銅冶煉廠可燃和有毒氣體檢測報警設(shè)計探討

杜 龍，周天馳，孔新紅

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

典型銅火法冶煉廠包括熔煉車間、電解車間、硫酸系統(tǒng)、渣選礦車間等主體工程，制氧站、總降壓站等公用和輔助工程。 陰極銅、硫酸、金銀生產(chǎn)過程中涉及到的燃料、中間物料包含易燃?xì)怏w、易燃液體和毒性氣體。

可燃和有毒氣體檢測報警設(shè)計對防范火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，保護(hù)設(shè)備安全、人身安全具有重要意義。 《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016－2014）（2018年版）[1]第8.4.3 條明確要求：“建筑內(nèi)可能散發(fā)可燃?xì)怏w、可燃蒸氣的場所應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w報警裝置”；《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GBZ 1－2010）[2]第6.1.6 條提出：“應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)工藝和毒物特性，在有可能發(fā)生急性職業(yè)中毒的工作場所，根據(jù)自動報警裝置技術(shù)發(fā)展水平設(shè)計自動報警或檢測裝置”；《工作場所有毒氣體檢測報警裝置設(shè)置規(guī)范》（GBZ/T 223－2009）[3]第4.1 條明確指出：“存在或使用、生產(chǎn)有毒氣體，并可能導(dǎo)致勞動者發(fā)生急性職業(yè)中毒的工作場所，應(yīng)設(shè)立有毒氣體檢測報警點”。

本文以天然氣為燃料，包括陽極泥回收（使用氯氣的氯化分金工藝）的銅冶煉廠為例，探討銅冶煉廠的可燃和有毒氣體檢測報警設(shè)計。 該類企業(yè)存在的易燃?xì)怏w、易燃液體和毒性氣體見表1。

根據(jù)《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1 部分 化學(xué)有害因素》（GBZ 2.1－2007）[4]、《國家安全監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于印發(fā)首批重點監(jiān)管的危險化學(xué)品安全措施和應(yīng)急處置原則的通知》[5]《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493－2009）[6]，本文選取了相應(yīng)物質(zhì)的爆炸濃度下限、MAC濃度、PC-TWA 濃度和PC-STEL 濃度。上述規(guī)章是銅冶煉廠可燃和有毒氣體檢測報警設(shè)計的重要依據(jù)。

1 有毒氣體報警值的設(shè)定

GBZ 1－2010 標(biāo)準(zhǔn)第6.1.6.3 條要求：毒物報警值應(yīng)根據(jù)有毒氣體毒性和現(xiàn)場實際情況至少設(shè)警報值和高報值。 GBZ/T 223－2009 規(guī)范第5.2.1 條要求，報警值可設(shè)預(yù)報、警報、高報3 級，……，至少設(shè)定警報值和高報值兩級，或者設(shè)定預(yù)報值和警報值兩級。

表1 典型銅冶煉廠易燃物質(zhì)和毒性氣體基本情況

上述標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中關(guān)于報警值的設(shè)定類別并不完全一致， 鑒于GBZ 1－2010 實施時間晚且屬于國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，不屬于國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。因此，報警值的設(shè)定執(zhí)行GBZ 1－2010 中的要求， 即設(shè)定警報值和高報值兩級報警值。

上述標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中關(guān)于預(yù)報值、警報值的設(shè)定方法是相同的，即預(yù)報值為MAC 或PC-STEL 濃度的1/2；警報值為MAC 或PC-STEL 濃度值。 設(shè)定警報值和高報值的目的及需要采取的措施在GBZ/T 223－2009 中已有詳細(xì)說明，本文不再贅述。

砷化氫、硫化氫既屬于易燃?xì)怏w，又屬于毒性氣體，參考《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493－2009），只設(shè)置有毒氣體檢測器。

綜上，依據(jù)表1 所示數(shù)據(jù)，銅冶煉廠有毒氣體的警報值取值結(jié)果見表2。

表2 典型銅冶煉廠有毒氣體警報值 mg/m3

2 有毒氣體高報值的選取

GBZ 1－2010 標(biāo)準(zhǔn)第6.1.6.3 條指出：“高報值應(yīng)綜合考慮有毒氣體毒性、作業(yè)人員情況、事故后果、工藝設(shè)備等各種因素后設(shè)定”，在設(shè)計過程中，這條標(biāo)準(zhǔn)較難通過統(tǒng)計調(diào)查、數(shù)值模擬等方式落實，此前主要參考適用于石油化工行業(yè)的GB 50493－2009 中的規(guī)定：有毒氣體的二級報警設(shè)定值不得超過IDHL 濃度的10%，設(shè)計將二級報警值定位為高報值。

