摘要： 本課題根據(jù)多條二氧化氯（ClO2） 生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合投產(chǎn)后的成果，從自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)角度，對(duì)ClO2生產(chǎn)線上的防爆區(qū)域劃分、儀表防爆需求、可燃與有毒氣體探測(cè)器的設(shè)置、危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP） 分析、儀表安全完整性等級(jí)（SIL） 劃分、安全儀表控制系統(tǒng)（SIS） 的設(shè)置等方面進(jìn)行了總結(jié)。ClO2制備系統(tǒng)的自控安全措施，能夠確保ClO2制備過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：二氧化氯；自控措施；安全生產(chǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS733 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 021

隨著全球漂白硫酸鹽制漿的快速發(fā)展，二氧化氯（ClO2） 作為一種高效、環(huán)保的漂白劑[1]，在化學(xué)法制漿中得到了廣泛應(yīng)用。然而，ClO2具有強(qiáng)氧化性，其生產(chǎn)過(guò)程涉及強(qiáng)氧化劑的使用和高濃度的化學(xué)反應(yīng)，若操作不當(dāng)或管理不嚴(yán)，極易引發(fā)安全事故。因此，在ClO2制備和儲(chǔ)存過(guò)程中伴隨的安全隱患不容忽視。本課題根據(jù)設(shè)計(jì)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)ClO2制備系統(tǒng)設(shè)置的自控安全措施進(jìn)行深入研究分析和總結(jié)。

1 ClO2在化學(xué)制漿工業(yè)中的應(yīng)用

ClO2 是一種黃綠色氣體，具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，在水中的溶解度較高[1]，穩(wěn)定性較好。ClO2具有強(qiáng)氧化性，氧化能力僅次于臭氧，相同質(zhì)量時(shí)，ClO2的氧化能力是氯氣的2.63倍，次氯酸鈉的2.76倍。與傳統(tǒng)的氯氣漂白相比，ClO2漂白具有更高的選擇性，對(duì)碳水化合物作用緩慢，能夠在有效破壞有機(jī)色素分子中的發(fā)色基團(tuán)，達(dá)到漂白目的的同時(shí)，最大限度地避免對(duì)紙漿纖維的損傷，提高紙張的強(qiáng)度和白度[2]?；谝陨显?，ClO2在紙漿漂白過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)較少，對(duì)環(huán)境的污染較小。

2 ClO2制備系統(tǒng)的基本工藝流程及危險(xiǎn)源

2. 1 ClO2制備工藝流程

ClO2制備有多種生產(chǎn)工藝方法，其中綜合法所需的資源和能源只有水、食鹽和電，生產(chǎn)過(guò)程中僅需補(bǔ)充少量氯氣，因此常用于制漿生產(chǎn)線。綜合法的主要生產(chǎn)工藝是通過(guò)電解食鹽產(chǎn)生氯酸鈉，再與鹽酸反應(yīng)[3]。該過(guò)程涉及化學(xué)反應(yīng)、氣體生成與輸送等環(huán)節(jié)，潛在的安全隱患包括化學(xué)品泄漏、爆炸、中毒等。因此，在制備過(guò)程中必須采取嚴(yán)格的安全技術(shù)措施。

ClO2制備系統(tǒng)綜合法（電解食鹽法） 的主要化學(xué)反應(yīng)如式（1）～式（3）所示[4]。

ClO2制備系統(tǒng)綜合法的簡(jiǎn)易流程圖如圖1所示。

2. 2 ClO2制備安全隱患

2. 2. 1 泄漏風(fēng)險(xiǎn)

ClO2制備過(guò)程中涉及多種強(qiáng)腐蝕性化學(xué)品，如氯酸鈉、鹽酸等，多種可燃有毒氣體，如氫氣、氯氣、ClO2等，這些化學(xué)品或可燃、有毒氣體若發(fā)生泄漏，不僅會(huì)污染環(huán)境，還可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等安全事故。

2. 2. 2 操作過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)

ClO2的制備過(guò)程需要嚴(yán)格的溫度和壓力控制，若操作不當(dāng)，如溫度過(guò)高或壓力過(guò)大，可能導(dǎo)致反應(yīng)失控，引發(fā)安全事故。

