部分常見危險化工工藝安全控制工藝研究

靳松

摘 要：筆者結合自身工作實踐，對照現行國家標準、規范的要求，對部分常見的危險化工工藝自動化控制設施要點進行概述，以期在危險化工工藝的安全設施方面，對從事安全生產工作的人員給予一定的參考。

關鍵詞：危險化工工藝;自動化控制;安全設施

中圖分類號：TQ086;TQ02文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0127-03

Study on Safety Control Design for Some Common

Hazardous Chemical Processes

JIN Song

（Henan Ankeyuan Security Technology Service Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450004）

Abstract： Based on the author's own work practice and the requirements of the current national standards and specifications， the author summarized the main points of some common automatic control facilities for hazardous chemical process， so as to provide certain reference for the personnel engaged in safety production in the aspect of safety facilities of hazardous chemical process.

Keywords： hazardous chemical process;automatic control;safety facilities

近年來，對“兩重點一重大”的安全自動化控制要求越來越高，相對于“重點監管的危險化學品”和“重大危險源”，“重點監管的危險化工工藝”涉及的內容多，不同的工藝需要關注的細節不同。本文結合生產實際，根據現行國家標準、規范要求，對部分危險化工工藝的安全自動化控制要點進行探討。

1 氧化工藝

氧化工藝最主要的危險特性在于可燃介質與助燃氣體混合進行反應，且反應放熱。氧化工藝的安全控制首要要素在于配風，在識別判定氧化工藝時，應特別注重這一點。

氧化工藝按照危險特性可大致分為兩大類：第一類為反應設備內部的物料在爆炸極限外操作;第二類則是反應設備內的物料即為爆炸性混合組分，達到自燃點即可發生爆炸。第一類氧化反應較為常見，如氨氧化制硝酸、甲醛氧化制甲醇等。對于這類反應，原料/氧氣比是最為關鍵的控制參數，以氨氧化制硝酸為例，氨空比為最重要的控制指標，應納入安全儀表系統進行保護，且較多的氣相氧化反應設循環風回流，對于該類型的氧化反應，循環風的物料在線監測亦十分重要。對于第二類氧化反應，在設計反應器時應盡量考慮減小物料在線量，以管式反應器為主，相對于第一類氧化工藝，第二類氧化工藝的反應器本體須設置泄爆設施，并重點控制可燃物的進料量。對于氣態物料，在工藝條件允許的情況下，物料的進料控制一般建議首先考慮壓力而不考慮流量，這是因為壓力的監測相對于流量更加準確。

對照《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），氧化工藝的一般安全控制設計思路為：根據具體工藝特性，考慮設計反應溫度及壓力報警，溫度及壓力聯鎖根據HAZOP分析而定;物料配比系統需要嚴格設計，一般應納入安全儀表系統保護;對于連續化生產，緊急切斷物料一般視為切斷熱源，即“緊急冷卻”（物料特殊或反應進程快的例外）;根據工藝特性設置泄放線（至火炬）、爆破片等。

此外，對于一般明火設備的安全控制設計要點為：設燃料氣壓力監測并設低壓切斷保護;設助燃風機異常停車保護;設火焰監測并納入燃料氣切斷聯鎖保護;設自動點火（一般另設開工點火燃料線）;助燃風側考慮設置泄爆設施。

2 加氫工藝

加氫工藝在化工領域十分常見，涉及的物料廣泛，操作條件不一而足。一般而言，加氫工藝大致可分為加氫反應與加氫精制兩大類。

從化學原理來看，加氫反應均屬于放熱反應，熱量控制、壓力控制是反應控制的兩個基本點。以苯加氫生產環己烷/環己烯為例分析第一類加氫工藝的安全控制設計要點。第一，苯加氫系統為氣、液相連續放熱反應。溫度控制方面，在正常操作時通過反應器內盤管的脫氧水流量實現溫度自調，特殊情況下也可對進料苯的預熱進行溫度微調，對苯進料量進行微調，異常情況下進行緊急停車。第二，反應壓力為氫分壓所決定，正常生產時催化劑連續抽出再生后返回，通過控制催化劑活性以進行壓力微調。送往加氫反應器的氫分壓通過返回壓縮機入口的少量氫氣（緩沖罐壓力）調節，調節氫分壓可有效調節反應器壓力，但正產操作時一般不考慮此操作。第三，閃蒸罐作為高低壓系統的分界點，其壓力通過出界區燃料氣流量調節，液位通過去脫水塔回流量調節。第四，反應器頂部設置泄放線，可遠程啟動泄壓。由于設計有高壓系統其他泄放線，因此不考慮聯鎖泄放。第五，需要設氫氣進線的緊急切斷閥，做異常情況下緊急停車的聯鎖保護。高壓系統超壓時可能會導致物料返流，宜設苯進線緊急切斷閥。

