HAZOP分析在廢氣回收及二硫化碳罐區(qū)的應用

李建民，董憲偉，肖海嬌，王福生

(1華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2 唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

經(jīng)過60多年的發(fā)展，新中國的化纖工業(yè)取得了舉世矚目的成就，粘膠纖維等常規(guī)大宗化纖品種差別化功能化生產(chǎn)技術水平不斷提高。然而在化纖技術突飛猛進的背后離不開風險的辨識和防范。近年來，作為審查裝置安全性和操作性、分析偏差產(chǎn)生的風險以及提出削減風險措施的安全系統(tǒng)評價方法，危險與可操作性分析(HAZOP)成為國家安全監(jiān)管部門在化工和化纖行業(yè)力推的方法，也是目前石化行業(yè)應用最為廣泛的危險分析方法之一，熟練應用于具有危險化學品的生產(chǎn)裝置和罐區(qū)過程工業(yè)的安全風險分析，并且取得了良好的安全績效，提高了相關行業(yè)的安全防范水平。

根據(jù)《關于開展提升危險化學品領域本質安全水平專項行動的通知》(安監(jiān)總管三[2012]第87號)、《關于進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知》(安監(jiān)總管三[2014]第68號)等文件的有關規(guī)定，涉及重點監(jiān)控的危險化學品的罐區(qū)需定期進行危險與可操作性分析[1]。今年的6月份是第18個全國“安全生產(chǎn)月”，活動以危險化學品安全為重點，以“防風險、除隱患、遏事故”為主題，在此宣傳力度上，對位于唐山市的一所化纖生產(chǎn)企業(yè)進行專項安全現(xiàn)狀分析以及專項整治是有效地將風險降低并消除在萌芽中的重要舉措，為新中國成立70周年營造良好的安全生產(chǎn)環(huán)境。

1 HAZOP分析概述

1.1 HAZOP分析方法簡介

HAZOP分析是由具有不同專業(yè)背景的成員組成的小組，在組長的主持下以一種結構有序的方式對過程進行系統(tǒng)審查的技術方法。它以工藝儀表流程圖(PID)為研究對象，在引導詞提示下，對系統(tǒng)中所有重要的過程參數(shù)可能由于偏離預期的設計條件所引起的潛在危險和操作性問題，以及設計中已采取的安全防護措施進行辨識和評價，提出需要設計者進一步甄別的問題和修改設計或操作指令的建議[2]。HAZOP分析中常用引導詞的含義見表1。

表1 基本引導詞及其含義

1.2 HAZOP分析的程序流程

除組建分析小組、準備資料和培訓等前期工作外，工藝工程師需要對設備工藝流程進行詳細的介紹，并將工藝和儀表流程圖劃分為若干節(jié)點，結合節(jié)點的工藝參數(shù)，組成有意義的偏差。HAZOP 分析就是從“偏差”(高壓力、高流量、高液位、低濃度等)出發(fā)，反向查找產(chǎn)生偏差的原因，正向分析該偏差將導致的不利后果，然后識別整個危險傳播途徑中現(xiàn)有的防護措施。如果已有防護措施不夠，則提出相應的預防和改善建議，力爭將風險降低到可接受的范圍。HAZOP分析流程圖見圖1。

圖1 HAZOP分析程序流程圖[3]

1.3 HAZOP分析的風險等級說明

HAZOP 風險程度評估采用矩陣風險分析法。分析采用5×7 矩陣，該矩陣事故后果的危害考慮4個方面，即對職員、公眾、環(huán)境和設施的危害。

事故后果等級(S)劃分的嚴重程度為最低后果、低后果、中后果以及高后果，事故頻率等級(L)分類及風險等級劃分參照相關標準，風險等級矩陣見表2。

表2 風險等級矩陣

2 HAZOP分析在廢氣回收及CS2罐區(qū)的應用

2.1 HAZOP分析范圍

表3所示為項目涉及到的危險化學品重大危險源辨識表，表4所示為工廠危險化學品重大危險源辨識表。

表3 該項目危險化學品重大危險源辨識表

表4 全廠危險化學品重大危險源辨識表

注：q1，q2，…，qn為每種化學危險品實際存在量，單位為噸(t)；Q1，Q2，…，Qn為與各危險化學品相對應的臨界量，單位為噸(t)。

本次分析中涉及到的重大危險源的物質是CS2和H2S，屬首批重點監(jiān)管的危險化學品[4]。

由表3和表4知，CS2儲罐區(qū)構成危險化學品重大危險源，重大危險源點為10臺80 m3的CS2儲罐和2臺490 m3的CS2儲罐。

2.2 選取的分析節(jié)點

根據(jù)本項目涉及到的“兩重點一重大”情況，結合工藝流程，經(jīng)分析小組確定，本次分析共選取18個分析節(jié)點(以結點01～04舉例)，節(jié)點信息見表5。

表5 分析節(jié)點一覽表

2.3 工藝流程說明

粘膠短纖維生產(chǎn)過程中排出的廢氣中含有少量的CS2氣體和H2S氣體，為了改善環(huán)境、節(jié)約資源和降低成本，利用先進的工藝技術和關鍵工藝和自控設備，采用CS2吸附回收及H2S堿洗工藝，對紡練生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢氣中的CS2氣體和H2S進行回收處理，同時得到粘膠纖維生產(chǎn)過程中的重要化工原料CS2和具有廣泛用途的化工原料硫氫化鈉。

2.3.1 粘膠生產(chǎn)線廢氣處理工藝

(1)堿洗工藝

本工藝采用NaOH溶液堿洗工藝除去廢氣中的H2S，處理后的氣體送至吸附工序回收CS2。

反應方程式為：

以1#生產(chǎn)線堿洗工序為例，其工藝過程如下：堿洗風機(F-11/12/13)將生產(chǎn)線廢氣(50～70 ℃)由管道抽至堿洗區(qū)，經(jīng)除霧器(B11)除去廢氣中的水分。當除霧器填料層水分接近飽和時，由反洗水反洗，除去填料層中的水分，即可沖洗使用。

