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寒冷地区大型煤气化装置建筑设计论文
近几年，煤炭的综合利用以及煤化工受到广泛关注，煤制油、煤制烯烃等趋向大型化。内蒙中部、陕西、山西几省交界地区因有大量的优质煤资源而深受国内大型企业的青睐，在当地投资建厂。同时在东北和西北其它省份，如黑龙江、吉林、新疆、宁夏等地区也不断有煤化工项目在投资兴建。
1.严寒地区煤气化厂房特点
对于以煤为原料的高能耗化工项目，国家制定了相应的限制政策，不达到一定的规模、没有相应的深加工产品一般不予批准。因此，在近年的煤化工项目中均以大型化、多产品为特点。鉴于水煤浆加压气化装置的生产具有一定的特殊性，北方地区一到寒冷的冬季，若不设置全封闭采暖厂房，气化炉开停车的频率很高时，易导致含固量很高的液体管线、塔器的塔釜积液部分结冰，影响工艺装置的正常生产和操作，从而降低整个气化装置的操作弹性和全厂的生产连续性、稳定性，甚至可能因此而造成非计划性的全厂停车。因此，目前在国内西北和东北等严寒地区已建和在建的绝大多数气化装置(水煤浆加压气化)，对于“气头”三大工段———煤浆制备、气化框架、渣水处理采用的多为封闭式厂房。随着目前煤化工项目的不断涌现，装置生产能力越来越大，由一般小型的2、3台气化炉，发展到后来的5台、7台气化炉，直至最近为8台气化炉。不仅气化炉数量增多，每台炉子的生产能力也越来越大，直径和高度更是不断增加。相应地，厂房规模也随之增大。如西北某项目的气化框架，在最初的布置中7台气化炉一字排开的情况下，气化框架厂房总长度已达到122m，跨度达到48m，渣水处理厂房的长度更达到190m。
2.建筑专业参与初期设备布置的重要性
针对某些工段建筑物封闭、大型的特点，从建筑防火设计的原则来说，必须控制厂房的规模，才能达到控制火灾危险发生及危害程度的目的。如达到一定规模，必须对整个厂房的建筑面积按防火分区要求进行一定的分割。况且，对于庞大建筑物来讲，其进深和面宽过大，不利于泄爆，尤其在2006版《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)出台后，泄爆计算方法与以往有很大不同，对于煤气化厂房内危险介质为氢气和一氧化碳气体的情况，如按氢气取值，则其泄压比值为各类中最大的0.25，如不控制建筑规模，无法通过泄爆计算。因此，对于危险性较高而规模又比较大的气化框架和渣水处理框架两个甲乙类封闭厂房，有进行建筑分割的必要性。同时，从煤气化生产的特点看，也存在分割的可能性。气化装置通常包括多台并联的气化炉，每台气化炉都配置有一套独立的渣水处理系统，可以认为每套气化炉是单线操作，互不影响，因此从布置角度来讲，可以将同一气化装置的若干台气化炉布置在气化框架的不同区域中，而不影响整个装置的操作。渣水处理工段的多台闪蒸罐也为并联设置，其分割的可能性道理相同。这样就可以将每个气化框架和渣水处理框架的建筑规模控制在规范允许的范围内，从而达到在设计最初阶段控制火灾和爆炸危险的目的。同时大幅降低建筑内部被动防火、主动消防、通风等各项投资。西北某项目，在建筑专业的提议下，将气化框架和渣水处理两工段按基本平均的原则各分为两个建筑物，其中单个气化框架厂房的总长度缩减到63.5m，单个渣水处理框架厂房的长度缩减为91.6m。每个框架厂房之间，按两个高层厂房的防火间距进行设计。同样原因，煤浆制备主厂房的磨煤厂房也属大型厂房，其主要生产过程为通过磨煤机将碎煤磨成一定粒径的煤粉与石灰石、研磨水、添加剂均匀混合，形成符合要求的水煤浆。磨煤机与气化框架之间虽然没有一对一的对应关系，但规模有对应关系，即几台气化炉大体需要几台磨煤机。针对气化装置各工段的特点，总结近几年所作水煤浆气化项目“气头”布置的新特点，同时结合《建规》和即将实施的《煤化工工程设计防火规范》报批稿(以下简称《煤化工规》)中的相关要求，总结出防火防爆设计要点。
