榆林煤化工CO2捕集系統(tǒng)典型風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)*

王賀誼 江紹靜 鄭曉亮 王蓓蕾 陳龍龍白建林 湯瑞佳 李超躍

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院 西安 710075； 2.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710075； 3.安徽理工大學(xué) 安徽淮南232001；4.陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)油氣勘探公司采氣四廠 陜西延安 716200)

0 引言

CO2作為全球氣候變暖的主要影響因素之一，其增溫效應(yīng)占各溫室氣體總增溫效應(yīng)63%，且在大氣中存留時(shí)間最長(zhǎng)，可達(dá)200 a之久[1-5]。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2018年全球能源消費(fèi)較2017年增長(zhǎng)2.3%，其中能源相關(guān)CO2排放量達(dá)331億t，CO2濃度為300萬(wàn)a以來(lái)最高水平[6-7]。我國(guó)是全球最大的溫室氣體排放國(guó)，2018年CO2排放總量達(dá)100億t，作為減少溫室氣體排放的措施之一，CCUS(CO2捕集、埋存與利用)技術(shù)是唯一有望實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模降低碳含量的技術(shù)措施，同時(shí)也是全球?qū)崿F(xiàn)CO2減排、確保能源清潔利用以及保障能源安全的重要戰(zhàn)略技術(shù)[8-10]。CO2捕集作為CCUS技術(shù)第一環(huán)節(jié)，主要是基于特定的技術(shù)將煤、石油和天燃?xì)獾然茉蠢眠^(guò)程中排放的低濃度CO2進(jìn)行分離濃縮，從而滿足后續(xù)的封存及利用要求[11]。延長(zhǎng)石油自2010年起逐步開(kāi)展了CCUS相關(guān)技術(shù)研究，2012年11月延長(zhǎng)石油榆林煤化公司建成了5萬(wàn)t/a的CO2捕集裝置。目前，隨著新一輪煤化工熱的興起以及國(guó)內(nèi)外CCUS項(xiàng)目不斷推廣，對(duì)這些項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題若是不加以重視并進(jìn)行深入研究，將給我國(guó)正在發(fā)展的煤化工產(chǎn)業(yè)埋下隱患。因此，本項(xiàng)目主要針對(duì)延長(zhǎng)石油煤化工CO2捕集系統(tǒng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，并通過(guò)事故樹(shù)分析方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出相應(yīng)防范措施。

1 CO2捕集系統(tǒng)及主要危害

項(xiàng)目所涉及的CO2捕集系統(tǒng)位于陜西延長(zhǎng)石油榆林煤化工有限公司低溫甲醇洗裝置區(qū)域的南側(cè)，占地面積長(zhǎng)80.5 m、寬15 m，共1 207.5 m2，其中CO2來(lái)源于煤制甲醇和醋酸過(guò)程中排放的高純CO2氣體。低溫甲醇富液通過(guò)管道從低溫甲醇洗系統(tǒng)傳輸至CO2捕集系統(tǒng)，其流量為119 400 kg/h，溫度為-38 ℃，壓力為1.2 MPa。此甲醇富液首先經(jīng)過(guò)一級(jí)減壓調(diào)節(jié)閥，壓力由1.2 MPa減壓至0.5 MPa后進(jìn)入一級(jí)分離器；此時(shí)，富液溫度高于該壓力下不凝氣體的沸點(diǎn)，不凝氣體迅速沸騰汽化從一級(jí)分離器頂部排出，分離不凝氣體后的富液經(jīng)過(guò)二級(jí)減壓調(diào)節(jié)閥壓力由0.5 MPa降至0.15 MPa，然后進(jìn)入二級(jí)分離器，大部分的CO2氣體從富液中沸騰汽化解吸出來(lái)，再通過(guò)設(shè)置換熱器回收CO2氣體的冷量以維持原系統(tǒng)的能量平衡，經(jīng)CO2壓縮機(jī)壓縮、深冷換熱器冷卻液化并分離少量不凝氣后，最終得到符合產(chǎn)品規(guī)格要求的液態(tài)CO2產(chǎn)品，其工藝流程圖如圖1所示。其中，提取CO2后的甲醇富液將再次返回原廠的低溫甲醇洗系統(tǒng)，重新作為溶劑利用，在CO2捕集過(guò)程中會(huì)消耗極少量的隨CO2夾帶走的甲醇。二氧化碳捕集系統(tǒng)中涉及的原料及產(chǎn)品均屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，其中與主要設(shè)備對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)化學(xué)品如表1所示。

