液氯罐区封闭化设计实例

杨文平，许景寒

（1.湖北省化学工业研究设计院，湖北 武汉 430073；2.湖北省缘达化工工程有限公司，湖北 武汉 430073）

液氯为黄绿色的油状液体，在15℃时密度为1.4256 kg/m3。液氯作为重要的化工原料，通常气化后使用，可用于纺织、造纸工业的漂白，自来水的净化、消毒，镁及其他金属的炼制，农药、医药、洗涤剂、橡胶、塑料制品中间体等各种含氯化合物的合成。

氯具有强氧化性、助燃，其火灾危险性类别为乙类，根据《危险化学品目录》（2015版），氯属于急性毒性（吸入）类别2，此外氯也被列入剧毒化学品目录，是受国家重点监管的危险化学品。

随着国家对环保、安全的日益重视，鉴于氯的危险特性，对于液氯的安全储存及使用也受到涉氯行业从业人员越来越多的重视。本文以现行法规和标准为基础，结合某精细化工企业实际工程设计案例，简要对液氯储存厂房各专业的安全设施设计要点进行了介绍，以期为工程设计人员和涉氯企业安全管理人员和操作人员提供参考。

1 工艺系统设计

1.1 液氯储量及储存形式的选择

该精细化工项目主要生产酰氯类产品，年产量1.4 万t，液氯消耗量约59 t/d，采用槽车进行运输。参考《石油化工储运系统罐区设计规范》SH 3007—2014 的规定，结合当地的实际情况，液氯储存天数按5 d 进行设计，即需要储存的液氯为295 t。因储存量较大，设计采用储罐进行储存。经与业主沟通，选用公称容积为65 m3卧式储罐，储罐尺寸为Φ3 000 mm×10 020 mm，储罐数量为4用1备，储存系数≤0.8[1]。备用储罐保持长空，应急情况下倒罐使用。液氯储罐材质为16 MnR，壁厚为10 mm，设计温度60℃，设计压力1.76 MPa。

1.2 工艺流程的选择

液氯罐区工艺流程主要包括卸车、储存、外送三个步骤，其中卸车工艺的选择是整个液氯罐区设计的关键，不同卸车方式适用场合和要求也有较大差异，目前国内液氯的卸车工艺主要有气化卸氯、空压卸氯、位差抽卸三种工艺[2-3]。

（1）气化卸氯

气化卸氯的原理是采用部分液氯气化提高槽车内的压力，通过槽车与储罐的压差将槽车内液氯卸入液氯储罐中，这是目前国内比较常用的卸氯工艺。该工艺要求严格控制液氯气化的操作温度和操作压力，液氯有一定损耗，环保性较差。

（2）空压卸车

空压卸氯的原理是利用压缩空气或氮气的压力进行卸车，因为氯气遇水会发生反应产生盐酸，对设备、管材腐蚀性较大，因此需要严格控制空气或氮气中的含水率，一般宜控制在0.01%以下。但该工艺液氯损耗较大，环保性最差。

（3）位差抽卸

位差抽卸的原理是采用液氯泵将槽车内的液氯抽出送入液氯储罐。液氯槽车的液相管是顶入式的，直接靠位差无法把液氯卸干净，且卸车时间很长。故需增加一只地槽，通过其卸压把槽车的液氯引下再用泵送入大槽，而大槽的料也可通过该泵输送至车间使用。该方法无论从环保性还是液氯损耗来说都优于前面两种方案，且卸车时间短。只是对泵的选择要求较为严格同时需要保持较高的位差。考虑到本项目液氯用量较大，为避免较大的液氯损耗、选用位差抽卸工艺进行卸车。

1.3 罐区布置方案的选择

通常化工项目的罐区设计包括储罐区、泵区、装卸鹤位等几个部分，各部分之间均有一定的防火间距的要求。为了防止液氯在储存、装卸等过程因泄漏造成安全事故，同时结合现行的国家、行业法规及标准，液氯罐区采用密闭厂房形式，液氯厂房的尺寸定为54 m×18 m，同时配备事故氯气吸收系统。总平面布置与周边建构筑物的防火间距按乙类厂房设计。由于氯气有毒，厂房应布置在人员集中场所的全年最小频率风向的上风侧。

封闭厂房的设计思路是罐区发生氯气泄漏时，事故引风机会将整个厂房内的含氯空气都抽至碱液吸收系统进行无害化处理，其风量跟厂房的容积成正比，而风量的大小直接关系到设备及运行成本的高低。根据GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》第6.4.3条可知，事故风量计算公式如下。