3.典型煤浆制备工段厂房布置及建筑防火设计要点
3.1建筑物概况
大型GE水煤浆气化装置的煤浆制备工段一般由磨煤厂房、给料厂房、添加剂系统及氮压机厂房、真空压滤厂房等附属生产厂房组成。有些装置添加剂系统及氮压机机组布置在磨煤厂房底层、真空压滤厂房布置在渣水框架附近。添加剂系统及氮压机厂房和真空压滤两厂房占地面积不大，一般为单层，局部有二层，规模小，且火灾危险性均为戊类，将建筑物作为一个防火分区即可满足《建规》要求，建筑防火设计中不需特殊关注。
3.2功能布置概况
磨煤厂房一般由两部分组成:煤储斗框架和磨煤机厂房。两部分均为有煤块及煤粉存在的场所，工艺专业提出的火灾危险性为丙类。两部分之间虽联系密切，但功能不同，结构型式也不同。磨煤机厂房是围绕磨煤机组设置的带有操作平台的单层钢筋混凝土排架厂房。煤储斗框架根据工艺介质流向从上到下布置，由多台煤储斗纵向连贯，其作用是将输煤栈桥运送来的碎煤储存到煤储斗，再经煤称量给料机计量输送到磨煤机。两部分之间除输煤溜管外，没有其它联系。
3.3建筑防火设计定性
磨煤机厂房檐口高度一般在24m左右。内部一层为磨煤机组基础，上部为磨煤机及其操作平台，按2006版《建规》第3.3.1条条文说明，及老版《建规》GB16－87中第3.2.1条条文说明:“高度超过24m的单层厂房内的局部生产操作平台，如炼钢厂房的加料平台，仍可算为单层厂房。”因此本厂房按单层工业厂房考虑。煤储斗框架高度超过40m，超过24m按《建规》规定，内部有多层实体楼面，其为高层工业厂房。
3.4耐火等级设计思路
按照《建规》相关规定，本工段可选择一、二、三级耐火等级。鉴于其建筑均为钢筋混凝土框架和排架结构，跨度、层高均较大，混凝土梁板柱断面和保护层厚度均可达到二级耐火等级要求，因此磨煤厂房通常采用二级耐火等级。如厂房规模过大，每层建筑面积超过二级丙类建筑的要求，则整个厂房可选择一级耐火等级进行设计，以减少防火分隔等方面的措施和由分割带来的使用功能上的不便。
3.5防火分区设计思路
磨煤机厂房和煤储斗框架两厂房之间采用3h耐火极限防火墙分隔，防火墙位于高侧的煤储斗框架，一直做到40m以上标高的煤储斗框架顶层屋面板下。根据《建规》规定———“两座厂房相邻较高一面的外墙为防火墙时，其防火间距不限。”因此两厂房之间贴邻建造，满足《建规》要求。鉴于此，两厂房从结构型式和功能上均不同，要求煤储斗框架按磨煤机厂房一样，当作丙类单层厂房考虑不合理;同样，要求磨煤机厂房按煤储斗框架一样当成丙类高层厂房也不合理，防火设计上应分别按各自特点考虑。对于单层排架结构的磨煤机厂房，根据《建规》规定，二级耐火等级的单层工业厂房每个防火分区面积可达8000m2。目前磨煤机厂房跨度大多在30m以内，则每个磨煤机厂房的长度可做到200m以上而不需进行防火分隔。对于高层框架结构的煤储斗框架，根据《建规》规定，二级耐火等级的丙类高层工业厂房每个防火分区面积可达2000m2。目前磨煤机厂房跨度大多在10～12m，则每个防火分区的长度可做到170～200m而不需进行防火分隔。从设置消防车道的角度来考虑，则尽量将建筑物纵向长度控制在150m为宜。
3.6其它防火疏散设计要点
(1)本工段火灾危险性为丙类，煤储斗框架部分为高层厂房，应严格按照《建规》规定做封闭楼梯间或室外梯，以满足疏散要求。
(2)目前所做的大型煤化工项目中的磨煤厂房一般在100m以上。虽不超过一个防火分区的面积，但因煤储斗部分为纵长建筑，厂房疏散设计仍需多加关注。《建规》要求丙类高层一、二级厂房最远疏散距离为40m，因此在建筑中间适当位置需增加一至几部封闭楼梯间或室外楼梯以满足疏散距离不超过规定指标的要求。尤须注意的是，煤储斗框架一般在顶层设有运煤皮带，因此中间跨设置封闭楼梯间需考虑位置布置适当，确保楼梯间既位置居中，又不影响皮带和人员通行。布置封闭楼梯间确有困难时，也可选择厂房外挂楼梯解决，但须做好冬季防风防滑措施。