除去水分的廢氣由風機(F-11/12/13)送到湍流塔(T)底部，從塔頂噴淋調(diào)配好的NaOH溶液，NaOH與廢氣中的H2S反應生成NaHS。處理后的氣體由湍流塔(T11)頂部排出，再依次經(jīng)過湍流塔(T12)和湍流塔(T13)與NaOH溶液反應。脫除H2S的廢氣由管道輸送至吸附工序。

(2)吸附工藝

脫除H2S的廢氣，從洗滌塔(WT-116-A/B)底部進入，NaOH溶液從塔頂噴淋霧化，以進一步去除廢氣中的H2S。除去水分的廢氣經(jīng)由風機(B-124-A～D)送至吸附槽(AT-129-A～J)，廢氣從吸附槽底進入，其中的CS2被活性碳吸附，潔凈的尾氣從槽頂排出，已達飽和狀態(tài)的吸附槽，首先充入N2以置換吸附槽內(nèi)的空氣及廢氣，再通入蒸汽(管道內(nèi)蒸汽壓力>0.3 MPa，165 ℃)將活性碳吸附的CS2解吸出來，蒸汽的熱能給解析過程提供能量，并利用蒸汽將脫附的CS2帶入后面的工序進行冷凝回收。廢氣回收裝置的工藝流程見圖2。

圖2 粘膠生產(chǎn)線廢氣處理工藝流程簡圖

堿洗H2S平均去除率均達到95%以上，經(jīng)吸附回收后H2S的去除率達到99%以上，CS2的平均去除率達96%。堿洗處理后H2S含量≤0.21 g/m3，再經(jīng)吸附處理后廢氣中CS2含量≤0.56 g/m3，H2S為微量，處理后的廢氣一起由120 m高排氣塔達標排放。

2.3.2 CS2罐區(qū)存儲及輸送

本次分析范圍CS2的存儲采用水封方式，CS2儲罐中CS2儲存量最多為75%，水量最少為25%，CS2全部密封在水下。CS2卸車和輸送均采用水壓法，即用循環(huán)水向運送CS2的槽車或貯存CS2的貯槽中輸送循環(huán)水，由于CS2的比重大于水而從貯存容器下部壓出，從而實現(xiàn)CS2的卸車和輸送。

2.4 HAZOP分析工作表

本次分析主要以用于吸附回收廢氣中CS2氣體的吸附槽節(jié)點以及用于除掉生產(chǎn)線廢氣中的H2S氣體的湍流塔為例，進行危險與可操作性分析結果說明。表6所示為分析節(jié)點中的吸附槽AT129A～J的HAZOP分析工作表。在吸附槽部分中涉及到的主要工藝參數(shù)有溫度、壓力和濃度等，假設吸附槽內(nèi)溫度過高，將會導致吸附碳燃燒等后果，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，吸附槽溫度過高的主要原因可能是吸附過程中放熱或者是脫附蒸汽的溫度過高等。經(jīng)了解已有安全措施發(fā)現(xiàn)，盡管吸附槽內(nèi)已經(jīng)安裝溫度超限報警裝置，但由于未定期檢查活性炭在使用中是否存在破損狀態(tài)，因此建議企業(yè)要組織人員對于破損的活性炭進行及時的篩除，再進行合理的再生利用，盡可能達到本質安全的水平[5，6]。

表7所示為分析節(jié)點湍流塔T11-13的HAZOP分析工作表。在湍流塔部分中涉及到的主要工藝參數(shù)有液位、壓力和流量等，假設湍流塔無液位，會使排放的尾氣中H2S氣體濃度偏高。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，湍流塔無液位的可能原因是循環(huán)泵發(fā)生調(diào)?，F(xiàn)象?，F(xiàn)有措施中建議此時開啟備用泵，可以有效避免H2S氣體濃度增加的情況發(fā)生。經(jīng)風險評估，風險等級為C，說明可選擇性的采取行動(評估可選擇的方案)，即采取現(xiàn)有安全措施是可行的。

表6 吸附槽AT129A～J HAZOP分析結果

表7 湍流塔T11-13 HAZOP 分析結果

3 結論

一方面，經(jīng)HAZOP分析，一期廢氣回收及CS2罐區(qū)在設計使用中已采用多項安全控制措施，經(jīng)評估肯定了裝置中諸多項安全控制舉措。同時該分析對裝置上可能存在的問題提出了可行性建議，彌補了傳統(tǒng)設計工作中沒有考慮到或者疏忽了的問題，它們的解決對于現(xiàn)場操作人員的安全健康、環(huán)保的控制、操作控制、運行維護等方面都起到了極為有意義的作用。

另一方面，將HAZOP分析方法應用于粘膠生產(chǎn)線廢氣處理生產(chǎn)線的安全評價中，并且采用堿洗以及吸附工藝，有效回收廢棄中的CS2，實現(xiàn)了資源的可持續(xù)發(fā)展?？烧J為HAZOP分析方法應用于化纖行業(yè)的安全評價是可行的。

進一步分析認為，在HAZOP定性分析風險的基礎上，結合其他風險分析技術(QRA/LOPA/PHA)進行綜合風險分析以及在傳統(tǒng)的HAZOP分析基礎上加以化工軟件模擬，建立工藝流程模型，有效量化參數(shù)偏差，對于優(yōu)化化纖行業(yè)實際工程的設計工作，進一步提高系統(tǒng)的可靠性和安全性具有積極的推動作用。