圖1 CO2捕集工藝流程

表1 主要設(shè)備涉及的危險(xiǎn)化學(xué)品

2 典型風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)《生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)和有害因素分類(lèi)與代碼》(GB/T 13861—2009)和《企業(yè)職工傷亡事故分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 6441—1986)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)CO2捕集系統(tǒng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)分析，發(fā)現(xiàn)其存在的風(fēng)險(xiǎn)有火災(zāi)、其他爆炸、容器爆炸、中毒和窒息、凍傷、高處墜落、車(chē)輛傷害、觸電、物體打擊等[12-13]。由于其他爆炸事故的后果嚴(yán)重性比火災(zāi)、容器爆炸等其他事故大，由從重原則，甲醇和丙烯發(fā)生其他爆炸事故為典型風(fēng)險(xiǎn)，此處只對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。當(dāng)CO2捕集系統(tǒng)中甲醇和丙烯發(fā)生泄漏后就會(huì)在空氣中形成爆炸混合物，一旦達(dá)到爆炸濃度后遇到火源就會(huì)發(fā)生其他爆炸。

(1)CO2分離器、壓縮機(jī)、換熱器、冷卻器、儲(chǔ)罐等壓力容器或輸送管路因超壓發(fā)生破裂而產(chǎn)生物理性爆炸，隨之容器內(nèi)甲醇外泄，遇火源發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸，甚至產(chǎn)生二次或多次爆炸。

(2)管路、分離器、甲醇液體泵等工藝裝置若揮發(fā)出甲醇蒸氣，或因操作不當(dāng)造成泄漏，一旦遇到明火、高溫、電火花或雷擊等火源，均易引起火災(zāi)和其他爆炸。

(3)甲醇輸送管道或其閥門(mén)或法蘭、設(shè)備閥門(mén)損壞或被腐蝕導(dǎo)致泄漏后與空氣混合達(dá)到爆炸極限濃度，遇到電火花、明火、高溫等火源易發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(4)CO2冷卻器中丙烯泄漏與空氣混合達(dá)到爆炸極限濃度，遇到電火花、明火、高溫等火源易發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(5)防雷、防靜電接地裝置未定期檢測(cè)，因腐蝕等原因，造成接地電阻增大，導(dǎo)致產(chǎn)生的電荷不能及時(shí)地釋放，可能造成儲(chǔ)罐受雷擊或因靜電放電而引發(fā)火災(zāi)、其他爆炸。

(6)甲醇輸送管道、設(shè)備超壓運(yùn)行、管材材質(zhì)不合格、安裝不合格等原因，導(dǎo)致輸送管道破裂后甲醇與空氣混合達(dá)到爆炸極限發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(7)容器、管道的基礎(chǔ)不牢、框架或固定支架等穩(wěn)固設(shè)施故障或失效，造成設(shè)備、管線破裂，導(dǎo)致甲醇、丙烯等泄漏，易遇火源發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(8)CO2分離器等壓力容器中若可燃介質(zhì)泄漏遇空氣會(huì)發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(9)CO2壓縮機(jī)設(shè)備系統(tǒng)故障，導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄漏，遇火源發(fā)生火災(zāi)；若形成油氣，遇火源則發(fā)生其他爆炸。由于設(shè)備摩擦發(fā)熱、冷卻、潤(rùn)滑不良等，壓縮機(jī)在高溫下運(yùn)行會(huì)使?jié)櫥蛽]發(fā)裂解，在附近管道內(nèi)造成積炭，可發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(10)生產(chǎn)裝置中的設(shè)備、管線、法蘭、墊片、閥門(mén)等密封不嚴(yán)，或管道破裂、穿孔等造成甲醇、丙烯泄漏，若遇火源會(huì)發(fā)生火災(zāi)。甲醇、丙烯發(fā)生泄漏后，若通風(fēng)不良，與空氣達(dá)到爆炸極限濃度，遇火源會(huì)發(fā)生其他爆炸。若未安裝可燃?xì)怏w報(bào)警裝置或檢測(cè)裝置失效，沒(méi)及時(shí)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)，泄漏的甲醇、丙烯易達(dá)到爆炸極限濃度，遇火源會(huì)發(fā)生其他爆炸。

