第二節　化工過程本質安全研究技術

一、本質安全概念

本質安全概念最初起源自第二次世界大戰結束后的世界宇航技術界,當時主要是指電氣系統具備防止可燃物燃燒時釋放能量的安全性。英文中的本質安全(inherent safety)具有“本質的”“內在的”“固有的”等含義,所以本質安全也常被稱作內在的安全、固有的安全。不同于依靠人員管理來實現安全,本質安全強調機械設備、工藝過程、生產裝置等生產方面上的安全。化工生產中化學反應種類繁多、生產工藝復雜,實際上是本質不安全,但可以通過工藝設計、工程控制及應急處置等手段,使生產設備或生產系統本身具有安全性。

實現本質安全,同時要保證工藝安全、設備安全和管理有效。人們通常把安全事故歸因于管理問題,認為管理問題是引發事故的關鍵因素。我們在追求先進技術方法的同時,也需要提高管理水平,特別是重視變更管理。本質安全需要關注的兩種技術措施分別為安全設計和安全防護。安全設計作為實現本質安全的一種技術理念,在各個技術工程領域得到了廣泛應用。在進行本質安全設計時,首先要辨識系統中可能存在的危險源,然后針對辨識出來的危險源,選擇消除、控制等效果最好的技術方法,并體現在后續的工程設計中。由于不同系統中存在的危險源不同,因此采取的具體技術措施也不盡相同。

通過本質安全設計,可以消除或控制系統中的危險源,從而達到降低系統危險性的目的,然而在系統中仍然存在著“殘余危險”。系統中的殘余危險經常會高于可接受的危險水平,此時就需要通過進一步采取安全防護措施,降低系統存在的危險性直至達到可接受的水平為止。從發揮作用的原理上區分,安全防護措施可以分為被動防護措施與主動防護措施兩種。被動防護措施主要是指一些沒有動作的部件被動地減緩、限制能量釋放或者危險物質意外釋放的物理屏蔽;主動防護措施則是指檢查非正常狀態并使系統處于安全狀態的報警、聯鎖,甚至緊急停車等控制措施。

二、化工過程本質安全及研究技術

化工行業作為國民經濟的基礎行業,為社會的發展和進步提供了重要的物質基礎,但同時它也是高危行業。由于化工生產通常具有有毒有害、易燃易爆、高溫高壓等危險特性,火災、爆炸、泄漏和中毒等安全事故頻繁發生,不僅造成了人員傷亡和財產重大損失,同時也對環境造成了持久的破壞。在世界范圍內,化學工業生產規模不斷擴大,化工生產過程中的潛在危險也隨之增加,化工生產過程中存在的危害也被廣泛的關注,促進了全世界對安全技術的研究。

傳統上通過在危險源與人、物及環境之間建立保護層等技術方法和手段達到控制危險的目的,這種依靠附加安全系統的傳統方法在一定程度上改善了化工行業的安全狀況,但該方法在實施過程中也存有諸多弊處。首先,在建立保護層及后期維護過程中投入很高,包括最初的設備裝置投入、安全培訓、維修保養費用等;其次,保護層在失效后其自身也有可能成為新的危險源,一旦發生事故,后果可能更加嚴重;最后,保護層只起到限制危險的作用,但危險仍然存在,在某種誘因的作用下,仍然有可能會引發事故,這就增加了事故發生的突然性。面對這種現狀,人們亟需找到一種新的安全技術手段,從源頭上盡可能地消除危險,即“本質”安全化。20世紀70年代,英國教授克萊茲(Trevor Kletz)首次提出了化工過程本質安全化的概念,賦予了過程安全的新含義。他指出,避免化學工業中重大事故發生最有效的手段,不是通過依靠更多、更可靠的附加安全設施,而是在根源上消除或者減少系統內發生重大事故的可能性,通過工藝設計,達成減少或者消除工藝過程中潛在危險的目的,使之達到可接受的水平。在1985年,克萊茲把化工工藝過程中的本質安全歸納為五條基本原理:最小化/強化、替代、緩和、后果影響控制和簡化。1991年克萊茲又提出了六條基本原則來定義“本質安全化”,內容如表2?6所示。1997年,歐盟的INSIDE項目探討了歐洲本質安全技術在過程工業中的應用情況,并驗證了在化工行業中本質安全設計方法的應用是可行的。2001年,Mansfield提出了關于本質安全的健康環境分析方法工具箱(INSET)理論,其中包含多達31種本質安全設計的方法,在總體上可分為四個過程:化學路線選擇、化學路線的具體評估分析、工藝過程設計及工藝設備設計。

表2?6　本質安全化通則

化工行業中,大多數原材料及工藝過程都具有危險性,想要完全消除這些危險是不可能的,但可以通過合理地利用本質安全相關理論,并使之能夠與化工過程更好地結合,做到在最大程度上減少或消除化工生產過程中存在的潛在危險。

在化工本質安全設計中,先進的設計技術在保障安全生產方面具有重要作用,主要體現在原料路線、反應路線及反應條件三個方面,特別是針對化學反應過程中的危險性進行深入和透徹的分析,例如:化學物質的危險性評估、化學物質的不穩定性分析、反應放熱預測、反應過程的壓力變化、爆炸性氣體的形成、爆炸范圍分析等。本質安全設計目的是要從根本上減少或消除危險源[5],長遠來看,本質安全設計不僅減少了對外部安全裝置的使用及維護費用,同時降低了事故的危害及事故發生所造成的經濟損失、社會影響和環境污染,具有一定的經濟優勢。在化工技術不斷發展的今天,仍然有一些本質上不太安全的技術在廣泛使用,作為研究者應該不斷尋找本質上更為安全的替代方法。探索本質上更安全的工藝也許需要很大的投資,但是,本質安全化新技術的研發和應用,會給化學工業帶來更可靠、更經濟的前景。