第二類加氫精制反應，由于發生反應的物料較少（雜質加氫精制），一般不設內換部熱器，溫度可通過反應進料溫度、流量控制，壓力由氫分壓決定，但一般并不直接調節氫分壓，根據工藝實際通過反應器或下游設備的氣相泄放線調節。

3 硝化工藝

硝化反應進程快，在進料失控的情況下，溫度升高明顯。由于硝化反應涉及的物料熱穩定性較差，一旦超溫，后果往往不堪設想。

本文以半間歇硝化反應為例，闡述安全控制要點。①半間歇硝化反應一般先一次性進入原輔料，硝化劑（如混酸）作為控制反應進程的關鍵物料，小流量滴加。反應進程是硝化反應的第一個控制要點，推薦用質量流量計及計量泵控制流速，并設緊急切斷閥，同時設置孔板等限流措施，再設置管道視鏡及視頻監控（監控視鏡中流量流速），多措施共同保障反應進程。②設置溫度和壓力異常情況下的安全儀表系統聯鎖保護，尤其是溫度過低反應不完全時的聯鎖保護。③為保障反應完全，避免發生不完全反應時反應物料進入下游設備繼續反應放熱，應合理設置在線監測儀表。④攪拌應納入EPS電源。⑤硝化反應涉及內部換熱設施的應設置緊急冷卻設施，如對緊急高位水箱設置循環水水壓監測。

4 氯化工藝/光氣化工藝/氯堿電解工藝

氯化工藝及光氣化工藝均屬于物質固有危險性大于工藝危險性的情形。本文以光氣合成工藝（一氧化碳與氯氣合成光氣）為例，簡述氯化工藝/光氣化工藝的安全控制設計要點。①液氯儲存系統中，建議使用雙層液氯儲罐，可大大減少儲存風險。目前，雙層液氯儲罐應用已較為廣泛，常見的為雙層碳鋼材質，夾層充入氮氣，內外各設雙安全閥和排污管線。對于液氯儲罐，建議考慮在安全閥前設防爆片，并觀察雙層罐下部排污口是否接反。②液氯汽化系統中，應注意《危險化學品企業安全風險隱患排查治理導則》（應急〔2019〕78號）提及的“液氯汽化溫度不得低于71 ℃”，而不是《氯氣安全規程》（GB 11984—2008）中明確的“進口水溫不應超過40 ℃”，以加強三氯化氮等雜質的氣化。③在進行光氣合成時，應對進料進行嚴格計量，以保證氯反應消耗完畢。對于氯、一氧化碳進料的測量，一般推薦使用質量流量計。為了保證光氣合成的反應完全，一般會在主反應器后另設清凈反應器。液氯、光氣系統應實現全流程自動化，實現溫度、壓力自動調節。液氯、光氣系統應設置吸收系統，除安全閥等泄放氣外，應能保證系統事故全面泄放吸收需要。此外，封閉性廠房應設有負壓吸收系統，敞開廠房應在關鍵部位設吸收軟管。光氣裝置區宜設置氨水噴淋設施。④安全儀表系統：除反應超溫、進料失衡等異常情況外，液氯庫房、光氣裝置等關鍵部位的有毒氣體泄漏監測也應納入安全儀表系統聯鎖保護。⑤光氣合成系統中，如果原料氯、一氧化碳中的含水量過高，一方面可能造成設備被腐蝕，另一方面可能造成床層內活性炭催化劑異常升溫，并減少其使用壽命。此外，光氣出口游離氯含量也為重要的工藝控制、安全指標。一般應設置原料氯、一氧化碳中的含水量在線監測以及光氣出口（清凈反應器出口）的游離氯在線監測。⑥光氣合成反應器配套的換熱器、光氣深冷換熱器等換熱設備，工藝側壓力大于水相側壓力的，為防止設備內漏，一般建議設置水相側導電率監測。⑦光氣目前并無特效藥，儀表設置一般建議采用雙截止閥加排凈閥門組，可便于儀表檢維修。但是，本要求在工程實際中難以完全落實，應酌情考慮。

電解工藝（氯堿）相對于氯化工藝，需要額外考慮供電整流設施的控制、原料檢測（三氯化氮控制）等，一般產生的少量氫氣放空處理，物質固有危險性大于工藝危險性，主要危險控制點亦在于氯本身，本文不再贅述。

