淺談HAZOP 分析在廢硫酸裂解裝置的應用

賀永斌，白虎雄，楊茂勤

（陜西北元化工集團股份有限公司化工分公司，陜西榆林 719319）

危險與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，縮寫HAZOP）是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結構化分析方法。通過分析生產運行過程中工藝狀態(tài)參數的變動，操作控制中可能出現的偏差，以及這些變動與偏差對系統(tǒng)的影響及可能導致的后果，找出出現變動與偏差的原因，明確裝置或系統(tǒng)及生產過程中存在的主要危險有害因素，并針對變動與偏差的后果提出應采取的措施[1]。筆者以陜西北元化工集團股份有限公司化工分公司的廢硫酸高溫裂解裝置為例進行HAZOP 研究分析。

1 廢硫酸裂解裝置HAZOP 分析的目的

從工藝流程、工作原理、操作步驟以及安全保護等方面入手，通過分析識別出廢硫酸裂解裝置在生產運行過程中存在的危險有害因素和可能造成的后果，尋找出裝置在工藝設計、設備運行、工藝操作和安全措施方面的缺陷，提出可靠的建議措施，為裝置的安全穩(wěn)定運行提供指導。

2 HAZOP 分析的一般步驟

2.1 分析前準備

一是要明確分析的范圍和對象，這樣分析才能有的放矢；二是組建專業(yè)的分析團隊，HAZOP 分析是一個頭腦風暴的過程，團隊中必須包括各相關專業(yè)領域的成員，如工藝、設備、安全、儀表、電氣以及操作人員等，在主席的組織下進行詳細地開展；三是收集相關資料，包括P&ID 圖、操作規(guī)程、設備信息等；最后安排好分析的時間、地點，做好分析準備。

2.2 分析過程

HAZOP 分析過程可參照GB/T 35320—2017《危險與可操作性分析（HAZOP 分析）應用指南》[2]進行，具體為：

1）先劃分節(jié)點，分析對象進一步細化。

2）選擇引導詞，引出具體偏離，分析偏離的原因及造成的后果。

3）根據對應的風險矩陣進行風險分析，確認偏離發(fā)生的可能性和后果的嚴重性，得出風險等級。

4）識別評估現有安全措施，如果風險等級仍較高，提出建議措施，使風險度降在可接受范圍之內。

5）當一個偏離分析完成后，開始下一個偏離。當本節(jié)點分析完成后，開始下一個節(jié)點，以此類推。

HAZOP 分析過程見圖1。

2.3 分析后工作

當HAZOP 分析完成后，編制HAZOP 分析報告，將分析的詳細內容以報告形式呈現，報告樣式見表1。最后對提出的建議措施安排落實，確定具體的實施時間和責任人，保證建議措施的有效實施，這是HAZOP 分析的最終體現。如果措施未得到落實，分析等于空談。

圖1 HAZOP分析過程

表1 廢硫酸裂解裝置HAZOP分析報告（樣表）

3 廢硫酸裂解裝置HAZOP 分析

廢硫酸裂解裝置的建設產能為w(H2SO4)98%硫酸30 kt/a，采用美國孟莫克公司（MECS）廢硫酸裂解再生技術，通過燃燒天然氣并摻燒硫磺提供熱量，在高溫下裂解w(H2SO4)75%廢硫酸，生成含SO2的混合煙氣，通過凈化、轉化、吸收生產出w(H2SO4)98.5%濃硫酸。該裝置的工藝流程主要包括硫磺熔化精制、硫酸高溫裂解、煙氣凈化、轉化、吸收等部分，主要設備有液硫儲槽、裂解爐、洗滌塔、轉化器、吸收塔等。針對廢硫酸裂解主體裝置，以裂解廢硫酸所產的煙氣作為關聯介質，根據生產過程涉及的熔硫、焚燒、凈化、轉化和干吸共5 個系統(tǒng)進行HAZOP 分析。

3.1 熔硫系統(tǒng)

3.1.1 熔硫系統(tǒng)的危險因素

熔硫系統(tǒng)的操作是將固體硫磺熔化為液體硫磺，然后過濾除去雜質成為精制液體硫磺。

該系統(tǒng)存在的危險物主要有硫磺粉塵和液體硫磺。硫磺粉塵主要產生于固體硫磺裝卸、上料等作業(yè)過程，易與空氣形成爆炸性混合物，爆炸下限為體積分數2.3%[3]。人員長期暴露于硫磺粉塵中可能會產生皮膚過敏和永久性眼損傷，長期吸入可引起黏膜刺激。液體硫磺的閃點為為168～187 ℃[4]，熔硫過程控制在130 ℃左右，如果液體硫磺過熱或遇明火將起火燃燒，引發(fā)火災。硫磺燃燒生成二氧化硫氣體，具有一定的毒性。

