煤化工項目高層封閉氣化廠房通風次數(shù)探討

張曉陽

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

某項目是以煤為原料生產(chǎn)合成氣的煤化工項目，采用粉煤加壓氣化技術。考慮到工藝操作豎向生產(chǎn)的要求和工藝裝置基本參數(shù)，氣化廠房設計成15層，為型鋼混凝土+鋼結(jié)構(gòu)框架，建筑高度78 m；同時，該地區(qū)氣候嚴寒，近年月平均最低氣溫為-23℃，采暖期從10月到次年4月，受氣候條件限制，為滿足安全生產(chǎn)的要求，須設計成全封閉式廠房。這類廠房如何確定合理的通風次數(shù)，降低廠房起火爆炸的危險，達到保證整個廠房及設備和巡檢人員安全的目的，顯得尤為重要。

1 粉煤氣化技術流程及危險介質(zhì)概述

本項目煤氣化過程的主要原料是煤粉和高壓純氧。它們進入氣化爐內(nèi)后，在1400℃，4.7 MPa的高溫、高壓條件下進行氣化反應，生成CO、CO2、H2、H2O和少量的CH4、H2S等混合氣。H2、CH4、H2S的火災危險類別為“甲類”；CO的火災危險類別為“乙類”。

該項目的煤粉粒徑約為95μm，粉煤的引燃溫度為590℃。泄露的干燥煤粉堆積起來很容易被引燃或者自然，若煤粉被風揚起形成煤粉塵云，遭遇明火將會發(fā)生爆炸，其產(chǎn)生的爆炸能量大，破壞性強，通常還會導致二次爆炸。所以氣化廠房屬于甲類廠房，其中包括大量的易燃、易爆和毒性物質(zhì)，一旦泄漏，可能發(fā)生火災、爆炸、中毒或窒息事故，引起人員傷亡和財產(chǎn)損失，將對廠區(qū)和周邊產(chǎn)生較大影響。該項目廠房內(nèi)主要危險介質(zhì)性質(zhì)見表1。

表1 主要危險介質(zhì)性質(zhì)

2 廠房內(nèi)存在大量設備及閥門

此煤氣化廠房內(nèi)的主要物料屬于甲、乙類，生產(chǎn)工藝流程復雜，高溫高壓設備多，且有大量閥門，危險介質(zhì)釋放源多(二級釋放源)，整個裝置所在廠房都為防爆區(qū)。尤其是本廠房為封閉設計，可燃 氣體介質(zhì)容易聚集，遇到明火極其容易發(fā)生燃燒甚至爆炸的情況。在裝置投產(chǎn)運行時，由于設計原因、設備儀表故障、操作失誤以及安全維護不當?shù)纫蛩兀嬖谝欢ǖ男孤讹L險。

3 封閉的廠房使得危險介質(zhì)容易聚集

該裝置為甲類，火災風險大，此類裝置的廠房通常不作封閉設計。但該項目所在地屬于寒冷地區(qū)，歷年最冷月份平均最低氣溫為-23℃，極端最低氣溫-34℃。氣化裝置每隔一段時間需要更換燒嘴，氣化爐需在熱備狀態(tài)甚至停車，如遇到在寒冷天氣進行此類工作，會影響正常運行，甚至造成設備及管道因溫度低而凍裂、凍壞等問題。嚴寒的天氣還會帶來設備損壞，儀表的指示不準確乃至損壞，這會給正常產(chǎn)生帶來很大的安全隱患，使整個生產(chǎn)裝置的操作負荷及彈性降低，進而影響到全廠區(qū)的生產(chǎn)運行。基于以上原因，煤氣化廠房在寒冷地區(qū)需作封閉設計。封閉的廠房內(nèi)空氣流通不暢，降低了可能泄露出來的粉煤及其他危險介質(zhì)的擴散速率，使其更容易積聚，對廠房泄爆也帶來不利影響。

4 廠房防火分區(qū)的劃分復雜

氣化裝置部分設備體積大，在廠房內(nèi)豎向布置，會貫穿2～3層樓板，這就導致了廠房內(nèi)局部為兩層或者三層是貫通的，使得防火分區(qū)劃分難度大。該項目廠房某個防火分區(qū)并不只是同一樓層，而是兩層或者三層的部分空間為一個防火分區(qū)。該項目防火分區(qū)劃分見圖1。這樣的防火分區(qū)劃分增大了部分防火分區(qū)的體積，擴大了發(fā)生火災后可能蔓延到的區(qū)域，增大了危險介質(zhì)影響的范圍，加大了廠房內(nèi)泄露的危險介質(zhì)發(fā)生燃燒、爆炸的可能性。

5 廠房通風量的計算

5.1 計算依據(jù)

