淺談煤氣發生爐的安全與能效問題

成德芳 鐘豐平

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020）

淺談煤氣發生爐的安全與能效問題

成德芳 鐘豐平

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020）

本文通過對一起煤氣發生爐爆炸事故分析，繼而討論了煤氣發生爐的安全現狀，提出了煤氣發生爐安全管理和能效提升方面的優化建議。

煤氣發生爐 事故分析 安全管理 能效提升

煤氣發生爐是將煤炭轉化為煤氣的生產設備，按結構可分為一段式煤氣發生爐和二段式煤氣發生爐，因其結構簡單，使用方便，在國內冶金、機械、建材、化工等行業應用廣泛[1]，總量超過4000臺。

然而，由于管理不善、操作不當導致的煤氣發生爐事故時有發生。2014年末，某冶金企業發生煤氣發生爐爆炸事故，造成4人死亡，4人受傷，浙江省特種設備檢驗研究院作為政府設立的技術機構，受事故發生地安監局委托，順利完成該事故技術鑒定工作，并在隨后的煤氣發生爐運行情況專項安全檢查中，發現目前在用的煤氣發生爐存在較多的安全和能效問題，急待改進。

筆者認為，雖然煤氣發生爐不屬于特種設備監察范圍，但借鑒特種設備（蒸汽鍋爐）成功的安全管理經驗，對保障煤氣發生爐的安全運行和能效提升有著重大意義。

1 煤氣發生爐事故分析

1.1 煤氣發生爐事故概況

發生事故的煤氣發生爐屬“一段式煤氣發生爐”（見圖1），可按原料煤及給水的流程將工藝分為兩部分：原料煤從煤氣發生爐頂部加入，與從爐底進入的空氣、蒸汽逆流相遇，同時受爐底燃料層高溫氣體加熱，發生物理、化學反應，產生煤氣，其中氧化煤層溫度在1000℃以上。給水直接通過集汽包，進入水夾套，保證煤氣發生爐內膽得到有效冷卻。夾套內受熱形成的汽水混合物回到集汽包，分離后的蒸汽通過集汽包蒸汽出口管與風機輸送的空氣混合之后進入爐膛內參與反應。在正常運行工況下，煤氣發生爐是常壓的。

圖1 煤氣發生爐工藝流程圖

通過技術鑒定，專家組初步認定這是一起由于誤操作引起水夾套缺水導致的爆炸事故。盡管煤氣發生爐在正常工況下為常壓運行，但若嚴重缺水，會導致內膽過熱，材料強度下降，特別是在嚴重缺水后立即加水時，煤氣發生爐夾套內壓力會瞬間升高，造成夾套的失穩、爆炸，該起事故中對爆炸能量與現場破壞能量分別進行了估算。

1.2 爆炸能量估算

根據現場勘察、相關檢驗檢測結果以及相關人員筆錄，筆者對該起事故的爆炸能量進行了估算。爆炸前夾套內水位應在爆炸破口以下，本次估算取夾套內水位高度400mm進行分析，估算結果表明即使爆炸前夾套內僅存少量的水，所得到的飽和水爆炸能量也與現場破壞能量相當。以下是本次爆炸能量分析過程。

●1.2.1 飽和水爆炸能量估算

不考慮氣體膨脹做的功，煤氣發生爐中飽和水爆炸總能量E按式（1）計算：

式中：

E——飽和水的爆炸能量，kJ；

V——煤氣發生爐內飽和水所占的容積，m3；

CW——飽和水爆炸能量系數，kJ/m3，其值見表1。

表1 常用壓力下CS、CW值（kJ/m3）[2]

爆炸時壓力取集汽包安全閥的整定壓力0.07MPa,該壓力為最低的爆炸壓力，會低于實際值。已知爐膽內直徑2000mm，水冷夾套厚度200mm，夾套高度3140mm。根據斷口位置，僅以汽液分界線距離夾套底部400mm進行計算，則可以根據爆炸部位初步估算爆炸前夾套內剩余水的體積V水按式（2）計算。

