煤气发生炉的质量安全管控

文浙江省特种设备检验研究院

煤气发生炉的质量安全管控

文浙江省特种设备检验研究院

煤气发生炉是将煤炭转化为煤气的生产设备，按结构可分为一段式煤气发生炉和二段式煤气发生炉，因其结构简单，使用方便，在国内冶金、机械、建材、化工等行业应用广泛，总量超过4000台。然而，由于管理不善、操作不当导致的煤气发生炉事故时有发生。笔者认为，虽然煤气发生炉不属于特种设备监察范围，但借鉴特种设备（蒸汽锅炉）成功的安全管理经验，对保障煤气发生炉的安全运行和能效提升有着重大意义。

风煤气发生炉事故分析

一、煤气发生炉事故概况

发生事故的煤气发生炉属“一段式煤气发生炉”（见图1），可按原料煤及给水的流程将工艺分为两部分：原料煤从煤气发生炉顶部加入，与从炉底进入的空气、蒸汽逆流相遇，同时受炉底燃料层高温气体加热，发生物理、化学反应，产生煤气，其中氧化煤层温度在1000℃以上。给水直接通过集汽包，进入水夹套，保证煤气发生炉内胆得到有效冷却。夹套内受热形成的汽水混合物回到集汽包，分离后的蒸汽通过集汽包蒸汽出口管与风机输送的空气混合之后进入炉膛内参与反应。在正常运行工况下，煤气发生炉是常压的。

图1 煤气发生炉工艺流程图

通过技术鉴定，专家组初步认定这是一起由于误操作引起水夹套缺水导致的爆炸事故。尽管煤气发生炉在正常工况下为常压运行，但若严重缺水，会导致内胆过热，材料强度下降，特别是在严重缺水后立即加水时，煤气发生炉夹套内压力会瞬间升高，造成夹套的失稳、爆炸，该起事故中对爆炸能量与现场破坏能量分别进行了估算。

二、爆炸能量估算

根据现场勘察、相关检验检测结果以及相关人员笔录，笔者对该起事故的爆炸能量进行了估算。爆炸前夹套内水位应在爆炸破口以下，本次估算取夹套内水位高度400mm进行分析，估算结果表明即使爆炸前夹套内仅存少量的水，所得到的饱和水爆炸能量也与现场破坏能量相当。以下是本次爆炸能量分析过程。

1、饱和水爆炸能量估算

不考虑气体膨胀做的功，煤气发生炉中饱和水爆炸总能量E按下式（1）计算：

E=CWV

式中：E——饱和水的爆炸能量，kJ；

V——煤气发生炉内饱和水所占的容积，m3；

CW——饱和水爆炸能量系数，kJ/m3，其值如（表1）所示。

爆炸时压力取集汽包安全阀的整定压力0.07Mpa,该压力为最低的爆炸压力，会低于实际值。已知炉胆内直径2000mm，水冷夹套厚度200mm，夹套高度3140mm。根据断口位置，仅以汽液分界线距离夹套底部400mm进行计算，则可以根据爆炸部位初步估算爆炸前夹套内剩余水的体积V水按下式（2）计算。

V水=S×H=(π×1.22-π×12)×0.4=0.5526m3（2）

饱和水爆破能量系数Cw，根据表1的数据进行曲线拟合（见图2）。

图2 CW值的多项式拟合

从而得到了Cw的拟合多项式 （3）：

Cw=-5357.2P2+47873P+10145 （3）

将P=0.07MPa带入上（3）式，得到Cw=1.35×104kJ/m3，将以上结果带入（1）式，得到容器爆炸时的能量约为E=7.46×103kJ。

2、现场破坏能量估算

煤气发生炉的爆炸能量以冲击波能量E1、自身获得的动能E2以及自身残余变形的形式释放。其中自身残余变形释放的能量占比重很小，可以忽略，因此取现场冲击波能量和动能的总和（E1+E2）作为现场破坏能量的估算值。以下是E1和E2的估算方法。

目前，可以利用TNT当量法来确定以冲击波形式转化的爆炸能量。根据现场的实际情况，按无限空气介质中爆炸时空气冲击波峰值超压计算公式（4），计算得到煤气发生炉爆炸的TNT当量W，再按照单位TNT炸药爆炸的平均能量4.5×103KJ/Kg使用公式（5）进行换算，得到冲击波能量E1。

表1 常用压力下Cs、Cw 值（KJ/m3）

E1=W×4.5×103KJ/Kg （5）

式中：Δp表示爆炸所产生的冲击波超压（见表2），单位MPa，根据现场的实际情况，取Δp=0.020MPa；

r表示出现伤害现象的对象离爆炸点的距离，单位m，根据现场的实际情况，r=7m；

W 产生对应破坏所需要的TNT炸药当量，单位Kg。

E1 冲击波形式转化的爆炸能量；

4.5×103KJ/Kg为单位TNT炸药爆炸的平均能量 。

表2 冲击波超压对建筑的破坏作用

通过计算得到煤气发生炉爆炸的TNT当量W为1.285Kg，得到冲击波能量E1为5.782×103KJ。

爆炸后煤气发生炉就落在原位置附近，因此建立竖直上抛问题模型，初始动能E2转化为势能W1，按下式（6）计算。计算得到抛出部分炉体的能量W1，初始的动能近似等于抛出物体的势能E2，取E2=W1。

