HAZOP分析在硫磺制酸裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱新浩

中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院上海分院（上海 201204）

科研開發(fā)

HAZOP分析在硫磺制酸裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱新浩

中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院上海分院（上海 201204）

危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析是過程系統(tǒng)危險(xiǎn)分析中應(yīng)用最廣的一種評價(jià)方法，在世界范圍內(nèi)已得到十分廣泛的應(yīng)用。以某公司24萬t/a硫磺制酸裝置基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)為例，通過HAZOP分析與風(fēng)險(xiǎn)矩陣的結(jié)合運(yùn)用，識別出硫酸裝置工藝設(shè)計(jì)中存在的不足，提出改進(jìn)的安全措施建議，為裝置安全設(shè)施的設(shè)計(jì)、安全管理和事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

HAZOP分析 保護(hù)層分析 風(fēng)險(xiǎn)矩陣 硫磺制酸

硫酸（H2SO4）是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于無機(jī)化學(xué)肥料、石油化工、有色金屬的冶煉、紡織印染、無機(jī)鹽工業(yè)、橡膠工業(yè)、油漆工業(yè)、農(nóng)藥醫(yī)藥以及國防軍工等領(lǐng)域。根據(jù)原料的不同，國內(nèi)生產(chǎn)硫酸的工藝主要有硫鐵礦制酸、煙氣制酸、磷石膏制酸、硫磺制酸等[1]。硫磺制酸工藝在能耗、環(huán)境保護(hù)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，隨著我國硫磺回收和硫磺制酸技術(shù)、裝備及水平的不斷提高，我國的硫磺制酸工藝有了長足的發(fā)展；但其中涉及的原輔材料及生產(chǎn)過程存在火災(zāi)、爆炸、中毒等危險(xiǎn)因素，需要進(jìn)行安全設(shè)施設(shè)計(jì)。

1 危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析技術(shù)介紹

1.1 概述

某公司24萬t/a的硫磺制酸裝置以硫磺為原料，使用進(jìn)口催化劑，采用快速熔硫、液硫過濾精制和液硫機(jī)械霧化焚硫、“3+1”兩次轉(zhuǎn)化、兩次吸收、高效吸收塔技術(shù)等工藝。其中的焚硫轉(zhuǎn)化工藝屬于重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝；過程中產(chǎn)生的二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3）屬于重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品；罐區(qū)儲存的大量發(fā)煙硫酸構(gòu)成重大危險(xiǎn)源。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)管理的通知》（安監(jiān)總管三〔2013〕76號）的要求，涉及“兩重點(diǎn)一重大”的建設(shè)項(xiàng)目，必須在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段開展HAZOP分析，因此需對該硫酸裝置在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行HAZOP分析。

1.2 實(shí)施流程

HAZOP分析最早是由英國帝國化學(xué)工業(yè)有限公司在1974年提出的，是一種用于辨識設(shè)計(jì)缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結(jié)構(gòu)化分析方法。HAZOP分析實(shí)施過程包括分析的準(zhǔn)備、HAZOP分析會議、編制分析結(jié)果報(bào)告和行動方案落實(shí)等。分析小組由各專業(yè)設(shè)計(jì)人員，健康、安全和環(huán)境（HSE）管理人員，操作人員等組成，分析小組通過會議形式識別出具有潛在危害的偏差，并分析它們的可能原因、后果和已設(shè)計(jì)的安全保護(hù)措施，同時(shí)提出應(yīng)該采取的安全保護(hù)措施。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評估準(zhǔn)則

HAZOP分析屬于定性分析方法，該方法只能定性地判斷系統(tǒng)中是否存在風(fēng)險(xiǎn)，并不能給出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和后果的嚴(yán)重度，在HAZOP分析中融入風(fēng)險(xiǎn)矩陣可避免其定性分析結(jié)果過于主觀的缺點(diǎn)[2]。對于風(fēng)險(xiǎn)矩陣中事故發(fā)生的概率，考慮現(xiàn)有設(shè)計(jì)中已有保護(hù)層的保護(hù)能力及失效概率，引入半定量的保護(hù)層分析（LOPA）方法，以計(jì)算危害發(fā)生的概率；結(jié)合人員密度、裝置財(cái)產(chǎn)損失、周邊環(huán)境的影響程度等因素，對后果的嚴(yán)重度進(jìn)行分級。此次HAZOP分析以風(fēng)險(xiǎn)矩陣為依據(jù)制定風(fēng)險(xiǎn)評估準(zhǔn)則。風(fēng)險(xiǎn)矩陣的具體劃分情況如表1、表2、表3所示［注：R2級（含R2級）以下為可接受風(fēng)險(xiǎn)，不需要采取措施；R3級（含R3）以上為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，需提出建議措施以降低事故的發(fā)生概率］。

表1 事故風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性（L）等級劃分表

2 硫酸裝置的HAZOP分析應(yīng)用

2.1 工藝流程

反應(yīng)原理為：S+O2=SO2；2SO2+O2=2SO3；SO3+ H2O=H2SO4；H2SO4+xSO3=H2SO4·xSO3。工藝流程整體可分為硫磺儲存及熔硫、硫磺焚燒、轉(zhuǎn)化、干燥吸收、硫酸儲存及余熱回收等單元，工藝流程如圖1所示。

表2 事故風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度（S）等級劃分表

2.2 裝置危險(xiǎn)性分析

硫磺制酸生產(chǎn)過程涉及到的危險(xiǎn)化學(xué)品主要有原料硫磺、中間產(chǎn)物SO2與SO3、催化劑五氧化二釩（V2O5）、產(chǎn)品硫酸，存在發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒和窒息、腐蝕及灼燙等事件的潛在危險(xiǎn)[3-4]，具有較大的危險(xiǎn)性。裝置的主要危險(xiǎn)源分布情況如表4所示。2.2節(jié)點(diǎn)的劃分

