寒冷地區大型煤氣化裝置建筑設計
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了寒冷地區大型煤氣化裝置建筑設計范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
近幾年，煤炭的綜合利用以及煤化工受到廣泛關注，煤制油、煤制烯烴等趨向大型化。內蒙中部、陜西、山西幾省交界地區因有大量的優質煤資源而深受國內大型企業的青睞，在當地投資建廠。同時在東北和西北其它省份，如黑龍江、吉林、新疆、寧夏等地區也不斷有煤化工項目在投資興建。
1嚴寒地區煤氣化廠房特點
對于以煤為原料的高能耗化工項目，國家制定了相應的限制政策，不達到一定的規模、沒有相應的深加工產品一般不予批準。因此，在近年的煤化工項目中均以大型化、多產品為特點。鑒于水煤漿加壓氣化裝置的生產具有一定的特殊性，北方地區一到寒冷的冬季，若不設置全封閉采暖廠房，氣化爐開停車的頻率很高時，易導致含固量很高的液體管線、塔器的塔釜積液部分結冰，影響工藝裝置的正常生產和操作，從而降低整個氣化裝置的操作彈性和全廠的生產連續性、穩定性，甚至可能因此而造成非計劃性的全廠停車。因此，目前在國內西北和東北等嚴寒地區已建和在建的絕大多數氣化裝置(水煤漿加壓氣化)，對于“氣頭”三大工段———煤漿制備、氣化框架、渣水處理采用的多為封閉式廠房。隨著目前煤化工項目的不斷涌現，裝置生產能力越來越大，由一般小型的2、3臺氣化爐，發展到后來的5臺、7臺氣化爐，直至最近為8臺氣化爐。不僅氣化爐數量增多，每臺爐子的生產能力也越來越大，直徑和高度更是不斷增加。相應地，廠房規模也隨之增大。如西北某項目的氣化框架，在最初的布置中7臺氣化爐一字排開的情況下，氣化框架廠房總長度已達到122m，跨度達到48m，渣水處理廠房的長度更達到190m。
2建筑專業參與初期設備布置的重要性
針對某些工段建筑物封閉、大型的特點，從建筑防火設計的原則來說，必須控制廠房的規模，才能達到控制火災危險發生及危害程度的目的。如達到一定規模，必須對整個廠房的建筑面積按防火分區要求進行一定的分割。況且，對于龐大建筑物來講，其進深和面寬過大，不利于泄爆，尤其在2006版《建筑設計防火規范》(以下簡稱《建規》)出臺后，泄爆計算方法與以往有很大不同，對于煤氣化廠房內危險介質為氫氣和一氧化碳氣體的情況，如按氫氣取值，則其泄壓比值為各類中最大的0.25，如不控制建筑規模，無法通過泄爆計算。因此，對于危險性較高而規模又比較大的氣化框架和渣水處理框架兩個甲乙類封閉廠房，有進行建筑分割的必要性。同時，從煤氣化生產的特點看，也存在分割的可能性。氣化裝置通常包括多臺并聯的氣化爐，每臺氣化爐都配置有一套獨立的渣水處理系統，可以認為每套氣化爐是單線操作，互不影響，因此從布置角度來講，可以將同一氣化裝置的若干臺氣化爐布置在氣化框架的不同區域中，而不影響整個裝置的操作。渣水處理工段的多臺閃蒸罐也為并聯設置，其分割的可能性道理相同。這樣就可以將每個氣化框架和渣水處理框架的建筑規模控制在規范允許的范圍內，從而達到在設計最初階段控制火災和爆炸危險的目的。同時大幅降低建筑內部被動防火、主動消防、通風等各項投資。西北某項目，在建筑專業的提議下，將氣化框架和渣水處理兩工段按基本平均的原則各分為兩個建筑物，其中單個氣化框架廠房的總長度縮減到63.5m，單個渣水處理框架廠房的長度縮減為91.6m。每個框架廠房之間，按兩個高層廠房的防火間距進行設計。同樣原因，煤漿制備主廠房的磨煤廠房也屬大型廠房，其主要生產過程為通過磨煤機將碎煤磨成一定粒徑的煤粉與石灰石、研磨水、添加劑均勻混合，形成符合要求的水煤漿。磨煤機與氣化框架之間雖然沒有一對一的對應關系，但規模有對應關系，即幾臺氣化爐大體需要幾臺磨煤機。針對氣化裝置各工段的特點，總結近幾年所作水煤漿氣化項目“氣頭”布置的新特點，同時結合《建規》和即將實施的《煤化工工程設計防火規范》報批稿(以下簡稱《煤化工規》)中的相關要求，總結出防火防爆設計要點。
