部分常見(jiàn)危險(xiǎn)化工工藝安全控制工藝研究

靳松

摘 要：筆者結(jié)合自身工作實(shí)踐，對(duì)照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，對(duì)部分常見(jiàn)的危險(xiǎn)化工工藝自動(dòng)化控制設(shè)施要點(diǎn)進(jìn)行概述，以期在危險(xiǎn)化工工藝的安全設(shè)施方面，對(duì)從事安全生產(chǎn)工作的人員給予一定的參考。

關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)化工工藝;自動(dòng)化控制;安全設(shè)施

中圖分類號(hào)：TQ086;TQ02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）28-0127-03

Study on Safety Control Design for Some Common

Hazardous Chemical Processes

JIN Song

（Henan Ankeyuan Security Technology Service Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450004）

Abstract： Based on the author's own work practice and the requirements of the current national standards and specifications， the author summarized the main points of some common automatic control facilities for hazardous chemical process， so as to provide certain reference for the personnel engaged in safety production in the aspect of safety facilities of hazardous chemical process.

Keywords： hazardous chemical process;automatic control;safety facilities

近年來(lái)，對(duì)“兩重點(diǎn)一重大”的安全自動(dòng)化控制要求越來(lái)越高，相對(duì)于“重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品”和“重大危險(xiǎn)源”，“重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝”涉及的內(nèi)容多，不同的工藝需要關(guān)注的細(xì)節(jié)不同。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，對(duì)部分危險(xiǎn)化工工藝的安全自動(dòng)化控制要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 氧化工藝

氧化工藝最主要的危險(xiǎn)特性在于可燃介質(zhì)與助燃?xì)怏w混合進(jìn)行反應(yīng)，且反應(yīng)放熱。氧化工藝的安全控制首要要素在于配風(fēng)，在識(shí)別判定氧化工藝時(shí)，應(yīng)特別注重這一點(diǎn)。

氧化工藝按照危險(xiǎn)特性可大致分為兩大類：第一類為反應(yīng)設(shè)備內(nèi)部的物料在爆炸極限外操作;第二類則是反應(yīng)設(shè)備內(nèi)的物料即為爆炸性混合組分，達(dá)到自燃點(diǎn)即可發(fā)生爆炸。第一類氧化反應(yīng)較為常見(jiàn)，如氨氧化制硝酸、甲醛氧化制甲醇等。對(duì)于這類反應(yīng)，原料/氧氣比是最為關(guān)鍵的控制參數(shù)，以氨氧化制硝酸為例，氨空比為最重要的控制指標(biāo)，應(yīng)納入安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，且較多的氣相氧化反應(yīng)設(shè)循環(huán)風(fēng)回流，對(duì)于該類型的氧化反應(yīng)，循環(huán)風(fēng)的物料在線監(jiān)測(cè)亦十分重要。對(duì)于第二類氧化反應(yīng)，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)應(yīng)盡量考慮減小物料在線量，以管式反應(yīng)器為主，相對(duì)于第一類氧化工藝，第二類氧化工藝的反應(yīng)器本體須設(shè)置泄爆設(shè)施，并重點(diǎn)控制可燃物的進(jìn)料量。對(duì)于氣態(tài)物料，在工藝條件允許的情況下，物料的進(jìn)料控制一般建議首先考慮壓力而不考慮流量，這是因?yàn)閴毫Φ谋O(jiān)測(cè)相對(duì)于流量更加準(zhǔn)確。

對(duì)照《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2009〕116號(hào)），氧化工藝的一般安全控制設(shè)計(jì)思路為：根據(jù)具體工藝特性，考慮設(shè)計(jì)反應(yīng)溫度及壓力報(bào)警，溫度及壓力聯(lián)鎖根據(jù)HAZOP分析而定;物料配比系統(tǒng)需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)，一般應(yīng)納入安全儀表系統(tǒng)保護(hù);對(duì)于連續(xù)化生產(chǎn)，緊急切斷物料一般視為切斷熱源，即“緊急冷卻”（物料特殊或反應(yīng)進(jìn)程快的例外）;根據(jù)工藝特性設(shè)置泄放線（至火炬）、爆破片等。

