止某一設備發生火災、爆炸而涉及相鄰的設備。凡有易燃易爆介質的設備，均設供開停車使用的氮氣置換裝置。

⑶工藝管線必須安全可靠，且便于操作，設計中所選用的管線、管件、及閥門的材料，應保證有足夠的機械強度及使用期限。管線的設計、制造、安裝及試壓等技術條件，應符合國家現行標準和規范的要求。

⑷工藝管線的安裝，應考慮抗震和管線振動、脆性破裂、溫差應力破壞、失穩、高溫蠕變破裂、腐蝕破裂及密封泄漏等因素，并采取安全措施加以控制。

⑸與壓縮機聯接的管道應作振動分析并采取防止疲勞損裂的措施。

⑹物料倒流會產生危險的設備管道，應根據具體情況設置自動切斷閥、止回閥或中間容器等。

⑺工藝管線上安裝的安全閥、防爆閥、泄壓設施、自動控制檢測儀表、報警系統、安全連鎖裝置及安全衛生檢測設施，應設計合理且安全可靠。

⑻管線的保溫材料，尤其是保冷材料，要選擇質量好的，嚴把施工質量，防止管線外腐蝕。

⑼主要工藝及關鍵設備應同時考慮安全設施并提高自動化水平[10]～[11]。

⑽在設計中，產生燃爆性氣體和粉塵的廠房內采取相應的通風除塵措施，以降低爆炸性物質濃度，使其低于燃爆下限。并設置必要的安全聯鎖報警裝置。

⑾裝置中設置必要的安全報警及聯鎖設施，防止工藝參數超過設計安全值引發的火災爆炸事故，如氣化爐設置頂部高溫聯鎖、氣化爐夾套液位低聯鎖、出口煤氣高溫聯鎖、氧氣蒸汽低壓聯鎖等；壓縮機組設超溫、超壓、油壓過低、軸承溫度過高聯鎖停車系統；鍋爐安裝有高低水位報警器、低水位聯鎖保護裝置以及蒸汽超壓的報警和聯鎖裝置等，確保生產裝置的正常運行[10]～[11]。

⑿低溫甲醇洗的泵輸送的流體為易燃易爆有毒的介質甲醇，選用機械密封性能可靠的耐低溫材料制造的泵，電機采用防爆型，防止泄漏引發火災爆炸及中毒事故。

⒀甲烷化反應器設置溫度、壓力的檢測監控系統，通過控制循環的氣體流量控制反應的溫度，防止反應溫度的急劇升高引發反應器的超壓。

⒁氣體凈化、甲烷合成等工段為爆炸性氣體環境，應按照《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB50058-1992的要求對爆炸火災危險區域進行劃分，并按規定選用相應防爆型的電氣設備。

⒂廠區有爆炸危險的建構筑物等級按第二類防雷設置，其它建構筑物按第三類防雷設置。采用裝設在建筑物上的避雷網或避雷針或其混合組成的接閃器，利用建筑物的鋼筋或金屬構件作為引下線，并通過引下線與接地裝置相連，防直擊雷的沖擊接地電阻不大于10 Ω[9]。

⒃在輸送易燃易爆的物料管線和裝置上做防靜電接地，所有金屬設備外殼均需可靠接地。

⒄在裝置區內沿道路及必要的裝置內設置消火栓和消防管網，并按規定設置一定數量的手提式化學滅火器和推車式化學滅火器。

4.3 裝置、設備和設施安全對策措施

⑴壓力容器設計應按《鋼制壓力容器》、《壓力容器安全技術監察規程》、《鋼制管殼式換熱器》執行，臨氫設備的選材應符合納爾遜曲線的要求。

⑵低溫甲醇洗系統中低溫壓力容器設計、制造應符合《鋼制低溫壓力容器技術規定》中的要求。

⑶裝置內的所有壓力容器必須是具有相應資質的制造廠生產的合格產品，其產品的合格證、質量檢驗報告、使用維護說明書等技術資料必須齊全有效。

⑷變換裝置中催化劑再生燃氣加熱爐應設長明燈和阻火器，以防可燃氣體在爐膛內積聚達爆炸極限而發生火災爆炸事故。

⑸壓縮機主機、輔機、控制儀表、安全附件應成套供應。

⑹在易燃易爆危險場所內，不得采用皮帶傳動，如必須采用三角皮帶傳動時，應采用防靜電的三角皮帶。

⑺對設備、管道及附件表面溫度超過50℃時采取節能隔熱措施，以防人員燙傷。

⑻甲醇儲罐應設氮封罐及外噴淋冷卻設施。

4.4 電氣、儀表安全對策措施

⑴6 kV及以上電壓等級的電氣設備及電纜均應經短路電流的動熱穩定校核。

⑵電力電纜、控制電纜沿橋架敷設時應選用阻燃電纜，可不帶鋼鎧，沿溝或直埋時必須選用帶鋼鎧電纜。

⑶所有防爆區域內的用電設備均應選用防爆型，具有dIIBT4和dIICT4防爆結構，且引至電氣設備的接線盒（口）出處的電纜應穿防爆撓性連接管，非防爆場所按火災危險區域要求選用防火防塵型設備[5]。

⑷生產裝置應有供安全操作的備用電源，DCS控制系統、儀表一級負荷等應配備UPS不間斷電源。

⑸生產裝置區應按不同的爆炸危險場所區和火災危險場所制定相應的防雷措施。

⑹低壓配電系統采用TN-S或TN-C-S接地方式，所有電器設備的金屬外殼、電纜外皮、穿線鋼管等均應可靠接地，高壓配電裝置應采取防止誤操作的措施[7]。

⑺為保證裝置供配電系統的可靠性，變配電室及儀表室內地坪高出室外地坪0.6 m以上，變配電裝置內所有裸露母線使用熱縮管封包絕緣，裝置生產區內應采用阻燃銅芯電纜，以充砂電纜溝和直埋地敷設為主，電纜線穿越的墻洞應按規定使用阻燃材料封堵，架空電纜槽盒應有足夠的強度及剛度，并做防火涂層處理，同時有防雨水倒灌措施。

⑻火災自動報警線路應為防火電纜。

⑼按照《電力裝置繼電保護和自動裝置設計規范》（GB50062-1992）對電氣系統進行保護和自動化設置。

[1]唐明智.化工企業建筑防火、防爆措施[j].遼寧化工2006，07.

[2]沈玲，曾強.危險化學品生產過程中的危險源辨識與評價[J].河南理工大學學報(自然科學版)2007.06.

[3]劉洋.煤制天然氣工程的主要危險有害因素分析[J].現代職業安全,2011.08.

[4]GB50160-2008.石油化工企業設計防火規范[S].

[5]GB50058-1992.爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范[S].

[6]GB50016-2006.建筑設計防火規范[S].

[7]GB50254-1996.電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范[S].

[8]GB4968－2008.火災分類 [S].

[9]馬良,楊守生.石油化工生產防火防爆：中國石化出版社,1999.

[10]安監總管三〔2009〕116號.國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知.

[11]安監總管三〔2013〕3號.國家安全監管總局關于公布第二批重點監管危險化工工藝目錄和調整首批重點監管危險化工工藝中部分典型工藝的通知.