4.典型气化框架工段厂房布置及建筑防火防爆设计要点
4.1建筑物概况
气化框架通常为多层钢筋混凝土框架，有时因地震情况不同设计为下部多层钢筋混凝土框架、上部少数层钢框架的结构形式。层数在十层左右，高度大约50～60m。在气化炉主框架一侧有个二层的捞渣机集渣输送区。建设在寒冷地区的项目，气化框架因工艺需要，做成带围护墙的封闭式建筑居多，以满足设备生产和人员操作的要求。
4.2功能布置概况
GE水煤浆气化工艺的气化框架工段，居中两跨为围绕气化炉设置的主体框架，高压煤浆泵输送来的水煤浆与高压氧分别通过烧嘴的不同流道进入气化炉，反应后的高温气体激冷后通过文丘里洗涤器进入洗涤塔，洗涤后的合成气通过管廊进入下游装置。同时，反应后的液态渣激冷后经锁斗输送到捞渣机的渣仓，通过皮带输送到运渣车，进行后续处理。
4.3建筑防火设计定性
气化装置产生的合成气，主要成分为氢气、硫化氢、一氧化碳和二氧化碳等。氢气为甲类气11体，气化炉框架主体为十层左右的钢筋混凝土框架，因此气化炉框架部分为甲类高层厂房。
4.4耐火等级设计思路
按照《建规》相关规定，本工号可选择一、二级耐火等级。鉴于本厂房除个别层局部为钢结构，主体为多层钢筋混凝土框架，跨度、层高均较大，混凝土梁板柱断面和保护层厚度均可达到一级耐火等级要求;同时，由于厂房火灾危险性高，选择较高耐火等级更利于防火疏散，而且对于规范允许防火分区面积可以做得更大，进而减少厂房内部防火分隔。因此气化框架宜优先采用一级耐火等级。在《煤化工规》中也规定了气化框架应为一级耐火等级建筑。
4.5防火分区设计思路
《建规》规定，甲类厂房宜采用单层厂房，也可在采取一定的措施后采用多层厂房。“少数因工艺生产需要，确需采用高层建筑者，必须通过必要的程序进行充分论证。”鉴于此，近几年的西北地区煤化工项目中，均采用参照《建规》中甲类多层建筑要求进行设计，同时在初步设计阶段文件中采用“报请当地消防部门备案，提出解决问题的原则”进行设计。2009年下半年至今，为满足日益增多的煤化工项目的需要，由天津消防所和内蒙消防总队主编了《煤化工规》，并最终形成了报批稿。天津消防所专家与我院设计方进行了多次沟通，尤其针对一些大型煤化工项目碰到的甲类高层问题进行了多次讨论，征求设计方意见。对于气化框架这类甲类高层建筑，《煤化工规》最终统一采用封闭式建筑一个防火分区面积为3000m2的做法。与此前我们所做的一些寒冷地区项目所参照的甲类多层建筑指标相同。西北某项目在基础设计之初，建筑专业即对甲类高层问题提出审查建议，提请业主根据《建规》中要求将此甲类高层方案上报当地消防部门。同时提请管道布置专业注意严格控制建筑物规模，避免出现过大建筑物。并提出建议，将整个工段分为两个建筑物，以达到控制建筑规模进而控制火灾发生与蔓延程度的目的。经初步统计，目前我院设计的气化框架，其单个气化炉所在框架基本尺寸不超过10m，较大型的单个气化炉所占面积为一个10m面宽、两个9m进深，即大约200m2的占地面积。加上框架两侧每台气化炉附属的泵区和捞渣区，单台气化炉所占面积达到500m2。如加上楼电梯间等辅助功能区，4台气化炉的面积已接近3000m2的甲类多层一级建筑的单个防火分区面积极限，这个指标同时也是《煤化工规》中规定的一个防火分区和每层所占面积的规定指标。因此建议以4台气化炉为限，如整个装置气化炉数量超过4台，则将工段分为两个以上建筑物，使每部分气化炉数量不超过4台，以确保整个建筑物面积不超过规范的极限要求。二层及以上各层基本为气化炉主体框架，两个10m进深，每台炉占地200m2左右，加上楼电梯间后四台炉为1300m2左右，每层可作为一个单独的防火分区而不需进行防火分隔。
