壳牌煤气化装置经典布置原则及分析

张洪伟

中国五环工程有限公司 武汉 430223

从壳牌煤气化技术在国内开始应用至今，已投产或在建的壳牌煤气化装置已经有二十余套，从国内第一套壳牌煤气化装置设计开始，根据壳牌煤气化工艺特点和不断探索与优化设备布置。装置以煤为原料生产粗合成气，主要生产工序包括磨煤及干燥、煤加压及输送、煤气化、除渣、除灰、湿洗、初步水处理、公用工程系统等8个工序。虽然不同煤气化装置的生产规模存在一定的差异，但其设备布置总体类似，装置主框架的总高度主要集中在100m～120m，且主框架均为砼结构和钢结构的组合结构。

由于煤气化装置火灾危险性等级和装置框架高度的特殊性，决定了在设备布置方面必然会超出国内现行设计规范的适用范围。此类问题的出现，并不代表设计不满足国内现行设计规范的要求，而是凸显现行国内设计规范已不能满足当前大型工程设计的实际需要，只有根据当前工程设计实际，对相关设计条款进行及时更新和适当的补充，才能为新型煤气化技术(不仅仅指壳牌煤气化，其他煤气化技术同样也会遇到相同的瓶颈)的快速发展提供更好的服务。

不同的煤气化技术在工艺方面有所不同，但就布置而言，各气化技术之间还是有密切关联。本文通过对壳牌煤气化装置经典布置的分析与总结，为国内其他煤气化技术的发展提供参考。

1 煤气化装置的关键设备、区域以及布置原则

1.1 关键设备、关键区域

在壳牌煤气化装置中，关键设备主要包括碎煤仓、磨机、袋式过滤器、气化炉、激冷气压缩机、高压高温飞灰过滤器等。

关键区域主要包括碎煤仓顶部输煤皮带所在区域、磨机所在区域、气化炉烧嘴所在区域、激冷气压缩机所在区域、高温高压飞灰过滤器所在区域、飞灰贮仓所在框架以及副跨(装置内管廊)所在区域等。

1.2 布置原则

在对煤气化装置进行布置时，只有将关键设备和关键区域的布置把握好，并将国内现行设计规范的要求融入到关键设备和关键区域的布置中，才能实现整个煤气化装置的优化布置。在对煤气化装置进行设备布置时，主要遵循以下设计原则：

(1)设备布置应满足工艺流程、安全生产、环境保护以及专利商的特殊要求。

(2)对真空、重力流、固体卸料等，必须按管道仪表流程图(P&ID)的标高和角度要求布置设备。

(3)将磨煤框架和气化主框架合二为一，满足经济适用性原则。

(4)充分考虑设备吊装和检修要求，并满足消防专业对消防通道的要求。

(5)排渣栈桥和除灰系统分别布置在框架的两侧，其中除灰系统布置在装置管廊的一侧，并布置在输煤栈桥转运站下方的框架内，既有空间又可以节省费用。

(6)酸碱液罐和柴油罐的围堰宜紧凑布置在一起，并与除灰系统布置在同一区域，方便相关运输车辆集中调度，统一物流通道。

(7)装置管廊的上方设置一层楼面，主要用于布置公用工程系统的换热器、阀组、消音器、减温减压器等设备和阀组。此处空间的有效利用，一方面可以实现设备和阀组的集中布置，方便操作和检修，另一方面可以有效减小煤气化主框架各层楼面面积，节省费用。

(8)副跨和主框架的放空系统应分开布置，主框架内的放空管线应严格引到主框架的最顶层实施放空，副跨部分的放空管线(主要是氮气和蒸汽)则应引到装置管廊和外管廊交界处布置，并与主框架保持一定的安全距离。

2 煤气化主框架楼层标高的设定原则及关键区域布置特点分析

2.1 煤气化主框架楼层标高的设定原则

壳牌煤气化框架分为上下两个部分，其中下面部分为砼结构，上面部分为钢结构，这种设置很好地解决了气化炉(重量达1000t以上)的支撑问题，砼结构部分的高度主要由排渣系统决定。该系统由渣池、破渣机、渣收集罐、渣排放罐以及捞渣机组成，为垂直布置。一般情况下，砼结构最高楼面标高(即为气化炉的支撑楼面标高)设定为EL37.000左右。从EL0.000层至EL37.000层一般分为6层(含EL0.000层)，方便煤粉加压及输送系统、排渣系统、湿洗系统、除灰系统相关设备和管道的操作、检修。砼结构部分楼层标高的设定相对较为简单。

