劉凱

摘 要：目前我國(guó)核燃料循環(huán)企業(yè)使用液氨高溫裂解的方式制取氫氣。本文對(duì)危險(xiǎn)和可操作性研究（HAZOP）分析技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并用此方法對(duì)氨裂解反應(yīng)單元進(jìn)行了隱患分析和辨識(shí)，指出了可能造成的后果及應(yīng)采取的合理可行的安全對(duì)策措施。

關(guān)鍵詞：HAZOP；氨裂解；制氫

中圖分類(lèi)號(hào)：X937 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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(huán)過(guò)程中的鈾轉(zhuǎn)化部分需要使用氫氣對(duì)UO3進(jìn)行還原，生成UO2。我國(guó)核燃料循環(huán)企業(yè)目前使用液氨經(jīng)高溫裂解的方法制取氫氣。該方法制得的氣體是一種良好的保護(hù)氣體，氨分解率可達(dá)99.9%，且裂解氣體純度極高。

液氨在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，具有腐蝕性且容易揮發(fā)，所以其化學(xué)事故發(fā)生率很高。氨進(jìn)入人體后會(huì)阻礙三羧酸循環(huán)，降低細(xì)胞色素氧化酶的作用，致使腦氨增加，可產(chǎn)生神經(jīng)中毒作用。高濃度氨可引起組織溶解壞死。氨氣與空氣的混合氣能引起爆炸，其爆炸極限（體積分?jǐn)?shù)）為16%～25%。

氫氣是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空氣混合均有爆炸的危險(xiǎn)，在空氣中的爆炸極限（體積分?jǐn)?shù)）為4%～75%。因此，氨裂解工序的安全生產(chǎn)對(duì)作業(yè)人員的健康和企業(yè)的財(cái)產(chǎn)安全非常重要。

本文使用危險(xiǎn)和可操作性研究（HAZOP）分析技術(shù)，對(duì)液氨裂解工序在生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的對(duì)策措施。

1 危險(xiǎn)和可操作性研究方法（HAZOP）

危險(xiǎn)和可操作性研究（Hazard and Operability Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)HAZOP）是一種基于引導(dǎo)詞（guide-words）的、由多專(zhuān)業(yè)人員組成的研究組通過(guò)一系列的會(huì)議來(lái)實(shí)施的、對(duì)系統(tǒng)工藝或操作過(guò)程中存在的可能導(dǎo)致后果的各種偏差加以系統(tǒng)識(shí)別的定性分析方法。它是一種形式結(jié)構(gòu)化的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，該方法能夠全面研究系統(tǒng)中的每一個(gè)部件。

該方法已經(jīng)在歐美等國(guó)過(guò)程工業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析中得到的廣泛應(yīng)用。

該方法研究的側(cè)重點(diǎn)是工藝部分或操作步驟各種具體值。它的基本過(guò)程是以引導(dǎo)詞為引導(dǎo)，對(duì)過(guò)程中工藝狀態(tài)的變化（偏差）加以確定，找出裝置及過(guò)程中存在的危害。引導(dǎo)詞的主要目的是能夠使所用相關(guān)偏差的工藝參數(shù)得到評(píng)價(jià)。典型的分析程序如圖1所示。

HAZOP分析方法常見(jiàn)的引導(dǎo)詞包括：NONE空白、LESS低（少）、MORE多、PART OF部分、AS WELL AS伴隨、REVERSE相逆、OTHER THAN異常等。引導(dǎo)詞用于兩類(lèi)工藝參數(shù)：

（1）概念性工藝參數(shù)（如反應(yīng)、混合等）。

（2）具體工藝參數(shù)（如壓力、溫度、時(shí)間等）。

2 氨裂解制氫HAZOP分析過(guò)程

氨裂解工序：液氨貯存工序的液氨由液氨緩沖罐自然蒸發(fā)（當(dāng)氨氣供應(yīng)不足時(shí)，啟用液氨汽化器補(bǔ)充緩沖罐內(nèi)氨氣），經(jīng)管道通入氨氣過(guò)濾器，氨氣過(guò)濾后經(jīng)減壓閥減壓，進(jìn)入氨分解裝置（由熱量交換器和分解爐組成），進(jìn)入該裝置的氨氣經(jīng)熱量交換器預(yù)熱后進(jìn)入分解爐，分解爐中裝有活化過(guò)的鎳觸媒，在氨分解爐的650℃～750℃高溫環(huán)境和催化劑作用下發(fā)生裂解，生成氮?dú)夂蜌錃?，裂解出的高溫氣體在熱交換器中與氨氣過(guò)濾器來(lái)的氨氣進(jìn)行換熱，換熱后溫度降低到250℃左右。換熱后的混合氣體通過(guò)儲(chǔ)氣罐，經(jīng)在線氫氣檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)氫氣濃度達(dá)到55%以上后送入U(xiǎn)O3還原工藝中。系統(tǒng)采用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)。反應(yīng)方程為：