3典型煤漿制備工段廠房布置及建筑防火設計要點
3.1建筑物概況
大型GE水煤漿氣化裝置的煤漿制備工段一般由磨煤廠房、給料廠房、添加劑系統及氮壓機廠房、真空壓濾廠房等附屬生產廠房組成。有些裝置添加劑系統及氮壓機機組布置在磨煤廠房底層、真空壓濾廠房布置在渣水框架附近。添加劑系統及氮壓機廠房和真空壓濾兩廠房占地面積不大，一般為單層，局部有二層，規模小，且火災危險性均為戊類，將建筑物作為一個防火分區即可滿足《建規》要求，建筑防火設計中不需特殊關注。
3.2功能布置概況
磨煤廠房一般由兩部分組成:煤儲斗框架和磨煤機廠房。兩部分均為有煤塊及煤粉存在的場所，工藝專業提出的火災危險性為丙類。兩部分之間雖聯系密切，但功能不同，結構型式也不同。磨煤機廠房是圍繞磨煤機組設置的帶有操作平臺的單層鋼筋混凝土排架廠房。煤儲斗框架根據工藝介質流向從上到下布置，由多臺煤儲斗縱向連貫，其作用是將輸煤棧橋運送來的碎煤儲存到煤儲斗，再經煤稱量給料機計量輸送到磨煤機。兩部分之間除輸煤溜管外，沒有其它聯系。
3.3建筑防火設計定性
磨煤機廠房檐口高度一般在24m左右。內部一層為磨煤機組基礎，上部為磨煤機及其操作平臺，按2006版《建規》第3.3.1條條文說明，及老版《建規》GB16－87中第3.2.1條條文說明:“高度超過24m的單層廠房內的局部生產操作平臺，如煉鋼廠房的加料平臺，仍可算為單層廠房。”因此本廠房按單層工業廠房考慮。煤儲斗框架高度超過40m，超過24m按《建規》規定，內部有多層實體樓面，其為高層工業廠房。
3.4耐火等級設計思路
按照《建規》相關規定，本工段可選擇一、二、三級耐火等級。鑒于其建筑均為鋼筋混凝土框架和排架結構，跨度、層高均較大，混凝土梁板柱斷面和保護層厚度均可達到二級耐火等級要求，因此磨煤廠房通常采用二級耐火等級。如廠房規模過大，每層建筑面積超過二級丙類建筑的要求，則整個廠房可選擇一級耐火等級進行設計，以減少防火分隔等方面的措施和由分割帶來的使用功能上的不便。
3.5防火分區設計思路
磨煤機廠房和煤儲斗框架兩廠房之間采用3h耐火極限防火墻分隔，防火墻位于高側的煤儲斗框架，一直做到40m以上標高的煤儲斗框架頂層屋面板下。根據《建規》規定———“兩座廠房相鄰較高一面的外墻為防火墻時，其防火間距不限。”因此兩廠房之間貼鄰建造，滿足《建規》要求。鑒于此，兩廠房從結構型式和功能上均不同，要求煤儲斗框架按磨煤機廠房一樣，當作丙類單層廠房考慮不合理;同樣，要求磨煤機廠房按煤儲斗框架一樣當成丙類高層廠房也不合理，防火設計上應分別按各自特點考慮。對于單層排架結構的磨煤機廠房，根據《建規》規定，二級耐火等級的單層工業廠房每個防火分區面積可達8000m2。目前磨煤機廠房跨度大多在30m以內，則每個磨煤機廠房的長度可做到200m以上而不需進行防火分隔。對于高層框架結構的煤儲斗框架，根據《建規》規定，二級耐火等級的丙類高層工業廠房每個防火分區面積可達2000m2。目前磨煤機廠房跨度大多在10～12m，則每個防火分區的長度可做到170～200m而不需進行防火分隔。從設置消防車道的角度來考慮，則盡量將建筑物縱向長度控制在150m為宜。
3.6其它防火疏散設計要點
(1)本工段火災危險性為丙類，煤儲斗框架部分為高層廠房，應嚴格按照《建規》規定做封閉樓梯間或室外梯，以滿足疏散要求。
