合成氣制氫裝置的安全管理

崔本亮，明紅軍，陳萍

(成都艾爾普氣體產品有限公司，四川 成都 611930)

0 引言

成都艾爾普氣體產品有限公司合成氣制氫裝置設計產能為每小時生產100 000 m3氫氣和28 300 m3合成氣，生產過程中涉及高溫、深冷、易燃易爆、有毒有害等危害因素，對合成氣制氫裝置的安全管理提出了更高的要求。

1 合成氣制氫裝置工藝簡述

公司合成氣制氫裝置采用天然氣和水蒸氣轉化法生產氫氣，然后用aMDEA 溶劑(二甲基二乙醇胺和哌嗪的一種混合物，德國巴斯夫公司專利產品)脫二氧化碳，再用一氧化碳循環制冷，深冷冷箱甲烷洗產生合成氣和粗氫。粗氫經過膜分離凈化工藝技術路線，轉化工藝采用荷蘭Technip 公司技術，合成氣深冷分離+膜分離凈化氫氣技術采用美國空氣化工公司技術。

原料天然氣含有硫化物，加氫使其轉化為硫化氫后，硫化氫在精脫硫劑上吸附脫除。無硫原料氣與水蒸氣混合，混合預熱后送入轉化爐，原料氣和水蒸氣經轉化爐管內的鎳基催化劑催化后，轉化成含H2、CO、CO2、水蒸氣和甲烷的轉化氣；轉化氣經蒸汽發生器冷卻后進入高溫變換反應器，在鐵基催化劑的作用下，CO 和H2O 進一步發生反應，生成氫氣和二氧化碳[1]。為了控制高溫變換反應器出口CO 含量，自蒸汽發生器來的轉化氣一部分經過高溫變換反應器，另一部分送至高溫變換保護反應器，然后再匯合；自高溫變換的變換氣經回收熱量后，再經變換氣冷卻器冷卻，分離水分后進入脫除CO2單元，工藝氣經過脫除CO2后送至冷區進一步提純；自脫碳單元來的合成氣，首先進入急冷系統，冷卻至10 ℃，然后進入變溫吸附干燥器脫除痕量的CO2和水；自變溫吸附干燥器來的提純后的合成氣，進入冷箱，在冷箱中經過甲烷洗滌、精餾，從粗合成氣中分離出氫氣和H2/CO 合成氣產品。深冷分離過程主要通過一系列精餾塔和分離罐完成產品分離，這些設備集成于兩臺冷箱內，撬裝供貨。冷箱中冷源由壓縮CO 循環制冷。自冷箱來的粗氫，送至產品氫膜分離系統，提純后產品氫的純度＞99.9%，然后外送至氫氣總管網。

合成氣/制氫工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 合成氣/制氫工藝流程示意圖

2 合成氣制氫裝置的危險因素

合成氣制氫廠生產過程中涉及的危險化學品主要有天然氣、氫氣、氨水(含氨＞10%)、丙烷、合成氣(氫氣與一氧化碳比值約1∶1)、硫化氫。根據《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化學品名錄的通知》(原安監總管三〔2011〕95號)、《國家安全監管總局關于公布第二批重點監管危險化學品名錄的通知》(原安監總管三〔2013〕12號)的規定，氫(氫氣)、天然氣、硫化氫、一氧化碳(合成氣)屬于首批重點監管的危險化學品。

合成氣制氫裝置具有高危險性、涉及危險物料，而石油化工裝置工藝條件要求嚴格、可靠性要求非常高、現場特種設備數量眾多，稍有不慎就會發生事故，根據GB6441—86《企業職工傷亡事故分類標準》，合成氣制氫裝置運行過程中主要存在火災、爆炸、容器爆炸、中毒窒息、機械傷害、化學灼傷、低溫凍傷、高溫燙傷、觸電、噪聲、起重傷害、高處墜落、物體打擊、車輛傷害等[2]。

3 合成氣制氫裝置的安全管控措施

3.1 合成氣制氫裝置工程設計安全管控措施

在本質安全上下功夫，裝置設計根據建設工程標準、法律法規和設計標準的要求以及公司條件和下游裝置需求，按照技術可行性、經濟合理性的原則選擇符合法規要求的工藝路線、設備，禁止使用國家明令淘汰的設備。設計之初預判泄漏風險，并加強對泄漏防控的設計，對于氫氣生產裝置，氫氣分子較小、更易泄漏，在管道設計中可以以焊接為主，在符合國家規范要求的前提下，凡是能夠焊接的盡量不用法蘭連接，合成氣制氫裝置控制閥門大都是焊接連接。產生大量蒸汽、氣體的工作場所，需使用密閉式電氣設備；有爆炸危險的氣體工作場所，需使用防爆型電氣設備。為便于安全閥門的檢修和年度校驗，安全閥在設計上設置為雙安全閥門，其中一個安全閥門在線則可滿足泄壓要求，兩個閥門的根部閥門用intern-lock鎖進行互鎖，避免在裝置運行期間兩個安全閥同時關閉，確保超壓泄壓的可靠性。對于高毒性的一氧化碳和易燃易爆的氫氣、天然氣等的排放，直接排入火炬系統，避免就地排放引起人員中毒或發生火災爆炸。

