硫磺回收裝置的危險有害因素分析及安全對策措施研究

宋明琪

摘 要：硫磺回收裝置的主要危險因素為火災、爆炸的危險性，主要職業危害因素是毒性。本文對該裝置的主要危險有害因素進行分析，采用火災、爆炸、毒性指標評價法對制硫燃燒爐、加氫反應器進行定量分析評價，并運用挪威船級社（DNV）過程危險分析法（PHAST）對制硫燃燒爐入口管線進行事故后果預測，預測出發生泄漏、噴射火事故的傷害范圍；列出具有可操作性的安全對策措施，以對硫磺回收裝置的安全生產運行工作起到一定指導意義。

關鍵詞：硫磺；危險性；危害性；安全措施

中圖分類號： TE624 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）27-156-4

1 硫磺回收裝置工藝簡介

硫磺回收裝置技術源于山東三維石化工程股份有限公司，其中硫磺回收工藝采用常規CLAUS工藝，一級高溫熱反應，兩級催化轉化工藝，尾氣處理采用加氫還原吸收工藝，溶劑再生采用熱再生工藝。

2 重點監管危險化工工藝辨識

依據《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》（安監總管三[2009]116號）、《國家安全監管總局關于公布第二批重點監管危險化工工藝目錄和調整首批重點監管危險化工工藝中部分典型工藝的通知》（安監總管三〔2013〕3號），硫磺回收裝置采用的CLAUS制硫工藝列入《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》（安監總管三〔2009〕116號）目錄中的第10類（氧化工藝）。

3 硫磺回收裝置火災爆炸危險性分析

3.1 火災爆炸危險性分析

根據《石油化工企業設計防火規范》（GB50160-2008）和《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》（GB50058-2014）的規定，硫磺回收裝置的火災危險類別為甲類，爆炸危險區域大部分為2區，低于地坪的溝槽處劃分為1區，硫磺庫棚區域為粉塵危險11區。

3.1.1 制硫部分

酸性氣進入制硫燃燒爐后進行燃燒，爐膛溫度在1300℃左右，爐內混合氣體含有H2S、燃料氣、SO2、CO2等易燃易爆和有毒物質，一旦發生泄漏，會導致火災和中毒事故。燃燒時風、氣比過低或爐膛溫度過低會造成燃燒爐出口積硫，造成爐膛壓力升高，使制硫燃燒爐停爐甚至發生該區域酸性氣外泄和SO2外泄事故。

制硫燃燒爐發生爐膛爆炸常見的現象有兩種：

一是在運行中突然熄火時易發生爐膛爆炸；

二是點火時易發生爐膛爆炸。燃燒爐在運行中如果突然熄火而又未及時切斷向爐膛供氣，使爐膛中的氣體濃度繼續增加，當氣體與空氣的混合比達到爆炸極限時，由于爐膛剛剛熄火爐膛內的蓄熱溫度足以達到將爆炸性混合物點燃的溫度，而導致爐膛爆炸。燃燒爐起動點火前爐膛內已經積蓄了可燃氣體，與空氣的混合比達到爆炸極限遇到明火而發生爆燃導致爐膛爆炸。

若酸性氣帶液進入燃燒爐，由于爐內溫度較高，液相水迅速變為蒸氣云，導致進入燃燒爐內的氣體體積急劇膨脹，會使爐內壓力驟升，可能造成爐膛內有毒氣體泄漏。

酸性氣燃燒爐切除時尾氣焚燒爐負荷大增，會發生超負荷焚燒、熄火、煙氣正壓外泄等事故。

H2S與設備長期接觸生成FeS，裝置檢修時如防護不當易引起硫化亞鐵自燃，導致事故發生。

3.1.2 造粒成型區

液硫中通常含有少量硫化氫氣體，如果硫池脫氣效果不好，這些氣體進入造粒成型系統，導致人員中毒。造粒成型及硫磺包裝、儲存時存在硫粉塵，存在粉塵爆炸的危險。

3.1.3 尾氣部分

加氫反應器中裝有催化劑使尾氣中的SO2被H2還原為H2S，其工藝操作條件苛刻，特別是反應器的進料比例控制不當時，會引起反應器迅速“飛溫”，若升溫嚴重，可能導致器壁發生熱蠕變，剛度、強度迅速下降，嚴重時導致設備破裂著火，甚至發生爆炸。

