唐东芝
山东东巨化工股份有限公司
摘 要：笔者结合自身工作实践，对照现行国家标准、规范的要求，对部分常见的危险化工工艺自动化控制设施要点进行概述，以期在危险化工工艺的安全设施方面，对从事安全生产工作的人员给予一定的参考。
关键词：危险化工工艺;自动化控制;安全設施
近年来，对“两重点一重大”的安全自动化控制要求越来越高，相对于“重点监管的危险化学品”和“重大危险源”，“重点监管的危险化工工艺”涉及的内容多，不同的工艺需要关注的细节不同。本文结合生产实际，根据现行国家标准、规范要求，对部分危险化工工艺的安全自动化控制要点进行探讨。
1 氧化工艺
氧化工艺最主要的危险特性在于可燃介质与助燃气体混合进行反应，且反应放热。氧化工艺的安全控制首要要素在于配风，在识别判定氧化工艺时，应特别注重这一点。
氧化工艺按照危险特性可大致分为两大类：第一类为反应设备内部的物料在爆炸极限外操作;第二类则是反应设备内的物料即为爆炸性混合组分，达到自燃点即可发生爆炸。第一类氧化反应较为常见，如氨氧化制硝酸、甲醛氧化制甲醇等。对于这类反应，原料/氧气比是最为关键的控制参数，以氨氧化制硝酸为例，氨空比为最重要的控制指标，应纳入安全仪表系统进行保护，且较多的气相氧化反应设循环风回流，对于该类型的氧化反应，循环风的物料在线监测亦十分重要。对于第二类氧化反应，在设计反应器时应尽量考虑减小物料在线量，以管式反应器为主，相对于第一类氧化工艺，第二类氧化工艺的反应器本体须设置泄爆设施，并重点控制可燃物的进料量。对于气态物料，在工艺条件允许的情况下，物料的进料控制一般建议首先考虑压力而不考虑流量，这是因为压力的监测相对于流量更加准确。
对照《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》（安监总管三〔2009〕116号），氧化工艺的一般安全控制设计思路为：根据具体工艺特性，考虑设计反应温度及压力报警，温度及压力联锁根据HAZOP分析而定;物料配比系统需要严格设计，一般应纳入安全仪表系统保护;对于连续化生产，紧急切断物料一般视为切断热源，即“紧急冷却”（物料特殊或反应进程快的例外）;根据工艺特性设置泄放线（至火炬）、爆破片等。
此外，对于一般明火设备的安全控制设计要点为：设燃料气压力监测并设低压切断保护;设助燃风机异常停车保护;设火焰监测并纳入燃料气切断联锁保护;设自动点火（一般另设开工点火燃料线）;助燃风侧考虑设置泄爆设施。
2 加氢工艺
加氢工艺在化工领域十分常见，涉及的物料广泛，操作条件不一而足。一般而言，加氢工艺大致可分为加氢反应与加氢精制两大类。
从化学原理来看，加氢反应均属于放热反应，热量控制、压力控制是反应控制的两个基本点。以苯加氢生产环己烷/环己烯为例分析第一类加氢工艺的安全控制设计要点。第一，苯加氢系统为气、液相连续放热反应。温度控制方面，在正常操作时通过反应器内盘管的脱氧水流量实现温度自调，特殊情况下也可对进料苯的预热进行温度微调，对苯进料量进行微调，异常情况下进行紧急停车。第二，反应压力为氢分压所决定，正常生产时催化剂连续抽出再生后返回，通过控制催化剂活性以进行压力微调。送往加氢反应器的氢分压通过返回压缩机入口的少量氢气（缓冲罐压力）调节，调节氢分压可有效调节反应器压力，但正产操作时一般不考虑此操作。第三，闪蒸罐作为高低压系统的分界点，其压力通过出界区燃料气流量调节，液位通过去脱水塔回流量调节。第四，反应器顶部设置泄放线，可远程启动泄压。由于设计有高压系统其他泄放线，因此不考虑联锁泄放。第五，需要设氢气进线的紧急切断阀，做异常情况下紧急停车的联锁保护。高压系统超压时可能会导致物料返流，宜设苯进线紧急切断阀。
第二类加氢精制反应，由于发生反应的物料较少（杂质加氢精制），一般不设内换部热器，温度可通过反应进料温度、流量控制，压力由氢分压决定，但一般并不直接调节氢分压，根据工艺实际通过反应器或下游设备的气相泄放线调节。
3 硝化工艺
