液氯储存厂房封闭改造设计与优化
Design and optimization of full-closed renovation
of liquid chlorine storage workshop
李庆增 中海油石化工程有限公司
Li qingzeng CNOOC Petrochemical Engineering
Co.,Ltd.
摘要：随着环保及标准规范要求的提高，需要对现有的液氯储存厂房进行封闭改造，通过采用固定墙体加卷帘门的封闭设计，同时辅以优化有毒气体报警仪布置、负压管道设置及水喷淋等设施优化设计，可以避免事故下氯气外漏的风险，达到液氯储存厂房安全运行的效果。
关键词：液氯储存、泄漏、封闭、负压系统、水喷淋、安全管理
Abstract: With
the improvement of environmental protection and the requirements of standards
and specifications, the existing liquid chlorine storage workshop needs to be
closed and transformed. By adopting the closed design of fixed wall and rolling
shutter door, supplemented by the optimal design of toxic gas alarm, negative
pressure system and water spray facilities, the risk of chlorine leakage can be
avoided. Achieve the effect of safe operation of liquid chlorine storage workshop.
Key words:
Liquid chlorine storage ,Leakage, Closed, Negative pressure system, Water spray，Safety
Management
中图分类号：TQ914.1
文献标志码：B
氯气是一种常用的有毒的化工原料，常以液氯形式在压力储罐或钢瓶内进行储存。液氯及氯气是重点监控的危险化学品，同时依据氯在生产场所的存储量来判断重大危险源的等级。因此加强液氯储存厂房的安全设计显得尤为重要，传统的液氯储罐厂房采用敞开式框架结构，存在发生泄漏外散的危害，不仅造成环境污染，更对人民的生命财产造成的严重的威胁。同时随着环保及标准规范要求的日益严格，液氯厂房的封闭设计势在必行，不仅能提高装置运行的安全，更能够避免液氯泄漏对外界造成的危害。
1. 传统液氯储存厂房设计
由于氯气的毒害性质，为避免少量泄漏的氯气积聚对人员造成伤害，传统设计的液氯储存厂房采用框架敞开式结构，利用对流自然通风减少正常生产工况下氯气积聚。同时配以储罐上方设置喷淋设施和负压软管系统对事故工况下的氯气进行处理，在事故工况下泄漏的氯气首先通过罐上方的喷淋设施进行吸收，再通过负压系统排至氯气破坏单元与氢氧化钠溶液进行逆流吸收，达标后排放。
2. 标准规范要求
根据氯气相关的标准规范以及氯碱行业指导意见的要求：“液氯储存厂房不推荐采用室内的喷淋，推荐采用密闭式厂房结构，同时设置配套的负压吸风系统和事故氯气破坏装置”[1-3]。因此需对现有的敞开式框架结构进行封闭设计，拆除室内的喷淋装置、优化封闭设计加强配套的安全设计以符合标准规范的要求，保证液氯储存厂房安全平稳运行。
3. 液氯厂房的封闭设计