5 合成氨工藝

氨合成反應為體積縮小的放熱反應。本文以卡薩利合成氨工藝為例，簡述其安全控制設計要點。卡薩利合成氨工藝采用三床層塔內件，塔內的系統溫度主要靠各副線的冷激氣進行調節。塔內系統壓力的升高主要來自于原料氣配氣失衡、進料過多、反應轉化率降低等塔內反應不佳的情形，合成塔的壓力主要靠壓縮機組進行負荷控制、合成塔空速控制等方式進行調節，設塔后放空。主要控制回路為各氨分離器的液位控制回路、廢鍋“三沖量”控制等。安全儀表聯鎖一般考慮以下幾點。①壓縮機組控制聯鎖（該部分聯鎖一般設于壓縮機組控制系統）：在壓縮機高/中/低壓缸軸震動過大、軸位移過大，汽輪機軸震動過大、軸位移過大、軸溫過高，壓縮機高/中/低壓缸軸溫過高，潤滑油總管壓力過低，汽輪機轉速過高，高/中/低壓缸一級泄漏流量過高或壓縮機緊急停車等情況時，聯鎖關閉汽輪機速關閥，全開防喘振調節閥。②合成回路主聯鎖：在高壓氨分離器液位超高、廢熱鍋爐出口溫度超高、廢熱鍋爐液位超低、冷凍壓縮機停車、合成氣壓縮機停車、控制臺手動停車以及前后工段停車時，考慮執行壓縮機進出口切斷閥關閉，新鮮氣進口閥關閉，開工加熱爐停車，同時打開放空閥和壓縮機防喘振閥門，并發送信號去前后工段，合成回路系統停車。③開工加熱爐主聯鎖：在合成氣流量超低、燃料氣壓力超低、燃料氣壓力超高、出口合成氣溫度超高、主燒嘴熄火、煙道風門關閉、加熱爐膛內壓力超高、手動停車信號時，主燒嘴切斷閥關閉，點火燒嘴切斷閥關閉，放空閥打開，開工加熱爐停車。④氨分離器液位超低時，液氨出氨分離器管線上調節閥關閉。⑤鑒于在現有的生產實踐中，發生有氨分離器因設置單點液位儀表造成系統誤報跳車的先例，一般氨分離器液位儀表應盡量避免“單選”式設計。

6 聚合工藝

聚合工藝的主要危險特性在于部分聚合反應在溫度升高時會發生爆聚，進而發生爆炸。本文不再討論不會發生爆聚的聚合反應，以聚丙烯工藝為例，討論聚合工藝的安全控制要點：聚丙烯裝置一般以預聚反應器、聚合反應器（常見為兩臺環管反應器）為核心設備，在3.4～4.4 MPa壓力下進行聚合，溫度異常升高時可發生爆聚，引發嚴重后果。因此，控制反應器內溫度、壓力為控制核心。一般對壓力至少考慮三重保護：可加入阻聚劑抑制反應失控;設置緊急停車系統，且氣相可排放至火炬泄壓;設置安全閥進行泄壓。安全儀表聯鎖一般考慮：裝置緊急停車聯鎖、聯鎖啟動界區斷料聯鎖、三乙基鋁進料關閉聯鎖、聚合反應器緊急停車聯鎖、聚合反應器底部緊急出料聯鎖、緊急向聚合反應器注入阻聚劑自動起動聯鎖、閃蒸罐故障聯鎖等子聯鎖，上述子聯鎖可根據具體工藝情況確定。

7 新型煤化工工藝

新型煤化工工藝指大型、高壓連續化生產的氣化爐，大致可分為粉煤氣化爐、水煤漿氣化爐兩大類，常見的有殼牌爐、航天爐、晉華爐、四噴嘴爐等。本文以晉華爐為例，討論其安全控制要點。晉華爐上部為氣化室，采用水冷壁保護，中部為廢鍋段，下部為激冷段;燒嘴采用三流道燒嘴，夾套式結構，使用鍋爐水進行降溫。廢鍋、水冷壁各自設有汽包。通過進料計量、廢鍋、水冷壁共同實現反應的熱控制及設備保護。主要監測點有氣化爐溫度、壓力，雙汽包的三沖量控制，進料（水煤漿、氧氣）的計量，燒嘴冷卻水流量監測，洗滌塔液位監測等。安全儀表聯鎖一般考慮：氣化爐壓力高高、氧/煤比例失衡、主風機停機、燒嘴冷卻水進出口流量差高高、進氣化爐煤漿流量低低、進氣化爐氧氣流量低低、鍋爐水循環泵流量低低、合成氣洗滌塔液位低低、水冷壁汽包液位低低、廢鍋汽包液位低低、煤漿管線與氣化爐壓差低低、儀表空氣壓力低低、氣化爐出口合成氣溫度高高時聯鎖進行氣化爐緊急停車。

8 結語

本文結合生產實踐，對氧化工藝、加氫工藝、硝化工藝、氯化工藝、光氣化工藝、氯堿電解工藝、合成氨工藝、聚合工藝、新型煤化工工藝等危險化工工藝在安全控制設計方面的要點進行闡述，以期能給安全從業人員提供參考。

參考文獻：

[1]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）[EB/OL].（2009-06-17）[2020-08-20].https：//www.mem.gov.cn/gk/gwgg/agwzlfl/tz_01/200906/t20090617_237056.shtml.

[2]應急管理部關于印發《化工園區安全風險排查治理導則（試行）》和《危險化學品企業安全風險隱患排查治理導則》的通知（應急〔2019〕78號）[EB/OL].（2019-08-19）[2020-08-20].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-08/19/content_5422286.htm.