硝化反应进程快，在进料失控的情况下，温度升高明显。由于硝化反应涉及的物料热稳定性较差，一旦超温，后果往往不堪设想。
本文以半间歇硝化反应为例，阐述安全控制要点。①半间歇硝化反应一般先一次性进入原辅料，硝化剂（如混酸）作为控制反应进程的关键物料，小流量滴加。反应进程是硝化反应的第一个控制要点，推荐用质量流量计及计量泵控制流速，并设紧急切断阀，同时设置孔板等限流措施，再设置管道视镜及视频监控（监控视镜中流量流速），多措施共同保障反应进程。②设置温度和压力异常情况下的安全仪表系统联锁保护，尤其是温度过低反应不完全时的联锁保护。③为保障反应完全，避免发生不完全反应时反应物料进入下游设备继续反应放热，应合理设置在线监测仪表。④搅拌应纳入EPS电源。⑤硝化反应涉及内部换热设施的应设置紧急冷却设施，如对紧急高位水箱设置循环水水压监测。
4 氯化工艺/光气化工艺/氯碱电解工艺
氯化工艺及光气化工艺均属于物质固有危险性大于工艺危险性的情形。本文以光气合成工艺（一氧化碳与氯气合成光气）为例，简述氯化工艺/光气化工艺的安全控制设计要点。①液氯储存系统中，建议使用双层液氯储罐，可大大减少储存风险。目前，双层液氯储罐应用已较为广泛，常见的为双层碳钢材质，夹层充入氮气，内外各设双安全阀和排污管线。对于液氯储罐，建议考虑在安全阀前设防爆片，并观察双层罐下部排污口是否接反。
②液氯汽化系统中，应注意《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》（应急〔2019〕78号）提及的“液氯汽化温度不得低于71 ℃”，而不是《氯气安全规程》（GB 11984—2008）中明确的“进口水温不应超过40 ℃”，以加强三氯化氮等杂质的气化。③在进行光气合成时，应对进料进行严格计量，以保证氯反应消耗完毕。对于氯、一氧化碳进料的测量，一般推荐使用质量流量计。为了保证光气合成的反应完全，一般会在主反应器后另设清净反应器。液氯、光气系统应实现全流程自动化，实现温度、压力自动调节。液氯、光气系统应设置吸收系统，除安全阀等泄放气外，应能保证系统事故全面泄放吸收需要。此外，封闭性厂房应设有负压吸收系统，敞开厂房应在关键部位设吸收软管。光气装置区宜设置氨水喷淋设施。④安全仪表系统：除反应超温、进料失衡等异常情况外，液氯库房、光气装置等关键部位的有毒气体泄漏监测也应纳入安全仪表系统联锁保护。⑤光气合成系统中，如果原料氯、一氧化碳中的含水量过高，一方面可能造成设备被腐蚀，另一方面可能造成床层内活性炭催化剂异常升温，并减少其使用寿命。此外，光气出口游离氯含量也为重要的工艺控制、安全指标。一般应设置原料氯、一氧化碳中的含水量在线监测以及光气出口（清净反应器出口）的游离氯在线监测。⑥光气合成反应器配套的换热器、光气深冷换热器等换热设备，工艺侧压力大于水相侧压力的，为防止设备内漏，一般建议设置水相侧导电率监测。⑦光气目前并无特效药，仪表设置一般建议采用双截止阀加排净阀门组，可便于仪表检维修。但是，本要求在工程实际中难以完全落实，应酌情考虑。
电解工艺（氯碱）相对于氯化工艺，需要额外考虑供电整流设施的控制、原料检测（三氯化氮控制）等，一般产生的少量氢气放空处理，物质固有危险性大于工艺危险性，主要危险控制点亦在于氯本身，本文不再赘述。
5 合成氨工艺
氨合成反应为体积缩小的放热反应。本文以卡萨利合成氨工艺为例，简述其安全控制设计要点。卡萨利合成氨工艺采用三床层塔内件，塔内的系统温度主要靠各副线的冷激气进行调节。塔内系统压力的升高主要来自于原料气配气失衡、进料过多、反应转化率降低等塔内反应不佳的情形，合成塔的压力主要靠压缩机组进行负荷控制、合成塔空速控制等方式进行调节，设塔后放空。主要控制回路为各氨分离器的液位控制回路、废锅“三冲量”控制等。安全仪表联锁一般考虑以下几点。