HAZOP分析技術在氨裂解工藝中的應用

劉凱

摘 要：目前我國核燃料循環(huán)企業(yè)使用液氨高溫裂解的方式制取氫氣。本文對危險和可操作性研究（HAZOP）分析技術進行了詳細闡述，并用此方法對氨裂解反應單元進行了隱患分析和辨識，指出了可能造成的后果及應采取的合理可行的安全對策措施。

關鍵詞：HAZOP；氨裂解；制氫

中圖分類號：X937 文獻標志碼：A

Abstract： At present， hydrogen gas is produced by liquid ammonia pyrolysis in Chinas nuclear fuel cycle enterprises. This paper elaborates the Hazard and Operability Analysis （HAZOP） technology，and this method is used to analyze and identify the hidden danger of ammonia cracking reaction unit，points out the Possible consequences and reasonable and feasible safety measures should be taken.

Keywords： HAZOP；Ammonia Cracking；Hydrogen production

0 概述

核燃料循環(huán)過程中的鈾轉(zhuǎn)化部分需要使用氫氣對UO3進行還原，生成UO2。我國核燃料循環(huán)企業(yè)目前使用液氨經(jīng)高溫裂解的方法制取氫氣。該方法制得的氣體是一種良好的保護氣體，氨分解率可達99.9%，且裂解氣體純度極高。

液氨在工業(yè)上應用廣泛，具有腐蝕性且容易揮發(fā)，所以其化學事故發(fā)生率很高。氨進入人體后會阻礙三羧酸循環(huán)，降低細胞色素氧化酶的作用，致使腦氨增加，可產(chǎn)生神經(jīng)中毒作用。高濃度氨可引起組織溶解壞死。氨氣與空氣的混合氣能引起爆炸，其爆炸極限（體積分數(shù)）為16%～25%。

氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空氣混合均有爆炸的危險，在空氣中的爆炸極限（體積分數(shù)）為4%～75%。因此，氨裂解工序的安全生產(chǎn)對作業(yè)人員的健康和企業(yè)的財產(chǎn)安全非常重要。

本文使用危險和可操作性研究（HAZOP）分析技術，對液氨裂解工序在生產(chǎn)過程中的安全隱患進行分析，并提出相應的對策措施。

1 危險和可操作性研究方法（HAZOP）

危險和可操作性研究（Hazard and Operability Analysis，簡稱HAZOP）是一種基于引導詞（guide-words）的、由多專業(yè)人員組成的研究組通過一系列的會議來實施的、對系統(tǒng)工藝或操作過程中存在的可能導致后果的各種偏差加以系統(tǒng)識別的定性分析方法。它是一種形式結(jié)構(gòu)化的風險分析方法，該方法能夠全面研究系統(tǒng)中的每一個部件。

該方法已經(jīng)在歐美等國過程工業(yè)的風險分析中得到的廣泛應用。

該方法研究的側(cè)重點是工藝部分或操作步驟各種具體值。它的基本過程是以引導詞為引導，對過程中工藝狀態(tài)的變化（偏差）加以確定，找出裝置及過程中存在的危害。引導詞的主要目的是能夠使所用相關偏差的工藝參數(shù)得到評價。典型的分析程序如圖1所示。

HAZOP分析方法常見的引導詞包括：NONE空白、LESS低（少）、MORE多、PART OF部分、AS WELL AS伴隨、REVERSE相逆、OTHER THAN異常等。引導詞用于兩類工藝參數(shù)：

（1）概念性工藝參數(shù)（如反應、混合等）。

（2）具體工藝參數(shù)（如壓力、溫度、時間等）。

2 氨裂解制氫HAZOP分析過程

氨裂解工序：液氨貯存工序的液氨由液氨緩沖罐自然蒸發(fā)（當氨氣供應不足時，啟用液氨汽化器補充緩沖罐內(nèi)氨氣），經(jīng)管道通入氨氣過濾器，氨氣過濾后經(jīng)減壓閥減壓，進入氨分解裝置（由熱量交換器和分解爐組成），進入該裝置的氨氣經(jīng)熱量交換器預熱后進入分解爐，分解爐中裝有活化過的鎳觸媒，在氨分解爐的650℃～750℃高溫環(huán)境和催化劑作用下發(fā)生裂解，生成氮氣和氫氣，裂解出的高溫氣體在熱交換器中與氨氣過濾器來的氨氣進行換熱，換熱后溫度降低到250℃左右。換熱后的混合氣體通過儲氣罐，經(jīng)在線氫氣檢測儀監(jiān)測氫氣濃度達到55%以上后送入UO3還原工藝中。系統(tǒng)采用DCS自動控制系統(tǒng)。反應方程為：