3.1.4 塔區

尾氣部分設尾氣急冷塔、尾氣吸收塔，主要介質為MDEA、H2S、NH3，若發生泄漏，人員防護不當會引發中毒事故，遇點火源存在火災、爆炸的危險。

3.1.5 冷換設備

裝置內冷換設備在生產過程中常會因腐蝕、安裝質量差、熱力作用等原因致使冷換頭蓋大法蘭、進出口閥門、法蘭等處發生泄漏，加上裝置部分冷換介質的燃燒爆炸、中毒的危險性較高，泄漏后易引發火災或中毒事故。另外，在上述危險介質的影響下，部分溫度較高的換熱器內管束與管板連接接頭處承受著反復的熱沖擊、熱變形，工作環境較為苛刻，容易發生破壞。

3.1.6 成型機廠房、硫磺庫棚

成型機廠房、硫磺庫棚的火災危險類別為乙類，硫磺造粒包裝過程中，存在粉塵環境，一旦硫磺粉塵達到爆炸極限，遇到明火，就會發生爆炸事故，造成人員傷亡。

3.2 設備腐蝕危險因素分析

裝置操作物料中存在腐蝕性的H2S及NH3，故裝置運行中存在較為嚴重的硫腐蝕。裝置生產物料多為易燃易爆物質，且酸性氣中的H2S為高度危害的毒性物質，生產中若防腐措施不完善，設備腐蝕到一定程度將導致嚴重的事故損失。

裝置中的腐蝕主要是硫腐蝕，其腐蝕類型主要有高溫硫腐蝕、SO2-O2-H2O腐蝕、H2S-CO2-H2O腐蝕。

4 毒性、粉塵危害分析

4.1 毒性危害分析

H2S主要存在于酸性氣中，硫化氫是高度危害的Ⅱ級毒物。生產過程中，一旦物料泄漏，極有可能引起中毒事故，硫化氫中毒是項目主要有害因素。

H2S是無色有惡臭氣味的氣體，比空氣重。在地表面或低凹處空間積聚，不易飄散。H2S是一種強烈的神經毒物，其職業危害程度為Ⅱ級（高度危害），對粘膜有強烈的刺激作用。低濃度時，對呼吸道及眼有明顯刺激作用，高濃度時可直接抑制呼吸中樞，引起迅速窒息而死亡，當濃度為70～150mg/m3時，可引起眼結膜炎、鼻炎、咽炎、氣管炎；濃度為700mg/m3時，可引起急性支氣管炎和肺炎；濃度為1000mg/m3時，可引起呼吸麻痹，迅速窒息而死亡。長期接觸低濃度的H2S，可引起神經衰弱綜合癥及植物神經紊亂等癥狀。

4.2 粉塵危害分析

成型包裝倉庫區域為粉塵危險11區，硫磺粉塵會造成爆炸性環境，粉塵環境對長期工作在粉塵環境中的工作人員身體健康極為不利。

5 火災、爆炸、毒性指標評價分析

以1.5萬噸/年硫磺回收裝置為例，采用火災、爆炸、毒性指標評價法對硫磺回收裝置的制硫燃燒爐、加氫反應器進行定量評價。

5.1 初期評價結果

初期評價結果見表1。

5.2 結果分析

按照通常情況下的安全考慮標準，初期評價結果中全體危險性評分R值在100以下（緩和、低）的單元，其危險程度是能夠接受的，而R值在100～1100之間[中等和高（1類）兩級]視為有條件地可以接受，但對R值在1100以上[高（2類）以上]的單元，則必須考慮采取安全對策措施，并進一步做安全對策措施的補償計算。