3 ClO2制備系統(tǒng)關(guān)鍵安全自控技術(shù)措施

ClO2制備系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中，主要采用集散控制系統(tǒng)（DCS） 進(jìn)行集中操作管理和控制，對(duì)超限過(guò)程參數(shù)設(shè)置聲光報(bào)警和聯(lián)鎖系統(tǒng)。為進(jìn)一步確保生產(chǎn)裝置安全性，防止事故發(fā)生，降低事故造成的后果[5]，還需設(shè)置聯(lián)鎖控制優(yōu)先級(jí)別更高、與裝置安全等級(jí)相適應(yīng)的安全儀表控制系統(tǒng)（SIS），用于生產(chǎn)裝置緊急事故切斷和聯(lián)鎖控制。

除采用DCS、SIS等控制系統(tǒng)外，ClO2制備系統(tǒng)的自控設(shè)計(jì)，還需要一些自控技術(shù)措施來(lái)保證生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。

3. 1 防爆區(qū)域劃分、儀表防爆等級(jí)選擇

防爆區(qū)域的劃分是ClO2 制備系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)氫氣的爆炸極限、閃點(diǎn)等特性，結(jié)合車(chē)間的工藝流程和設(shè)備布局，將車(chē)間劃分為不同的防爆區(qū)域。在ClO2制備系統(tǒng)中，儀表防爆是車(chē)間安全的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)選用符合防爆要求的儀表，如本質(zhì)安全型、隔爆型等。

3. 1. 1 防爆區(qū)域劃分

防爆區(qū)域劃分是根據(jù)車(chē)間內(nèi)可能存在的爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間來(lái)確定的。在ClO2制備系統(tǒng)中，分為0區(qū)和2區(qū)；其中，0區(qū)包括氫氣放空排放口和鹽酸爐尾氣洗滌塔排放口半徑3 m范圍內(nèi)；2區(qū)包括氫氣放空排放口和鹽酸爐尾氣洗滌塔排放口半徑4.5 m范圍內(nèi)，氯酸鈉反應(yīng)器防爆膜泄放口半徑4.5 m范圍內(nèi)，除氣器防爆膜泄放口半徑4.5 m范圍內(nèi)。

3. 1. 2 儀表防爆等級(jí)的選擇

防爆區(qū)域的劃分決定了在不同區(qū)域內(nèi)，應(yīng)區(qū)分使用不同種類(lèi)的防爆設(shè)備和儀表。儀表防爆等級(jí)是根據(jù)儀表在爆炸性環(huán)境中使用時(shí)所能承受的爆炸壓力和溫度來(lái)確定的。通常，儀表防爆等級(jí)可分為以下等級(jí)。

本質(zhì)安全型（intrinsic safety，IS，以下簡(jiǎn)稱(chēng)本安型）：本安型儀表在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物。這種儀表的防爆性能最好，適用于0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。

隔爆型（flameproof）：隔爆型儀表具有能承受內(nèi)部爆炸性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部爆炸向外殼周?chē)ㄐ曰旌衔飩鞑サ母舯鈿?。適用于1區(qū)和2區(qū)。

在ClO2制備系統(tǒng)中，0區(qū)位于室外高處，無(wú)儀表和自控閥門(mén)布置在此范圍內(nèi)。因此，主要考慮2區(qū)氯酸鈉反應(yīng)器和除氣器防爆膜泄放口半徑4.5 m范圍內(nèi)的儀表和閥門(mén)類(lèi)型選擇。位于2 區(qū)的儀表和自控閥門(mén)，應(yīng)選擇本安型或隔爆型，區(qū)別在于：本安型儀表需要和本安電纜，安全柵一起實(shí)現(xiàn)功能，且本安電纜需要單獨(dú)的橋架敷設(shè)。隔爆型儀表可用普通電纜，并且不需要在DCS 一側(cè)安裝安全柵，施工更為簡(jiǎn)單。此外，布置在防爆區(qū)域的接線箱也需要滿(mǎn)足防爆要求。

在選擇防爆儀表時(shí)，除了考慮防爆等級(jí)，還需要考慮儀表的精度、穩(wěn)定性、可靠性等性能指標(biāo)，以及車(chē)間的具體工藝要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)合理選擇和配置防爆儀表，可以有效提高ClO2 制備系統(tǒng)的安全水平，確保車(chē)間的安全生產(chǎn)。

3. 2 可燃、有毒氣體探頭的設(shè)置

ClO2制備過(guò)程中涉及多種可燃、有毒氣體，其制備、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，若發(fā)生泄漏、積聚可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，對(duì)員工健康和企業(yè)財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

