二氧化氯制備系統安全生產的自控措施

摘要： 本課題根據多條二氧化氯（ClO2） 生產線的設計經驗，結合投產后的成果，從自動化控制設計角度，對ClO2生產線上的防爆區域劃分、儀表防爆需求、可燃與有毒氣體探測器的設置、危險與可操作性（HAZOP） 分析、儀表安全完整性等級（SIL） 劃分、安全儀表控制系統（SIS） 的設置等方面進行了總結。ClO2制備系統的自控安全措施，能夠確保ClO2制備過程的安全性和穩定性。

關鍵詞：二氧化氯；自控措施；安全生產

中圖分類號：TS733 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 021

隨著全球漂白硫酸鹽制漿的快速發展，二氧化氯（ClO2） 作為一種高效、環保的漂白劑[1]，在化學法制漿中得到了廣泛應用。然而，ClO2具有強氧化性，其生產過程涉及強氧化劑的使用和高濃度的化學反應，若操作不當或管理不嚴，極易引發安全事故。因此，在ClO2制備和儲存過程中伴隨的安全隱患不容忽視。本課題根據設計及實踐經驗，對ClO2制備系統設置的自控安全措施進行深入研究分析和總結。

1 ClO2在化學制漿工業中的應用

ClO2 是一種黃綠色氣體，具有強烈的刺激性氣味，在水中的溶解度較高[1]，穩定性較好。ClO2具有強氧化性，氧化能力僅次于臭氧，相同質量時，ClO2的氧化能力是氯氣的2.63倍，次氯酸鈉的2.76倍。與傳統的氯氣漂白相比，ClO2漂白具有更高的選擇性，對碳水化合物作用緩慢，能夠在有效破壞有機色素分子中的發色基團，達到漂白目的的同時，最大限度地避免對紙漿纖維的損傷，提高紙張的強度和白度[2]。基于以上原因，ClO2在紙漿漂白過程中產生的有毒有害物質較少，對環境的污染較小。

2 ClO2制備系統的基本工藝流程及危險源

2. 1 ClO2制備工藝流程

ClO2制備有多種生產工藝方法，其中綜合法所需的資源和能源只有水、食鹽和電，生產過程中僅需補充少量氯氣，因此常用于制漿生產線。綜合法的主要生產工藝是通過電解食鹽產生氯酸鈉，再與鹽酸反應[3]。該過程涉及化學反應、氣體生成與輸送等環節，潛在的安全隱患包括化學品泄漏、爆炸、中毒等。因此，在制備過程中必須采取嚴格的安全技術措施。

ClO2制備系統綜合法（電解食鹽法） 的主要化學反應如式（1）～式（3）所示[4]。

ClO2制備系統綜合法的簡易流程圖如圖1所示。

2. 2 ClO2制備安全隱患

2. 2. 1 泄漏風險

ClO2制備過程中涉及多種強腐蝕性化學品，如氯酸鈉、鹽酸等，多種可燃有毒氣體，如氫氣、氯氣、ClO2等，這些化學品或可燃、有毒氣體若發生泄漏，不僅會污染環境，還可能引發火災、爆炸、中毒等安全事故。

2. 2. 2 操作過程中的安全風險

ClO2的制備過程需要嚴格的溫度和壓力控制，若操作不當，如溫度過高或壓力過大，可能導致反應失控，引發安全事故。

3 ClO2制備系統關鍵安全自控技術措施

ClO2制備系統在生產過程中，主要采用集散控制系統（DCS） 進行集中操作管理和控制，對超限過程參數設置聲光報警和聯鎖系統。為進一步確保生產裝置安全性，防止事故發生，降低事故造成的后果[5]，還需設置聯鎖控制優先級別更高、與裝置安全等級相適應的安全儀表控制系統（SIS），用于生產裝置緊急事故切斷和聯鎖控制。

除采用DCS、SIS等控制系統外，ClO2制備系統的自控設計，還需要一些自控技術措施來保證生產裝置的安全運行。

3. 1 防爆區域劃分、儀表防爆等級選擇

防爆區域的劃分是ClO2 制備系統安全設計的基礎。根據氫氣的爆炸極限、閃點等特性，結合車間的工藝流程和設備布局，將車間劃分為不同的防爆區域。在ClO2制備系統中，儀表防爆是車間安全的重要環節，應選用符合防爆要求的儀表，如本質安全型、隔爆型等。