5.1.1 氣化廠房防火分區(qū)的劃分

該項目氣化廠房共有11個防火分區(qū)，防火分區(qū)劃分見圖1，每個防火分區(qū)體積見表2。

根據(jù)《化工采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[2]HG/T20698-2009計算了氣化廠房內(nèi)有氣體(一氧化碳、氫氣)泄露風險的防火分區(qū)所需的通風次數(shù)。

表2 氣化廠房防火分區(qū)體積

其中氣化廠房有氣體(一氧化碳、氫氣)泄露風險的防火分區(qū)為4、6分區(qū)。

5.1.2 根據(jù)有害氣體散放量計算通風量

根據(jù)《化工采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》HG/T20698-2009附錄B：按車間衛(wèi)生標準確定稀釋通風量，按式1計算：

24.45×W×K×106

(1)

式中：L——通風量，m3/h；

W——車間內(nèi)有害氣體放散量，kg/h；

當不能確定時，可參考表3計算；

M——有害物質(zhì)分子量；

K——風量修正系數(shù)，其取值范圍為3～11，由車間內(nèi)稀釋通風氣流組織有效性和有害物危害程度兩個因素確定。可參考表4確定。

表3 化工車間有害物質(zhì)泄露放散量估算指標

表4 風量修正系數(shù)K值

5.1.3 根據(jù)爆炸性氣體散放量計算通風量

根據(jù)《化工采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》HG/T20698-2009附錄F：按爆炸性氣體的放散量及其操作下限計算通風量，按式1計算：

(2)

式中：L——通風量，m3/h；

W——危險場所內(nèi)爆炸性氣體最大放散量，kg/h；

LEL——危險場所沒爆炸性氣體的爆炸下限，mg/m3；應按照表3確定。表中LEL體積百分比數(shù)值按下式換算：

LEL(mg/m3)=0.416×103×M×LEL(體積百分比)；

K——安全系數(shù)，數(shù)值最小取4，即將爆炸性氣體濃度稀釋至爆炸下限的25%；

T——環(huán)境溫度，K；

M——爆炸性氣體的分子量；

5.2 計算過程(以氣化廠房第4防火分區(qū)為例計算)

5.2.1 以有害氣體散放量計算通風量

該分區(qū)內(nèi)有閥門13個，法蘭33片，根據(jù)1.1中表3計算氣體散放量：

W=21.3×13+0.23×33=284.49g/h；

因廠房為封閉的，廠房內(nèi)通風狀況一般，CO為高度危害，查詢表4可確定K值取8；CO為有害氣體，M值為28；TLV查詢表5值為35。

表5 車間空氣中有害物質(zhì)容許濃度

氣化廠房第4分區(qū)體積為6475m3，則通風次數(shù)為：

n=56781.88/6475=8.77次。

氣化廠房內(nèi)泄漏氣體為粗合成氣，其組分為31.35%CO、13.17%H2(濕基)，其中CO為有害氣體，則所需的通風次數(shù)n1=n×0.3135=8.77×0.3135=2.75次。

5.2.2 以爆炸性氣體散放量計算通風量

W根據(jù)2.1計算結(jié)果為284.49g/h；

K取值為4；

LEL為爆炸性氣體的爆炸下限，CO和H2均為爆炸性氣體，查詢表6可知，H2的爆炸下限更低，則LEL取值3.4X103；

環(huán)境溫度T取值20℃，即293

氣化廠房第2分區(qū)體積為6475m3，則通風次數(shù)為：

n=334.69/6475=0.05次。

5.3 計算結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)《化工采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》HG/T20698-2009計算分區(qū)泄漏量、所需通風量及通風次數(shù)，結(jié)果如表7、表8。

表6 可燃性氣體和蒸汽的數(shù)據(jù)

表7 氣化廠房按車間衛(wèi)生標準計算通風次數(shù)

表8 氣化廠房按爆炸性氣體的放散量及其爆炸下限計算通風次數(shù)

比較兩種不同標準的計算結(jié)果，選取較大的通風次數(shù)9次/小時，可以滿足要求。

6 總結(jié)

(1)廠房內(nèi)設置有可燃有毒氣體探測器，可以監(jiān)控一氧化碳和氫氣泄露的情況，同時在廠房布置防爆型手動火災報警按鈕，將可燃有毒探測器與事故通風進行連鎖，在監(jiān)測到火災危險時立即開啟通風。

(2)煤氣化廠房內(nèi)磨煤、輸煤及氣化工段均有煤粉，在其泄露后，通風的效果會加大煤粉塵的擴散速率，造成更大危害。清除廠房內(nèi)的散落煤粉對氣化廠房的安全也是十分重要的，本項目設置了真空除塵系統(tǒng)。在每層樓預留了除塵系統(tǒng)接口，在有除塵需求的時候，將軟管接至除塵系統(tǒng)，可將散落的煤粉收集起來運至室外。

(3)氣化裝置在實際運行過程中危險介質(zhì)的泄露具有很大的不確定性，稀釋有毒危害氣體的廠房通風次數(shù)一般按照《化工采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)定》附錄C的規(guī)定確定。