飽和水爆破能量系數Cw，根據表1的數據進行曲線擬合（見圖2）。

圖2 CW值的多項式擬合

從而得到了CW的擬合多項式（3）：

將p=0.07MPa帶入式（3），得到CW=1.35×104kJ/m3，將以上結果帶入式（1），得到爆炸時飽和水的能量約為E=7.46×103kJ。

●1.2.2 現場破壞能量估算

煤氣發生爐的爆炸能量以沖擊波能量E1、自身獲得的動能E2以及自身殘余變形的形式釋放。其中自身殘余變形釋放的能量占比重很小，可以忽略，因此取現場沖擊波能量和動能的總和（E1+E2）作為現場破壞能量的估算值。以下是E1和E2的估算方法。

目前，可以利用TNT當量法來確定以沖擊波形式轉化的爆炸能量[3]。根據現場的實際情況，按無限空氣介質中爆炸時空氣沖擊波峰值超壓計算式（4）[4]，計算得到煤氣發生爐爆炸的TNT當量W，再按照單位TNT炸藥爆炸的平均能量4.5×103kJ/kg[1]使用式（5）進行換算，得到沖擊波能量E1。

式中：

Δp——爆炸所產生的沖擊波超壓見表2，單位MPa，根據現場的實際情況，取Δp=0.020MPa；

r——出現傷害現象的對象離爆炸點的距離，單位m，根據現場的實際情況，r=7m；

W——產生對應破壞所需要的TNT炸藥當量，單位kg。

E1——沖擊波形式轉化的爆炸能量；

4.5 ×103kJ/kg為單位TNT炸藥爆炸的平均能量[1]。

表2 沖擊波超壓對建筑的破壞作用[2]

通過計算得到煤氣發生爐爆炸的TNT當量W為1.285kg，得到沖擊波能量E1為5.782×103kJ。

爆炸后煤氣發生爐就落在原位置附近，因此建立豎直上拋問題模型，初始動能E2轉化為勢能W1，按下式（6）計算。計算得到拋出部分爐體的能量W1，初始的動能近似等于拋出物體的勢能E2，取E2=W1。

式中：

g——重力加速度9.8m/s2；

m——煤氣發生爐、附屬管道以及集汽包質量kg。煤氣發生爐被整體上拋，質量數據來自整體起吊時吊車的重量顯示，為7000kg。

h——煤氣發生爐重心在爆炸過程中所達到的最大高度值m。筆者發現煤氣發生爐上拋過程中，對其配套煙囪的上部造成了一定損傷，并借此估算了上拋的高度為10m。

計算得到拋出部分爐體的能量：W1=mgh =7000×9.8×10=6.86×102kJ。初始的動能近似等于拋出物體的勢能，取E2=W1=6.86×102kJ。

現場沖擊波能量和勢能的總和為E1+E2=5.782× 103+6.86×102=6.468×103kJ,爆炸時飽和水釋放的總能量E=7.46×103kJ。由此可見飽和水爆炸能量與現場破壞能量相當。

1.3 事故總結

事故調查中發現，該煤氣發生爐沒有基本的操作規程和安全管理制度，操作人員進行了在非停爐狀態下水位表維修、關閉進水閥的違章操作，暴露出煤氣發生爐安全管理、運行方面存在的漏洞，最終導致煤氣發生爐爆炸事故。

2 煤氣發生爐現狀

通過事故的分析總結，結合事故后全省部分地區安全生產監察機構邀請筆者單位所開展的相關安全檢查，筆者認為目前在用的煤氣發生爐在安全管理和能效方面存在以下主要問題：

1）操作人員技術水平低，安全意識薄弱。多數煤氣發生爐操作人員學歷較低，沒有經過相關的操作培訓，不了解煤氣發生爐的基本工作原理，特別對于煤氣及煤氣發生爐的爆炸危險性缺乏認識；

2）使用單位管理制度缺失，崗位職責不明。多數煤氣發生爐使用單位沒有制定管理制度，特別是沒有操作規程，或者操作規范流于形式；煤氣發生爐的管理、操作、維護等崗位職責不明確；