①压缩机组控制联锁（该部分联锁一般设于压缩机组控制系统）：在压缩机高/中/低压缸轴震动过大、轴位移过大，汽轮机轴震动过大、轴位移过大、轴温过高，压缩机高/中/低压缸轴温过高，润滑油总管压力过低，汽轮机转速过高，高/中/低压缸一级泄漏流量过高或压缩机紧急停车等情况时，联锁关闭汽轮机速关阀，全开防喘振调节阀。②合成回路主联锁：在高压氨分离器液位超高、废热锅炉出口温度超高、废热锅炉液位超低、冷冻压缩机停车、合成气压缩机停车、控制台手动停车以及前后工段停车时，考虑执行压缩机进出口切断阀关闭，新鲜气进口阀关闭，开工加热炉停车，同时打开放空阀和压缩机防喘振阀门，并发送信号去前后工段，合成回路系统停车。③开工加热炉主联锁：在合成气流量超低、燃料气压力超低、燃料气压力超高、出口合成气温度超高、主烧嘴熄火、烟道风门关闭、加热炉膛内压力超高、手动停车信号时，主烧嘴切断阀关闭，点火烧嘴切断阀关闭，放空阀打开，开工加热炉停车。④氨分离器液位超低时，液氨出氨分离器管线上调节阀关闭。⑤鉴于在现有的生产实践中，发生有氨分离器因设置单点液位仪表造成系统误报跳车的先例，一般氨分离器液位仪表应尽量避免“单选”式设计。
6 聚合工艺
聚合工艺的主要危险特性在于部分聚合反应在温度升高时会发生爆聚，进而发生爆炸。本文不再讨论不会发生爆聚的聚合反应，以聚丙烯工艺为例，讨论聚合工艺的安全控制要点：聚丙烯装置一般以预聚反应器、聚合反应器（常见为两台环管反应器）为核心设备，在3.4～4.4 MPa压力下进行聚合，温度异常升高时可发生爆聚，引发严重后果。因此，控制反应器内温度、压力为控制核心。一般对压力至少考虑三重保护：可加入阻聚剂抑制反应失控;设置紧急停车系统，且气相可排放至火炬泄壓;设置安全阀进行泄压。安全仪表联锁一般考虑：装置紧急停车联锁、联锁启动界区断料联锁、三乙基铝进料关闭联锁、聚合反应器紧急停车联锁、聚合反应器底部紧急出料联锁、紧急向聚合反应器注入阻聚剂自动起动联锁、闪蒸罐故障联锁等子联锁，上述子联锁可根据具体工艺情况确定。
7 新型煤化工工艺
新型煤化工工艺指大型、高压连续化生产的气化炉，大致可分为粉煤气化炉、水煤浆气化炉两大类，常见的有壳牌炉、航天炉、晋华炉、四喷嘴炉等。本文以晋华炉为例，讨论其安全控制要点。晋华炉上部为气化室，采用水冷壁保护，中部为废锅段，下部为激冷段;烧嘴采用三流道烧嘴，夹套式结构，使用锅炉水进行降温。废锅、水冷壁各自设有汽包。通过进料计量、废锅、水冷壁共同实现反应的热控制及设备保护。主要监测点有气化炉温度、压力，双汽包的三冲量控制，进料（水煤浆、氧气）的计量，烧嘴冷却水流量监测，洗涤塔液位监测等。安全仪表联锁一般考虑：气化炉压力高高、氧/煤比例失衡、主风机停机、烧嘴冷却水进出口流量差高高、进气化炉煤浆流量低低、进气化炉氧气流量低低、锅炉水循环泵流量低低、合成气洗涤塔液位低低、水冷壁汽包液位低低、废锅汽包液位低低、煤浆管线与气化炉压差低低、仪表空气压力低低、气化炉出口合成气温度高高时联锁进行气化炉紧急停车。
8 结语
本文结合生产实践，对氧化工艺、加氢工艺、硝化工艺、氯化工艺、光气化工艺、氯碱电解工艺、合成氨工艺、聚合工艺、新型煤化工工艺等危险化工工艺在安全控制设计方面的要点进行阐述，以期能给安全从业人员提供参考。
参考文献：
[1]国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知（安监总管三〔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]应急管理部关于印发《化工园区安全风险排查治理导则（试行）》和《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》的通知（应急〔2019〕78号）[EB/OL].（2019-08-19）[2020-08-20].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-08/19/content_5422286.htm.