3. 1. 1 防爆區域劃分

防爆區域劃分是根據車間內可能存在的爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間來確定的。在ClO2制備系統中，分為0區和2區；其中，0區包括氫氣放空排放口和鹽酸爐尾氣洗滌塔排放口半徑3 m范圍內；2區包括氫氣放空排放口和鹽酸爐尾氣洗滌塔排放口半徑4.5 m范圍內，氯酸鈉反應器防爆膜泄放口半徑4.5 m范圍內，除氣器防爆膜泄放口半徑4.5 m范圍內。

3. 1. 2 儀表防爆等級的選擇

防爆區域的劃分決定了在不同區域內，應區分使用不同種類的防爆設備和儀表。儀表防爆等級是根據儀表在爆炸性環境中使用時所能承受的爆炸壓力和溫度來確定的。通常，儀表防爆等級可分為以下等級。

本質安全型（intrinsic safety，IS，以下簡稱本安型）：本安型儀表在正常工作或規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體混合物。這種儀表的防爆性能最好，適用于0區、1區和2區。

隔爆型（flameproof）：隔爆型儀表具有能承受內部爆炸性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內部爆炸向外殼周圍爆炸性混合物傳播的隔爆外殼。適用于1區和2區。

在ClO2制備系統中，0區位于室外高處，無儀表和自控閥門布置在此范圍內。因此，主要考慮2區氯酸鈉反應器和除氣器防爆膜泄放口半徑4.5 m范圍內的儀表和閥門類型選擇。位于2 區的儀表和自控閥門，應選擇本安型或隔爆型，區別在于：本安型儀表需要和本安電纜，安全柵一起實現功能，且本安電纜需要單獨的橋架敷設。隔爆型儀表可用普通電纜，并且不需要在DCS 一側安裝安全柵，施工更為簡單。此外，布置在防爆區域的接線箱也需要滿足防爆要求。

在選擇防爆儀表時，除了考慮防爆等級，還需要考慮儀表的精度、穩定性、可靠性等性能指標，以及車間的具體工藝要求和安全標準。通過合理選擇和配置防爆儀表，可以有效提高ClO2 制備系統的安全水平，確保車間的安全生產。

3. 2 可燃、有毒氣體探頭的設置

ClO2制備過程中涉及多種可燃、有毒氣體，其制備、儲存和使用過程中，若發生泄漏、積聚可能引發嚴重的安全事故，對員工健康和企業財產安全造成嚴重威脅。

在ClO2制備系統儀表自動化設計中，設置可燃、有毒氣體探頭，實時監測氣體濃度，預防泄漏事故，確保ClO2制備產線的安全生產。

實際應用中，分布在各個區域的檢測探頭，多次在氣體泄漏事件中能及時發出警報，為操作人員提供了寶貴的應急響應時間，有效避免了事故的發生。

為了防止可燃、有毒氣體的泄漏和積聚，在設置探頭時，應根據氣體的性質、密度等因素，合理選擇探頭的類型和安裝位置，確保其能夠準確、及時地檢測到氣體的泄漏，提高監測系統的準確性和可靠性。

3. 2. 1 氣體特性與監測需求分析

在ClO2生產過程中，可能產生的易燃易爆氣體主要是氫氣，而有毒氣體則主要包括氯氣、氯化氫、ClO2 等。這些氣體具有不同的物理化學特性，如密度、擴散性、腐蝕性等。因此，為了有效監測這些氣體，滿足安全監測要求，需要選擇適當的探測器類型，并確定其關鍵技術參數，如量程、精度、響應時間等。

3. 2. 2 氣體探測器選用

對于氫氣等易燃易爆氣體，一般選擇催化燃燒型探測器。對于氯氣和ClO2等有毒氣體，電化學探測器因具有較高的靈敏度和穩定性，是常用的選擇。氫氣量程為0～100%LEL（爆炸下限）；有毒氣體量程為0～300%OEL（職業接觸限值）。由于氯氣有極強的吸附性，氯氣探測器不能滿足上述要求，其量程宜為0～30%IDLH （直接至害濃度）。在ClO2制備系統中，通常要求響應時間lt;30 s。