鑒于高報值表示該場所有毒氣體大量釋放，己達(dá)到危險程度。 因此，通過對“危險程度”進(jìn)行分析，本文給出以下2 種濃度值作為高報值的設(shè)計參考。

1）IDHL（Immediately dangerous to life or health）[6]濃度：環(huán)境中空氣污染物濃度達(dá)到某種危險水平，如可致命或永久損害健康，或使人立即喪失逃生能力。該濃度值由美國國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）制定。我國《呼吸防護(hù)用品的選擇、使用與維護(hù)》（GBT 18664－2002）引用了該濃度值，作為選擇呼吸防護(hù)用品的判據(jù)。

2）PAC（Protective Action Criteria）[7]是美國能源部發(fā)布的保護(hù)行動標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)整合了急性暴露指導(dǎo)水平（AEGLs）、應(yīng)急響應(yīng)計劃指南（ERPGs）和臨時緊急暴露限值（TEELs），這3 項標(biāo)準(zhǔn)均分為3 個等級，美國能源部網(wǎng)站上給出了3 個等級的定義，具體見鏈接：https://sp.eota.energy.gov/pac/TeelDef。 PAC濃度主要用于指導(dǎo)化學(xué)品的應(yīng)急防護(hù)。

我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 169－2018）[8]給出了大氣毒性終點濃度，該濃度本質(zhì)上是PAC 濃度。 該導(dǎo)則將大氣毒性終點濃度分為1、2 級，1 級對應(yīng)PAC-3，2 級對應(yīng)PAC-2。 該導(dǎo)則給出的1 級表示當(dāng)大氣中危險物質(zhì)濃度低于該限值時，絕大多數(shù)人員暴露1 h 不會對生命造成威脅，當(dāng)超過該限值時，有可能對人群造成生命威脅；2 級表示當(dāng)大氣中危險物質(zhì)濃度低于該限值時，暴露1 h 一般不會對人體造成不可逆的傷害，或出現(xiàn)的癥狀一般不會損傷該個體采取有效防護(hù)措施的能力。

設(shè)計過程中，對PAC 濃度主要作以下理解：1）PAC-3 是超過該濃度1 h 則可能導(dǎo)致死亡的最大濃度；2）PAC-2 是超過該濃度1 h 則可能導(dǎo)致嚴(yán)重健康影響的最大濃度。

高報值的設(shè)定目的本質(zhì)上是為了保護(hù)現(xiàn)場作業(yè)人員的生命安全，因此高報值可從上述標(biāo)準(zhǔn)中選取，見表3。

表3 典型銅冶煉廠有毒氣體高報值來源一覽 mg/m3

銅冶煉廠作業(yè)場所的人員在佩戴相應(yīng)個體防護(hù)用品的前提下，高報值取IDHL 濃度的10%是可選的，但是從風(fēng)險管理和危害程度角度出發(fā)，設(shè)計宜從嚴(yán)掌握，有毒氣體高報值取值范圍見表4，使用說明見下。

表4 典型銅冶煉廠有毒氣體高報值范圍 mg/m3

1）根據(jù)表2，二氧化硫警報值濃度為10 mg/m3。高報值應(yīng)大于警報值，因此設(shè)計時二氧化硫高報值取IDHL 濃度的10%，為27 mg/m3。

2）砷化氫、硫化氫、氯氣均屬于毒性氣體，且砷化氫、氯氣為劇毒氣體。 因此，設(shè)計時砷化氫、硫化氫、氯氣高報值最大可取表3 中的PAC-2 濃度。

3）表2 和表4 使用的質(zhì)量濃度單位（mg/m3）作為空氣污染物濃度的表示方法，但質(zhì)量濃度與被檢測氣體的溫度、壓力環(huán)境條件有關(guān)，其數(shù)值會隨著溫度、壓力等環(huán)境條件的變化而不同。而檢測污染物濃度的儀器通常使用ppm（體積比單位，百萬分之一），需要對兩者進(jìn)行換算。

濃度單位ppm 與mg/m3的換算公式如下：

式中：C為氣體污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；C′為氣體污染物體積濃度，×10-6；M為污染物的分子量；22.4 為空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃，101.325 kPa）的平均摩爾體積；T為大氣環(huán)境溫度，℃；P為大氣壓力，Pa。

3 檢測報警設(shè)計要點

3.1 探測器設(shè)置

1）可燃?xì)怏w和有毒氣體探測器的安裝位置主要根據(jù)氣體的理化性質(zhì)、釋放源的特性、生產(chǎn)場地布置、地理條件、環(huán)境氣候、操作巡檢線路等條件，并選擇氣體易于積累和便于采樣檢測之處布置。 一般下列位置作為主要釋放源：（1）氣體壓縮機(jī)和液體泵的密封處；（2）采樣口；（3）排液口和放空口；（4）設(shè)備管道的法蘭和閥門組。