3.1.2 熔硫系統(tǒng)存在的問題

運用HAZOP 分析方法，識別出熔硫系統(tǒng)存在的操作或管理缺陷主要有：

1）硫磺采用人工上料，揚塵較大，局部會造成硫磺粉塵濃度超標，遇明火會發(fā)生爆炸。

2）硫磺上料時，下料口處粉塵不能得到有效控制，大量粉塵會從下料口冒出，造成環(huán)境污染。

3）液硫過濾器上方缺少消防設施，一旦著火，沒有有效的滅火設施，易造成火勢的進一步擴大。

4）進入液硫儲槽的管線在儲槽上端蓋以下沒有蒸汽保溫，間斷進料時容易造成進料管線堵塞，導致系統(tǒng)停車。

3.1.3 熔硫系統(tǒng)安全生產的建議措施

為保證熔硫系統(tǒng)安全生產，提出以下安全措施建議：

1）上料時保證軸流風機運轉，廠房通風良好，禁止使用鐵器用具上料。

2）硫磺下料口增加蓋板，減少粉塵的形成。另外在熔硫過程中，皮帶機輸送通道保證密閉，規(guī)模較大的熔硫裝置增加粉塵處理裝置，對粉塵進行抽吸、捕捉。

3）在液硫過濾器出口增加消防蒸汽或應急消防水，防止液硫過濾器打開著火或用于超壓著火的應急處理。

4）將進入液硫儲槽的管線夾套保溫延長至正常液面以下，可以有效避免液硫管線堵塞。

3.2 焚燒系統(tǒng)

3.2.1 焚燒系統(tǒng)的危險因素

焚燒系統(tǒng)操作的關鍵是控制好裂解爐內的反應：①天然氣和硫磺與氧氣燃燒；②在高溫下將廢硫酸分解為二氧化硫、氧氣和水。

該系統(tǒng)存在的危險物主要有天然氣和廢硫酸。天然氣為可燃氣體，主要成分為甲烷（CH4），燃燒生成二氧化碳和水，不完全燃燒時還會生成一氧化碳和單質碳。天然氣泄漏遇明火會發(fā)生爆炸，在空氣中含量達到一定程度后會使人窒息。廢硫酸是在采用硫酸清凈電石法生產乙炔氣體的過程中產生的，w(H2SO4)為75%，組分復雜，雜質含量高，具有強烈腐蝕性。廢硫酸中含有硫化氫、磷化氫等有毒氣體，吸入對人體有損害，和身體接觸會造成機體腐蝕。

3.2.2 焚燒系統(tǒng)可能出現的問題

運用HAZOP 分析方法，識別出焚燒系統(tǒng)存在的操作或管理缺陷主要有：

1）天然氣管線法蘭存在泄漏的風險，遇明火或高溫會發(fā)生燃燒或爆炸。

2）裂解爐內沒有可燃氣體監(jiān)測設備，現場實地取樣時不具有代表性，在點爐失敗后只能依靠經驗數據進行置換，可能會造成二次點爐閃爆；發(fā)生誤操作時會使天然氣進入裂解爐，點火過程中會發(fā)生爆炸。

3）天然氣放空管線出口處沒有阻火器，可能會引起著火、回火事故。

4）天然氣管線只有現場壓力表，沒有遠傳壓力監(jiān)測，對于超壓造成天然氣泄漏或者發(fā)生泄漏造成壓力波動不能及時知曉。

5）廢酸槍在高溫情況下易發(fā)生泄漏，導致廢酸裂解不充分，腐蝕設備管線。

3.2.3 焚燒系統(tǒng)安全生產的建議措施

為防止焚燒系統(tǒng)發(fā)生泄露或燃爆事故，提出以下安全措施建議：

1）制定天然氣管線檢查制度，定期對管線進行檢查試漏。

2）建議在裂解爐內安裝可燃氣體監(jiān)測儀，及時知曉爐內可燃氣體情況，防止二次點爐發(fā)生爆炸以及運行時缺氧燃燒；每次停車后，將天然氣管線用盲板封堵。

3）天然氣放空管線出口處安裝阻火器。

4）在天然氣管線上增加壓力遠傳，可以在線監(jiān)測天然氣壓力情況，及時發(fā)現天然氣管線異常情況。

5）廢酸槍絲扣連接改為焊接連接。

3.3 凈化系統(tǒng)

3.3.1 凈化系統(tǒng)的危險因素

凈化系統(tǒng)控制煙氣冷卻和凈化過程，混合煙氣通過洗滌塔、冷卻塔和除霧器的作用，得到冷卻和凈化。該系統(tǒng)存在的危險物主要是二氧化硫氣體。二氧化硫氣體具有刺激性氣味，不燃，會對人體的呼吸道產生強烈的刺激作用。