氣體探測器還應設定合適的報警值，當可燃或有毒氣體濃度達到報警值時，探頭應在現場立即發出聲光報警信號，并觸發相應的聯動措施。

3. 2. 3 探頭布置優化

分析車間內的氣流情況、設備布局和潛在泄漏點，確定可燃或有毒氣體可能擴散的路徑和積聚區域。確定探頭的最佳布置數量、位置，確保全面覆蓋潛在泄漏區域，避免盲區。

ClO2 制備系統可燃、有毒氣體泄漏積聚區域見表1。其中氫氣輕于空氣，安裝在車間頂部或靠近頂部的位置；氯氣、ClO2、氯化氫重于空氣，安裝在車間底部。

3. 3 危險與可操作性分析及儀表SIL等級設置

對ClO2制備系統進行危險與可操作性（HAZOP）分析，根據結果合理設置儀表的安全完整性等級（SIL），對于確保工藝安全、減少事故風險及提高生產效率至關重要。

3. 3. 1 危險與可操作性分析方法

HAZOP分析是一種結構化的危險分析方法，通過對工藝過程中的偏差進行識別、分析和評估，找出可能導致危險的原因和后果，并制定相應的安全措施，對安全風險進行預防和控制。

通常，HAZOP分析步驟為：①將整個工藝劃分為多個邏輯節點；②在每個節點中，確定關鍵工藝參數，分析其可能偏離設計意圖的情況；③針對偏差預測其可能導致的后果，評估現有的保護措施是否足夠有效；④若發現保護措施存在不足或缺陷，提出具體的改進建議。HAZOP分析的過程和結果記錄作為工藝安全管理的重要文檔保存，并用于指導后續的工藝改進和安全管理工作。

ClO2制備系統HAZOP分析過程文件見表2，僅選擇其中2條進行示意。

3. 3. 2 儀表SIL的設置

SIL是衡量儀表在安全功能方面的性能指標。在ClO2制備系統中，應根據工藝過程的風險等級和安全要求，選擇適當SIL的儀表。一般來說，高SIL的儀表具有更高的可靠性和安全性，能夠在關鍵時刻準確執行安全功能，降低事故發生的概率。

ClO2制備系統SIL報告見表3（僅選擇其中2條進行示意）。

3. 4 SIS

SIS是為了確保生產過程的安全、穩定以及防止潛在事故發生而設計的一種自動化控制系統。在ClO2制備系統中，采用SIS尤為必要。

3. 4. 1 SIS功能

SIS通過其配備的高精度傳感器和儀表，能夠實時監測生產過程中的各種關鍵參數，并持續分析和處理。當某個參數超出預設的安全范圍時，SIS會立即發出預警信號，提醒操作人員注意并采取相應的措施。

SIS檢測到生產過程中的異常情況或潛在危險時，會立即觸發預設的安全聯鎖動作，以防止事故的發生或減輕事故的后果。這種及時響應和緊急停車的能力，是SIS在生產安全防護中的核心作用之一。SIS能夠在毫秒級[6]的時間內作出反應，從而最大程度地減輕潛在事故對人員、設備和環境的影響。

在ClO2制備系統中，安全聯鎖可以應用于以下場景：①ClO2發生器溫度高報，高高高聯鎖關閉蒸汽進料；②氣體分離器壓力，高高聯鎖關弱氯酸鹽加熱器蒸汽進料閥。

3. 4. 2 與其他系統的協同與聯動

在ClO2 制備系統中，主要生產過程采用DCS 進行控制。SIS與生產過程控制系統在控制層面上實現協同。在正常生產情況下，生產過程控制系統負責維持工藝的穩定并優化生產效益。當SIS檢測到潛在的安全風險或異常情況時，可迅速介入，通過安全聯鎖動作切斷危險源或調整生產過程參數，確保生產安全。這種協同控制機制使SIS能夠在關鍵時刻接管控制權，避免事故發生。

3. 4. 3 SIS系統的設計與實施

ClO2制備系統的SIS配置獨立的控制機柜、操作員站等。SIS獨立于生產過程控制系統（DCS） 之外，以避免因DCS故障而導致SIS失效。同時，SIS的傳感器、邏輯控制器和執行器也應相互獨立，以確保系統的可靠性。

此外，ClO2制備系統中的鹽酸合成裝置，須采用具備SIL 的PLC 安全系統進行控制。為保證操作安全，PLC安全系統配備現場操作盤、遠程開車及聯鎖功能。該PLC安全系統大多信號通過通信方式與DCS整合，少量信號通過硬接線方式，連接到DCS。PLC安全系統負責開車和停車的順序控制，DCS用于過程控制和“首出報警”功能。

4 結語

本課題從自動化控制設計的角度出發，探討了綜合法二氧化氯制備系統需要采取的自控安全措施，包括防爆區域的劃分、儀表防爆的選擇、可燃與有毒氣體探頭的設置、危險與可操作性（HAZOP） 分析、儀表安全完整性等級（SIL） 及安全儀表系統（SIS）的采用等方面。這些措施可以顯著提高二氧化氯制備系統的安全性。

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（責任編輯：楊苗秀）