合成气制氢装置的安全管理

崔本亮，明红军，陈萍

(成都艾尔普气体产品有限公司，四川 成都 611930)

0 引言

成都艾尔普气体产品有限公司合成气制氢装置设计产能为每小时生产100 000 m3氢气和28 300 m3合成气，生产过程中涉及高温、深冷、易燃易爆、有毒有害等危害因素，对合成气制氢装置的安全管理提出了更高的要求。

1 合成气制氢装置工艺简述

公司合成气制氢装置采用天然气和水蒸气转化法生产氢气，然后用aMDEA 溶剂(二甲基二乙醇胺和哌嗪的一种混合物，德国巴斯夫公司专利产品)脱二氧化碳，再用一氧化碳循环制冷，深冷冷箱甲烷洗产生合成气和粗氢。粗氢经过膜分离净化工艺技术路线，转化工艺采用荷兰Technip 公司技术，合成气深冷分离+膜分离净化氢气技术采用美国空气化工公司技术。

原料天然气含有硫化物，加氢使其转化为硫化氢后，硫化氢在精脱硫剂上吸附脱除。无硫原料气与水蒸气混合，混合预热后送入转化炉，原料气和水蒸气经转化炉管内的镍基催化剂催化后，转化成含H2、CO、CO2、水蒸气和甲烷的转化气；转化气经蒸汽发生器冷却后进入高温变换反应器，在铁基催化剂的作用下，CO 和H2O 进一步发生反应，生成氢气和二氧化碳[1]。为了控制高温变换反应器出口CO 含量，自蒸汽发生器来的转化气一部分经过高温变换反应器，另一部分送至高温变换保护反应器，然后再汇合；自高温变换的变换气经回收热量后，再经变换气冷却器冷却，分离水分后进入脱除CO2单元，工艺气经过脱除CO2后送至冷区进一步提纯；自脱碳单元来的合成气，首先进入急冷系统，冷却至10 ℃，然后进入变温吸附干燥器脱除痕量的CO2和水；自变温吸附干燥器来的提纯后的合成气，进入冷箱，在冷箱中经过甲烷洗涤、精馏，从粗合成气中分离出氢气和H2/CO 合成气产品。深冷分离过程主要通过一系列精馏塔和分离罐完成产品分离，这些设备集成于两台冷箱内，撬装供货。冷箱中冷源由压缩CO 循环制冷。自冷箱来的粗氢，送至产品氢膜分离系统，提纯后产品氢的纯度＞99.9%，然后外送至氢气总管网。

合成气/制氢工艺流程示意图如图1 所示。

图1 合成气/制氢工艺流程示意图

2 合成气制氢装置的危险因素

合成气制氢厂生产过程中涉及的危险化学品主要有天然气、氢气、氨水(含氨＞10%)、丙烷、合成气(氢气与一氧化碳比值约1∶1)、硫化氢。根据《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品名录的通知》(原安监总管三〔2011〕95号)、《国家安全监管总局关于公布第二批重点监管危险化学品名录的通知》(原安监总管三〔2013〕12号)的规定，氢(氢气)、天然气、硫化氢、一氧化碳(合成气)属于首批重点监管的危险化学品。

合成气制氢装置具有高危险性、涉及危险物料，而石油化工装置工艺条件要求严格、可靠性要求非常高、现场特种设备数量众多，稍有不慎就会发生事故，根据GB6441—86《企业职工伤亡事故分类标准》，合成气制氢装置运行过程中主要存在火灾、爆炸、容器爆炸、中毒窒息、机械伤害、化学灼伤、低温冻伤、高温烫伤、触电、噪声、起重伤害、高处坠落、物体打击、车辆伤害等[2]。

3 合成气制氢装置的安全管控措施

3.1 合成气制氢装置工程设计安全管控措施

在本质安全上下功夫，装置设计根据建设工程标准、法律法规和设计标准的要求以及公司条件和下游装置需求，按照技术可行性、经济合理性的原则选择符合法规要求的工艺路线、设备，禁止使用国家明令淘汰的设备。设计之初预判泄漏风险，并加强对泄漏防控的设计，对于氢气生产装置，氢气分子较小、更易泄漏，在管道设计中可以以焊接为主，在符合国家规范要求的前提下，凡是能够焊接的尽量不用法兰连接，合成气制氢装置控制阀门大都是焊接连接。产生大量蒸汽、气体的工作场所，需使用密闭式电气设备；有爆炸危险的气体工作场所，需使用防爆型电气设备。为便于安全阀门的检修和年度校验，安全阀在设计上设置为双安全阀门，其中一个安全阀门在线则可满足泄压要求，两个阀门的根部阀门用intern-lock锁进行互锁，避免在装置运行期间两个安全阀同时关闭，确保超压泄压的可靠性。对于高毒性的一氧化碳和易燃易爆的氢气、天然气等的排放，直接排入火炬系统，避免就地排放引起人员中毒或发生火灾爆炸。