Q=A×H×n

其中，Q为事故风量；A为厂房面积或分区面积；H为厂房高度，当H≤6 m 时，按实际高度计算；当H大于6 m，H取值为6 m；n为通风换气次数，12次/h。

显然，当厂房的高度一定时，事故风量与厂房或隔间的面积成正比，而事故风量直接关系到风机选型及运行成本。因此，为了降低成本，液氯厂房采用分区设计，尽量减少分区面积。结合工艺需要，本液氯厂房内部分为储罐区、卸车气化区、卸车鹤位三个功能区，各分区采用实体墙分隔。室外设备区主要布置有应急吸收塔、风机、碱液储罐等。

1.4 工艺安全设计

（1）液氯为全压力式储存的液化气体，储罐及管道等均需承受液氯储存温度下的饱和蒸汽压，液氯储罐材质选用16 MnR 能满足储存条件下温度与压力的使用要求。本项目液氯厂房重大危险源R值为537.6，大于100，液氯厂房构成危险化学品一级重大危险源，液氯厂房除了设置基本的DCS 控制系统外，还应设计安全仪表系统（SIS）[4]。因此本项目液氯储罐设计了双压力、双液位、双温度监测，分别将信号集中至DCS 系统和SIS 系统，压力、液位监测应设置根部阀。储罐进出口采用双阀，同时储罐进口及出口分别设置了两个紧急切断阀，一道切断阀接入DCS 系统，另一道接入SIS 系统。液氯储罐区设置了一台同样容积的储罐作为事故罐，一旦有储罐发生泄漏时可将其中大部分液氯倒至事故罐。液氯管道和氯气管道设置安全阀，对管道进行安全泄压，并将安全阀出口管道连接到碱液池；设置低点排污口，定期对残留物进行排放，排放口连接碱液池。

（2）正常生产过程中废氯气和事故氯气采用两级碱液喷淋循环吸收系统进行吸收，经处理的尾气如符合排放标准则直接高空排放至大气，如不合格则通过旁路排至厂房内进行循环吸收，直至吸收合格。废气处理装置应满足紧急情况下的系统事故氯吸收处理能力，吸收液循环槽具备切换、备用和配液的条件，保证设备有效运行[5]。

（3）液氯及氯气管道采用Q345E 无缝钢管，阀门选用氯气专用截止阀，氯气设计流速控制不超过12 m/s。液氯管道法兰选用凹凸面法兰，法兰及阀门压力等级不低于PN25，垫片选用金属缠绕垫，紧固件选用全螺纹螺柱，材质为35CrMo。

（4）液氯及氯气管道焊缝检测方法采用RT，焊缝检测比例不低于100%，质量合格等级为Ⅱ；强度试验采用液压试验，试验压力为管道设计压力的1.5倍；泄漏试验介质采用空气，试验压力为1.0倍的设计压力。

（5）液氯储罐设有两组安全阀，安全阀前设置有爆破片，爆破片和安全阀之间应设远传压力检测仪表，高位报警，安全阀放空管线引至厂房内碱液池。典型的液氯储罐工艺流程简图见图1。

图1 典型的液氯储罐工艺流程简图

2 液氯罐区封闭厂房的设计

2.1 土建专业设计

土建的安全设计主要包括防火、抗震等方面，由于氯有较强的腐蚀性，在潮湿空气中还会产生氯化氢，同时厂房需要有良好的密闭性，因此厂房采用框架结构形式，抗震设防等级为重点设防类。厂房占地面积986.44 m2，建筑面积为986.44 m2，厂房耐火等级为二级，高度8.5 m，1层。整个厂房为一个防火分区，分为三个独立的功能区域，每个区域至少两个独立的安全疏散出口。氯气为助燃介质，单独储存时本身不具备爆炸的可能性，厂房不需要采取泄爆措施，墙体采用A5.0蒸压加气混凝土砌块。

2.2 电气专业设计

电气的安全设计主要包括应急照明、疏散指示系统、防雷措施等，其中消防应急照明和疏散指示系统采用集中电源非集中控制型系统。应急照明集中电源采用输入电源AC220 V/50 Hz，输出为安全电压DC24 V，切换时间≤0.25 s，应急时间90 min。应急照明灯采用非燃烧材料制作的面板或灯罩。标志灯的所有金属构件应采用耐腐蚀构件或进行防腐处理。厂房内疏散照明的地面最低水平照度均按10.0l Lx 设计。

防雷措施按照第三类防雷建筑物设防，非金属屋面在屋顶明敷φ12 热镀锌圆钢作为防雷接闪器，网格不大于20 m×20 m 或者24 m×16 m，金属屋面利用双层厚度≥0.5 mm 金属屋面及钢檩条做接闪器；利用混凝土立柱（或构筑物）内至少两根直径≥Φ16的钢筋绑扎或焊接作为引下线，有钢立柱的直接利用钢立柱作为引下线，引下线之间平均间距≤25 m；利用承台及基础横梁内钢筋网作为接地装置。