3.3.2 凈化系統(tǒng)存在的問題

運用HAZOP 分析方法，識別出凈化系統(tǒng)存在的操作或管理缺陷主要有：

1）氣體冷卻塔出口煙氣溫度沒有設置聯鎖停車信號，如果溫度超標，大量的水汽會進入干燥塔，造成硫酸濃度瞬間下降，腐蝕設備管線。

2）轉動設備的運轉情況是否良好對于凈化系統(tǒng)至關重要，務必保證轉動設備運轉正常，否則容易造成設備高溫損壞。

3.3.3 凈化系統(tǒng)安全生產的建議措施

為保證凈化系統(tǒng)正常運行，提出以下建議措施：

1）將氣體冷卻塔出口煙氣溫度輸入聯鎖系統(tǒng)，避免煙氣含水過高，造成設備損失。

2）建議將一級動力波洗滌器循環(huán)泵和氣體冷卻塔循環(huán)水泵與各自備用泵增加互鎖，當運行泵故障，備用泵自動啟動。

3.4 轉化系統(tǒng)

3.4.1 轉化系統(tǒng)的危險因素

轉化系統(tǒng)的操作是在轉化器內高溫條件下將二氧化硫催化生成三氧化硫。

該系統(tǒng)存在的危險物主要有催化劑和含有二氧化硫與三氧化硫的混合煙氣。催化劑的主要成分為五氧化二釩（V2O5），人員接觸催化劑粉塵可引起呼吸道刺激癥狀，重者出現支氣管炎或支氣管肺炎，皮膚高濃度接觸可致皮炎。煙氣中含有二氧化硫和三氧化硫，具有強刺激性臭味；二氧化硫和三氧化硫均為酸酐，遇水后可形成冷凝酸，對催化劑、不銹鋼設備有腐蝕影響。

3.4.2 轉化系統(tǒng)存在的問題及建議措施

運用HAZOP 分析轉化系統(tǒng)存在的操作或管理缺陷，并提出相應的建議措施：

1）轉化系統(tǒng)內生成三氧化硫，三氧化硫的露點較高，容易形成冷凝酸，會對設備管道造成腐蝕，需要定期排放轉化設備中的冷凝酸。

2）主風機進出口變徑管為碳鋼材質，容易造成冷凝酸腐蝕穿孔，建議更換為不銹鋼材質。

3）篩分催化劑時需要嚴格佩戴好防護用品，防止人員中毒。

4）轉化器各床層無在線壓力檢測，不能有效關注催化劑床層的壓降變化，建議增加在線壓力檢測儀。另外，當床層壓降明顯增大時，應對催化劑進行檢查，否則會造成尾氣排放二氧化硫超標，造成環(huán)境污染。

3.5 干吸系統(tǒng)

3.5.1 干吸系統(tǒng)的危險因素

干吸系統(tǒng)操作的關鍵是控制好吸收塔內循環(huán)酸濃度，使煙氣中的三氧化硫被全部吸收，生成w(H2SO4)98.5%的濃硫酸。

系統(tǒng)內主要危險物料有濃硫酸。濃硫酸是具有強腐蝕性、強氧化性和脫水性的二元強酸，對人體的皮膚、黏膜等組織有強烈的刺激和腐蝕作用。

3.5.2 干吸系統(tǒng)存在的問題及建議措施

運用HAZOP 分析干吸系統(tǒng)存在的操作或管理缺陷，并提出相應的建議措施：

1）干吸系統(tǒng)未配備尾氣吸收系統(tǒng)，如果排放的尾氣超標不能及時處理，會造成環(huán)境污染事故。例如，干吸系統(tǒng)發(fā)生誤操作時，系統(tǒng)吸收酸濃度過高或者過低都會造成排放的尾氣冒白煙，造成環(huán)境污染。建議增加尾氣吸收塔，以防排放的尾氣超標。

2）干吸系統(tǒng)所有的酸管線、法蘭需要安裝法蘭防護罩，避免出現硫酸泄漏時噴濺至人員身體造成灼傷。

4 其他建議措施

為了進一步保證工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提出以下建議措施：

1）制定煙氣路徑上產生冷凝酸設備的排酸周期，如實登記，便于下一步優(yōu)化總結，緩解設備腐蝕。

2）定期進行催化劑檢測，提前規(guī)劃催化劑更換、篩分等相關工作。

3）加強制酸系統(tǒng)人員業(yè)務技能培訓，提升業(yè)務技能和責任心。

4）梳理同行業(yè)裝置異常情況處置及事故的案例，對照落實相關安全措施。

5 結語

HAZOP 分析法從20 世紀60 年代提出至今[5]，它的作用正逐步凸顯，不僅對廢硫酸裂解裝置，放眼整個化工行業(yè)，它都能起到很好的安全指導作用。通過HAZOP 分析，不僅能使分析人員更深層次地了解生產系統(tǒng)，發(fā)現系統(tǒng)內較為隱蔽的癥結，并制定出解決的方案，還能通過分析使員工的安全意識得到進一步加強。HAZOP 分析在化工行業(yè)的前景廣闊，企業(yè)需要充分利用好這一工具，為化工安全生產保駕護航。