由上表1中還可以看出，2個單元的全體危險性評分R值在100以下，其危險程度是能夠接受的，因此，不再進行安全對策措施補償評價。

6 挪威船級社（DNV）過程危險分析法（PHAST）對制硫燃燒爐酸性氣入口管線發生泄漏進行事故后果預測

假設制硫燃燒爐酸性氣入口管線發生泄漏，泄漏孔徑25mm和100mm、泄漏時間10min進行模擬。管線內物料溫度88℃、壓力0.12MPa、酸性氣流量1.785t/h。酸性氣泄漏后向下風向擴散。

6.1 25mm孔徑泄漏預測結果

假設發生25mm孔徑泄漏，泄漏時間為10min，泄漏概率為6×10-7，泄漏的酸性氣質量流速為0.15kg/s，在135.8s后泄漏擴散達到穩定狀態，致死濃度1000mg/m3（714ppm）覆蓋的最大范圍為距離泄漏點下風側63m處，半致死濃度618mg/m3（440ppm）覆蓋的最大范圍為距離泄漏點下風側80m處，在泄漏點下風側614m處達到職業接觸限值10mg/m3。

發生25mm孔徑泄漏硫化氫擴散濃度與距離關系見圖1。

事故模擬的風速取當地的多年平均風速，風速及遇明火的時間會影響泄漏介質的擴散范圍，風向會影響易燃介質擴散的區域，若發生爆炸時恰逢大風天氣，事故的影響范圍會進一步擴大。

7 安全措施

7.1 工藝技術

①為了防止設備腐蝕，在尾氣急冷塔使用的急冷水中注入NH3，以調節其pH值保持在6～8。

②液硫系統管線和設備中的液硫因溫度低而凝固影響生產，以及酸性氣火炬線內銨鹽結晶也會堵塞管線，應注意這些部位的保溫和伴熱措施，盡量減少管線垂直彎。

7.2 設備

①一、二級轉化器及加氫反應器，由于設備內部操作狀態下介質溫度較高，為防止露點及高溫硫化的腐蝕，設備采用內襯帶龜甲網的輕質隔熱耐磨襯里，且外保溫。

②為避免有毒氣體泄漏，造成環境污染，制硫燃燒爐及尾氣焚燒爐均不設防爆門，所有的燃燒爐及鍋爐煙氣通道均按爆破壓力校核。

③制硫燃燒爐、尾氣焚燒爐的爐體襯里均采用內砌外澆結構專利技術（專利號：ZL01277752.8），即迎火面內砌大磚，外澆注輕質隔熱耐火澆注料，該結構爐襯耐高溫，熱震穩定性好，導熱系數小，線膨脹系數低，耐酸性氣侵蝕好。爐體內襯里厚度的取值考慮爐體壁溫高于介質露點腐蝕溫度。

7.3 自動控制

①硫磺回收裝置通過DCS及SIS系統來實現自動控制及安全聯鎖保護。設置UPS電源。

②設置可燃有毒氣體檢測系統FGDS，對生產環境中的可燃氣體、有毒氣體濃度實時監測，濃度超限報警，檢測信號引入DCS系統。

③根據工藝流程需要設置H2S/SO2比值分析儀、氫濃度分析儀、CEMS分析儀、氧含量分析儀和pH計等在線分析儀表。

④裝置重要部位設置聯鎖，如風機保護聯鎖、制硫燃燒爐、尾氣焚燒爐熄火聯鎖等。

⑤裝置制硫鼓風機出口設置停機聯鎖，當風機停時，出口聯鎖閥自動關閉，防止硫化氫倒串。

8 結論

分析硫磺回收裝置存在的火災爆炸危險性、中毒及粉塵危害性，并采用火災、爆炸、毒性指標評價法對制硫燃燒爐、加氫反應器進行定量分析評價，運用挪威船級社（DNV）過程危險分析法（PHAST）對制硫燃燒爐入口管線進行事故后果預測，列出消除、預防或減弱工程危險性、提高工程安全運行等級的對策措施，可為硫磺回收裝置的安全設計、生產運行以及日常管理提供依據，嚴格貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產方針。

參 考 文 獻

[1] 鄧建.高硫原油加工過程硫化氫中毒風險辨識及分級方法研究[D].中國石油大學（華東），2013.