(2)目前所做的大型煤化工項目中的磨煤廠房一般在100m以上。雖不超過一個防火分區的面積，但因煤儲斗部分為縱長建筑，廠房疏散設計仍需多加關注。《建規》要求丙類高層一、二級廠房最遠疏散距離為40m，因此在建筑中間適當位置需增加一至幾部封閉樓梯間或室外樓梯以滿足疏散距離不超過規定指標的要求。尤須注意的是，煤儲斗框架一般在頂層設有運煤皮帶，因此中間跨設置封閉樓梯間需考慮位置布置適當，確保樓梯間既位置居中，又不影響皮帶和人員通行。布置封閉樓梯間確有困難時，也可選擇廠房外掛樓梯解決，但須做好冬季防風防滑措施。
4典型氣化框架工段廠房布置及建筑防火防爆設計要點
4.1建筑物概況
氣化框架通常為多層鋼筋混凝土框架，有時因地震情況不同設計為下部多層鋼筋混凝土框架、上部少數層鋼框架的結構形式。層數在十層左右，高度大約50～60m。在氣化爐主框架一側有個二層的撈渣機集渣輸送區。建設在寒冷地區的項目，氣化框架因工藝需要，做成帶圍護墻的封閉式建筑居多，以滿足設備生產和人員操作的要求。
4.2功能布置概況
GE水煤漿氣化工藝的氣化框架工段，居中兩跨為圍繞氣化爐設置的主體框架，高壓煤漿泵輸送來的水煤漿與高壓氧分別通過燒嘴的不同流道進入氣化爐，反應后的高溫氣體激冷后通過文丘里洗滌器進入洗滌塔，洗滌后的合成氣通過管廊進入下游裝置。同時，反應后的液態渣激冷后經鎖斗輸送到撈渣機的渣倉，通過皮帶輸送到運渣車，進行后續處理。
4.3建筑防火設計定性
氣化裝置產生的合成氣，主要成分為氫氣、硫化氫、一氧化碳和二氧化碳等。氫氣為甲類氣11體，氣化爐框架主體為十層左右的鋼筋混凝土框架，因此氣化爐框架部分為甲類高層廠房。
4.4耐火等級設計思路
按照《建規》相關規定，本工號可選擇一、二級耐火等級。鑒于本廠房除個別層局部為鋼結構，主體為多層鋼筋混凝土框架，跨度、層高均較大，混凝土梁板柱斷面和保護層厚度均可達到一級耐火等級要求;同時，由于廠房火災危險性高，選擇較高耐火等級更利于防火疏散，而且對于規范允許防火分區面積可以做得更大，進而減少廠房內部防火分隔。因此氣化框架宜優先采用一級耐火等級。在《煤化工規》中也規定了氣化框架應為一級耐火等級建筑。
4.5防火分區設計思路
《建規》規定，甲類廠房宜采用單層廠房，也可在采取一定的措施后采用多層廠房。“少數因工藝生產需要，確需采用高層建筑者，必須通過必要的程序進行充分論證。”鑒于此，近幾年的西北地區煤化工項目中，均采用參照《建規》中甲類多層建筑要求進行設計，同時在初步設計階段文件中采用“報請當地消防部門備案，提出解決問題的原則”進行設計。2009年下半年至今，為滿足日益增多的煤化工項目的需要，由天津消防所和內蒙消防總隊主編了《煤化工規》，并最終形成了報批稿。天津消防所專家與我院設計方進行了多次溝通，尤其針對一些大型煤化工項目碰到的甲類高層問題進行了多次討論，征求設計方意見。對于氣化框架這類甲類高層建筑，《煤化工規》最終統一采用封閉式建筑一個防火分區面積為3000m2的做法。與此前我們所做的一些寒冷地區項目所參照的甲類多層建筑指標相同。西北某項目在基礎設計之初，建筑專業即對甲類高層問題提出審查建議，提請業主根據《建規》中要求將此甲類高層方案上報當地消防部門。同時提請管道布置專業注意嚴格控制建筑物規模，避免出現過大建筑物。并提出建議，將整個工段分為兩個建筑物，以達到控制建筑規模進而控制火災發生與蔓延程度的目的。經初步統計，目前我院設計的氣化框架，其單個氣化爐所在框架基本尺寸不超過10m，較大型的單個氣化爐所占面積為一個10m面寬、兩個9m進深，即大約200m2的占地面積。加上框架兩側每臺氣化爐附屬的泵區和撈渣區，單臺氣化爐所占面積達到500m2。如加上樓電梯間等輔助功能區，4臺氣化爐的面積已接近3000m2的甲類多層一級建筑的單個防火分區面積極限，這個指標同時也是《煤化工規》中規定的一個防火分區和每層所占面積的規定指標。因此建議以4臺氣化爐為限，如整個裝置氣化爐數量超過4臺，則將工段分為兩個以上建筑物，使每部分氣化爐數量不超過4臺，以確保整個建筑物面積不超過規范的極限要求。二層及以上各層基本為氣化爐主體框架，兩個10m進深，每臺爐占地200m2左右，加上樓電梯間后四臺爐為1300m2左右，每層可作為一個單獨的防火分區而不需進行防火分隔。
