HAZOP分析在硫磺制酸装置设计中的应用

朱新浩

中蓝连海设计研究院上海分院（上海 201204）

科研开发

HAZOP分析在硫磺制酸装置设计中的应用

朱新浩

中蓝连海设计研究院上海分院（上海 201204）

危险与可操作性（HAZOP）分析是过程系统危险分析中应用最广的一种评价方法，在世界范围内已得到十分广泛的应用。以某公司24万t/a硫磺制酸装置基础工程设计为例，通过HAZOP分析与风险矩阵的结合运用，识别出硫酸装置工艺设计中存在的不足，提出改进的安全措施建议，为装置安全设施的设计、安全管理和事故风险预防提供科学依据。

HAZOP分析 保护层分析 风险矩阵 硫磺制酸

硫酸（H2SO4）是一种重要的工业原料，广泛应用于无机化学肥料、石油化工、有色金属的冶炼、纺织印染、无机盐工业、橡胶工业、油漆工业、农药医药以及国防军工等领域。根据原料的不同，国内生产硫酸的工艺主要有硫铁矿制酸、烟气制酸、磷石膏制酸、硫磺制酸等[1]。硫磺制酸工艺在能耗、环境保护等方面具有独特的优势，随着我国硫磺回收和硫磺制酸技术、装备及水平的不断提高，我国的硫磺制酸工艺有了长足的发展；但其中涉及的原辅材料及生产过程存在火灾、爆炸、中毒等危险因素，需要进行安全设施设计。

1 危险与可操作性（HAZOP）分析技术介绍

1.1 概述

某公司24万t/a的硫磺制酸装置以硫磺为原料，使用进口催化剂，采用快速熔硫、液硫过滤精制和液硫机械雾化焚硫、“3+1”两次转化、两次吸收、高效吸收塔技术等工艺。其中的焚硫转化工艺属于重点监管的危险化工工艺；过程中产生的二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3）属于重点监管的危险化学品；罐区储存的大量发烟硫酸构成重大危险源。根据国家安全生产监督管理总局、中华人民共和国住房和城乡建设部联合发布的《关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知》（安监总管三〔2013〕76号）的要求，涉及“两重点一重大”的建设项目，必须在基础设计阶段开展HAZOP分析，因此需对该硫酸装置在基础设计阶段进行HAZOP分析。

1.2 实施流程

HAZOP分析最早是由英国帝国化学工业有限公司在1974年提出的，是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化分析方法。HAZOP分析实施过程包括分析的准备、HAZOP分析会议、编制分析结果报告和行动方案落实等。分析小组由各专业设计人员，健康、安全和环境（HSE）管理人员，操作人员等组成，分析小组通过会议形式识别出具有潜在危害的偏差，并分析它们的可能原因、后果和已设计的安全保护措施，同时提出应该采取的安全保护措施。

1.3 风险评估准则

HAZOP分析属于定性分析方法，该方法只能定性地判断系统中是否存在风险，并不能给出风险发生的概率和后果的严重度，在HAZOP分析中融入风险矩阵可避免其定性分析结果过于主观的缺点[2]。对于风险矩阵中事故发生的概率，考虑现有设计中已有保护层的保护能力及失效概率，引入半定量的保护层分析（LOPA）方法，以计算危害发生的概率；结合人员密度、装置财产损失、周边环境的影响程度等因素，对后果的严重度进行分级。此次HAZOP分析以风险矩阵为依据制定风险评估准则。风险矩阵的具体划分情况如表1、表2、表3所示［注：R2级（含R2级）以下为可接受风险，不需要采取措施；R3级（含R3）以上为不可接受风险，需提出建议措施以降低事故的发生概率］。

表1 事故风险发生的可能性（L）等级划分表

2 硫酸装置的HAZOP分析应用

2.1 工艺流程

反应原理为：S+O2=SO2；2SO2+O2=2SO3；SO3+ H2O=H2SO4；H2SO4+xSO3=H2SO4·xSO3。工艺流程整体可分为硫磺储存及熔硫、硫磺焚烧、转化、干燥吸收、硫酸储存及余热回收等单元，工艺流程如图1所示。