2.3 消防专业设计

消防安全设计是为了满足厂房消防安全要求，设计了室外消火栓系统和室内消火栓系统，消火栓给水由消防水池及消防泵房供给。室外消火栓系统消防用水量标准为25 L/s，火灾持续时间按3 h 计。消防水量270 m3/h，消防环管管径为DN200。室内消火栓给水为临时高压制区域消防给水系统，消防用水量标准为10 L/s，火灾持续时间按3 h 计，消防水量108 m3/h。本建筑物室内消火栓环状管网的2 条引入管直接从厂区消防给水管网上的不同管段处连接，呈环状布置，管径DN100，引入管压力为0.60 MPa。同时在相应位置布置手提式磷酸铵盐干粉灭火器或推车式磷酸铵盐干粉灭火器，灭火器型号为 MF/ABC5 89B 5 kg、MFT/ABC35 183B 35 kg，灭火器适用温度范围为-10～55℃。

2.4 暖通专业设计

暖通专业的安全设计主要包括事故通风系统。依据HG/T 20698—2009《化工采暖通风与空气调节设计规范》及《化学品安全技术说明书》（MSDS），本厂房应设置机械排风，平时通风换气次数不应少于10次/h，风机为防腐型，液氯储存区和汽化区采用轴流式风机进行平时通风换气。事故换气次数不应小于12次/h，且应与房内气体报警器联锁控制。事故通风通过风管引至室外成套事故氯吸收装置，经两级洗气塔吸收后，合格气体经排气筒排放。事故通风的通风机应分别在室内及靠近外门的外墙上设置电气开关。事故发生后，关闭相应区的门窗、平时排风机及入口电动密闭阀，开启相应区事故排风管道上的电动密闭阀，并联锁启动送风机进行机械补风，启动事故氯气吸收装置。液氯储存区排风管道采用硬聚氯乙烯风管（含阻燃剂），管沟敷设，卸车区和汽化区事故排风管沿墙柱吊装。汽化区内设置移动式软管吸风罩，吸风罩通过移动软管接排风管道，移动式吸风罩应能覆盖厂房所有区域。厂房由于封闭的缘故可能会产生负压，故为防止负压过大事故系统无法抽气，厂房内还应设置余压阀，保持厂房内压为微负压，当厂房内外压差过大时余压阀自动打开补气，压差正常后余压阀自动关闭。

2.5 电信专业设计

电信专业的安全设计主要是火灾报警系统的设计，本厂房采用集中火灾自动报警系统，控制室的操作室兼作消防控制室安放火警控制器。按照GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》（2018版）第8.12.4条，在乙类装置设置手动火灾报警按钮和声光警报器，室内相关设备采用壁装方式，手动火警按钮自带消防电话。设备信号传输类型为总线型，所有消防报警设备及模块均需可靠接地。报警设备信号线缆采用导线穿钢管方式，经乙类装置接线箱埋地敷设至控制室火警控制器。从金属保护管引至火警消防控制设备盒、接线箱的线路，均采用可挠（金属）电气导管保护。

2.6 自控专业设计

自控专业的安全设计主要包括有毒气体检测及ESD 系统等。由于液氯罐区厂房构成了一级重大危险源，按照规范要求需要设置视频监控系统。同时氯气属于GB 30000.18—2013《化学品分类和标签规范第18部分：急性毒性》中急性呼入毒性2类，按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》设置自带声光报警器的气体探测器。探测器的安装高度宜距地坪或楼地板0.3～0.6 m，探测器尽量靠近释放源安装，探测半径为2.0 m。气体报警控制系统采用独立的GDS 系统，安装在操作人员常驻的中控室，GDS 系统设置单独的操作站完成报警和控制功能。

根据HAZOP 分析及SIL 评估报告，本项目液氯储罐的安全仪表等级按SIL2设计。SIS 系统按照故障安全性设计，正常生产操作由生产装置的DCS 自控系统完成，只有故障状态下采取紧急停车防止发生事故。SIS 采用独立的控制器，可由TUV 安全认证的冗余、冗错的独立控制器完成装置的紧急停车（ESD）功能。

3 结束语

液氯罐区的密闭化设计，能够从源头上预防和减少安全事故，降低事故产生的后果，提升液氯储运过程的本质安全水平，为企业在液氯储存和使用过程中提供最大限度的安全保障。液氯罐区密闭化的同时，设计上也应考虑经济合理性，设计过程中在满足规范的前提下将各功能区进行分隔，有利于减少设备投资和运行成本。