為了便于進(jìn)行分析，HAZOP分析小組以基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的管道儀表流程圖（P&ID）為主要依據(jù)，對工藝過程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，根據(jù)節(jié)點(diǎn)劃分原則將裝置劃分為14個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要節(jié)點(diǎn)信息如表5所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級矩陣表

圖1 硫酸裝置工藝流程

表4 主要危險(xiǎn)和有害因素分析表

2.3 HAZOP分析過程

本文以節(jié)點(diǎn)10吸收過程中的濃酸循環(huán)槽和一吸塔為對象進(jìn)行HAZOP分析，并結(jié)合分析后果的嚴(yán)重性和事故發(fā)生的可能性進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級的評定，具體記錄（部分）如表6所示。

3 對策措施

在整個(gè)HAZOP分析過程中，著重對裝置安全運(yùn)行，環(huán)境污染，易導(dǎo)致人身傷害的火災(zāi)、爆炸及中毒事故等因素進(jìn)行分析討論，以關(guān)鍵詞為引導(dǎo)，詳細(xì)分析了流量、壓力、溫度、液位、組分等引導(dǎo)詞，列出了這些因素的偏差可能引起的后果。然后對存在的問題提出補(bǔ)充措施，使得最終的風(fēng)險(xiǎn)程度降低至R2以下。部分需要改進(jìn)的措施列出如下：

（1）為避免因操作失誤（開、關(guān)錯(cuò)閥門）導(dǎo)致液位升高而發(fā)生溢流、燙傷事故，在液硫過濾機(jī)出口閥增設(shè)鉛封開（CSO）、放凈閥增設(shè)鉛封關(guān)（CSC）。

（2）為防止液硫儲槽因壓力過高而發(fā)生破裂等，在其頂部增設(shè)現(xiàn)場壓力表、高液位報(bào)警系統(tǒng)。

（3）為防止誤開旁路閥導(dǎo)致濃酸循環(huán)槽（V0301）液位過低，應(yīng)對調(diào)節(jié)閥（LV0302）旁路閥增設(shè)CSC。

（4）為控制水洗塔液位，防止水回流至液硫槽而發(fā)生爆炸，對水洗塔增設(shè)高液位報(bào)警裝置，液位高限需低于尾氣進(jìn)口管底部；在底部排污閥設(shè)旁路，旁路上設(shè)電磁閥，液位計(jì)與電磁閥聯(lián)鎖，液位達(dá)到高高限時(shí)電磁閥自動打開進(jìn)行排水。

（5）為防止開車時(shí)煤氣泄漏發(fā)生火災(zāi)、爆炸等，在點(diǎn)火系統(tǒng)煤氣總管上設(shè)置電磁閥并將其與可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器聯(lián)鎖；在升溫系統(tǒng)中，對空氣和天然氣混合管加裝阻火器。

（6）為防止易泄漏處發(fā)生腐蝕、灼傷，在干燥塔、一吸塔、二吸塔、循環(huán)酸泵、出口閥門法蘭處采取防護(hù)措施。

表6 HAZOP分析記錄表

（7）為防止煙酸罐液位高時(shí)溢流造成中毒、環(huán)境污染事故，在管道進(jìn)口設(shè)電磁閥，與高高液位連鎖，液位達(dá)到高高液位時(shí)，可自動切換，并保證備用罐有足夠容積進(jìn)行倒罐。

4 結(jié)語

經(jīng)過對硫酸裝置的流程描述，分析了裝置工藝過程中可能存在的潛在危險(xiǎn)源，將風(fēng)險(xiǎn)矩陣與HAZOP分析結(jié)合運(yùn)用，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段從工藝安全角度對硫酸裝置的危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)程度重新進(jìn)行了全面的識別，并在此基礎(chǔ)上從本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、自動聯(lián)鎖、監(jiān)控報(bào)警、安全管理等方面提出措施以控制風(fēng)險(xiǎn)，建議在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步改進(jìn)，這些建議的提出有助于該裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)的完善，以滿足本質(zhì)安全的要求。

[1]張振全,張曼曼.硫酸生產(chǎn)工藝的發(fā)展?fàn)顩r[J].廣東化工,2012,39(16):97-98,103.

[2]楊仕剛,王三明.定量風(fēng)險(xiǎn)矩陣在HAZOP分析中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù),2013,32(1):242-244.

[3]李志紅.硫磺制酸生產(chǎn)危險(xiǎn)性及安全對策措施分析[J].中國公共安全,2013(3):33-36.

[4]詹海青,王善策.硫酸生產(chǎn)工藝裝置危險(xiǎn)因素分析及防范的探討[J].中國錳業(yè),2013,31(1):41-43.

Application of HAZOP Analysis in Design of Sulfuric Acid Plant

Zhu Xinhao

As the most widely used method in hazard analysis of process systems,hazard and operability(HAZOP) analysis has been extensively applied in the world.The engineering design of 240000 t/a sulfuric acid plant was taken as an example of the combining application of HAZOP analysis and risk matrix,the shortcomings in the process design of sulfuric acid plant were identified and suggestions for improving security measures were put forward,which could provide scientific basis for safety facility design,safety management and accident risk prevention.

HAZOP analysis;Protective layer analysis;Risk matrix;Sulfuric acid production from sulfur-burning

TQ086

2017年1月

朱新浩男1982年生本科工程師從事化工安全評價(jià)工作