在ClO2制備系統(tǒng)儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，設(shè)置可燃、有毒氣體探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度，預(yù)防泄漏事故，確保ClO2制備產(chǎn)線的安全生產(chǎn)。

實(shí)際應(yīng)用中，分布在各個(gè)區(qū)域的檢測(cè)探頭，多次在氣體泄漏事件中能及時(shí)發(fā)出警報(bào)，為操作人員提供了寶貴的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，有效避免了事故的發(fā)生。

為了防止可燃、有毒氣體的泄漏和積聚，在設(shè)置探頭時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣體的性質(zhì)、密度等因素，合理選擇探頭的類(lèi)型和安裝位置，確保其能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)到氣體的泄漏，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3. 2. 1 氣體特性與監(jiān)測(cè)需求分析

在ClO2生產(chǎn)過(guò)程中，可能產(chǎn)生的易燃易爆氣體主要是氫氣，而有毒氣體則主要包括氯氣、氯化氫、ClO2 等。這些氣體具有不同的物理化學(xué)特性，如密度、擴(kuò)散性、腐蝕性等。因此，為了有效監(jiān)測(cè)這些氣體，滿(mǎn)足安全監(jiān)測(cè)要求，需要選擇適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器類(lèi)型，并確定其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如量程、精度、響應(yīng)時(shí)間等。

3. 2. 2 氣體探測(cè)器選用

對(duì)于氫氣等易燃易爆氣體，一般選擇催化燃燒型探測(cè)器。對(duì)于氯氣和ClO2等有毒氣體，電化學(xué)探測(cè)器因具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，是常用的選擇。氫氣量程為0～100%LEL（爆炸下限）；有毒氣體量程為0～300%OEL（職業(yè)接觸限值）。由于氯氣有極強(qiáng)的吸附性，氯氣探測(cè)器不能滿(mǎn)足上述要求，其量程宜為0～30%IDLH （直接至害濃度）。在ClO2制備系統(tǒng)中，通常要求響應(yīng)時(shí)間lt;30 s。

氣體探測(cè)器還應(yīng)設(shè)定合適的報(bào)警值，當(dāng)可燃或有毒氣體濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，探頭應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)立即發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并觸發(fā)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)措施。

3. 2. 3 探頭布置優(yōu)化

分析車(chē)間內(nèi)的氣流情況、設(shè)備布局和潛在泄漏點(diǎn)，確定可燃或有毒氣體可能擴(kuò)散的路徑和積聚區(qū)域。確定探頭的最佳布置數(shù)量、位置，確保全面覆蓋潛在泄漏區(qū)域，避免盲區(qū)。

ClO2 制備系統(tǒng)可燃、有毒氣體泄漏積聚區(qū)域見(jiàn)表1。其中氫氣輕于空氣，安裝在車(chē)間頂部或靠近頂部的位置；氯氣、ClO2、氯化氫重于空氣，安裝在車(chē)間底部。

3. 3 危險(xiǎn)與可操作性分析及儀表SIL等級(jí)設(shè)置

對(duì)ClO2制備系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析，根據(jù)結(jié)果合理設(shè)置儀表的安全完整性等級(jí)（SIL），對(duì)于確保工藝安全、減少事故風(fēng)險(xiǎn)及提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

3. 3. 1 危險(xiǎn)與可操作性分析方法

HAZOP分析是一種結(jié)構(gòu)化的危險(xiǎn)分析方法，通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程中的偏差進(jìn)行識(shí)別、分析和評(píng)估，找出可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的原因和后果，并制定相應(yīng)的安全措施，對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防和控制。

通常，HAZOP分析步驟為：①將整個(gè)工藝劃分為多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)；②在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)，分析其可能偏離設(shè)計(jì)意圖的情況；③針對(duì)偏差預(yù)測(cè)其可能導(dǎo)致的后果，評(píng)估現(xiàn)有的保護(hù)措施是否足夠有效；④若發(fā)現(xiàn)保護(hù)措施存在不足或缺陷，提出具體的改進(jìn)建議。HAZOP分析的過(guò)程和結(jié)果記錄作為工藝安全管理的重要文檔保存，并用于指導(dǎo)后續(xù)的工藝改進(jìn)和安全管理工作。

