液氯罐區封閉化設計實例

楊文平，許景寒

（1.湖北省化學工業研究設計院，湖北 武漢 430073；2.湖北省緣達化工工程有限公司，湖北 武漢 430073）

液氯為黃綠色的油狀液體，在15℃時密度為1.4256 kg/m3。液氯作為重要的化工原料，通常氣化后使用，可用于紡織、造紙工業的漂白，自來水的凈化、消毒，鎂及其他金屬的煉制，農藥、醫藥、洗滌劑、橡膠、塑料制品中間體等各種含氯化合物的合成。

氯具有強氧化性、助燃，其火災危險性類別為乙類，根據《危險化學品目錄》（2015版），氯屬于急性毒性（吸入）類別2，此外氯也被列入劇毒化學品目錄，是受國家重點監管的危險化學品。

隨著國家對環保、安全的日益重視，鑒于氯的危險特性，對于液氯的安全儲存及使用也受到涉氯行業從業人員越來越多的重視。本文以現行法規和標準為基礎，結合某精細化工企業實際工程設計案例，簡要對液氯儲存廠房各專業的安全設施設計要點進行了介紹，以期為工程設計人員和涉氯企業安全管理人員和操作人員提供參考。

1 工藝系統設計

1.1 液氯儲量及儲存形式的選擇

該精細化工項目主要生產酰氯類產品，年產量1.4 萬t，液氯消耗量約59 t/d，采用槽車進行運輸。參考《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH 3007—2014 的規定，結合當地的實際情況，液氯儲存天數按5 d 進行設計，即需要儲存的液氯為295 t。因儲存量較大，設計采用儲罐進行儲存。經與業主溝通，選用公稱容積為65 m3臥式儲罐，儲罐尺寸為Φ3 000 mm×10 020 mm，儲罐數量為4用1備，儲存系數≤0.8[1]。備用儲罐保持長空，應急情況下倒罐使用。液氯儲罐材質為16 MnR，壁厚為10 mm，設計溫度60℃，設計壓力1.76 MPa。

1.2 工藝流程的選擇

液氯罐區工藝流程主要包括卸車、儲存、外送三個步驟，其中卸車工藝的選擇是整個液氯罐區設計的關鍵，不同卸車方式適用場合和要求也有較大差異，目前國內液氯的卸車工藝主要有氣化卸氯、空壓卸氯、位差抽卸三種工藝[2-3]。

（1）氣化卸氯

氣化卸氯的原理是采用部分液氯氣化提高槽車內的壓力，通過槽車與儲罐的壓差將槽車內液氯卸入液氯儲罐中，這是目前國內比較常用的卸氯工藝。該工藝要求嚴格控制液氯氣化的操作溫度和操作壓力，液氯有一定損耗，環保性較差。

（2）空壓卸車

空壓卸氯的原理是利用壓縮空氣或氮氣的壓力進行卸車，因為氯氣遇水會發生反應產生鹽酸，對設備、管材腐蝕性較大，因此需要嚴格控制空氣或氮氣中的含水率，一般宜控制在0.01%以下。但該工藝液氯損耗較大，環保性最差。

（3）位差抽卸

位差抽卸的原理是采用液氯泵將槽車內的液氯抽出送入液氯儲罐。液氯槽車的液相管是頂入式的，直接靠位差無法把液氯卸干凈，且卸車時間很長。故需增加一只地槽，通過其卸壓把槽車的液氯引下再用泵送入大槽，而大槽的料也可通過該泵輸送至車間使用。該方法無論從環保性還是液氯損耗來說都優于前面兩種方案，且卸車時間短。只是對泵的選擇要求較為嚴格同時需要保持較高的位差。考慮到本項目液氯用量較大，為避免較大的液氯損耗、選用位差抽卸工藝進行卸車。

1.3 罐區布置方案的選擇

通常化工項目的罐區設計包括儲罐區、泵區、裝卸鶴位等幾個部分，各部分之間均有一定的防火間距的要求。為了防止液氯在儲存、裝卸等過程因泄漏造成安全事故，同時結合現行的國家、行業法規及標準，液氯罐區采用密閉廠房形式，液氯廠房的尺寸定為54 m×18 m，同時配備事故氯氣吸收系統。總平面布置與周邊建構筑物的防火間距按乙類廠房設計。由于氯氣有毒，廠房應布置在人員集中場所的全年最小頻率風向的上風側。

封閉廠房的設計思路是罐區發生氯氣泄漏時，事故引風機會將整個廠房內的含氯空氣都抽至堿液吸收系統進行無害化處理，其風量跟廠房的容積成正比，而風量的大小直接關系到設備及運行成本的高低。根據GB 50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第6.4.3條可知，事故風量計算公式如下。