4.6其它防火疏散设计要点
(1)楼梯设置:整个建筑为甲类高层，按《建规》要求，需设置封闭楼梯间或室外楼梯作为安全出口。因本工段建筑物基本为纵长型，需严格按照《煤化工规》的要求进行疏散出口数量和距离核算，如超过规范规定的25m疏散距离，则需在建筑中部适当位置另设封闭楼梯间或是室外楼梯。
(2)消防电梯的设置:本工段每个建筑物一般设有一部货梯用于运输维修小件，同时兼做检修人员上下楼层使用。根据《建规》要求，因气化框架厂房内没有固定岗位操作人员，只偶尔有检修人员巡检，此厂房可不设消防电梯。但从加强防火措施的角度，建议此电梯作为消防电梯，以便为消防人员争取扑救时间和保存体力。同时，像气化框架这类高度大于32m且设置电梯的高层厂房，《煤化工规》也进一步提出了“宜设置消防电梯、此电梯可兼作货梯使用”的要求。因此，建议以后的煤化工项目将此电梯设计为消防电梯，作为甲类高层厂房防火方面的补充措施。
4.7防爆设计要点
本工段存在的危险物料中，氢气和一氧化碳气分别为甲乙类有爆炸危险的气体，因此整个厂房需采取防爆措施:
(1)厂房采用钢筋混凝土或钢框架形式，满足《建规》对防爆厂房的结构选型要求。
(2)厂房内需做不发火花楼地面，同时，厂房内如有电动卷帘门等用电设备，需选用防爆电机和不发火花导轨等。
4.8泄爆设计要点
同理，厂房也需做泄爆构造，其理论泄爆面积需按《建规》规定公式进行计算，厂房实际的泄爆面积需不小于计算数据。
(1)在近年的设计中一般采用轻质泄压外墙及屋面作为泄压构造。考虑到厂房内有比空气轻的氢气存在，尤需采用轻型泄爆屋面进行泄爆。在屋面有可能有设备和检修平台的情况下，也宜尽量采用轻型屋面板，在有设备和检修平台的部位作架空于轻型屋面之上的钢结构平台，以尽量加大屋顶泄爆面积。
(2)对于泄压比值，各项目设计中均采用氢气的0.25，为各介质中最高。但对于这类高大且层数多的建筑物，如分层计算，则除个别层外，单靠外墙泄压，远远满足不了泄压面积要求，只能按厂房各层联通为一个整体空间计算才能通过。针对这个问题，作为《煤化工规》编制单位的天津消防研究所，经过多方充分论证，针对厂房内合成气组分的实际情况进行研究，在《煤化工规》中专门对气化框架的泄压比C值作了规定，即按0.11～0.16计算。通过对几个已建项目的气化框架各层分别测算，实际泄压面积基本能够满足泄爆计算数值要求。因此，今后的项目中可与当地消防局沟通，看是否可采用此数值进行泄压计算。
5.典型渣水处理工段厂房布置及建筑防火防爆设计要点
5.1建筑物概况
GE水煤浆气化的渣水处理框架为多层钢筋混凝土框架，层数在六层左右，建筑高度40多m。建设在寒冷地区的项目，渣水处理因工艺生产的需要，做成有墙体围合的封闭式厂房居多，以满足生产和操作维修的要求。
5.2功能布置概况
GE水煤浆气化的渣水处理框架，主体结构围绕多级闪蒸系统布置为两跨钢筋混凝土框架，一层局部附加一跨为泵区。来自气化框架的高低压黑水经多级闪蒸后，可燃气体通过管路输送到火炬，灰水循环输送回气化框架，含固量很高的黑水输送到压滤机厂房进一步处理。
5.3建筑防火设计定性
闪蒸罐生产过程中有合成气存在，其主要成分为氢气、硫化氢气体和一氧化碳气体。氢气为甲类气体，建筑高度超过24m，有多个楼层，因此整个建筑按高层厂房考虑。同时，GE水煤浆气化的渣水处理工段，由于洗涤塔布置在气化框架，从气化框架输送到渣水处理的只有黑水，黑水中此类气体含量很少，近期项目已将GE水煤浆气化的渣水框架定为乙类。故此厂房防火按乙类高层厂房考虑，这也与《煤化工规》中的规定相符。
5.4耐火等级设计思路