ClO2制備系統(tǒng)HAZOP分析過(guò)程文件見(jiàn)表2，僅選擇其中2條進(jìn)行示意。

3. 3. 2 儀表SIL的設(shè)置

SIL是衡量?jī)x表在安全功能方面的性能指標(biāo)。在ClO2制備系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)工藝過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全要求，選擇適當(dāng)SIL的儀表。一般來(lái)說(shuō)，高SIL的儀表具有更高的可靠性和安全性，能夠在關(guān)鍵時(shí)刻準(zhǔn)確執(zhí)行安全功能，降低事故發(fā)生的概率。

ClO2制備系統(tǒng)SIL報(bào)告見(jiàn)表3（僅選擇其中2條進(jìn)行示意）。

3. 4 SIS

SIS是為了確保生產(chǎn)過(guò)程的安全、穩(wěn)定以及防止?jié)撛谑鹿拾l(fā)生而設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)。在ClO2制備系統(tǒng)中，采用SIS尤為必要。

3. 4. 1 SIS功能

SIS通過(guò)其配備的高精度傳感器和儀表，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種關(guān)鍵參數(shù)，并持續(xù)分析和處理。當(dāng)某個(gè)參數(shù)超出預(yù)設(shè)的安全范圍時(shí)，SIS會(huì)立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒操作人員注意并采取相應(yīng)的措施。

SIS檢測(cè)到生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況或潛在危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)立即觸發(fā)預(yù)設(shè)的安全聯(lián)鎖動(dòng)作，以防止事故的發(fā)生或減輕事故的后果。這種及時(shí)響應(yīng)和緊急停車(chē)的能力，是SIS在生產(chǎn)安全防護(hù)中的核心作用之一。SIS能夠在毫秒級(jí)[6]的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，從而最大程度地減輕潛在事故對(duì)人員、設(shè)備和環(huán)境的影響。

在ClO2制備系統(tǒng)中，安全聯(lián)鎖可以應(yīng)用于以下場(chǎng)景：①ClO2發(fā)生器溫度高報(bào)，高高高聯(lián)鎖關(guān)閉蒸汽進(jìn)料；②氣體分離器壓力，高高聯(lián)鎖關(guān)弱氯酸鹽加熱器蒸汽進(jìn)料閥。

3. 4. 2 與其他系統(tǒng)的協(xié)同與聯(lián)動(dòng)

在ClO2 制備系統(tǒng)中，主要生產(chǎn)過(guò)程采用DCS 進(jìn)行控制。SIS與生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)在控制層面上實(shí)現(xiàn)協(xié)同。在正常生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持工藝的穩(wěn)定并優(yōu)化生產(chǎn)效益。當(dāng)SIS檢測(cè)到潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)或異常情況時(shí)，可迅速介入，通過(guò)安全聯(lián)鎖動(dòng)作切斷危險(xiǎn)源或調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)，確保生產(chǎn)安全。這種協(xié)同控制機(jī)制使SIS能夠在關(guān)鍵時(shí)刻接管控制權(quán)，避免事故發(fā)生。

3. 4. 3 SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

ClO2制備系統(tǒng)的SIS配置獨(dú)立的控制機(jī)柜、操作員站等。SIS獨(dú)立于生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS） 之外，以避免因DCS故障而導(dǎo)致SIS失效。同時(shí)，SIS的傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行器也應(yīng)相互獨(dú)立，以確保系統(tǒng)的可靠性。

此外，ClO2制備系統(tǒng)中的鹽酸合成裝置，須采用具備SIL 的PLC 安全系統(tǒng)進(jìn)行控制。為保證操作安全，PLC安全系統(tǒng)配備現(xiàn)場(chǎng)操作盤(pán)、遠(yuǎn)程開(kāi)車(chē)及聯(lián)鎖功能。該P(yáng)LC安全系統(tǒng)大多信號(hào)通過(guò)通信方式與DCS整合，少量信號(hào)通過(guò)硬接線方式，連接到DCS。PLC安全系統(tǒng)負(fù)責(zé)開(kāi)車(chē)和停車(chē)的順序控制，DCS用于過(guò)程控制和“首出報(bào)警”功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題從自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，探討了綜合法二氧化氯制備系統(tǒng)需要采取的自控安全措施，包括防爆區(qū)域的劃分、儀表防爆的選擇、可燃與有毒氣體探頭的設(shè)置、危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP） 分析、儀表安全完整性等級(jí)（SIL） 及安全儀表系統(tǒng)（SIS）的采用等方面。這些措施可以顯著提高二氧化氯制備系統(tǒng)的安全性。

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（責(zé)任編輯：楊苗秀）