Q=A×H×n

其中，Q為事故風量；A為廠房面積或分區面積；H為廠房高度，當H≤6 m 時，按實際高度計算；當H大于6 m，H取值為6 m；n為通風換氣次數，12次/h。

顯然，當廠房的高度一定時，事故風量與廠房或隔間的面積成正比，而事故風量直接關系到風機選型及運行成本。因此，為了降低成本，液氯廠房采用分區設計，盡量減少分區面積。結合工藝需要，本液氯廠房內部分為儲罐區、卸車氣化區、卸車鶴位三個功能區，各分區采用實體墻分隔。室外設備區主要布置有應急吸收塔、風機、堿液儲罐等。

1.4 工藝安全設計

（1）液氯為全壓力式儲存的液化氣體，儲罐及管道等均需承受液氯儲存溫度下的飽和蒸汽壓，液氯儲罐材質選用16 MnR 能滿足儲存條件下溫度與壓力的使用要求。本項目液氯廠房重大危險源R值為537.6，大于100，液氯廠房構成危險化學品一級重大危險源，液氯廠房除了設置基本的DCS 控制系統外，還應設計安全儀表系統（SIS）[4]。因此本項目液氯儲罐設計了雙壓力、雙液位、雙溫度監測，分別將信號集中至DCS 系統和SIS 系統，壓力、液位監測應設置根部閥。儲罐進出口采用雙閥，同時儲罐進口及出口分別設置了兩個緊急切斷閥，一道切斷閥接入DCS 系統，另一道接入SIS 系統。液氯儲罐區設置了一臺同樣容積的儲罐作為事故罐，一旦有儲罐發生泄漏時可將其中大部分液氯倒至事故罐。液氯管道和氯氣管道設置安全閥，對管道進行安全泄壓，并將安全閥出口管道連接到堿液池；設置低點排污口，定期對殘留物進行排放，排放口連接堿液池。

（2）正常生產過程中廢氯氣和事故氯氣采用兩級堿液噴淋循環吸收系統進行吸收，經處理的尾氣如符合排放標準則直接高空排放至大氣，如不合格則通過旁路排至廠房內進行循環吸收，直至吸收合格。廢氣處理裝置應滿足緊急情況下的系統事故氯吸收處理能力，吸收液循環槽具備切換、備用和配液的條件，保證設備有效運行[5]。

（3）液氯及氯氣管道采用Q345E 無縫鋼管，閥門選用氯氣專用截止閥，氯氣設計流速控制不超過12 m/s。液氯管道法蘭選用凹凸面法蘭，法蘭及閥門壓力等級不低于PN25，墊片選用金屬纏繞墊，緊固件選用全螺紋螺柱，材質為35CrMo。

（4）液氯及氯氣管道焊縫檢測方法采用RT，焊縫檢測比例不低于100%，質量合格等級為Ⅱ；強度試驗采用液壓試驗，試驗壓力為管道設計壓力的1.5倍；泄漏試驗介質采用空氣，試驗壓力為1.0倍的設計壓力。

（5）液氯儲罐設有兩組安全閥，安全閥前設置有爆破片，爆破片和安全閥之間應設遠傳壓力檢測儀表，高位報警，安全閥放空管線引至廠房內堿液池。典型的液氯儲罐工藝流程簡圖見圖1。

圖1 典型的液氯儲罐工藝流程簡圖

2 液氯罐區封閉廠房的設計

2.1 土建專業設計

土建的安全設計主要包括防火、抗震等方面，由于氯有較強的腐蝕性，在潮濕空氣中還會產生氯化氫，同時廠房需要有良好的密閉性，因此廠房采用框架結構形式，抗震設防等級為重點設防類。廠房占地面積986.44 m2，建筑面積為986.44 m2，廠房耐火等級為二級，高度8.5 m，1層。整個廠房為一個防火分區，分為三個獨立的功能區域，每個區域至少兩個獨立的安全疏散出口。氯氣為助燃介質，單獨儲存時本身不具備爆炸的可能性，廠房不需要采取泄爆措施，墻體采用A5.0蒸壓加氣混凝土砌塊。

2.2 電氣專業設計

電氣的安全設計主要包括應急照明、疏散指示系統、防雷措施等，其中消防應急照明和疏散指示系統采用集中電源非集中控制型系統。應急照明集中電源采用輸入電源AC220 V/50 Hz，輸出為安全電壓DC24 V，切換時間≤0.25 s，應急時間90 min。應急照明燈采用非燃燒材料制作的面板或燈罩。標志燈的所有金屬構件應采用耐腐蝕構件或進行防腐處理。廠房內疏散照明的地面最低水平照度均按10.0l Lx 設計。

防雷措施按照第三類防雷建筑物設防，非金屬屋面在屋頂明敷φ12 熱鍍鋅圓鋼作為防雷接閃器，網格不大于20 m×20 m 或者24 m×16 m，金屬屋面利用雙層厚度≥0.5 mm 金屬屋面及鋼檁條做接閃器；利用混凝土立柱（或構筑物）內至少兩根直徑≥Φ16的鋼筋綁扎或焊接作為引下線，有鋼立柱的直接利用鋼立柱作為引下線，引下線之間平均間距≤25 m；利用承臺及基礎橫梁內鋼筋網作為接地裝置。