2NH3→N2+3H2。

該工序運(yùn)行前須使用氮?dú)鈱?duì)工藝管線及設(shè)備進(jìn)行吹掃。當(dāng)目測(cè)排氣清凈無(wú)雜色物質(zhì)時(shí)，在排氣口處用白布做靶檢查，5min后檢測(cè)用靶布沾污面積不超過(guò)5%為吹掃合格。吹掃完成后須通氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 分析準(zhǔn)備

（1）成立研究組。HAZOP采用的是不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业摹邦^腦風(fēng)暴”法。實(shí)施HAZOP須先成立1個(gè)由各方面專(zhuān)家組成的研究組。組員應(yīng)包括負(fù)責(zé)項(xiàng)目、調(diào)試、工藝、機(jī)電及安全方面的工程技術(shù)或管理人員。

（2）收集系統(tǒng)資料。其中包括氨裂解工藝的流程圖、系統(tǒng)布置圖、崗位操作規(guī)程和事故資料等。

（3）分解系統(tǒng)并選擇研究節(jié)點(diǎn)。將氨裂解工藝過(guò)程分為3個(gè)單元：液氨供料單元、裂解反應(yīng)單元、裂解產(chǎn)物單元。研究節(jié)點(diǎn)劃分過(guò)小會(huì)導(dǎo)致大量的冗余工作，分析節(jié)點(diǎn)劃分過(guò)大會(huì)使分析結(jié)果與實(shí)際不符。為便于開(kāi)展HAZOP分析，本文選擇危險(xiǎn)性較突出的裂解反應(yīng)單元進(jìn)行分析辨識(shí)。

2.2 完成分析

（1）應(yīng)用引導(dǎo)詞。依次應(yīng)用預(yù)先給定的引導(dǎo)詞，分析裂解反應(yīng)單元可能出現(xiàn)的偏差/導(dǎo)致偏差的原因及偏差可能造成的潛在后果。

（2）提出對(duì)策措施。對(duì)應(yīng)用引導(dǎo)詞發(fā)現(xiàn)的、有重要影響的原因提出合理可行的對(duì)策措施。

危險(xiǎn)性和可操作性研究分析表見(jiàn)表1。

2.3 HAZOP分析結(jié)論

通過(guò)表1可見(jiàn)，可導(dǎo)致氨氣或氫氣泄漏，引起燃燒爆炸等重大后果的偏差有分解爐內(nèi)無(wú)物料、物料量過(guò)少、物料量過(guò)多、壓力過(guò)高、分解爐內(nèi)有水或氧氣等。

用HAZOP分析技術(shù)進(jìn)行分析得出在正常生產(chǎn)運(yùn)行情況下，現(xiàn)有的安全措施，如止回閥、緊急切斷閥、緊急放空閥、氮?dú)獯祾咧脫Q措施和備用電源等，基本能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。但仍存在部分事故隱患，考慮到氨氣及氫氣泄漏的災(zāi)難性后果，建議對(duì)分解爐加裝溫度高低限報(bào)警儀，增設(shè)裂解氣中氨氣含量檢測(cè)儀，對(duì)安全附件定期進(jìn)行檢查校驗(yàn)，對(duì)操作人員定期進(jìn)行培訓(xùn)等。

通過(guò)HAZOP分析，找出了氨裂解反應(yīng)單元的隱患點(diǎn)，提出了可行的安全對(duì)策措施，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和優(yōu)化提供了指導(dǎo)建議。

3 HAZOP分析技術(shù)應(yīng)用展望

通過(guò)國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用證明，HAZOP分析技術(shù)對(duì)新、改、擴(kuò)建項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期或試運(yùn)行階段的隱患識(shí)別意義重大。它可以在主要設(shè)計(jì)變動(dòng)不大的情況下，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可操作性。因此，對(duì)于工藝要求很?chē)?yán)格的系統(tǒng)，企業(yè)應(yīng)大力推廣并使用HAZOP分析技術(shù)。

在使用HAZOP進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）資料的完整性。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期或試運(yùn)行階段，工藝方面的詳細(xì)資料可能不完整，且無(wú)事故報(bào)告，因此需要隨著分析的深入，逐步補(bǔ)充分析資料。

（2）分解系統(tǒng)和選擇研究節(jié)點(diǎn)的重要性。對(duì)工藝系統(tǒng)的分析應(yīng)全面、連續(xù)，但同時(shí)應(yīng)抓住重點(diǎn)，明確目標(biāo)，防止盲目糾纏于細(xì)節(jié)，且提出的措施應(yīng)合理可行。

（3）全員參與，消除隱患。企業(yè)應(yīng)將HAZOP分析技術(shù)向一線員工推廣，鼓勵(lì)各級(jí)員工參與危險(xiǎn)性和可操作分析，從而消除分析小組人員不足導(dǎo)致的分析不完整等問(wèn)題。

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