此外，對(duì)于一般明火設(shè)備的安全控制設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：設(shè)燃料氣壓力監(jiān)測(cè)并設(shè)低壓切斷保護(hù);設(shè)助燃風(fēng)機(jī)異常停車保護(hù);設(shè)火焰監(jiān)測(cè)并納入燃料氣切斷聯(lián)鎖保護(hù);設(shè)自動(dòng)點(diǎn)火（一般另設(shè)開(kāi)工點(diǎn)火燃料線）;助燃風(fēng)側(cè)考慮設(shè)置泄爆設(shè)施。

2 加氫工藝

加氫工藝在化工領(lǐng)域十分常見(jiàn)，涉及的物料廣泛，操作條件不一而足。一般而言，加氫工藝大致可分為加氫反應(yīng)與加氫精制兩大類。

從化學(xué)原理來(lái)看，加氫反應(yīng)均屬于放熱反應(yīng)，熱量控制、壓力控制是反應(yīng)控制的兩個(gè)基本點(diǎn)。以苯加氫生產(chǎn)環(huán)己烷/環(huán)己烯為例分析第一類加氫工藝的安全控制設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第一，苯加氫系統(tǒng)為氣、液相連續(xù)放熱反應(yīng)。溫度控制方面，在正常操作時(shí)通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)盤管的脫氧水流量實(shí)現(xiàn)溫度自調(diào)，特殊情況下也可對(duì)進(jìn)料苯的預(yù)熱進(jìn)行溫度微調(diào)，對(duì)苯進(jìn)料量進(jìn)行微調(diào)，異常情況下進(jìn)行緊急停車。第二，反應(yīng)壓力為氫分壓所決定，正常生產(chǎn)時(shí)催化劑連續(xù)抽出再生后返回，通過(guò)控制催化劑活性以進(jìn)行壓力微調(diào)。送往加氫反應(yīng)器的氫分壓通過(guò)返回壓縮機(jī)入口的少量氫氣（緩沖罐壓力）調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)氫分壓可有效調(diào)節(jié)反應(yīng)器壓力，但正產(chǎn)操作時(shí)一般不考慮此操作。第三，閃蒸罐作為高低壓系統(tǒng)的分界點(diǎn)，其壓力通過(guò)出界區(qū)燃料氣流量調(diào)節(jié)，液位通過(guò)去脫水塔回流量調(diào)節(jié)。第四，反應(yīng)器頂部設(shè)置泄放線，可遠(yuǎn)程啟動(dòng)泄壓。由于設(shè)計(jì)有高壓系統(tǒng)其他泄放線，因此不考慮聯(lián)鎖泄放。第五，需要設(shè)氫氣進(jìn)線的緊急切斷閥，做異常情況下緊急停車的聯(lián)鎖保護(hù)。高壓系統(tǒng)超壓時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致物料返流，宜設(shè)苯進(jìn)線緊急切斷閥。

第二類加氫精制反應(yīng)，由于發(fā)生反應(yīng)的物料較少（雜質(zhì)加氫精制），一般不設(shè)內(nèi)換部熱器，溫度可通過(guò)反應(yīng)進(jìn)料溫度、流量控制，壓力由氫分壓決定，但一般并不直接調(diào)節(jié)氫分壓，根據(jù)工藝實(shí)際通過(guò)反應(yīng)器或下游設(shè)備的氣相泄放線調(diào)節(jié)。

3 硝化工藝

硝化反應(yīng)進(jìn)程快，在進(jìn)料失控的情況下，溫度升高明顯。由于硝化反應(yīng)涉及的物料熱穩(wěn)定性較差，一旦超溫，后果往往不堪設(shè)想。