2.3 消防專業設計

消防安全設計是為了滿足廠房消防安全要求，設計了室外消火栓系統和室內消火栓系統，消火栓給水由消防水池及消防泵房供給。室外消火栓系統消防用水量標準為25 L/s，火災持續時間按3 h 計。消防水量270 m3/h，消防環管管徑為DN200。室內消火栓給水為臨時高壓制區域消防給水系統，消防用水量標準為10 L/s，火災持續時間按3 h 計，消防水量108 m3/h。本建筑物室內消火栓環狀管網的2 條引入管直接從廠區消防給水管網上的不同管段處連接，呈環狀布置，管徑DN100，引入管壓力為0.60 MPa。同時在相應位置布置手提式磷酸銨鹽干粉滅火器或推車式磷酸銨鹽干粉滅火器，滅火器型號為 MF/ABC5 89B 5 kg、MFT/ABC35 183B 35 kg，滅火器適用溫度范圍為-10～55℃。

2.4 暖通專業設計

暖通專業的安全設計主要包括事故通風系統。依據HG/T 20698—2009《化工采暖通風與空氣調節設計規范》及《化學品安全技術說明書》（MSDS），本廠房應設置機械排風，平時通風換氣次數不應少于10次/h，風機為防腐型，液氯儲存區和汽化區采用軸流式風機進行平時通風換氣。事故換氣次數不應小于12次/h，且應與房內氣體報警器聯鎖控制。事故通風通過風管引至室外成套事故氯吸收裝置，經兩級洗氣塔吸收后，合格氣體經排氣筒排放。事故通風的通風機應分別在室內及靠近外門的外墻上設置電氣開關。事故發生后，關閉相應區的門窗、平時排風機及入口電動密閉閥，開啟相應區事故排風管道上的電動密閉閥，并聯鎖啟動送風機進行機械補風，啟動事故氯氣吸收裝置。液氯儲存區排風管道采用硬聚氯乙烯風管（含阻燃劑），管溝敷設，卸車區和汽化區事故排風管沿墻柱吊裝。汽化區內設置移動式軟管吸風罩，吸風罩通過移動軟管接排風管道，移動式吸風罩應能覆蓋廠房所有區域。廠房由于封閉的緣故可能會產生負壓，故為防止負壓過大事故系統無法抽氣，廠房內還應設置余壓閥，保持廠房內壓為微負壓，當廠房內外壓差過大時余壓閥自動打開補氣，壓差正常后余壓閥自動關閉。

2.5 電信專業設計

電信專業的安全設計主要是火災報警系統的設計，本廠房采用集中火災自動報警系統，控制室的操作室兼作消防控制室安放火警控制器。按照GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》（2018版）第8.12.4條，在乙類裝置設置手動火災報警按鈕和聲光警報器，室內相關設備采用壁裝方式，手動火警按鈕自帶消防電話。設備信號傳輸類型為總線型，所有消防報警設備及模塊均需可靠接地。報警設備信號線纜采用導線穿鋼管方式，經乙類裝置接線箱埋地敷設至控制室火警控制器。從金屬保護管引至火警消防控制設備盒、接線箱的線路，均采用可撓（金屬）電氣導管保護。

2.6 自控專業設計

自控專業的安全設計主要包括有毒氣體檢測及ESD 系統等。由于液氯罐區廠房構成了一級重大危險源，按照規范要求需要設置視頻監控系統。同時氯氣屬于GB 30000.18—2013《化學品分類和標簽規范第18部分：急性毒性》中急性呼入毒性2類，按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》設置自帶聲光報警器的氣體探測器。探測器的安裝高度宜距地坪或樓地板0.3～0.6 m，探測器盡量靠近釋放源安裝，探測半徑為2.0 m。氣體報警控制系統采用獨立的GDS 系統，安裝在操作人員常駐的中控室，GDS 系統設置單獨的操作站完成報警和控制功能。

根據HAZOP 分析及SIL 評估報告，本項目液氯儲罐的安全儀表等級按SIL2設計。SIS 系統按照故障安全性設計，正常生產操作由生產裝置的DCS 自控系統完成，只有故障狀態下采取緊急停車防止發生事故。SIS 采用獨立的控制器，可由TUV 安全認證的冗余、冗錯的獨立控制器完成裝置的緊急停車（ESD）功能。

3 結束語

液氯罐區的密閉化設計，能夠從源頭上預防和減少安全事故，降低事故產生的后果，提升液氯儲運過程的本質安全水平，為企業在液氯儲存和使用過程中提供最大限度的安全保障。液氯罐區密閉化的同時，設計上也應考慮經濟合理性，設計過程中在滿足規范的前提下將各功能區進行分隔，有利于減少設備投資和運行成本。