合成氣制氫裝置采用可靠的集散控制系統(DCS)，實現了生產過程的正常操作、開停車操作以及生產過程數據采集、信息處理和生產管理的集中控制，并對重要的參數設計自動調節以及越限報警和聯鎖系統。

合成氣制氫裝置設置了獨立的安全儀表系統(SIS)，帶有自動控制及報警聯鎖系統，工藝關鍵的被檢測點如超限或發生故障，控制室發出報警，提醒工作人員采取相應措施。聯鎖接點由SIS 緊急停車系統輸出至相應的切斷閥或電氣聯鎖回路，必要時啟動自動停車程序，確保生產裝置和人身安全。

針對化工生產中出現的加熱爐爐膛爆炸事故，裝置的轉化爐設計帶有燃燒器管理系統(BMS)，在轉化爐點火前，對爐膛的燃料氣系統先用氮氣進行氣密測試，氣密合格后在規定時間內進行爐膛點火，并確保點火前爐膛內沒有可燃氣體泄漏，避免爐膛爆炸事故發生。爐膛內設有火焰監視器，根據開車停車的條件不同，設計不同的連鎖停車邏輯，確保火嘴燃燒正常。在裝置現場設有火災自動報警系統和穩高壓消防水系統，便于及時發現火情并處置；設有可燃有毒氣體報警系統，若泄漏可及時報警；廠區重點部位和重點設備設有工業視頻系統，可在控制室內24 小時遠程監控。

3.2 合成氣制氫裝置投用前的安全風險管控措施

按照安全生產的法規要求，嚴格執行“安全三同時”“職業衛生三同時”管理，確保安全設施和職業衛生設施正常投用、可靠運行。

加強從業人員崗位安全培訓，考核合格后方可上崗。成都艾爾普氣體產品有限公司員工經安全培訓合格后上崗，特種作業人員均取得特種作業操作證；建立健全安全教育培訓制度，對員工實行公司、車間、班組三級安全教育，公司制定詳細的操作人員培訓計劃，操作人員在國內相似裝置培訓一年后，可參與到操作手冊的翻譯校對中；通過現場學習和裝置前期準備，全體操作人員掌握裝置操作技能，為裝置開車和運行做好了人員準備。在裝置未中交前提前進入裝置現場，理論聯系實際、分組討論學習、嚴格進行工藝考核，考核合格后方可上崗，確保證裝置安全、無事故運行。裝置中交后，工藝生產人員按照PID 圖紙對管線、閥門、儀表、設備逐一核對，三查四定，查漏消缺。

公司設置專職安全管理機構，配備安全負責人和專職安全管理人員。安全負責人和安全管理人員經過當地應急管理部門培訓合格后上崗，并定期接受再教育培訓，所有專職安全管理人員均具有注冊安全工程師任職資格。

加強單體設備的驗收工作，制定科學可行的試車方案，嚴格進行單車試車和聯動試車，確保設備的可靠運行；嚴格進行檢漏、試漏，在裝置整體開車前進行氣密性試驗，用LDAR 系統檢測等方式檢查泄漏點，一經發現及時處置；加強在線儀表調校，運行時通過在線濃度成分分析、壓力或液位測定有關參數變化監控裝置生產；在裝置現場設置環境可燃及有毒氣體濃度檢測儀，對環境進行全面監測。

3.3 合成氣制氫裝置運行過程中的安全風險管控措施

工藝操作規程是企業基本的技術文件，公司股東方美國空氣化工公司提供原版操作手冊，并由操作團隊翻譯整理校對。工藝操作規程制定后，所有與生產有關的職能部門和職工都必須嚴格執行，生產過程中嚴格控制各工藝參數指標，杜絕超溫、超壓、超負荷現象。根據實際情況可隨時對操作規程進行修訂，若無變更，則每年對操作規程進行一次檢查確認，每三年進行一次評審、修訂。

加強防泄漏管理工作，定期使用LDAR 系統對法蘭連接處和閥門進行全面檢測，確保無氣體泄漏。氫氣著火時火焰為淡藍色，白天不易發現，要求定期夜間閉燈試驗，檢查氫氣是否有泄漏情況，若發現泄漏及時處理。在可能出現泄漏的場所保持良好通風條件，嚴格控制易燃易爆環境的點火源，對容易產生靜電積聚的設備、管道采取防靜電接地措施，并定期檢測。

嚴格進行人員管理，要求員工掌握危險化學品有關勞動安全衛生技術知識、應急處理方法和自救措施。對從事毒害性、腐蝕性物料裝卸的作業人員，加強個人防護，員工應按照規定穿戴勞動保護用品。公司冷箱為一氧化碳循環制冷冷箱，現場存在一氧化碳泄漏風險，另外氫氣的爆炸極限較寬、點火能量極低，因此嚴格要求員工必須佩戴便攜式大氣監測儀方可進入現場，隨時檢測空氣中的可燃氣體和有毒氣體含量。