(11)通信或電氣線路故障，導(dǎo)致DCS系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致捕集系統(tǒng)參數(shù)異常，易發(fā)生火災(zāi)和其他爆炸。

(12)地溝、電纜溝等低凹處和空氣不流通的地方未采取防止易燃爆物質(zhì)積聚的措施，易聚集可燃?xì)怏w或蒸氣，達(dá)爆炸極限，遇火源易引發(fā)火災(zāi)、其他爆炸。

(13)管道、容器檢修時(shí)，在檢修部分與可燃物部分未用盲板隔絕，致使甲醇或丙烯竄入檢修部位，遇火源發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(14)設(shè)備超溫、超壓、超速、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，或超期和帶病運(yùn)轉(zhuǎn)等引起泄漏，遇火源發(fā)生火災(zāi)、其他爆炸。

(15)生產(chǎn)裝置區(qū)內(nèi)沒(méi)有配備消防器材或消防器材配備不足，或消防器材失效、不能使用等原因，導(dǎo)致生產(chǎn)裝置發(fā)生火災(zāi)，沒(méi)有得到及時(shí)施救，存在火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)生其他爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

(16)沒(méi)有根據(jù)生產(chǎn)裝置實(shí)際情況編制事故應(yīng)急救援預(yù)案，或有應(yīng)急救援預(yù)案而沒(méi)有定期組織培訓(xùn)和演練，導(dǎo)致出現(xiàn)突發(fā)事故不能或不會(huì)及時(shí)處理，致使由泄漏引發(fā)火災(zāi)，或由火災(zāi)引發(fā)其他爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。

3 其他爆炸典型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由風(fēng)險(xiǎn)分析可知，甲醇和丙烯泄漏后，當(dāng)與空氣混合達(dá)到爆炸濃度，遇火源后會(huì)發(fā)生其他爆炸事故。因?yàn)镃O2分離器中甲醇發(fā)生泄漏遇火源產(chǎn)生爆炸和CO2冷卻器中丙烯發(fā)生泄漏遇火源發(fā)生爆炸模式相似，只要對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)即可。此處，以二氧化碳分離器甲醇發(fā)生泄漏為研究對(duì)象，對(duì)分離器甲醇泄漏爆炸事故進(jìn)行事故樹(shù)分析評(píng)價(jià)。

3.1 事故樹(shù)分析簡(jiǎn)介[14-15]

事故樹(shù)分析是一種演繹推理法，用一種稱為事故樹(shù)的樹(shù)形圖來(lái)表示可能發(fā)生的某種事故與導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系，即在現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)和作業(yè)中，通過(guò)分析可能造成系統(tǒng)事故或?qū)е聻?zāi)害后果的各種因素，根據(jù)工藝流程、先后次序和因果關(guān)系繪出邏輯樹(shù)圖并進(jìn)行分析，從而確定系統(tǒng)事故原因的各種可能組合方式，判明災(zāi)害或功能故障的發(fā)生途徑及導(dǎo)致災(zāi)害、功能故障的各因素之間的關(guān)系，為確定安全對(duì)策提供可靠依據(jù)。

其中，邏輯門(mén)是連接各事件并表示其邏輯關(guān)系的符號(hào)，見(jiàn)圖2所示。按布爾代數(shù)計(jì)算規(guī)則進(jìn)行邏輯關(guān)系分析，如E1+E1E2=E1，E1(E1+E2)=E1。

(a)或門(mén) (b)與門(mén) (c)條件與門(mén)

3.2 事故樹(shù)分析過(guò)程

分離器甲醇泄漏爆炸事故的事故樹(shù)分析過(guò)程如下：

(1)事故原因分析。以CO2分離器甲醇泄漏爆炸為頂上事件，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析部分，分析事故可能發(fā)生的原因，層層遞進(jìn)，通過(guò)事件與事件之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建出事故樹(shù)圖，如圖3所示，其基本事件表如表2所示。

表2 CO2分離器甲醇泄漏爆炸事故樹(shù)基本事件

(2)最小割集和最小徑集計(jì)算。結(jié)合事故樹(shù)圖，最小割集求解過(guò)程為：

T=aA1A2

=a(B1+B2+B3+B4+B5+B6)(X17+X18)

=a[X1+X2+C1C2+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16](X17+X18)