表2 事故风险后果严重程度（S）等级划分表

2.2 装置危险性分析

硫磺制酸生产过程涉及到的危险化学品主要有原料硫磺、中间产物SO2与SO3、催化剂五氧化二钒（V2O5）、产品硫酸，存在发生火灾、爆炸、中毒和窒息、腐蚀及灼烫等事件的潜在危险[3-4]，具有较大的危险性。装置的主要危险源分布情况如表4所示。2.2节点的划分

为了便于进行分析，HAZOP分析小组以基础工程设计的管道仪表流程图（P&ID）为主要依据，对工艺过程进行节点划分，根据节点划分原则将装置划分为14个节点，主要节点信息如表5所示。

表3 风险等级矩阵表

图1 硫酸装置工艺流程

表4 主要危险和有害因素分析表

2.3 HAZOP分析过程

本文以节点10吸收过程中的浓酸循环槽和一吸塔为对象进行HAZOP分析，并结合分析后果的严重性和事故发生的可能性进行了风险等级的评定，具体记录（部分）如表6所示。

3 对策措施

在整个HAZOP分析过程中，着重对装置安全运行，环境污染，易导致人身伤害的火灾、爆炸及中毒事故等因素进行分析讨论，以关键词为引导，详细分析了流量、压力、温度、液位、组分等引导词，列出了这些因素的偏差可能引起的后果。然后对存在的问题提出补充措施，使得最终的风险程度降低至R2以下。部分需要改进的措施列出如下：

（1）为避免因操作失误（开、关错阀门）导致液位升高而发生溢流、烫伤事故，在液硫过滤机出口阀增设铅封开（CSO）、放净阀增设铅封关（CSC）。

（2）为防止液硫储槽因压力过高而发生破裂等，在其顶部增设现场压力表、高液位报警系统。

（3）为防止误开旁路阀导致浓酸循环槽（V0301）液位过低，应对调节阀（LV0302）旁路阀增设CSC。

（4）为控制水洗塔液位，防止水回流至液硫槽而发生爆炸，对水洗塔增设高液位报警装置，液位高限需低于尾气进口管底部；在底部排污阀设旁路，旁路上设电磁阀，液位计与电磁阀联锁，液位达到高高限时电磁阀自动打开进行排水。

（5）为防止开车时煤气泄漏发生火灾、爆炸等，在点火系统煤气总管上设置电磁阀并将其与可燃气体检测报警器联锁；在升温系统中，对空气和天然气混合管加装阻火器。

（6）为防止易泄漏处发生腐蚀、灼伤，在干燥塔、一吸塔、二吸塔、循环酸泵、出口阀门法兰处采取防护措施。

表6 HAZOP分析记录表

（7）为防止烟酸罐液位高时溢流造成中毒、环境污染事故，在管道进口设电磁阀，与高高液位连锁，液位达到高高液位时，可自动切换，并保证备用罐有足够容积进行倒罐。

4 结语

经过对硫酸装置的流程描述，分析了装置工艺过程中可能存在的潜在危险源，将风险矩阵与HAZOP分析结合运用，在基础设计阶段从工艺安全角度对硫酸装置的危险性和风险程度重新进行了全面的识别，并在此基础上从本质安全设计、自动联锁、监控报警、安全管理等方面提出措施以控制风险，建议在后续设计中进一步改进，这些建议的提出有助于该装置详细设计的完善，以满足本质安全的要求。

[1]张振全,张曼曼.硫酸生产工艺的发展状况[J].广东化工,2012,39(16):97-98,103.

[2]杨仕刚,王三明.定量风险矩阵在HAZOP分析中的应用研究[J].煤炭技术,2013,32(1):242-244.

[3]李志红.硫磺制酸生产危险性及安全对策措施分析[J].中国公共安全,2013(3):33-36.

[4]詹海青,王善策.硫酸生产工艺装置危险因素分析及防范的探讨[J].中国锰业,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年生本科工程师从事化工安全评价工作