第二节　化工过程本质安全研究技术

一、本质安全概念

本质安全概念最初起源自第二次世界大战结束后的世界宇航技术界,当时主要是指电气系统具备防止可燃物燃烧时释放能量的安全性。英文中的本质安全(inherent safety)具有“本质的”“内在的”“固有的”等含义,所以本质安全也常被称作内在的安全、固有的安全。不同于依靠人员管理来实现安全,本质安全强调机械设备、工艺过程、生产装置等生产方面上的安全。化工生产中化学反应种类繁多、生产工艺复杂,实际上是本质不安全,但可以通过工艺设计、工程控制及应急处置等手段,使生产设备或生产系统本身具有安全性。

实现本质安全,同时要保证工艺安全、设备安全和管理有效。人们通常把安全事故归因于管理问题,认为管理问题是引发事故的关键因素。我们在追求先进技术方法的同时,也需要提高管理水平,特别是重视变更管理。本质安全需要关注的两种技术措施分别为安全设计和安全防护。安全设计作为实现本质安全的一种技术理念,在各个技术工程领域得到了广泛应用。在进行本质安全设计时,首先要辨识系统中可能存在的危险源,然后针对辨识出来的危险源,选择消除、控制等效果最好的技术方法,并体现在后续的工程设计中。由于不同系统中存在的危险源不同,因此采取的具体技术措施也不尽相同。

通过本质安全设计,可以消除或控制系统中的危险源,从而达到降低系统危险性的目的,然而在系统中仍然存在着“残余危险”。系统中的残余危险经常会高于可接受的危险水平,此时就需要通过进一步采取安全防护措施,降低系统存在的危险性直至达到可接受的水平为止。从发挥作用的原理上区分,安全防护措施可以分为被动防护措施与主动防护措施两种。被动防护措施主要是指一些没有动作的部件被动地减缓、限制能量释放或者危险物质意外释放的物理屏蔽;主动防护措施则是指检查非正常状态并使系统处于安全状态的报警、联锁,甚至紧急停车等控制措施。

二、化工过程本质安全及研究技术

化工行业作为国民经济的基础行业,为社会的发展和进步提供了重要的物质基础,但同时它也是高危行业。由于化工生产通常具有有毒有害、易燃易爆、高温高压等危险特性,火灾、爆炸、泄漏和中毒等安全事故频繁发生,不仅造成了人员伤亡和财产重大损失,同时也对环境造成了持久的破坏。在世界范围内,化学工业生产规模不断扩大,化工生产过程中的潜在危险也随之增加,化工生产过程中存在的危害也被广泛的关注,促进了全世界对安全技术的研究。

传统上通过在危险源与人、物及环境之间建立保护层等技术方法和手段达到控制危险的目的,这种依靠附加安全系统的传统方法在一定程度上改善了化工行业的安全状况,但该方法在实施过程中也存有诸多弊处。首先,在建立保护层及后期维护过程中投入很高,包括最初的设备装置投入、安全培训、维修保养费用等;其次,保护层在失效后其自身也有可能成为新的危险源,一旦发生事故,后果可能更加严重;最后,保护层只起到限制危险的作用,但危险仍然存在,在某种诱因的作用下,仍然有可能会引发事故,这就增加了事故发生的突然性。面对这种现状,人们亟需找到一种新的安全技术手段,从源头上尽可能地消除危险,即“本质”安全化。20世纪70年代,英国教授克莱兹(Trevor Kletz)首次提出了化工过程本质安全化的概念,赋予了过程安全的新含义。他指出,避免化学工业中重大事故发生最有效的手段,不是通过依靠更多、更可靠的附加安全设施,而是在根源上消除或者减少系统内发生重大事故的可能性,通过工艺设计,达成减少或者消除工艺过程中潜在危险的目的,使之达到可接受的水平。在1985年,克莱兹把化工工艺过程中的本质安全归纳为五条基本原理:最小化/强化、替代、缓和、后果影响控制和简化。1991年克莱兹又提出了六条基本原则来定义“本质安全化”,内容如表2⁃6所示。1997年,欧盟的INSIDE项目探讨了欧洲本质安全技术在过程工业中的应用情况,并验证了在化工行业中本质安全设计方法的应用是可行的。2001年,Mansfield提出了关于本质安全的健康环境分析方法工具箱(INSET)理论,其中包含多达31种本质安全设计的方法,在总体上可分为四个过程:化学路线选择、化学路线的具体评估分析、工艺过程设计及工艺设备设计。

表2⁃6　本质安全化通则

化工行业中,大多数原材料及工艺过程都具有危险性,想要完全消除这些危险是不可能的,但可以通过合理地利用本质安全相关理论,并使之能够与化工过程更好地结合,做到在最大程度上减少或消除化工生产过程中存在的潜在危险。

在化工本质安全设计中,先进的设计技术在保障安全生产方面具有重要作用,主要体现在原料路线、反应路线及反应条件三个方面,特别是针对化学反应过程中的危险性进行深入和透彻的分析,例如:化学物质的危险性评估、化学物质的不稳定性分析、反应放热预测、反应过程的压力变化、爆炸性气体的形成、爆炸范围分析等。本质安全设计目的是要从根本上减少或消除危险源[5],长远来看,本质安全设计不仅减少了对外部安全装置的使用及维护费用,同时降低了事故的危害及事故发生所造成的经济损失、社会影响和环境污染,具有一定的经济优势。在化工技术不断发展的今天,仍然有一些本质上不太安全的技术在广泛使用,作为研究者应该不断寻找本质上更为安全的替代方法。探索本质上更安全的工艺也许需要很大的投资,但是,本质安全化新技术的研发和应用,会给化学工业带来更可靠、更经济的前景。