=a[X1+X2+(X3+X4+X5) (X6+X7+X8)+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16](X17+X18)

=(X1+X2+X3X6+X3X7+X3X8+X4X6+X4X7+X4X8+X5X6+X5X7+X5X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16)(aX17+aX18)

可見(jiàn)，得到最小徑集4個(gè)，即{X1,X2,X3,X4,X5,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16}，{X1,X2,X6,X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16}，{X17,X18}和{a}，匯總?cè)绫?所示。

表3 CO2分離器甲醇泄漏爆炸事故最小徑集基本事件組合

通過(guò)事故樹(shù)分析求解其全部最小割集或最小徑集，最小割集就是能夠引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，最小徑集就是使頂上事件不發(fā)生所必需的最低限度的基本事件的組合。如果事故樹(shù)化簡(jiǎn)后的或門(mén)多，最小割集就越多，說(shuō)明系統(tǒng)比較危險(xiǎn)；如果與門(mén)比較多，最小割集就少，說(shuō)明系統(tǒng)比較安全。

圖3 CO2分離器甲醇泄漏爆炸事故樹(shù)

(3)結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算。結(jié)合最小徑集，對(duì)導(dǎo)致事故的基本事件進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析，結(jié)構(gòu)重要度近似計(jì)算公式如下：

式中，Ii為基本事件Xi的結(jié)構(gòu)重要度近似判定值；nj為基本事件Xi所在最小割(徑)集中包含基本事件的個(gè)數(shù)；k為最小割(徑)集的個(gè)數(shù)。

計(jì)算得：

所以，基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序?yàn)椋篒a>I17=I18>I1=I2=I9=…=I16>I3=…=I8。

4 典型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)論與對(duì)策

在對(duì)CO2捕集系統(tǒng)典型風(fēng)險(xiǎn)即甲醇和丙烯發(fā)生其他爆炸事故的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合事故樹(shù)分析評(píng)價(jià)方法，對(duì)二氧化碳分離器甲醇發(fā)生泄漏進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，得到了導(dǎo)致分離器甲醇泄漏發(fā)生其他爆炸事故的最小割集38個(gè)、最小徑集4個(gè)。也就是說(shuō)，導(dǎo)致分離器甲醇泄漏發(fā)生其他爆炸事故的可能性有38種，而控制該事故不發(fā)生的方案只有4種，即該4個(gè)最小徑集中的任一個(gè)最小徑集內(nèi)所有基本事件均不發(fā)生，則分離器甲醇泄漏爆炸事故不會(huì)發(fā)生。結(jié)合結(jié)構(gòu)重要度分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)最佳對(duì)策方案為{a}。只要甲醇與空氣混合達(dá)不到爆炸極限，則爆炸事故不發(fā)生。即只要甲醇泄漏后沒(méi)有達(dá)到爆炸濃度就可以防止事故發(fā)生，通過(guò)安裝探測(cè)報(bào)警裝置，并在使用過(guò)程中加強(qiáng)檢測(cè)和保養(yǎng)工作，落實(shí)監(jiān)管責(zé)任制，使探測(cè)報(bào)警裝置處于正常工作狀態(tài)，在爆炸下限(甲醇爆炸下限為5.5%、丙烯爆炸下限為2.4%)以下25%時(shí)及時(shí)報(bào)警，然后及時(shí)堵漏，并加強(qiáng)局部通風(fēng)稀釋?zhuān)纯捎行ьA(yù)防其他爆炸事故。

(2)第二優(yōu)選對(duì)策方案為{X17,X18}。只要閥門(mén)或法蘭等損壞以及局部腐蝕或破裂均不發(fā)生泄漏，則爆炸事故不發(fā)生。所以，通過(guò)加強(qiáng)CO2分離器本體及其組件保養(yǎng)和檢修工作，建立健全安全檢查和隱患排查管理制度，定期開(kāi)展安全檢查和隱患排查工作，確保其完好無(wú)損狀態(tài)就不會(huì)發(fā)生因分離器局部腐蝕、閥門(mén)或法蘭等組件損壞而泄漏，同時(shí)加強(qiáng)分離器壓力監(jiān)測(cè)和安全閥等維保，就不會(huì)發(fā)生分離器泄漏事件，即可有效防止分離器甲醇泄漏爆炸事故發(fā)生。