化工本征安全技术发展路径的思考与探索.pdf
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1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期化工本征安全技术发展路径的思考与探索乔旭1,2,张竹修1(1 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏 南京 211816;2 江苏先进生物与化学制造协同创新中心,江苏 南京 210009)摘要:目前我国化工行业安全生产形势严峻。本文首先阐述了化工本征安全“四原则”的具体含义及其在生产源头和制造过程中降低甚至消除风险时发挥的作用,然后从技术成熟度角度出发,对本征安全“四原则”的落实情况及存在的问题进行了分析,提出重点围绕本征安全“四原则”中的最小化和替代原则对现有化
2、工技术和装备进行提档升级,开发相应的本征安全工艺设备与技术。在此基础上,探讨了最小化和替代原则的技术路径:通过设计开发泛厘米尺度下的最小化单元设备,积极融合人工智能手段,研发智能化单元集成技术与装备,减少装置内的危化品存量和能量密度,确保生产安全风险可控。此外,还需要将最小化和替代原则拓展至化工清洁生产中,减少“三废”处置不当造成的安全隐患,实现生产、安全、环保三者之间的统一。最后列举了两项泛厘米单元智能集成技术在化学品生产和化工废气治理中的应用案例,反映出该类技术的普适性和产业化应用前景。可以预见,本征安全技术可以从根本上改变“高塔林立、釜罐成群”的化工业态,切实提升化工安全风险防控水平,助
3、力化工产业安全化、高端化、智能化发展。关键词:本征安全;最小化原则;单元智能集成;泛厘米尺度;绿色化学中图分类号:TQ086 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(2023)07-3319-06Consideration and exploration of the development path for inherent safety of chemical engineeringQIAO Xu1,2,ZHANG Zhuxiu1(1 State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering,Nanjing Tec
4、h University,Nanjing 211816,Jiangsu,China;2 Jiangsu National Synergetic Innovation Centre for Advanced Materials,Nanjing 210009,Jiangsu,China)Abstract:At present,China s chemical industry is facing serious challenges in terms of accidents and safety production.This paper firstly explained the specif
5、ic meaning of the“four principles”of chemical industry inherent safety and their role in reducing or even eliminating risks at the source of production and in the manufacturing process.Then,from the perspective of technology maturity,the implementation of the“four principles”of intrinsic safety and
6、the existing problems was analyzed,and upgrade of the existing chemical process equipment and technology was proposed by focusing on the minimization and substitution principle of the“four principles”of inherent safety.The corresponding inherently safe process equipment and technologies were develop
7、ed.On this basis,potential technical paths for the implementation of the minimization/substitution principle were explored.The development of intelligent unit integration technology and equipment to reduce the amount of hazardous chemicals and energy 观点DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0309收稿日期:202
8、3-03-01;修改稿日期:2023-04-25。基金项目:国家重点研发计划(2021YFE0191100);江苏省重大科技示范项目(BE2021710);南京工业大学“揭榜挂帅”项目。第一作者及通信作者:乔旭(1962),男,教授,博士生导师,研究方向为绿色化工、本征安全。E-mail:。引用本文:乔旭,张竹修.化工本征安全技术发展路径的思考与探索J.化工进展,2023,42(7):3319-3324.Citation:QIAO Xu,ZHANG Zhuxiu.Consideration and exploration of the development path for inherent
9、 safety of chemical engineeringJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3319-化工进展,2023,42(7)density in the plant would be achieved through the design and development of minimized unit equipment at the extensive centimeter scale integrated with artificial intelligence.The production sa
10、fety risks can be thereby controlled.In addition,it was necessary to extend the principle of minimization/substitution to green chemical production,reduce the safety risks caused by improper disposal of“three wastes”,and achieve the unity between production,safety and environmental protection.Finall
11、y,two examples of the application of centimeter-scale intelligence integration technology in chemical production and chemical waste gas treatment were presented,reflecting the broad utility of the technology.It can be foreseen that the whole process intrinsic safety technology can fundamentally chan