本文以半間歇硝化反應(yīng)為例，闡述安全控制要點(diǎn)。①半間歇硝化反應(yīng)一般先一次性進(jìn)入原輔料，硝化劑（如混酸）作為控制反應(yīng)進(jìn)程的關(guān)鍵物料，小流量滴加。反應(yīng)進(jìn)程是硝化反應(yīng)的第一個(gè)控制要點(diǎn)，推薦用質(zhì)量流量計(jì)及計(jì)量泵控制流速，并設(shè)緊急切斷閥，同時(shí)設(shè)置孔板等限流措施，再設(shè)置管道視鏡及視頻監(jiān)控（監(jiān)控視鏡中流量流速），多措施共同保障反應(yīng)進(jìn)程。②設(shè)置溫度和壓力異常情況下的安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)，尤其是溫度過(guò)低反應(yīng)不完全時(shí)的聯(lián)鎖保護(hù)。③為保障反應(yīng)完全，避免發(fā)生不完全反應(yīng)時(shí)反應(yīng)物料進(jìn)入下游設(shè)備繼續(xù)反應(yīng)放熱，應(yīng)合理設(shè)置在線監(jiān)測(cè)儀表。④攪拌應(yīng)納入EPS電源。⑤硝化反應(yīng)涉及內(nèi)部換熱設(shè)施的應(yīng)設(shè)置緊急冷卻設(shè)施，如對(duì)緊急高位水箱設(shè)置循環(huán)水水壓監(jiān)測(cè)。

4 氯化工藝/光氣化工藝/氯堿電解工藝

氯化工藝及光氣化工藝均屬于物質(zhì)固有危險(xiǎn)性大于工藝危險(xiǎn)性的情形。本文以光氣合成工藝（一氧化碳與氯氣合成光氣）為例，簡(jiǎn)述氯化工藝/光氣化工藝的安全控制設(shè)計(jì)要點(diǎn)。①液氯儲(chǔ)存系統(tǒng)中，建議使用雙層液氯儲(chǔ)罐，可大大減少儲(chǔ)存風(fēng)險(xiǎn)。目前，雙層液氯儲(chǔ)罐應(yīng)用已較為廣泛，常見(jiàn)的為雙層碳鋼材質(zhì)，夾層充入氮?dú)?，?nèi)外各設(shè)雙安全閥和排污管線。對(duì)于液氯儲(chǔ)罐，建議考慮在安全閥前設(shè)防爆片，并觀察雙層罐下部排污口是否接反。②液氯汽化系統(tǒng)中，應(yīng)注意《危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排查治理導(dǎo)則》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）提及的“液氯汽化溫度不得低于71 ℃”，而不是《氯氣安全規(guī)程》（GB 11984—2008）中明確的“進(jìn)口水溫不應(yīng)超過(guò)40 ℃”，以加強(qiáng)三氯化氮等雜質(zhì)的氣化。③在進(jìn)行光氣合成時(shí)，應(yīng)對(duì)進(jìn)料進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)量，以保證氯反應(yīng)消耗完畢。對(duì)于氯、一氧化碳進(jìn)料的測(cè)量，一般推薦使用質(zhì)量流量計(jì)。為了保證光氣合成的反應(yīng)完全，一般會(huì)在主反應(yīng)器后另設(shè)清凈反應(yīng)器。液氯、光氣系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)。液氯、光氣系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置吸收系統(tǒng)，除安全閥等泄放氣外，應(yīng)能保證系統(tǒng)事故全面泄放吸收需要。此外，封閉性廠房應(yīng)設(shè)有負(fù)壓吸收系統(tǒng)，敞開(kāi)廠房應(yīng)在關(guān)鍵部位設(shè)吸收軟管。光氣裝置區(qū)宜設(shè)置氨水噴淋設(shè)施。④安全儀表系統(tǒng)：除反應(yīng)超溫、進(jìn)料失衡等異常情況外，液氯庫(kù)房、光氣裝置等關(guān)鍵部位的有毒氣體泄漏監(jiān)測(cè)也應(yīng)納入安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)。⑤光氣合成系統(tǒng)中，如果原料氯、一氧化碳中的含水量過(guò)高，一方面可能造成設(shè)備被腐蝕，另一方面可能造成床層內(nèi)活性炭催化劑異常升溫，并減少其使用壽命。此外，光氣出口游離氯含量也為重要的工藝控制、安全指標(biāo)。一般應(yīng)設(shè)置原料氯、一氧化碳中的含水量在線監(jiān)測(cè)以及光氣出口（清凈反應(yīng)器出口）的游離氯在線監(jiān)測(cè)。⑥光氣合成反應(yīng)器配套的換熱器、光氣深冷換熱器等換熱設(shè)備，工藝側(cè)壓力大于水相側(cè)壓力的，為防止設(shè)備內(nèi)漏，一般建議設(shè)置水相側(cè)導(dǎo)電率監(jiān)測(cè)。⑦光氣目前并無(wú)特效藥，儀表設(shè)置一般建議采用雙截止閥加排凈閥門組，可便于儀表檢維修。但是，本要求在工程實(shí)際中難以完全落實(shí)，應(yīng)酌情考慮。

