HAZOP分析技术在氨裂解工艺中的应用

2018-01-05刘凯

中国新技术新产品 2018年22期

关键词：制氢

刘凯

摘要：目前我国核燃料循环企业使用液氨高温裂解的方式制取氢气。本文对危险和可操作性研究（HAZOP）分析技术进行了详细阐述，并用此方法对氨裂解反应单元进行了隐患分析和辨识，指出了可能造成的后果及应采取的合理可行的安全对策措施。

关键词：HAZOP；氨裂解；制氢

中图分类号：X937 文献标志码：A

Abstract： At present， hydrogen gas is produced by liquid ammonia pyrolysis in Chinas nuclear fuel cycle enterprises. This paper elaborates the Hazard and Operability Analysis （HAZOP） technology，and this method is used to analyze and identify the hidden danger of ammonia cracking reaction unit，points out the Possible consequences and reasonable and feasible safety measures should be taken.

Keywords： HAZOP；Ammonia Cracking；Hydrogen production

0 概述

核燃料循環过程中的铀转化部分需要使用氢气对UO3进行还原，生成UO2。我国核燃料循环企业目前使用液氨经高温裂解的方法制取氢气。该方法制得的气体是一种良好的保护气体，氨分解率可达99.9%，且裂解气体纯度极高。

液氨在工业上应用广泛，具有腐蚀性且容易挥发，所以其化学事故发生率很高。氨进入人体后会阻碍三羧酸循环，降低细胞色素氧化酶的作用，致使脑氨增加，可产生神经中毒作用。高浓度氨可引起组织溶解坏死。氨气与空气的混合气能引起爆炸，其爆炸极限（体积分数）为16%～25%。

氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，在空气中的爆炸极限（体积分数）为4%～75%。因此，氨裂解工序的安全生产对作业人员的健康和企业的财产安全非常重要。

本文使用危险和可操作性研究（HAZOP）分析技术，对液氨裂解工序在生产过程中的安全隐患进行分析，并提出相应的对策措施。

1 危险和可操作性研究方法（HAZOP）

危险和可操作性研究（Hazard and Operability Analysis，简称HAZOP）是一种基于引导词（guide-words）的、由多专业人员组成的研究组通过一系列的会议来实施的、对系统工艺或操作过程中存在的可能导致后果的各种偏差加以系统识别的定性分析方法。它是一种形式结构化的风险分析方法，该方法能够全面研究系统中的每一个部件。

该方法已经在欧美等国过程工业的风险分析中得到的广泛应用。

该方法研究的侧重点是工艺部分或操作步骤各种具体值。它的基本过程是以引导词为引导，对过程中工艺状态的变化（偏差）加以确定，找出装置及过程中存在的危害。引导词的主要目的是能够使所用相关偏差的工艺参数得到评价。典型的分析程序如图1所示。

HAZOP分析方法常见的引导词包括：NONE空白、LESS低（少）、MORE多、PART OF部分、AS WELL AS伴随、REVERSE相逆、OTHER THAN异常等。引导词用于两类工艺参数：

（1）概念性工艺参数（如反应、混合等）。

（2）具体工艺参数（如压力、温度、时间等）。

2 氨裂解制氢HAZOP分析过程

氨裂解工序：液氨贮存工序的液氨由液氨缓冲罐自然蒸发（当氨气供应不足时，启用液氨汽化器补充缓冲罐内氨气），经管道通入氨气过滤器，氨气过滤后经减压阀减压，进入氨分解装置（由热量交换器和分解炉组成），进入该装置的氨气经热量交换器预热后进入分解炉，分解炉中装有活化过的镍触媒，在氨分解炉的650℃～750℃高温环境和催化剂作用下发生裂解，生成氮气和氢气，裂解出的高温气体在热交换器中与氨气过滤器来的氨气进行换热，换热后温度降低到250℃左右。换热后的混合气体通过储气罐，经在线氢气检测仪监测氢气浓度达到55%以上后送入UO3还原工艺中。系统采用DCS自动控制系统。反应方程为：

2NH3→N2+3H2。

该工序运行前须使用氮气对工艺管线及设备进行吹扫。当目测排气清净无杂色物质时，在排气口处用白布做靶检查，5min后检测用靶布沾污面积不超过5%为吹扫合格。吹扫完成后须通氮气对系统的气密性进行检验。

2.1 分析准备

（1）成立研究组。HAZOP采用的是不同专业领域专家的“头脑风暴”法。实施HAZOP须先成立1个由各方面专家组成的研究组。组员应包括负责项目、调试、工艺、机电及安全方面的工程技术或管理人员。

（2）收集系统资料。其中包括氨裂解工艺的流程图、系统布置图、岗位操作规程和事故资料等。

（3）分解系统并选择研究节点。将氨裂解工艺过程分为3个单元：液氨供料单元、裂解反应单元、裂解产物单元。研究节点划分过小会导致大量的冗余工作，分析节点划分过大会使分析结果与实际不符。为便于开展HAZOP分析，本文选择危险性较突出的裂解反应单元进行分析辨识。

2.2 完成分析

（1）应用引导词。依次应用预先给定的引导词，分析裂解反应单元可能出现的偏差/导致偏差的原因及偏差可能造成的潜在后果。

（2）提出对策措施。对应用引导词发现的、有重要影响的原因提出合理可行的对策措施。

危险性和可操作性研究分析表见表1。

2.3 HAZOP分析结论

通过表1可见，可导致氨气或氢气泄漏，引起燃烧爆炸等重大后果的偏差有分解炉内无物料、物料量过少、物料量过多、压力过高、分解炉内有水或氧气等。

用HAZOP分析技术进行分析得出在正常生产运行情况下，现有的安全措施，如止回阀、紧急切断阀、紧急放空阀、氮气吹扫置换措施和备用电源等，基本能满足生产需要。但仍存在部分事故隐患，考虑到氨气及氢气泄漏的灾难性后果，建议对分解炉加装温度高低限报警仪，增设裂解气中氨气含量检测仪，对安全附件定期进行检查校验，对操作人员定期进行培训等。

通过HAZOP分析，找出了氨裂解反应单元的隐患点，提出了可行的安全对策措施，对系统的安全运行和优化提供了指导建议。

3 HAZOP分析技术应用展望

通过国内外的广泛应用证明，HAZOP分析技术对新、改、扩建项目设计初期或试运行阶段的隐患识别意义重大。它可以在主要设计变动不大的情况下，提高系统运行的安全性和可操作性。因此，对于工艺要求很严格的系统，企业应大力推广并使用HAZOP分析技術。

在使用HAZOP进行分析时，应注意以下几点：

（1）资料的完整性。在项目设计初期或试运行阶段，工艺方面的详细资料可能不完整，且无事故报告，因此需要随着分析的深入，逐步补充分析资料。

（2）分解系统和选择研究节点的重要性。对工艺系统的分析应全面、连续，但同时应抓住重点，明确目标，防止盲目纠缠于细节，且提出的措施应合理可行。

（3）全员参与，消除隐患。企业应将HAZOP分析技术向一线员工推广，鼓励各级员工参与危险性和可操作分析，从而消除分析小组人员不足导致的分析不完整等问题。

参考文献

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[2]张斌.HAZOP技术在丁辛醇装置上的应用研究[D].中国石油大学，2008.

[3]国家安全生产监督管理总局.安全评价[M].北京：煤炭工业出版社，2005：438.

[4]魏士杰.HAZOP安全评价技术在化工生产中的应用[J].化工管理，2018（3）：18-25，68.