2NH3→N2+3H2。

該工序運行前須使用氮氣對工藝管線及設備進行吹掃。當目測排氣清凈無雜色物質(zhì)時，在排氣口處用白布做靶檢查，5min后檢測用靶布沾污面積不超過5%為吹掃合格。吹掃完成后須通氮氣對系統(tǒng)的氣密性進行檢驗。

2.1 分析準備

（1）成立研究組。HAZOP采用的是不同專業(yè)領域?qū)＜业摹邦^腦風暴”法。實施HAZOP須先成立1個由各方面專家組成的研究組。組員應包括負責項目、調(diào)試、工藝、機電及安全方面的工程技術或管理人員。

（2）收集系統(tǒng)資料。其中包括氨裂解工藝的流程圖、系統(tǒng)布置圖、崗位操作規(guī)程和事故資料等。

（3）分解系統(tǒng)并選擇研究節(jié)點。將氨裂解工藝過程分為3個單元：液氨供料單元、裂解反應單元、裂解產(chǎn)物單元。研究節(jié)點劃分過小會導致大量的冗余工作，分析節(jié)點劃分過大會使分析結(jié)果與實際不符。為便于開展HAZOP分析，本文選擇危險性較突出的裂解反應單元進行分析辨識。

2.2 完成分析

（1）應用引導詞。依次應用預先給定的引導詞，分析裂解反應單元可能出現(xiàn)的偏差/導致偏差的原因及偏差可能造成的潛在后果。

（2）提出對策措施。對應用引導詞發(fā)現(xiàn)的、有重要影響的原因提出合理可行的對策措施。

危險性和可操作性研究分析表見表1。

2.3 HAZOP分析結(jié)論

通過表1可見，可導致氨氣或氫氣泄漏，引起燃燒爆炸等重大后果的偏差有分解爐內(nèi)無物料、物料量過少、物料量過多、壓力過高、分解爐內(nèi)有水或氧氣等。

用HAZOP分析技術進行分析得出在正常生產(chǎn)運行情況下，現(xiàn)有的安全措施，如止回閥、緊急切斷閥、緊急放空閥、氮氣吹掃置換措施和備用電源等，基本能滿足生產(chǎn)需要。但仍存在部分事故隱患，考慮到氨氣及氫氣泄漏的災難性后果，建議對分解爐加裝溫度高低限報警儀，增設裂解氣中氨氣含量檢測儀，對安全附件定期進行檢查校驗，對操作人員定期進行培訓等。

通過HAZOP分析，找出了氨裂解反應單元的隱患點，提出了可行的安全對策措施，對系統(tǒng)的安全運行和優(yōu)化提供了指導建議。

3 HAZOP分析技術應用展望

通過國內(nèi)外的廣泛應用證明，HAZOP分析技術對新、改、擴建項目設計初期或試運行階段的隱患識別意義重大。它可以在主要設計變動不大的情況下，提高系統(tǒng)運行的安全性和可操作性。因此，對于工藝要求很嚴格的系統(tǒng)，企業(yè)應大力推廣并使用HAZOP分析技術。

在使用HAZOP進行分析時，應注意以下幾點：

（1）資料的完整性。在項目設計初期或試運行階段，工藝方面的詳細資料可能不完整，且無事故報告，因此需要隨著分析的深入，逐步補充分析資料。

（2）分解系統(tǒng)和選擇研究節(jié)點的重要性。對工藝系統(tǒng)的分析應全面、連續(xù)，但同時應抓住重點，明確目標，防止盲目糾纏于細節(jié)，且提出的措施應合理可行。

（3）全員參與，消除隱患。企業(yè)應將HAZOP分析技術向一線員工推廣，鼓勵各級員工參與危險性和可操作分析，從而消除分析小組人員不足導致的分析不完整等問題。

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