加強對爆炸危險區域內電器的檢查和維護，對爆炸區域內電氣設施定期進行靜電接地電阻檢測，導體出現因腐蝕嚴重或其他原因引起的折斷等情況時必須進行更換，確保接地設施有效。所有防雷防靜電設施每年定期聘請具有檢測資質的第三方進行檢測，發現接地電阻值有較大變化時，對接地系統進行全面檢查、及時維護，確保其完好性。

在防爆區域嚴禁吸煙，禁止穿帶有鐵釘的鞋具進入現場，裝置周圍禁止堆放油、脂等可燃性物質；嚴格控制進入廠區的車輛和人員，禁止帶入火星或在生產區域內吸煙等可能產生火源的行為。

加強設備維護，各種壓力表、安全閥、滅火器等必須在檢測有效期內使用。此外，注意腐蝕對防爆電氣設備的影響，及時更換被腐蝕損壞的設施，并定期對壓力容器、壓力管道及緊固件等設備設施進行無損探傷檢測和測厚。

生產過程中的開停車及檢修往往是事故多發過程，因此應嚴格執行工廠制定的開停車規程和檢修操作規程，做好物料置換及檢測等工作，避免事故發生。在檢維修作業方面，對設備、管道動火應事先用符合壓力等級的盲板切斷可能進入設備、管道的物料，并進行吹掃、置換干凈。嚴格執行能源隔離程序，公司配備了能源隔離鎖、工廠鎖、許可證鎖、個人鎖、承包商鎖、小組鎖，需要能源隔離的作業在作業前嚴格按照要求上鎖掛簽，隔離測試合格后方可開展檢維修工作。動火作業嚴格實行許可制度，辦理《動火作業安全許可證》前要將安全措施落實到位，動火作業全程監控大氣環境，并在專業安全技術人員的監護下進行。有限空間作業需具有有限空間進入許可證、安全作業許可證、有限空間進入人員培訓確認記錄、危害辨識表、盲板隔離記錄、進入前會議、救援計劃、一般進入計劃、大氣監測記錄、有限空間進出記錄等表單，嚴格執行有限空間進入程序，備好防毒面具和防護用品，檢修人員必須熟悉防毒面具的性能和使用方法，并設置專人監護。高處作業必須系好安全帶，作業點下部禁止人員通行和逗留，六級以上大風、大雪、大霧、暴雨等惡劣環境和有職業禁忌的人員禁止高處作業。

在日常安全隱患排查管理中，公司借鑒了股東方美國空氣化工的安全管理理念，根據公司安全文化的事故三角形，如圖2 所示，針對人的不安全行為、物的不安全狀態、環境的不安全因素，開展事故預防技術(Accident Predictive Techniques)、未遂事故(NearMiss)、隱患排查治理、事故調查等事件應急管理工作，要求現場員工和長期承包商每月至少編寫4 個APTs (accident predictive techniques)，對有價值的APT 給予獎勵，實行正強化，激勵員工積極性；要求全裝置每年至少提交14 個未遂事故(near miss)，班組每日交接班時探討一個或多個安全話題(safety contact)，經理和主管每月定期定量對員工講述領導安全話題(leadshipe contact)。通過這些具有特色的安全管理方式，夯實基礎安全管理，到目前為止公司未發生人員傷亡事故。

圖2 事故三角形

嚴格進行變更管理，根據變更風險等級對變更進行分級管控，不同等級變更的風險辨識要求、參與審核專家、最終批準人員級別各有不同，變更完成后對涉及該變更的員工進行培訓，并將變更文件及時存檔。

4 合成氣制氫裝置應急管理措施

根據《生產經營單位生產安全事故應急預案編制導則》要求完善綜合應急預案、專項應急救援預案和現場處置方案；進行事故風險評估和應急資源調查，并加強與當地政府相關部門的協作與溝通，匯報本企業的基本情況、危險特性以及發生事故后可能的波及范圍、嚴重程度及應急救援措施，并將其相關內容編入《安全生產事故應急預案》中。公司根據自身情況編制了綜合應急預案、專項應急預案和各種處置方案，并進行動態修訂，三年評審備案一次[3]。

為了鍛煉基層操作隊伍的應急能力，公司將應急演練指揮權下沉，盡可能模擬裝置發生緊急事故的現實狀況，并且每次綜合演練均與石化基地專職消防隊聯合演練。由班組組織演練，先由班長擔任演練總指揮，班組成員根據任務分工擔任角色，一級向一級匯報，一級向一級交指揮棒，做到演練貼合實戰。應急預案演練結束后及時總結，對演練進行評估，分析存在的問題，并形成報告，對在演練中發現的問題積極組織整改，對預案與實際不符合的內容及時修訂。在應急工作中，做到預警體系完備化、應急指揮體系完善化、救援隊伍備戰常態化、應急裝備完好化、應急物資及時化。

5 結語

在合成氣制氫深冷分離過程中，深入分析危險有害因素，并提出針對性控制措施，對人員安全、裝置平穩運行、企業可持續發展有著重要意義。因此應加大對天然氣高溫轉化、合成氣制氫深冷分離技術的研究，不斷優化裝置操作以及事故預防方案，降低事故發生概率，確保安全生產。