合成气制氢装置采用可靠的集散控制系统(DCS)，实现了生产过程的正常操作、开停车操作以及生产过程数据采集、信息处理和生产管理的集中控制，并对重要的参数设计自动调节以及越限报警和联锁系统。

合成气制氢装置设置了独立的安全仪表系统(SIS)，带有自动控制及报警联锁系统，工艺关键的被检测点如超限或发生故障，控制室发出报警，提醒工作人员采取相应措施。联锁接点由SIS 紧急停车系统输出至相应的切断阀或电气联锁回路，必要时启动自动停车程序，确保生产装置和人身安全。

针对化工生产中出现的加热炉炉膛爆炸事故，装置的转化炉设计带有燃烧器管理系统(BMS)，在转化炉点火前，对炉膛的燃料气系统先用氮气进行气密测试，气密合格后在规定时间内进行炉膛点火，并确保点火前炉膛内没有可燃气体泄漏，避免炉膛爆炸事故发生。炉膛内设有火焰监视器，根据开车停车的条件不同，设计不同的连锁停车逻辑，确保火嘴燃烧正常。在装置现场设有火灾自动报警系统和稳高压消防水系统，便于及时发现火情并处置；设有可燃有毒气体报警系统，若泄漏可及时报警；厂区重点部位和重点设备设有工业视频系统，可在控制室内24 小时远程监控。

3.2 合成气制氢装置投用前的安全风险管控措施

按照安全生产的法规要求，严格执行“安全三同时”“职业卫生三同时”管理，确保安全设施和职业卫生设施正常投用、可靠运行。

加强从业人员岗位安全培训，考核合格后方可上岗。成都艾尔普气体产品有限公司员工经安全培训合格后上岗，特种作业人员均取得特种作业操作证；建立健全安全教育培训制度，对员工实行公司、车间、班组三级安全教育，公司制定详细的操作人员培训计划，操作人员在国内相似装置培训一年后，可参与到操作手册的翻译校对中；通过现场学习和装置前期准备，全体操作人员掌握装置操作技能，为装置开车和运行做好了人员准备。在装置未中交前提前进入装置现场，理论联系实际、分组讨论学习、严格进行工艺考核，考核合格后方可上岗，确保证装置安全、无事故运行。装置中交后，工艺生产人员按照PID 图纸对管线、阀门、仪表、设备逐一核对，三查四定，查漏消缺。

公司设置专职安全管理机构，配备安全负责人和专职安全管理人员。安全负责人和安全管理人员经过当地应急管理部门培训合格后上岗，并定期接受再教育培训，所有专职安全管理人员均具有注册安全工程师任职资格。

加强单体设备的验收工作，制定科学可行的试车方案，严格进行单车试车和联动试车，确保设备的可靠运行；严格进行检漏、试漏，在装置整体开车前进行气密性试验，用LDAR 系统检测等方式检查泄漏点，一经发现及时处置；加强在线仪表调校，运行时通过在线浓度成分分析、压力或液位测定有关参数变化监控装置生产；在装置现场设置环境可燃及有毒气体浓度检测仪，对环境进行全面监测。

3.3 合成气制氢装置运行过程中的安全风险管控措施

工艺操作规程是企业基本的技术文件，公司股东方美国空气化工公司提供原版操作手册，并由操作团队翻译整理校对。工艺操作规程制定后，所有与生产有关的职能部门和职工都必须严格执行，生产过程中严格控制各工艺参数指标，杜绝超温、超压、超负荷现象。根据实际情况可随时对操作规程进行修订，若无变更，则每年对操作规程进行一次检查确认，每三年进行一次评审、修订。

加强防泄漏管理工作，定期使用LDAR 系统对法兰连接处和阀门进行全面检测，确保无气体泄漏。氢气着火时火焰为淡蓝色，白天不易发现，要求定期夜间闭灯试验，检查氢气是否有泄漏情况，若发现泄漏及时处理。在可能出现泄漏的场所保持良好通风条件，严格控制易燃易爆环境的点火源，对容易产生静电积聚的设备、管道采取防静电接地措施，并定期检测。

严格进行人员管理，要求员工掌握危险化学品有关劳动安全卫生技术知识、应急处理方法和自救措施。对从事毒害性、腐蚀性物料装卸的作业人员，加强个人防护，员工应按照规定穿戴劳动保护用品。公司冷箱为一氧化碳循环制冷冷箱，现场存在一氧化碳泄漏风险，另外氢气的爆炸极限较宽、点火能量极低，因此严格要求员工必须佩戴便携式大气监测仪方可进入现场，随时检测空气中的可燃气体和有毒气体含量。