電解工藝（氯堿）相對(duì)于氯化工藝，需要額外考慮供電整流設(shè)施的控制、原料檢測(cè)（三氯化氮控制）等，一般產(chǎn)生的少量氫氣放空處理，物質(zhì)固有危險(xiǎn)性大于工藝危險(xiǎn)性，主要危險(xiǎn)控制點(diǎn)亦在于氯本身，本文不再贅述。

5 合成氨工藝

氨合成反應(yīng)為體積縮小的放熱反應(yīng)。本文以卡薩利合成氨工藝為例，簡(jiǎn)述其安全控制設(shè)計(jì)要點(diǎn)?？ㄋ_利合成氨工藝采用三床層塔內(nèi)件，塔內(nèi)的系統(tǒng)溫度主要靠各副線的冷激氣進(jìn)行調(diào)節(jié)。塔內(nèi)系統(tǒng)壓力的升高主要來(lái)自于原料氣配氣失衡、進(jìn)料過(guò)多、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低等塔內(nèi)反應(yīng)不佳的情形，合成塔的壓力主要靠壓縮機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷控制、合成塔空速控制等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)塔后放空。主要控制回路為各氨分離器的液位控制回路、廢鍋“三沖量”控制等。安全儀表聯(lián)鎖一般考慮以下幾點(diǎn)。①壓縮機(jī)組控制聯(lián)鎖（該部分聯(lián)鎖一般設(shè)于壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)）：在壓縮機(jī)高/中/低壓缸軸震動(dòng)過(guò)大、軸位移過(guò)大，汽輪機(jī)軸震動(dòng)過(guò)大、軸位移過(guò)大、軸溫過(guò)高，壓縮機(jī)高/中/低壓缸軸溫過(guò)高，潤(rùn)滑油總管壓力過(guò)低，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，高/中/低壓缸一級(jí)泄漏流量過(guò)高或壓縮機(jī)緊急停車等情況時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉汽輪機(jī)速關(guān)閥，全開(kāi)防喘振調(diào)節(jié)閥。②合成回路主聯(lián)鎖：在高壓氨分離器液位超高、廢熱鍋爐出口溫度超高、廢熱鍋爐液位超低、冷凍壓縮機(jī)停車、合成氣壓縮機(jī)停車、控制臺(tái)手動(dòng)停車以及前后工段停車時(shí)，考慮執(zhí)行壓縮機(jī)進(jìn)出口切斷閥關(guān)閉，新鮮氣進(jìn)口閥關(guān)閉，開(kāi)工加熱爐停車，同時(shí)打開(kāi)放空閥和壓縮機(jī)防喘振閥門，并發(fā)送信號(hào)去前后工段，合成回路系統(tǒng)停車。③開(kāi)工加熱爐主聯(lián)鎖：在合成氣流量超低、燃料氣壓力超低、燃料氣壓力超高、出口合成氣溫度超高、主燒嘴熄火、煙道風(fēng)門關(guān)閉、加熱爐膛內(nèi)壓力超高、手動(dòng)停車信號(hào)時(shí)，主燒嘴切斷閥關(guān)閉，點(diǎn)火燒嘴切斷閥關(guān)閉，放空閥打開(kāi)，開(kāi)工加熱爐停車。④氨分離器液位超低時(shí)，液氨出氨分離器管線上調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。⑤鑒于在現(xiàn)有的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)生有氨分離器因設(shè)置單點(diǎn)液位儀表造成系統(tǒng)誤報(bào)跳車的先例，一般氨分離器液位儀表應(yīng)盡量避免“單選”式設(shè)計(jì)。