4.6其它防火疏散設計要點
(1)樓梯設置:整個建筑為甲類高層，按《建規》要求，需設置封閉樓梯間或室外樓梯作為安全出口。因本工段建筑物基本為縱長型，需嚴格按照《煤化工規》的要求進行疏散出口數量和距離核算，如超過規范規定的25m疏散距離，則需在建筑中部適當位置另設封閉樓梯間或是室外樓梯。
(2)消防電梯的設置:本工段每個建筑物一般設有一部貨梯用于運輸維修小件，同時兼做檢修人員上下樓層使用。根據《建規》要求，因氣化框架廠房內沒有固定崗位操作人員，只偶爾有檢修人員巡檢，此廠房可不設消防電梯。但從加強防火措施的角度，建議此電梯作為消防電梯，以便為消防人員爭取撲救時間和保存體力。同時，像氣化框架這類高度大于32m且設置電梯的高層廠房，《煤化工規》也進一步提出了“宜設置消防電梯、此電梯可兼作貨梯使用”的要求。因此，建議以后的煤化工項目將此電梯設計為消防電梯，作為甲類高層廠房防火方面的補充措施。
4.7防爆設計要點
本工段存在的危險物料中，氫氣和一氧化碳氣分別為甲乙類有爆炸危險的氣體，因此整個廠房需采取防爆措施:
(1)廠房采用鋼筋混凝土或鋼框架形式，滿足《建規》對防爆廠房的結構選型要求。
(2)廠房內需做不發火花樓地面，同時，廠房內如有電動卷簾門等用電設備，需選用防爆電機和不發火花導軌等。
4.8泄爆設計要點
同理，廠房也需做泄爆構造，其理論泄爆面積需按《建規》規定公式進行計算，廠房實際的泄爆面積需不小于計算數據。
(1)在近年的設計中一般采用輕質泄壓外墻及屋面作為泄壓構造。考慮到廠房內有比空氣輕的氫氣存在，尤需采用輕型泄爆屋面進行泄爆。在屋面有可能有設備和檢修平臺的情況下，也宜盡量采用輕型屋面板，在有設備和檢修平臺的部位作架空于輕型屋面之上的鋼結構平臺，以盡量加大屋頂泄爆面積。
(2)對于泄壓比值，各項目設計中均采用氫氣的0.25，為各介質中最高。但對于這類高大且層數多的建筑物，如分層計算，則除個別層外，單靠外墻泄壓，遠遠滿足不了泄壓面積要求，只能按廠房各層聯通為一個整體空間計算才能通過。針對這個問題，作為《煤化工規》編制單位的天津消防研究所，經過多方充分論證，針對廠房內合成氣組分的實際情況進行研究，在《煤化工規》中專門對氣化框架的泄壓比C值作了規定，即按0.11～0.16計算。通過對幾個已建項目的氣化框架各層分別測算，實際泄壓面積基本能夠滿足泄爆計算數值要求。因此，今后的項目中可與當地消防局溝通，看是否可采用此數值進行泄壓計算。
5典型渣水處理工段廠房布置及建筑防火防爆設計要點
5.1建筑物概況
GE水煤漿氣化的渣水處理框架為多層鋼筋混凝土框架，層數在六層左右，建筑高度40多m。建設在寒冷地區的項目，渣水處理因工藝生產的需要，做成有墻體圍合的封閉式廠房居多，以滿足生產和操作維修的要求。
5.2功能布置概況
GE水煤漿氣化的渣水處理框架，主體結構圍繞多級閃蒸系統布置為兩跨鋼筋混凝土框架，一層局部附加一跨為泵區。來自氣化框架的高低壓黑水經多級閃蒸后，可燃氣體通過管路輸送到火炬，灰水循環輸送回氣化框架，含固量很高的黑水輸送到壓濾機廠房進一步處理。
5.3建筑防火設計定性
閃蒸罐生產過程中有合成氣存在，其主要成分為氫氣、硫化氫氣體和一氧化碳氣體。氫氣為甲類氣體，建筑高度超過24m，有多個樓層，因此整個建筑按高層廠房考慮。同時，GE水煤漿氣化的渣水處理工段，由于洗滌塔布置在氣化框架，從氣化框架輸送到渣水處理的只有黑水，黑水中此類氣體含量很少，近期項目已將GE水煤漿氣化的渣水框架定為乙類。故此廠房防火按乙類高層廠房考慮，這也與《煤化工規》中的規定相符。
5.4耐火等級設計思路