E2=W1=mgh （6）

式中：g为重力加速度9.8m/s2；

m值取煤气发生炉、附属管道以及集汽包质量kg。煤气发生炉被整体上抛，质量数据来自整体起吊时吊车的重量显示，为7000kg。

h为煤气发生炉重心在爆炸过程中所达到的最大高度值m。笔者发现煤气发生炉上抛过程中，对其配套烟囱的上部造成了一定损伤，并借此估算了上抛的高度为10m。

计算得到抛出部分炉体的能量：W1=mgh=7000×9.8×10=6.86×102kJ。初始的动能近似等于抛出物体的势能，取E2=W1=6.86×102kJ。

现场冲击波能量和势能的总和为E1+E2=5.782×103+6.86×102=6.468×103KJ,爆炸时释放的总能量E=7.46×103kJ。由此可见饱和水爆炸能量与现场破坏能量相当。

三、事故总结

事故调查中发现，该煤气发生炉没有基本的操作规程和安全管理制度，操作人员进行了在非停炉状态下水位表维修、关闭进水阀的违章操作，暴露出煤气发生炉安全管理、运行方面存在的漏洞，最终导致煤气发生炉爆炸事故。

煤气发生炉现状

通过事故的分析总结，结合事故后全省部分地区安全生产监察机构邀请我们所开展的相关安全检查，笔者认为目前在用的煤气发生炉在安全管理主要存在以下主要问题：

一是操作人员技术水平低，安全意识薄弱。多数煤气发生炉操作人员学历较低，没有经过相关的操作培训，不了解煤气发生炉的基本工作原理，特别对于煤气及煤气发生炉的爆炸危险性缺乏认识。

二是使用单位管理制度缺失，岗位职责不明。多数煤气发生炉使用单位没有制定管理制度，特别是没有操作规程，或者操作规范流于形式；煤气发生炉的管理、操作、维护等岗位职责不明确。

三是设备本身液位监控薄弱，低水位报警缺失。部分煤气发生炉液位计安装位置过高或液位计处光线昏暗，导致液位观测困难；部分煤气发生炉仅采用浮球阀调整液位，液位无法得到有效监控；甚至有个别煤气发生炉未设置液位计，使得液位完全处于失控状态。大多数煤气发生炉都没有设置低水位报警装置，设备的安全联锁功能缺失。

四是煤气发生炉产能小，能耗高。煤气发生炉的结构和工艺特性，导致了其灰渣含碳量高，煤气带粉量高，CO2排放高等问题，煤炭资源浪费比较严重。

五是煤气发生炉余热利用率低，资源浪费高。煤气发生炉的煤气出口温度较高，一段式煤气发生炉出口温度超过500℃,两段式煤气发生炉出口温度超过450℃，这部分余热没有得到有效利用。煤气发生炉产生的高温灰渣直接进入煤渣盘的水封中，也浪费了灰渣显热。同时蒸汽分解率低，蒸汽潜热无法回收。

改进建议及对策

针对上述问题，参照目前特种设备（蒸汽锅炉）成功的安全与节能工作经验，现提出以下改进建议和对策：

一是加强人员培训，提高安全意识。煤气发生炉操作人员应经培训考核持证上岗；企业还应对煤气发生炉操作人员进行专业知识培训，提高操作水平及应变能力，并对其进行事故警示教育，提高安全意识。

二是健全管理制度，落实操作规程。企业应建立健全煤气发生炉岗位安全生产责任制和安全管理制度，包括隐患排查治理、教育培训考核、岗位运行检查、维修管理等，并建立健全各岗位安全操作规程、台账等，同时落实制度规程上墙。

三是加强液位监控，设置低水位报警。应确保每台煤气发生炉设置液位计并方便观察，同时定期对液位计进行维护保养，保持清晰可读。对光线昏暗处应该设置足够强度的照明。有条件的企业应该设置缺水报警装置，有效杜绝缺水隐患。

四是加强水质监测，防止金属超温。煤气发生炉夹套内部的水垢堆积会降低锅炉传热性能，导致金属超温，降低材料的强度，因此必须强水质监控。炉外水处理是比较好的选择。

五是优化运行参数，实现节能减排。为使反应更加充分，可从参数上进行优化。减小原料煤的粒度，增加反应表面积；设定合适的料层厚度，保证足够的反应时间；维持足够的炉温促使反应充分，提高蒸汽分解率。

建议政府相关部门加强监管，强制淘汰一批结构简单、高耗能的产品。