HAZOP分析在硫磺制酸裝置設計中的應用

朱新浩

中藍連海設計研究院上海分院（上海 201204）

科研開發

HAZOP分析在硫磺制酸裝置設計中的應用

朱新浩

中藍連海設計研究院上海分院（上海 201204）

危險與可操作性（HAZOP）分析是過程系統危險分析中應用最廣的一種評價方法，在世界范圍內已得到十分廣泛的應用。以某公司24萬t/a硫磺制酸裝置基礎工程設計為例，通過HAZOP分析與風險矩陣的結合運用，識別出硫酸裝置工藝設計中存在的不足，提出改進的安全措施建議，為裝置安全設施的設計、安全管理和事故風險預防提供科學依據。

HAZOP分析 保護層分析 風險矩陣 硫磺制酸

硫酸（H2SO4）是一種重要的工業原料，廣泛應用于無機化學肥料、石油化工、有色金屬的冶煉、紡織印染、無機鹽工業、橡膠工業、油漆工業、農藥醫藥以及國防軍工等領域。根據原料的不同，國內生產硫酸的工藝主要有硫鐵礦制酸、煙氣制酸、磷石膏制酸、硫磺制酸等[1]。硫磺制酸工藝在能耗、環境保護等方面具有獨特的優勢，隨著我國硫磺回收和硫磺制酸技術、裝備及水平的不斷提高，我國的硫磺制酸工藝有了長足的發展；但其中涉及的原輔材料及生產過程存在火災、爆炸、中毒等危險因素，需要進行安全設施設計。

1 危險與可操作性（HAZOP）分析技術介紹

1.1 概述

某公司24萬t/a的硫磺制酸裝置以硫磺為原料，使用進口催化劑，采用快速熔硫、液硫過濾精制和液硫機械霧化焚硫、“3+1”兩次轉化、兩次吸收、高效吸收塔技術等工藝。其中的焚硫轉化工藝屬于重點監管的危險化工工藝；過程中產生的二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3）屬于重點監管的危險化學品；罐區儲存的大量發煙硫酸構成重大危險源。根據國家安全生產監督管理總局、中華人民共和國住房和城鄉建設部聯合發布的《關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》（安監總管三〔2013〕76號）的要求，涉及“兩重點一重大”的建設項目，必須在基礎設計階段開展HAZOP分析，因此需對該硫酸裝置在基礎設計階段進行HAZOP分析。

1.2 實施流程

HAZOP分析最早是由英國帝國化學工業有限公司在1974年提出的，是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結構化分析方法。HAZOP分析實施過程包括分析的準備、HAZOP分析會議、編制分析結果報告和行動方案落實等。分析小組由各專業設計人員，健康、安全和環境（HSE）管理人員，操作人員等組成，分析小組通過會議形式識別出具有潛在危害的偏差，并分析它們的可能原因、后果和已設計的安全保護措施，同時提出應該采取的安全保護措施。

1.3 風險評估準則

HAZOP分析屬于定性分析方法，該方法只能定性地判斷系統中是否存在風險，并不能給出風險發生的概率和后果的嚴重度，在HAZOP分析中融入風險矩陣可避免其定性分析結果過于主觀的缺點[2]。對于風險矩陣中事故發生的概率，考慮現有設計中已有保護層的保護能力及失效概率，引入半定量的保護層分析（LOPA）方法，以計算危害發生的概率；結合人員密度、裝置財產損失、周邊環境的影響程度等因素，對后果的嚴重度進行分級。此次HAZOP分析以風險矩陣為依據制定風險評估準則。風險矩陣的具體劃分情況如表1、表2、表3所示［注：R2級（含R2級）以下為可接受風險，不需要采取措施；R3級（含R3）以上為不可接受風險，需提出建議措施以降低事故的發生概率］。

表1 事故風險發生的可能性（L）等級劃分表

2 硫酸裝置的HAZOP分析應用

2.1 工藝流程

反應原理為：S+O2=SO2；2SO2+O2=2SO3；SO3+ H2O=H2SO4；H2SO4+xSO3=H2SO4·xSO3。工藝流程整體可分為硫磺儲存及熔硫、硫磺焚燒、轉化、干燥吸收、硫酸儲存及余熱回收等單元，工藝流程如圖1所示。

表2 事故風險后果嚴重程度（S）等級劃分表

2.2 裝置危險性分析

硫磺制酸生產過程涉及到的危險化學品主要有原料硫磺、中間產物SO2與SO3、催化劑五氧化二釩（V2O5）、產品硫酸，存在發生火災、爆炸、中毒和窒息、腐蝕及灼燙等事件的潛在危險[3-4]，具有較大的危險性。裝置的主要危險源分布情況如表4所示。2.2節點的劃分