6 聚合工藝

聚合工藝的主要危險(xiǎn)特性在于部分聚合反應(yīng)在溫度升高時(shí)會(huì)發(fā)生爆聚，進(jìn)而發(fā)生爆炸。本文不再討論不會(huì)發(fā)生爆聚的聚合反應(yīng)，以聚丙烯工藝為例，討論聚合工藝的安全控制要點(diǎn)：聚丙烯裝置一般以預(yù)聚反應(yīng)器、聚合反應(yīng)器（常見(jiàn)為兩臺(tái)環(huán)管反應(yīng)器）為核心設(shè)備，在3.4～4.4 MPa壓力下進(jìn)行聚合，溫度異常升高時(shí)可發(fā)生爆聚，引發(fā)嚴(yán)重后果。因此，控制反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力為控制核心。一般對(duì)壓力至少考慮三重保護(hù)：可加入阻聚劑抑制反應(yīng)失控;設(shè)置緊急停車系統(tǒng)，且氣相可排放至火炬泄壓;設(shè)置安全閥進(jìn)行泄壓。安全儀表聯(lián)鎖一般考慮：裝置緊急停車聯(lián)鎖、聯(lián)鎖啟動(dòng)界區(qū)斷料聯(lián)鎖、三乙基鋁進(jìn)料關(guān)閉聯(lián)鎖、聚合反應(yīng)器緊急停車聯(lián)鎖、聚合反應(yīng)器底部緊急出料聯(lián)鎖、緊急向聚合反應(yīng)器注入阻聚劑自動(dòng)起動(dòng)聯(lián)鎖、閃蒸罐故障聯(lián)鎖等子聯(lián)鎖，上述子聯(lián)鎖可根據(jù)具體工藝情況確定。

7 新型煤化工工藝

新型煤化工工藝指大型、高壓連續(xù)化生產(chǎn)的氣化爐，大致可分為粉煤氣化爐、水煤漿氣化爐兩大類，常見(jiàn)的有殼牌爐、航天爐、晉華爐、四噴嘴爐等。本文以晉華爐為例，討論其安全控制要點(diǎn)。晉華爐上部為氣化室，采用水冷壁保護(hù)，中部為廢鍋段，下部為激冷段;燒嘴采用三流道燒嘴，夾套式結(jié)構(gòu)，使用鍋爐水進(jìn)行降溫。廢鍋、水冷壁各自設(shè)有汽包。通過(guò)進(jìn)料計(jì)量、廢鍋、水冷壁共同實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的熱控制及設(shè)備保護(hù)。主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)有氣化爐溫度、壓力，雙汽包的三沖量控制，進(jìn)料（水煤漿、氧氣）的計(jì)量，燒嘴冷卻水流量監(jiān)測(cè)，洗滌塔液位監(jiān)測(cè)等。安全儀表聯(lián)鎖一般考慮：氣化爐壓力高高、氧/煤比例失衡、主風(fēng)機(jī)停機(jī)、燒嘴冷卻水進(jìn)出口流量差高高、進(jìn)氣化爐煤漿流量低低、進(jìn)氣化爐氧氣流量低低、鍋爐水循環(huán)泵流量低低、合成氣洗滌塔液位低低、水冷壁汽包液位低低、廢鍋汽包液位低低、煤漿管線與氣化爐壓差低低、儀表空氣壓力低低、氣化爐出口合成氣溫度高高時(shí)聯(lián)鎖進(jìn)行氣化爐緊急停車。

8 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)氧化工藝、加氫工藝、硝化工藝、氯化工藝、光氣化工藝、氯堿電解工藝、合成氨工藝、聚合工藝、新型煤化工工藝等危險(xiǎn)化工工藝在安全控制設(shè)計(jì)方面的要點(diǎn)進(jìn)行闡述，以期能給安全從業(yè)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知（安監(jiān)總管三〔2009〕116）[EB/OL].（2009-06-17）[2020-08-20].https：//www.mem.gov.cn/gk/gwgg/agwzlfl/tz_01/200906/t20090617_237056.shtml.

[2]應(yīng)急管理部關(guān)于印發(fā)《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》和《危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排查治理導(dǎo)則》的通知（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）[EB/OL].（2019-08-19）[2020-08-20].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-08/19/content_5422286.htm.