砼结构以上部分为钢结构，钢结构部分的楼层标高主要由气化炉管口决定，同时煤粉加压及输送系统、除灰系统相关设备的布置对楼层标高的设定也有一定影响。由于气化炉设备管口颇多，接近三百个，如何设定楼层高度，将对以后的安装、操作、检修带来很大的影响，具体设计原则如下：

(1)充分考虑管道的布置，楼层间距不宜过小。

(2)充分考虑气化炉各管口的高度以及楼面设备开孔四周的钢梁高度，尽量避免设备管口设置在楼面开洞范围内。

(3)充分考虑人孔的可操作性。

(4)充分考虑敲击器的安装高度，为之预留出足够的安装、操作和检修空间。

(5)充分考虑气化炉正常操作时向上的位移量(最高处可达150mm左右)。

(6)充分考虑气化炉周围其他工序，如煤加压及输送工序和除灰工序相关设备支撑标高、人孔、管线等操作检修等需要。

2.2 煤气化装置关键区域布置的特点

2.2.1 碎煤仓顶部输煤皮带

碎煤仓顶部楼层的标高需要与输煤皮带另一端的转运站所在楼面标高统一，这就要求同时对碎煤仓顶部以及转运站下方除灰系统的布置统一考虑，最终选择一个适合的高度作为楼面高度。同时，这个高度还要满足整个框架各楼层之间的协调以及输煤栈桥对倾角的要求。

为防止风力因素引起输煤皮带所在楼层产生扬尘，宜将皮带所在楼层四周设置维护，在楼面满铺花纹钢板，而不要铺设钢格栅。

2.2.2 磨机

此区域在考虑设备布置和楼面标高设定时，应充分考虑到磨机的检修和操作所涉及的问题，诸如过轨吊的设置、检修区域的预留、磨机顶部楼层标高的设定、磨机所在区域与热风炉所在区域之间非燃烧性实体墙的设置等。

同时，根据国标《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058-92的规定，应将磨机驱动电机的支撑标高调整为EL0.600(对应楼面标高为EL0.000)，以保证驱动电机布置在附加2区范围内。

2.2.3 气化炉烧嘴

气化炉共有6个烧嘴，其中包括4个煤烧嘴，开工烧嘴和点火烧嘴各1个。一方面与这些烧嘴连接的管线及阀组特别多，另一方面烧嘴所在楼层还需要为烧嘴的操作和检修预留出足够的空间。这就要求在对该区域进行布置时，一定要尽可能地将同一操作层管线布置在同一层，保证足够的操作、维修空间。

另外，蒸汽伴热站、仪表保温箱、保护箱、控制柜、穿线管等应尽量远离该区域，围绕该区域的外围进行布置即可。

2.2.4 激冷气压缩机

详见本文第3节的具体论述。

2.2.5 高温高压飞灰过滤器

高温高压飞灰过滤器是煤气化装置一个重要设备，该设备一般布置在煤气化主框架靠近楼梯间的最顶层。由于袋式过滤器和汽包没有必要与之布置在同一楼层高度，且它们的支撑标高低于高温高压飞灰过滤器，因此仅需要局部增设两层操作楼面即可，该设备的顶部需设置防雨防风措施。

该设备的顶部楼层，是整个装置最高的操作面，主要用于布置放空管线和消音器，保障有毒有害介质的安全放空。设计时要求建筑专业将楼梯间和电梯间一直引到上述两个操作层，并在楼梯间的另一侧，设置一套逃生楼梯。

2.2.6 飞灰贮仓

飞灰贮仓布置在输煤转运站的下方，有利于借助转运站的支撑结构来有效布置相关设备和管线，也可以保证飞灰收集罐至飞灰贮仓之间的距离不会太远，有效保障飞灰通过氮气输送到飞灰贮仓内。

2.2.7 副跨(装置内管廊)

该区域不仅使酸碱液罐和柴油罐的围堰可以紧凑地布置在一起，也使其靠近飞灰贮仓所在框架，实现相关运输车辆集中调度，统一物流通道。通过在装置管廊上方增设一层操作面，利于公用工程系统的换热器、阀组、消音器、减温减压器等设备和管道的布置。