2）對表1 中的易燃?xì)怏w、易燃液體設(shè)置可燃?xì)怏w檢測報警儀，設(shè)二級報警，其中一級報警設(shè)定值為≤25%爆炸濃度下限，二級報警設(shè)定值為≤50%爆炸濃度下限。 柴油、松醇油等無爆炸下限的物質(zhì)，參考表1 中的天然氣設(shè)計一級和二級報警。 探測器一般選擇有聲光報警功能、報警聲音大于96dB@0.1m的。 出現(xiàn)警報值和高報值時，探測器可發(fā)出不同頻次的聲音和不同顏色的聲光，高報值較警報值更短促、頻次高。

3）安裝高度執(zhí)行以下要求：（1）檢測密度大于空氣的可燃?xì)怏w或有毒氣體探測器，安裝高度距離地面（樓板）0.3~0.6 m；（2）檢測密度小于空氣的可燃?xì)怏w或有毒氣體的探測器，安裝高度應(yīng)高出釋放源0.5~2 m。

4）檢測儀距離釋放源的要求以及數(shù)量參考《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493－2009）確定，見表5。

表5 檢測儀距離釋放源要求 m

5）針對銅冶煉廠，在熔煉車間熔煉爐、吹煉爐、陽極爐的天然氣閥組附近設(shè)天然氣檢測報警儀，在乙炔間設(shè)乙炔檢測報警儀，在藥劑間、柴油罐區(qū)分別設(shè)置天然氣檢測報警儀，在氯氣間設(shè)氯氣檢測報警儀，在二氧化硫風(fēng)機(jī)房和干吸工序設(shè)二氧化硫檢測報警儀，在硫化反應(yīng)器旁設(shè)硫化氫檢測報警儀。

6）盡管設(shè)計要求選擇符合精度要求的儀表，但部分廠家生產(chǎn)的儀表精度往往達(dá)不到設(shè)計要求?！秶野踩O(jiān)管總局關(guān)于發(fā)布金屬冶煉企業(yè)禁止使用的設(shè)備及工藝目錄（第一批）的通知》（安監(jiān)總管四[2017]142 號）指出，目前市場上大部分砷化氫檢（監(jiān)）測儀測量精度為0.1 mg/m3或0.1 ppm，檢測結(jié)果不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測精度要求，且抗酸霧等干擾能力差。因此針對砷化氫氣體，設(shè)計擬選擇安監(jiān)總管四[2017]142 號文所要求的溴化汞（氯化汞）試紙作為替代方案。

3.2 報警控制系統(tǒng)的設(shè)計

可燃、有毒氣體指示報警采用獨立的控制器，并選用與探測器配套的報警控制器， 報警控制器至少具有以下3 個功能：信號設(shè)定、信號指示、聲光報警。報警器可以是單通道或多通道（如4 通道、8 通道），將探測器的測量值通過4~20 mA 電流信號直接送入控制器，在控制器上指示和報警。報警指示控制器安裝在就近有人值守的控制室、操作室內(nèi)。如有UPS電源，可燃、有毒氣體報警控制器應(yīng)當(dāng)采用UPS 供電， 以保證停電等緊急情況下仍能夠起到檢測報警作用。 報警控制器應(yīng)當(dāng)具有模擬量及數(shù)字量信號輸出功能：1）可將檢測的氣體濃度信號送入生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（DCS 或PLC），以便控制室操作人員對該數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并能夠連鎖控制某些安全設(shè)備，如切斷閥門或啟動排風(fēng)機(jī)；2）將報警信號送入消防控制系統(tǒng)。

以圖1 為例，某廠房需設(shè)置3 個可燃或有毒氣體探測器，選用4 通道的報警控制器。

圖1 報警控制系統(tǒng)

4 小結(jié)和建議

1）可燃和有毒氣體均需設(shè)置兩級報警。

2）二氧化硫、砷化氫、硫化氫、氯氣的警報值按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求取值。

3）二氧化硫、砷化氫、硫化氫、氯氣高報值可分別取27 mg/m3、0.54 mg/m3、38 mg/m3、5.8 mg/m3。 市場上砷化氫精度在不能滿足設(shè)計精度的前提下，設(shè)計可選擇溴化汞（氯化汞）試紙作為砷化氫檢測報警儀的替代方案。

4）針對劇毒氣體檢測報警，建議考慮增加預(yù)報值，即設(shè)定預(yù)報值、警報值和高報值三級報警。