按照《建规》相关规定，本工号可选择一、二级耐火等级。鉴于本厂房除底层局部为钢结构，主体为多层钢筋混凝土框架，跨度、层高均较大，混凝土梁板柱断面和保护层厚度均可达到一级耐火等级要求;同时，因厂房火灾危险性高，选择较高耐火等级更利于防火疏散，而且对于允许防火分区可以做得更大，进而减少厂房内部防火分隔。因此渣水处理厂房宜采用一级耐火等级。这也与《煤化工规》中的规定相符。
5.5防火分区设计思路
在未出台《煤化工规》时，渣水处理工段按照甲类厂房考虑。甲类高层厂房问题同本文4.5“防火分区设计思路”所述。此处不再赘述。经初步统计，目前本院设计的渣水处理，一般一台气化炉对应多台高、低压闪蒸罐，如气化炉为8台，8跨建筑，则渣水处理基本为16跨，大概一台炉对应两跨渣水处理。每跨开间基本尺寸不超过10m，较大型气化装置单个炉对应的渣水处理单元尺寸为一个10m面宽，两个9m进深，即大约200m2的占地面积。加上框架一侧附属的泵区，首层单跨所占面积达230m2。如加上楼电梯间等辅助功能区，做至12跨时，总面积已接近3000m2的甲类多层一级建筑的单个防火分区面积极限。因此建筑物如能控制在此跨数范围内，则一层采用一个防火分区即可，不需额外进行防火分隔。如结合气化框架布置，大体可按照气化炉分隔措施分隔渣水处理框架。如8台气化炉的气化框架分为两个建筑物，则对应的渣水处理也最好相应分隔为2个建筑物，以免面积超过规范规定限值，同时设备管线一一对应更便于工艺生产。最新的《煤化工规》中规定渣水处理工段定为乙类，其每个防火分区面积可做到4000m2，在做具体项目时可按2006版规定，结合项目规模选择合适的渣水处理单体建筑规模。二层及以上各层基本为闪蒸罐框架，进深为两跨，则每跨面宽的占地面积为180m2左右，如总跨数控制在与一层相同的12跨之内，或是与气化框架对应布置，则每层可作为一个防火分区而不需进行防火分隔。
5.6其它防火疏散设计要点
(1)整个建筑为乙类高层，按《建规》要求，需设置封闭楼梯间或是室外楼梯作为安全出口。
(2)因本工段建筑物基本为纵长型，需严格按照《煤化工规》的要求进行疏散出口数量和距离核算，如超过规范规定的30m疏散距离，则需在建筑中部适当位置另设封闭楼梯间或是室外楼梯。
5.7防爆设计要点
本工段存在的危险物料中，氢气和一氧化碳气体分别为甲乙类有爆炸危险的气体，因此整个厂房需采取的防爆措施同本文4.7中相关做法。
5.8泄爆设计要点
同理，厂房也需做泄爆构造，其理论泄爆面积需按《建规》规定公式进行计算，厂房实际的泄爆面积需不小于计算数据。其泄压构造和泄压比值选取，同本文4.8中相关做法，此处不再赘述。需格外关注的是，渣水处理厂房一般为纵长型建筑物，通常单体建筑超过《建规》规定的长径比要求，需按规范分段计算泄压面积。另外，渣水处理屋顶有不少设备，大部分为卧罐，以前所做渣水处理工段均为混凝土屋面，即是考虑到此部分设备检修等的要求。经计算，如屋顶不做为泄爆构造，恐难达到计算要求的泄爆面积，因此，在西北某项目中将有卧罐部分那品框架做成钢筋混凝土屋面，无设备布置的屋面仍旧采用轻型屋面板，尽量扩大屋顶泄爆面积。同时，在与卧罐连接的需要操作的部位采用屋面上做架空钢板人行走道的方式解决，兼顾了规范要求和生产操作两方面，是个不错的尝试，在以后的项目中可以推广使用。
6.结语
本文针对近年设计的煤化工项目、尤其是GE水煤浆气化项目的大型化、封闭化特点，总结建筑防火防爆设计思路，提出基本设计要点，供建筑专业设计人在煤化工领域设计中采用。煤化工新工艺的不断涌现，如多喷嘴气化炉工艺等，其工艺流程与GE气化炉大体相似，而设备布置和工段划分等虽不完全相同，也相近，设计人可参照本文设计原则对照各项目生产布置情况进行深入思考和设计。
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