针对某项目依据规范进行封闭改造设计，主要封闭设计及工艺方案如下：厂房四周采用半封闭墙体加电动卷帘门的设计，可实现正常操作下厂房不完全封闭利用自然对流进行通风；在事故状态下，氯气有毒报警仪联锁关闭电动卷帘门形成封闭空间，同时开启事故氯引风机，泄漏的氯气通过设置的负压吸风管道排至氯气破坏装置进行吸收处理。可以达到正常操作有利于节能安全生产，紧急事故工况下可快速形成封闭空间避免外漏的双重效果。液氯厂房封闭后的设计示意图如下：
图1：液氯储存厂房封闭示意图
其中：1：液氯储罐，2：固定式吸风口，3：移动式吸风口，4：喷淋管线，5，液氯输送泵。
3.1 液氯厂房现状
现有液氯储存厂房设置4台100t的液氯储罐，厂房占地面积510㎡，高度9.5m，厂房结构为四周敞开式框架，地面四周设置围堰用于收集液体泄漏。液氯储罐采用高架式距离地面2.2m，液氯输送泵设置在地面，设有2层操作平台。设有有毒气体报警仪、罐顶喷淋系统及负压系统，用于泄漏工况下检测及废氯气处理。
3.2 泄露计算
液氯系统泄漏量一般由环评机构给出，也可通过如下公式进行计算[4]：
Cd——液体泄漏系数，此值一般取0.6～0.64；
A——破裂口面积，m2；
ρ——液氯密度，kg/m3；
P——容器内液氯压力，Pa；
Po——环境压力，Pa；
g——重力加速度，9.8m/s2；
h——破裂口以上液体高度，m
液氯泄漏时与环境热量传递会大量闪蒸气化导致环境温度大幅降低，一般会在液氯泄漏附近结冰霜进而导致液氯泄漏量逐渐降低。参考类似项目经验，泄漏孔径考虑20mm进行计算，结合液氯储罐的正常操作压力0.8MPa以及发生泄漏时的罐内液位（正常充装量不超过80%考虑），经计算可得事故工况下的液氯泄漏量为6.91kg/s。
3.3 通风量及风机计算
众所周知，在常压下液氯的沸点为-34.6℃，液氯泄漏后会气化闪蒸降温，当温度降低至一定程度后，环境的温度无法为液氯气化继续提供热量导致液氯的闪蒸的终止，会形成液氯的液态流动。未气化闪蒸的液氯液体在地面流动会与地面进行换热形成热量蒸发。不能与地面换热的液体会以质量蒸发的形式进行蒸发，此蒸发一般忽略不计。在设计计算通风量时仍按照液氯的泄漏量为氯气的气化蒸发量，同时结合厂房在负压下漏风量及考虑安全系数，处理的气量合计为9800m3/h，设置2台氯气引风机，正常开1台事故氯气引风机建立负压系统，另1台在液氯泄漏时启动，对泄漏的氯气进行快速处理。针对氯气的负压系统可以设置1台风机为变频风机，提高负压相同的运行效率达到节能降耗的效果。液氯厂房也可封闭操作，使用事故氯气引风机作为机械通风手段进行通风。引风机设置在塔后，可以避免高浓度的氯气的腐蚀。
3.4 液氯封闭厂房土建设施
液氯厂房的生产类别为乙类，无爆炸危险性。具体方案拆除原有厂房四周的围堰，在原有厂房框架柱外围砌筑新的墙体，在厂房高度６.５ｍ以下采用电动卷帘门，平时敞开形成半封闭结构，事故时联锁自动关闭形成密闭空间，在电动卷帘门外侧设置围堰。外墙采用彩色单层压型合成树脂板，屋面保留现厂房的预应力混凝土板的屋面不变。同时结合现场的情况，需要变换钢梯位置，并进行钢梯的防腐处理。所有贯穿厂房的管道均需要进行严格的密封。厂房需要进行必要的防腐蚀处理，以保证在水喷淋时形成的次氯酸不会对门窗及卷帘门等设施造成严重的酸腐蚀。
3.5 封闭设计的工艺及安全辅助设施
3.5.1 有毒气体报警仪设置：
在液氯储罐进出口的阀门、法兰、调节阀及液氯输送泵进出口处等易泄漏部位设置的有毒气体报警仪[5]，针对有毒气体报警仪会极易发生误报的特殊情况，通过其中任意2台报警仪同时现场声光报警并联锁关闭电动卷帘门，并同时打开事故氯气引风机对泄漏的氯气进行排气处理，并同时打开水幕喷淋阀对厂房四周进行喷淋形成二次隔断设施。依据要求氯气最高允许浓度为1mg/m3，有毒气体报警仪设二级报警，一级报警设定值0.5ppm，二级报警设定值0.8ppm。报警仪安装位置应该考虑液氯区域并距离地面高度在0.5m左右。