装置全部公用工程的泵体和大部分初步水处理工序的泵体布置在装置管廊的下方，并在装置管廊下方预留出超过4m宽的贯通式消防通道，实现泵体的统一布置，方便操作和检修。

3 煤气化装置内激冷气压缩机布置的合规性分析

在壳牌煤气化装置中，最特殊和最关键的一台动设备就是激冷气压缩机。通常压缩机布置在独立压缩厂房或联合压缩厂房内，而壳牌煤气化装置的激冷气压缩机却与煤气化装置其他设备共同布置在同一框架内。这种布置既考虑现实，同时也兼顾专利商的要求。根据《石油化工企业设计防火规范》GB 50160第5.3.1规定：①可燃气体压缩机宜布置在敞开或半敞开式厂房内；②单机驱动功率等于或大于150kW的甲类气体压缩机厂房不宜与其他甲、乙和丙类房间共用一幢建筑物。但是，壳牌煤气化激冷气压缩机不仅其功率均在500kW以上，而且它还是与其它甲类设备同厂房敞开布置的。显然目前的布置方案与国内现行的设计规范，特别是防火设计规范的要求有一定差异。根据专利商的要求，从工艺、安装、操作、检修等角度出发，一般将激冷气压缩机布置在气化厂房一层靠近电梯的位置(即厂房的边缘)，在压缩机周围7.5米范围内，除压缩机自用的气液分离罐外，无其他设备。压缩机指向厂房外的一侧，直接连通到装置四周的道路，无任何遮挡。

通过对已投产煤气化装置产出的粗合成气分析，不管是经工艺理论计算，还是经实验室化验分析，煤气化装置所产出的粗合成气与空气的混合物的爆炸下限(理论计算值)>10%。根据《石油化工企业设计防火规范》GB 50160规定，激冷气压缩机的火灾危险性分类应定为乙类。但从理论上来说，也存在煤气化装置所产出的粗合成气与空气的混合物的爆炸下限≤ 10%的可能，此时，激冷气压缩机的火灾危险性分类应定是甲类，此处暂按甲类进行分析与论证。

由于壳牌煤气化激冷气压缩机火灾危险性等级为甲类，且单机功率大于150kW，所以确定设备布置方案须十分慎重。基于现有布置情况，激冷压缩机全部布置在敞开式厂房内，激冷气压缩机与煤气化厂房采用同厂房布置时，除遵循《石油化工企业设计防火规范》GB 50160的有关要求外，还应从布置角度充分考虑如下几个方面：

(1)激冷气压缩机应布置在气化厂房的一侧(便于通风，安全施救，检修等)。

(2)激冷气压缩机与煤粉设备要有足够的防火距离(实际距离超过20米)。

(3)激冷气压缩机上方及低点无可燃气体积聚的可能或有防可燃气体积聚的措施。

(4)激冷气压缩机附近最好设置公用物料站 (防火安全措施)。

(5)激冷气压缩机单台布置，无备机，与煤气化其他主要设备可做到同开同停，确保安全 (防火安全措施)。

(6)激冷气压缩机距其他设备的防火距离应满足《石油化工企业设计防火规范》中的有关规定。

敞开布置是最为有效的防火措施之一，从目前压缩机布置的部位来看此种布置方案是可行的。压缩机朝向厂房外侧的一面是无遮挡的，其反方向除有一台小型吹灰器外，无其他大型设备，压缩机顶部为混凝土楼板，通过楼板形成基本隔绝，从而形成良好的自然通风风道，满足爆炸危险区域的通风要求，其空气流量能使易燃物质很快稀释到爆炸下限值25%以下(见《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058中第2.2.4条)。激冷气压缩机布置在气化厂房的一侧，也为压缩机的防火、防爆、检修创造了有利条件。

在具体操作中，还需要注意以下几个方面的问题，即应该对生产、检修过程中泄漏的煤粉，及时采用真空吸尘或人工水力清扫，不允许煤气化厂房内有煤粉堆积现象存在，特别是激冷气压缩机四周，并辅以对激冷气压缩机和煤气化厂房内有可能产生可燃气体积聚的部位设置监测、报警、联锁等设施(当混合气体浓度接近爆炸下限值的50﹪时，能可靠的发出信号或切断电源(见《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058中第2.1.3条)。

可见，在满足以上所述条件的情况下，当激冷气压缩机采用敞开布置时，对激冷气压缩机和煤气化厂房都是安全、可行的。

4 结语

通过对壳牌煤气化装置内关键设备和关键区域的布置进行深入地分析、总结与优化，结合当前使用的防火设计规范相关条款，从理论和实践证明当前壳牌煤气化装置的布置是合规和合理的。当前煤化工的发展缺乏专门的防火设计规范指导，希望相关职能部门加快煤化工防火设计规范的编制步伐。