加强对爆炸危险区域内电器的检查和维护，对爆炸区域内电气设施定期进行静电接地电阻检测，导体出现因腐蚀严重或其他原因引起的折断等情况时必须进行更换，确保接地设施有效。所有防雷防静电设施每年定期聘请具有检测资质的第三方进行检测，发现接地电阻值有较大变化时，对接地系统进行全面检查、及时维护，确保其完好性。

在防爆区域严禁吸烟，禁止穿带有铁钉的鞋具进入现场，装置周围禁止堆放油、脂等可燃性物质；严格控制进入厂区的车辆和人员，禁止带入火星或在生产区域内吸烟等可能产生火源的行为。

加强设备维护，各种压力表、安全阀、灭火器等必须在检测有效期内使用。此外，注意腐蚀对防爆电气设备的影响，及时更换被腐蚀损坏的设施，并定期对压力容器、压力管道及紧固件等设备设施进行无损探伤检测和测厚。

生产过程中的开停车及检修往往是事故多发过程，因此应严格执行工厂制定的开停车规程和检修操作规程，做好物料置换及检测等工作，避免事故发生。在检维修作业方面，对设备、管道动火应事先用符合压力等级的盲板切断可能进入设备、管道的物料，并进行吹扫、置换干净。严格执行能源隔离程序，公司配备了能源隔离锁、工厂锁、许可证锁、个人锁、承包商锁、小组锁，需要能源隔离的作业在作业前严格按照要求上锁挂签，隔离测试合格后方可开展检维修工作。动火作业严格实行许可制度，办理《动火作业安全许可证》前要将安全措施落实到位，动火作业全程监控大气环境，并在专业安全技术人员的监护下进行。有限空间作业需具有有限空间进入许可证、安全作业许可证、有限空间进入人员培训确认记录、危害辨识表、盲板隔离记录、进入前会议、救援计划、一般进入计划、大气监测记录、有限空间进出记录等表单，严格执行有限空间进入程序，备好防毒面具和防护用品，检修人员必须熟悉防毒面具的性能和使用方法，并设置专人监护。高处作业必须系好安全带，作业点下部禁止人员通行和逗留，六级以上大风、大雪、大雾、暴雨等恶劣环境和有职业禁忌的人员禁止高处作业。

在日常安全隐患排查管理中，公司借鉴了股东方美国空气化工的安全管理理念，根据公司安全文化的事故三角形，如图2 所示，针对人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素，开展事故预防技术(Accident Predictive Techniques)、未遂事故(NearMiss)、隐患排查治理、事故调查等事件应急管理工作，要求现场员工和长期承包商每月至少编写4 个APTs (accident predictive techniques)，对有价值的APT 给予奖励，实行正强化，激励员工积极性；要求全装置每年至少提交14 个未遂事故(near miss)，班组每日交接班时探讨一个或多个安全话题(safety contact)，经理和主管每月定期定量对员工讲述领导安全话题(leadshipe contact)。通过这些具有特色的安全管理方式，夯实基础安全管理，到目前为止公司未发生人员伤亡事故。

图2 事故三角形

严格进行变更管理，根据变更风险等级对变更进行分级管控，不同等级变更的风险辨识要求、参与审核专家、最终批准人员级别各有不同，变更完成后对涉及该变更的员工进行培训，并将变更文件及时存档。

4 合成气制氢装置应急管理措施

根据《生产经营单位生产安全事故应急预案编制导则》要求完善综合应急预案、专项应急救援预案和现场处置方案；进行事故风险评估和应急资源调查，并加强与当地政府相关部门的协作与沟通，汇报本企业的基本情况、危险特性以及发生事故后可能的波及范围、严重程度及应急救援措施，并将其相关内容编入《安全生产事故应急预案》中。公司根据自身情况编制了综合应急预案、专项应急预案和各种处置方案，并进行动态修订，三年评审备案一次[3]。

为了锻炼基层操作队伍的应急能力，公司将应急演练指挥权下沉，尽可能模拟装置发生紧急事故的现实状况，并且每次综合演练均与石化基地专职消防队联合演练。由班组组织演练，先由班长担任演练总指挥，班组成员根据任务分工担任角色，一级向一级汇报，一级向一级交指挥棒，做到演练贴合实战。应急预案演练结束后及时总结，对演练进行评估，分析存在的问题，并形成报告，对在演练中发现的问题积极组织整改，对预案与实际不符合的内容及时修订。在应急工作中，做到预警体系完备化、应急指挥体系完善化、救援队伍备战常态化、应急装备完好化、应急物资及时化。

5 结语

在合成气制氢深冷分离过程中，深入分析危险有害因素，并提出针对性控制措施，对人员安全、装置平稳运行、企业可持续发展有着重要意义。因此应加大对天然气高温转化、合成气制氢深冷分离技术的研究，不断优化装置操作以及事故预防方案，降低事故发生概率，确保安全生产。