按照《建規》相關規定，本工號可選擇一、二級耐火等級。鑒于本廠房除底層局部為鋼結構，主體為多層鋼筋混凝土框架，跨度、層高均較大，混凝土梁板柱斷面和保護層厚度均可達到一級耐火等級要求;同時，因廠房火災危險性高，選擇較高耐火等級更利于防火疏散，而且對于允許防火分區可以做得更大，進而減少廠房內部防火分隔。因此渣水處理廠房宜采用一級耐火等級。這也與《煤化工規》中的規定相符。
5.5防火分區設計思路
在未出臺《煤化工規》時，渣水處理工段按照甲類廠房考慮。甲類高層廠房問題同本文4.5“防火分區設計思路”所述。此處不再贅述。經初步統計，目前本院設計的渣水處理，一般一臺氣化爐對應多臺高、低壓閃蒸罐，如氣化爐為8臺，8跨建筑，則渣水處理基本為16跨，大概一臺爐對應兩跨渣水處理。每跨開間基本尺寸不超過10m，較大型氣化裝置單個爐對應的渣水處理單元尺寸為一個10m面寬，兩個9m進深，即大約200m2的占地面積。加上框架一側附屬的泵區，首層單跨所占面積達230m2。如加上樓電梯間等輔助功能區，做至12跨時，總面積已接近3000m2的甲類多層一級建筑的單個防火分區面積極限。因此建筑物如能控制在此跨數范圍內，則一層采用一個防火分區即可，不需額外進行防火分隔。如結合氣化框架布置，大體可按照氣化爐分隔措施分隔渣水處理框架。如8臺氣化爐的氣化框架分為兩個建筑物，則對應的渣水處理也最好相應分隔為2個建筑物，以免面積超過規范規定限值，同時設備管線一一對應更便于工藝生產。最新的《煤化工規》中規定渣水處理工段定為乙類，其每個防火分區面積可做到4000m2，在做具體項目時可按2006版規定，結合項目規模選擇合適的渣水處理單體建筑規模。二層及以上各層基本為閃蒸罐框架，進深為兩跨，則每跨面寬的占地面積為180m2左右，如總跨數控制在與一層相同的12跨之內，或是與氣化框架對應布置，則每層可作為一個防火分區而不需進行防火分隔。
5.6其它防火疏散設計要點
(1)整個建筑為乙類高層，按《建規》要求，需設置封閉樓梯間或是室外樓梯作為安全出口。
(2)因本工段建筑物基本為縱長型，需嚴格按照《煤化工規》的要求進行疏散出口數量和距離核算，如超過規范規定的30m疏散距離，則需在建筑中部適當位置另設封閉樓梯間或是室外樓梯。
5.7防爆設計要點
本工段存在的危險物料中，氫氣和一氧化碳氣體分別為甲乙類有爆炸危險的氣體，因此整個廠房需采取的防爆措施同本文4.7中相關做法。
5.8泄爆設計要點
同理，廠房也需做泄爆構造，其理論泄爆面積需按《建規》規定公式進行計算，廠房實際的泄爆面積需不小于計算數據。其泄壓構造和泄壓比值選取，同本文4.8中相關做法，此處不再贅述。需格外關注的是，渣水處理廠房一般為縱長型建筑物，通常單體建筑超過《建規》規定的長徑比要求，需按規范分段計算泄壓面積。另外，渣水處理屋頂有不少設備，大部分為臥罐，以前所做渣水處理工段均為混凝土屋面，即是考慮到此部分設備檢修等的要求。經計算，如屋頂不做為泄爆構造，恐難達到計算要求的泄爆面積，因此，在西北某項目中將有臥罐部分那品框架做成鋼筋混凝土屋面，無設備布置的屋面仍舊采用輕型屋面板，盡量擴大屋頂泄爆面積。同時，在與臥罐連接的需要操作的部位采用屋面上做架空鋼板人行走道的方式解決，兼顧了規范要求和生產操作兩方面，是個不錯的嘗試，在以后的項目中可以推廣使用。
6結語
本文針對近年設計的煤化工項目、尤其是GE水煤漿氣化項目的大型化、封閉化特點，總結建筑防火防爆設計思路，提出基本設計要點，供建筑專業設計人在煤化工領域設計中采用。煤化工新工藝的不斷涌現，如多噴嘴氣化爐工藝等，其工藝流程與GE氣化爐大體相似，而設備布置和工段劃分等雖不完全相同，也相近，設計人可參照本文設計原則對照各項目生產布置情況進行深入思考和設計。
作者：聞莉 單位：中國天辰工程有限公司