3.5.2 负压吸风系统：
在液氯厂房四周地面设置环形的负压系统总管以方便各个支管接入，针对易泄漏的位置设置固定式吸风口支管和移动式吸风口（罩）支管，从而达到全覆盖处理液氯泄漏的效果。固定式吸风口的位置需要考虑通风的需求，移动式吸风口（罩）需要满足局部阀门微量泄漏的工况。考虑尾气吸收塔的压降、引风机流量和引风管的管道长度以及负压吸风的需求，厂房四周的环形总管考虑为DN500以保证在最大风量情况下的负压系统的阻力损失，各个支管的移动式吸风设施依据易泄漏阀门的尺寸进行选择，多以DN50和DN80的尺寸居多，一般设置在储罐下方出料、液氯输送泵进出口及液氯储罐罐顶上方阀门集中区域。软管材质选用非金属的软管，材质不仅要考虑耐腐蚀性同时也要考虑冬季下韧性。
3.5.3 水喷淋系统：
依据最新要求，不推荐在液氯储罐顶部设有喷淋设施，主要是基于喷淋液体与碱液发生反应，生成具有腐蚀性的次氯酸钠溶液，其会对设备及保冷层产生腐蚀影响，且喷淋液体干燥后有大量白色斑点不美观。拆除取消原有的罐上喷淋装置，在厂房四周设置环形的喷淋水幕装置，在泄漏发生时联锁打开喷淋阀，喷淋孔形成水幕对厂房进行二次封闭防护，不仅可以避免风机排气不及时及门窗封闭不严导致微量外漏，也可实现水幕对氯气的二次吸收降低事故工况下氯气的危害。依据现有的厂房尺寸（27.6m×18.5m）、喷淋水的压力及喷淋孔的直径以及喷淋孔之间的间距等参数计算喷淋水量为160m3/h，需求设置一根DN150的喷淋总管，喷淋孔间距在800mm。针对本厂房的尺寸较大，一根喷淋总管首末端压差较大导致喷淋不均匀的情况，喷淋总管建议从厂房中间位置接入，分支为两个DN100的支管进行对称均布，以保证喷淋的均匀性达到水幕的喷淋效果。
3.5.4 尾气吸收设施：
泄漏的氯气通过尾气风机排放至氯气破坏吸收塔内进行吸收，尾气破坏塔多采用两级吸收，一级吸收塔为主吸收塔，二级吸收塔为保护吸收塔，在一级吸收塔不能够满足要求的情况下使用二级吸收塔进行反应。配套设有独立的循环碱液循环吸收系统和碱液冷却器，尾气处理达到1mg/m3后方可排至大气。尾气吸收装置示意图如下图所示：
图1：尾气吸收系统示意图
其中：1：一级氯气吸收塔，2：二级氯气吸收塔，3：尾气引风机，4：一级碱液循环储罐，5：一级碱液循环泵，6：一级碱液冷却器，7：二级碱液循环储罐，8：二级碱液冷却器，9：二级碱液冷却器。
循环碱液采用10~20%的氢氧化钠溶液进行尾气吸收，碱液浓度达到5%需要进行切换操作。二级吸收塔仅在一级处理不能够满足要求的工况下使用，通过级间设置的氯气浓度报警仪进行分析判断。碱液的储存量应能够满足单次事故泄漏量的处理要求，需要及时分析碱液浓度，避免长时间循环导致碱液浓度降低。生成的次氯酸钠溶液可输送至污水处理单元进行处理，也可引入纯氯气生成符合标准的次氯酸钠产品。循环碱液的冷却介质采用冷却水保证吸收塔的吸收效果。一级碱液循环泵、二级碱液循环泵及尾气引风机均为一级负荷，保证在事故下尾气处理装置的运行稳定性。尾气吸收单元的设备采用耐氯腐蚀的玻璃钢材质，管道推荐采用钢衬四氟材质。
3.5.5 堵漏、倒罐：
液氯发生泄漏时应及时进行倒罐和堵漏操作，从源头降低氯气的泄漏。常用的堵漏工具有专用夹具、木塞等[3]。液氯管道发生泄漏时应关闭管线上的切断阀，避免管道内的液氯外漏。储罐发生泄漏时首先进行倒罐操作，液氯储存厂房长期设置1台备用储罐，用于在事故工况下进行液氯的暂存；泄漏发生时检查泄漏储罐与备用储罐的连接管道，必须保证两台储罐的液相管线和气相管线分别联通，由于备用储罐压力为常压，远低于正常液氯储罐的操作压力，在倒罐初期可以依依靠压差将泄漏储罐内的液氯倒至备用储罐，待两台储罐压力逐渐相同时已无法继续进行倒罐操作，可通过开启液氯输送泵将泵出口管线通过循环管道返回至备用罐。泄漏储罐的压力降低后可以进行堵漏操作。