為了便于進行分析，HAZOP分析小組以基礎工程設計的管道儀表流程圖（P&ID）為主要依據，對工藝過程進行節點劃分，根據節點劃分原則將裝置劃分為14個節點，主要節點信息如表5所示。

表3 風險等級矩陣表

圖1 硫酸裝置工藝流程

表4 主要危險和有害因素分析表

2.3 HAZOP分析過程

本文以節點10吸收過程中的濃酸循環槽和一吸塔為對象進行HAZOP分析，并結合分析后果的嚴重性和事故發生的可能性進行了風險等級的評定，具體記錄（部分）如表6所示。

3 對策措施

在整個HAZOP分析過程中，著重對裝置安全運行，環境污染，易導致人身傷害的火災、爆炸及中毒事故等因素進行分析討論，以關鍵詞為引導，詳細分析了流量、壓力、溫度、液位、組分等引導詞，列出了這些因素的偏差可能引起的后果。然后對存在的問題提出補充措施，使得最終的風險程度降低至R2以下。部分需要改進的措施列出如下：

（1）為避免因操作失誤（開、關錯閥門）導致液位升高而發生溢流、燙傷事故，在液硫過濾機出口閥增設鉛封開（CSO）、放凈閥增設鉛封關（CSC）。

（2）為防止液硫儲槽因壓力過高而發生破裂等，在其頂部增設現場壓力表、高液位報警系統。

（3）為防止誤開旁路閥導致濃酸循環槽（V0301）液位過低，應對調節閥（LV0302）旁路閥增設CSC。

（4）為控制水洗塔液位，防止水回流至液硫槽而發生爆炸，對水洗塔增設高液位報警裝置，液位高限需低于尾氣進口管底部；在底部排污閥設旁路，旁路上設電磁閥，液位計與電磁閥聯鎖，液位達到高高限時電磁閥自動打開進行排水。

（5）為防止開車時煤氣泄漏發生火災、爆炸等，在點火系統煤氣總管上設置電磁閥并將其與可燃氣體檢測報警器聯鎖；在升溫系統中，對空氣和天然氣混合管加裝阻火器。

（6）為防止易泄漏處發生腐蝕、灼傷，在干燥塔、一吸塔、二吸塔、循環酸泵、出口閥門法蘭處采取防護措施。

表6 HAZOP分析記錄表

（7）為防止煙酸罐液位高時溢流造成中毒、環境污染事故，在管道進口設電磁閥，與高高液位連鎖，液位達到高高液位時，可自動切換，并保證備用罐有足夠容積進行倒罐。

4 結語

經過對硫酸裝置的流程描述，分析了裝置工藝過程中可能存在的潛在危險源，將風險矩陣與HAZOP分析結合運用，在基礎設計階段從工藝安全角度對硫酸裝置的危險性和風險程度重新進行了全面的識別，并在此基礎上從本質安全設計、自動聯鎖、監控報警、安全管理等方面提出措施以控制風險，建議在后續設計中進一步改進，這些建議的提出有助于該裝置詳細設計的完善，以滿足本質安全的要求。

[1]張振全,張曼曼.硫酸生產工藝的發展狀況[J].廣東化工,2012,39(16):97-98,103.

[2]楊仕剛,王三明.定量風險矩陣在HAZOP分析中的應用研究[J].煤炭技術,2013,32(1):242-244.

[3]李志紅.硫磺制酸生產危險性及安全對策措施分析[J].中國公共安全,2013(3):33-36.

[4]詹海青,王善策.硫酸生產工藝裝置危險因素分析及防范的探討[J].中國錳業,2013,31(1):41-43.

Application of HAZOP Analysis in Design of Sulfuric Acid Plant

Zhu Xinhao

As the most widely used method in hazard analysis of process systems,hazard and operability(HAZOP) analysis has been extensively applied in the world.The engineering design of 240000 t/a sulfuric acid plant was taken as an example of the combining application of HAZOP analysis and risk matrix,the shortcomings in the process design of sulfuric acid plant were identified and suggestions for improving security measures were put forward,which could provide scientific basis for safety facility design,safety management and accident risk prevention.

HAZOP analysis;Protective layer analysis;Risk matrix;Sulfuric acid production from sulfur-burning

TQ086

2017年1月

朱新浩男1982年生本科工程師從事化工安全評價工作