3）設備本身液位監控薄弱，低水位報警缺失。部分煤氣發生爐液位計安裝位置過高或液位計處光線昏暗，導致液位觀測困難；部分煤氣發生爐僅采用浮球閥調整液位，液位無法得到有效監控；甚至有個別煤氣發生爐未設置液位計，使得液位完全處于失控狀態。大多數煤氣發生爐都沒有設置低水位報警裝置，設備的安全聯鎖功能缺失；

4）煤氣發生爐產能小，能耗高。煤氣發生爐的結構和工藝特性，導致了其灰渣含碳量高，煤氣帶粉量高，CO2排放高等問題，煤炭資源浪費比較嚴重；

5）煤氣發生爐余熱利用率低，資源浪費高。煤氣發生爐的煤氣出口溫度較高，一段式煤氣發生爐出口溫度超過500℃, 兩段式煤氣發生爐出口溫度超過450℃，這部分余熱沒有得到有效利用。煤氣發生爐產生的高溫灰渣直接進入煤渣盤的水封中，也浪費了灰渣顯熱。同時蒸汽分解率低，蒸汽潛熱無法回收。

3 改進建議及對策

針對上述問題，參照目前特種設備（蒸汽鍋爐）成功的安全與節能工作經驗，現提出以下改進建議和對策：

1）加強人員培訓，提高安全意識。煤氣發生爐操作人員應經培訓考核持證上崗；企業還應對煤氣發生爐操作人員進行專業知識培訓，提高操作水平及應變能力，并對其進行事故警示教育，提高安全意識。

2）健全管理制度，落實操作規程。企業應建立健全煤氣發生爐崗位安全生產責任制和安全管理制度，包括隱患排查治理、教育培訓考核、崗位運行檢查、檢維修管理等，并建立健全各崗位安全操作規程、臺賬等，同時落實制度規程上墻。

3）加強液位監控，設置低水位報警。應確保每臺煤氣發生爐設置液位計并方便觀察，同時定期對液位計進行維護保養，保持清晰可讀。對光線昏暗處應該設置足夠強度的照明。有條件的企業應該設置缺水報警裝置，有效杜絕缺水隱患。

4）加強水質監測，防止金屬超溫。煤氣發生爐夾套內部的水垢堆積會降低鍋爐傳熱性能，導致金屬超溫，降低材料的強度，因此必須強水質監控。爐外水處理是比較好的選擇。

5）優化運行參數，實現節能減排。為使反應更加充分，可從參數上進行優化。減小原料煤的粒度，增加反應表面積；設定合適的料層厚度，保證足夠的反應時間；維持足夠的爐溫促使反應充分，提高蒸汽分解率。

6）建議政府相關部門加強監管，強制淘汰一批結構簡單、高耗能的產品。

[1] 岳勇.淺談水夾套煤氣發生爐安全管理及質量控制[J].工業爐，2005，27(5)：26-28.

[2] 國家安全生產監督管理局.安全評價[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[3] 劉盛平，周曄.鍋爐爆炸沖擊波危害范圍計算[J].地質勘探安全，1998，5(4)：25-26.

[4] 段卓，黃風雷.地下彈藥庫爆炸產生的地面空氣沖擊波的估算與數值模擬[J].安全與環境學報，2001，04：45-49.

Discussion on the Safety and Energy Efficiency of the Gas Generator

Cheng Defang Zhong fengping
(Zhejiang Special Equipment Inspection and Research Institute Hangzhou 310020)

An explosion accident of coal-gas producer was analyzed in this article. Then, the current security status of coal-gas producers was discussed and the suggestions to improve the safety management and energy efficiency of coal-gas producers were proposed.

Coal-gas producer Fault analysis Safety management Energy efficiency improvement

X933.2

B

1673-257X(2015)10-0059-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.015

成德芳(1964～),男，本科，教授級高工，長期從事鍋爐檢驗、安全評估和節能科研等工作。

2015-07-22）