12、ge the stereotype of“tall towers and huge tank”,effectively improve the level of chemical safety risk prevention and control,and improve the chemical industry to be safe,high-end and intelligent development.Keywords:inherent safety;minimization principle;intelligent unit integration;extensive centim
13、eter scale;green chemistry近年来,我国化工行业在安全生产领域存在突出问题,一些重大、特大事故影响恶劣,行业形象受损严重。为此,国家对行业的整治力度不断提升,部分地区甚至关停了三分之二的化工企业。严格的安全管控虽然取得了一些成效,但是化工系统性安全风险依然很大。以行政手段为主的外部管理和“灭火式”的事后管控,不仅导致风险被搁置和转移、难以治本,也容易形成新的社会矛盾。2020年中央两办关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见指出“加强化工危险工艺本质安全等技术及装备研发”;党的二十大报告对推进危险化学品等重点领域的安全生产风险专项整治提出了明确要求。因此,开展化工本质安
14、全关键技术创新,将被动式的事故应急管理转变为工艺装备的本征安全和基于控制系统的主动安全,是实现化工高质量发展、重塑化工形象、重振化工雄风的必然抉择。1 化工本征安全“四原则”煤矿、电池等领域都存在面向电气设备的“本质安全(intrinsic safety)”概念。1916年Thoronton针对英国煤矿因电铃信号电路产生放电火花引起的瓦斯爆炸提出了本质安全电路设计方法,要求设备内部电路和引出线不论是在正常工作还是故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃可燃性气体混合物。电池的本质安全技术从电池热失控原理出发,提高电芯材料热稳定性,减少电芯结构内的热量积累,降低电池热失控风险。结合上述本质安全在
15、煤矿、电池的应用以及参考针对电气设备的GB 3836.42021爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备,可将本质安全技术认为是使电子设备在爆炸性气体环境及不正常操作条件下可以安全运作的保护技术,避免设备释放足以引燃易燃物的能量。著名化工安全专家Trevor Kletz于1978年首次面向化工领域提出“intrinsic safety”的理念1,为了避免与电气设备本质安全产生概念混淆,Kletz教授采用“inherent safety”代替2。虽然本质安全的理念在化工行业已被广泛接受,但本文作者认为,化工行业的中文专有名词“本质安全”与Keltz 教授提出“inherent safet
16、y”有所区别。一方面,“十四五”危险化学品安全生产规划方案通过加强园区规划引导、开展企业分类整治、保障安全距离、淘汰落后工艺、加快技术改造等手段,构建准入严格、布局规范、技术先进的本质安全发展格局。该方案拟从园区安全提质、大型油气储存基地安全防控、企业安全改造、从业人员培训、“工业互联网+危化安全生产”五个方面。由此可见,我国的化工本质安全体系实际上与过程风险管理系统的五种管理类型相吻合,它们分别是:本征,采用无害物料/工艺尽可能消除危害;空间,增加间距减少危害;被动,通过工艺或设备降低危害发生的频率;主动,采用安全控制、报警、联锁等监控和处理工艺异常;程序,采用制度、培训、操作程序、管理检查
17、、应急预案等预防事故或最大程 度 减 少 事 故 影 响3。另 一 方 面,Keltz 对“inherent safety”的解释是“通过工艺完全消除危害或者充分降低危害程度/可能性”。美国化学工程师协会化工过程安全中心亦认为“inherent safety”应用于工艺的全生命周期,侧重于从源头消除物料泄漏或能量释放的相关风险,而非被动、主动、程序等其他过程风险管理策略4。因此,本文作者认为“本质安全”包含的内容更多、覆盖范围更广,33202023年7月乔旭等:化工本征安全技术发展路径的思考与探索其根本目的是让“人远离风险”;而本征安全主要聚焦工艺技术与装备,其目的是让“风险远离人”,使用“本
18、征安全”代替“本质安全”描述“inherent safety”更加精准。Keltz 教 授 最 初 总 结 出 4 项 核 心 原 则(intensification,substitution,attenuation,limitation of effects)和 12 项 附 属 原 则(simplification,segregation,avoiding knock-on effects,making incorrect assembly impossible,making status clear,error tolerance,ease of control,understandab
19、le software for computer control,instructions and procedures,life cycle friendliness,passive safety,inherent robustness)。历经学术界与工业界近五十年的探索、发展与实践,结合了美国化工过程安全中心、英国化学工程师协会和国际过程安全小组的相关论述,最终形成了化工本征安全“四原则”:最小化(minimization)、替代(substitution)、缓和(moderation)与简化(simplification),获得了全球化工界的广泛认同5。四原则的具体含义如下:最小化,通过
20、减少装置中的物料用量和能量密度,降低事故的发生概率和严重程度;替代,用危险性小的工艺或物料代替危险性高的工艺或物料;缓和,在危险性相对较低的条件下进行生产、储存和运输;简化,通过减少不必要的复杂操作、流程或设备来降低危险性。2 本征安全原则应用问题分析虽然化工本征安全原则提出近半个世纪,但其应用实践效果并不理想,仅仅是局部范畴内的“最优方案”,使用最多的如针对具体工艺的“无毒代替有毒”“采用无人化操作”等,并不能真正实现整套生产装置的“本征安全”。应急管理部统计数据表明:2021年我国化工事故高达122起,死亡150人。经统计,近十年引起化工事故的原因中设备缺陷占31.1%,操作失误占17.2
21、%,工艺问题占10.6%6。化工本征安全“四原则”的权重并不均等,对安全生产所起的作用也不尽相同。有文献分析近20年内本征安全原则在化工过程中的应用,简化原则的使用频率远低于其他三种原则。缓和原则主要起到降低事故发生后严重程度的作用,并没有从根本上改变工艺流程或者危险物料的使用,故无法从根本上减少事故的发生,是最小化和替代原则无法应用时才使用的第三原则。最小化原则和替代原则是针对装备和工艺的核心原则,对化工装备的本征安全运行具有决定性作用7。若能在过程设计与开发过程中有效落实和深化本征安全最小化原则和替代原则,理论上可以从根源上消除化工原料、反应/分离过程、生产工艺系统带来的风险,从而真正实现
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