3.5.6 安全管理措施
依据液氯储存厂房的储存量，判定本液氯储存厂房为一级重大危险源，应加强重大危险源的监控与管理，严格控制液氯储罐充装液位，密切关注压力、温度等操作参数。在液氯储存厂房就近配置正压呼吸面罩，其长度能够覆盖到所有的泄漏区域，在泄漏时可以供操作人员进入到厂房内进行堵漏；同时配备完善的堵漏设施及防化服等安全装备措施，配备专职的应急抢险队伍，及时进行培训，并依据封闭后的装置进行应急预案的修改，加强员工的教育与培训，并依据要求开展演练。
3.5.7 其他建议措施
液氯储存厂房危险特性除泄漏造成的毒性危害外，另一个最关键的问题是三氯化氮的积聚爆炸的问题，液氯长时间不流动易造成三氯化氮在液氯储罐底部的积聚，遇到有机介质和震动等诱因下极易发生爆炸[6]。为此应加强液氯的来料分析，严格控制原料中三氯化氮的含量指标，从源头上避免三氯化氮积聚的风险。另一个管控措施保证每台储罐的均匀出料利用，减少液氯在储罐的停留时间，此外，从储罐底部出料也可加快三氯化氮随着液氯送料排出储罐，进一步降低其在储罐底部积聚的风险。下游的用氯的气化器单元，需要采用全气化式气化器，严格控制换热介质温度保证气化效果避免三氯化氮在气化器内积累。针对液氯储存及外输气化系统应加强三氯化氮的分析，指标不合格时及时排至碱液系统进行破坏处理，避免外界诱因引发爆炸的风险。
4. 结论
通过对现有液氯厂房的封闭设计改造，采用优化通风量计算、引风机配置、负压吸气管道设计及水喷淋管道的设置，可进一步提高液氯储存厂房的安全稳定性，同时也为下一步开展新建液氯厂房的本质安全设计提供方案。在发生液氯事故泄漏的工况下，可实现高效的氯气泄漏的封闭及处理措施，可把危害降低至最小。封闭设计优化方案需要实际的运行、培训和应急演练不断完善应急措施，方可达到效果。液氯封闭厂房设计和优化方案可 不仅有利于液氯储存厂房的安全运行，也可改善氯气企业与周边群众的关系，有利于良好的生态环境的形成，具有显著的人文、经济和环保效益。
参考文献：
【1】全国安全生产标准化技术委员会化学品安全分技术委员会.液氯使用安全技术要求: AQ 3014-2008 [S]. 北京:煤炭工业出版社, 2009:1.
【2】中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.氯气安全规程:GB11984-2008[S].北京:中国标准出版社,2009:12.
【3】中华人民共和国工业和信息化部.液氯泄漏的处理处置方法:HG/T 4684-2014[S].北京:化学工业出版,2014:11.
【4】徐祥兵.液氯罐区泄露扩散分析以及罐区封闭方案的探讨[J],粘接,2021,45(1): 156-162.
【5】陈玉林.液氯贮槽区安全风险控制项目总结[J],化工管理,2015,2(6):35-36.
【6】殷厚义,戴辉玉,邱满意.提高液氯装置应急管理水平总结[J],氯碱工业,2020,10(56):15-18.
作者简介：李庆增（1986.10- ），男，山东枣庄人，工程师，主要从事液氯储存气化及氯气破坏工艺设计工作，通讯地址：山东省济南市历下区黄金时代广场H座，联系方式：0531-55656231，邮箱: leolimn@163.com，邮编：250000
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