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本质安全工艺与技术是化工生产安全的根本保障

来源:天津大学化工学院 卫宏远教授 发布时间:2021/01/06

       关于化工安全问题,人们往往走入两个极端:不出事儿,什么都不怕,什么都敢干;一出事儿,什么也不敢做了。提到危险化学品,人们往往谈“化”色变。其实,在我国今年最新出台的危险化学品名录中,虽然涉及到的危险化学品有2800多种,但其中有很多是化工、医药领域常用的、必不可少的原料或者中间体。我们的日常生活没有办法完全绕开这2800多种化学品。那么,如何采用科学的态度、方法来使用和管理这些危险化学品是至关重要的问题。

       本质安全理论的创始人Trevor Kletz教授在上世纪90年代写了一本在化工过程安全领域影响深远的著作《到底哪里出了错?》,以此告诫人们从事故案例中吸取真正的经验教训。2003年,Kletz再次出版一本名为《错误仍然不断发生》的著作,因为他发现同样类似的悲剧正在美国和欧洲重复上演。中国目前也正在经历这个过程。特别是天津在2015年8月12日发生的爆炸事故,造成重大人员和财产损失。那么到底是什么根本原因让悲剧在不断的重演呢?

       实际上早在1977年12月14日,时任帝国化学工业公司石化部安全顾问的Trevor Kletz教授在英国化学工业协会年会上所做的一次报告中,就首次清晰地提出了化工过程本质安全的理念。时至今日,本质安全的概念、范畴和实现方法都有了很大发展,但Kletz教授当时报告仍然可以视为对“本质安全”理念核心的精彩阐释 ——“没有危险是最不危险的”(what you don’t have can’t leak)”

       为了理解本质安全的理念,需要区分两个在化工安全领域被广泛使用,但在中文中又很容易混淆的概念:“危险(Hazard)”和“风险(Risk)”。危险是指可能导致人身或财产受到损害的情景;风险是指损害发生的可能性。传统的安全工作往往是作为设计工作的下游,接受已有工艺和装置所产生的危险,然后通过添加额外的防护设备、严格遵守工作流程等方法来降低风险或减小事故造成的损害。本质安全理念则推崇通过选用更合理的原料、工艺、设备等,尽可能从源头上消除危险,也许可以这样说:不存在的危险不会发生;本质安全同样会涉及到降低风险和减小损害的问题,但在处理这些问题时,也更希望通过对工艺流程和设备的改进来达到目的,而非不断添加更多的防护设备和更复杂的操作步骤。

       虽然本质安全理念相较于传统安全理念有很多创新之处,但并不是对传统安全工作的否定和替代。通过下图所示的保护层理论,或许可以对两者间的关系有一个更清楚的认识。

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       保护层理论认为,应该在始发事件与事故之间,建立起多个相互独立的保护层。始发事件的变更和任意独立保护层的失效,都不应该影响其他独立保护层发挥自己的作用。本质安全设计,可以被视为最内层、最源头的保护层,而传统安全理念主要关注的是外层保护层的构建。一个好的本质安全设计,可以有效降低对附加防护装置和人为干涉的要求,在改善安全状况的同时,往往还能起到降低成本的作用。但单个保护层总是存在失效的可能,对于避免的事故的发生并不足够。在通过本质安全的方法消除所有危险显然是一个理想化的目标,还有可能在消除危险的同时引入新的危险,或者对设备传热、传质等方面的能力提出更高的要求,这些都需要合理的传统安全措施相互配合。

       上图可能引发的一个误解是本质安全理念只能应用于设计环节。确实,越是在研发和设计过程的早期,工艺路线、反应物、辅助物料、生产设备等各方面选择的自由度越高,越到后来,进行根本性改进将变得越困难而且代价高昂。为了从源头上消除危险,研发和设计环节确实是本质安全最能充分发挥作用的阶段。但在一套装置的整个生命周期内,在其他保护层的构建和优化中,本质安全理念都可以发挥重要的作用,即使在装置建成投产后也是如此。甚至很多时候在设计阶段并不能清楚的确认哪一个备选方案更符合本质安全的要求,而只能在随后的环节中不断优化。

       本质安全理念提出以来,受到越来越多的公司和化工安全领域研究者的赞同,逐渐形成了一套系统的设计和改进方法。本质安全设计最主要的策略概括为如下几项:

       1.强化(Intensification)/最小化(Minimization)。装置中危险物质的存量应尽量做到最小化,无论是在生产、分离、储存还是输送环节。理想状况下,即使全部泄漏,也不会引发严重的后果。而这往往要通过对各个单元操作效果的强化来实现。一个典型的例子是通过增强反应器的混合效果提高单程转化率,从而减少需要反复循环的物料量,在降低各环节泄漏发生可能性的同时,提高了生产效率,降低了设备成本。

       2.代替(Substitution)。即使用较安全的物质来替换危险的物质。例如使用不具有可燃性的制冷剂和传热介质,选择原料和中间产物更安全的生产工艺,以及推广生产工艺更安全的同类最终产品。从可行性的角度考虑,这类措施最好从工艺研发的阶段就开始纳入考量。

       3.弱化(Attenuation)/缓和(Moderation)。当危险物质的使用不可避免时,应该尽量在较不危险的条件下使用它们,无论是在生产还是储运过程中。例如液化气体的储存,低温常压(或相对较低的压力),要比常温高压更加安全。再比如为了减少粉尘爆炸的威胁,可以选择操作较大颗粒尺寸的固体以减少粉尘。

       4.限制影响(Limitation of effects)。这里是指通过改变设计或反应条件,而非增加额外的防护设备,来减小可能发生的事故的影响。一个细微而典型的例子是,缠绕垫片往往比纤维垫片更安全,因为当密封出现问题时,使用前者造成的泄漏速率一般较低。

       5.简化(Simplicity)。与复杂的装置相比,简单的装置可能发生故障的环节更少,人为误操作的可能性更低。同时,很多设备的复杂化可能并不是必要的,只是由于片面推崇新技术,或者为了满足不合理的评估标准。因此,合理的“简化”也是本质安全设计中的重要一环。

除上述五条基本策略外,还有一些补充性的方法,如避免多米诺效应(Avoiding knock-on effects)、防止错误装配(Making incorrect assemblyimpossible)、标识清晰(Making status clear)、容错(Tolerance of mistakes)、便于控制(Ease of control)、被动防护(Passive safety)等。

       从上面的介绍可以看出,这五种主要方法之间有一定的先后次序。条件可行时,强化的方法是应该最优先被考虑的,因为它不仅提高了装置的安全性,还减少了所需的设备和管道体积,显著降低了生产成本。而代替和弱化的方法,在降低成本方面收益并不明显。限制影响更接近于在危险无法完全消除时的补救方法。而要通过简化的方法进行本质更安全设计,很多时候需要其他方法的配合才能完成。

       另一点值得注意的是,本质安全设计过程中可能发生“矛盾”。当基于不同的策略进行思考时,可能会得出不同的、甚至相反的结果。例如,从强化的角度,我们可能希望某反应在更高的温度和更充分的混合下进行,以提高转化率,减小危险物质存量;但从弱化的角度,我们会希望一个更加温和的反应条件。即使是同一策略的应用,也并不总能得出清晰一致的结论。在“代替”方法中这一情况尤为常见,各备选物质在毒性、稳定性、可燃性等方面的优势往往难以兼顾。因此,当我们说到本质安全时,会说到本质安全设计、本质安全过程……,但不会说“本质安全规定”。本质安全理念不会给出僵硬死板的规定,它需要在深入了解工艺和设备的基础上,对各方面的因素进行平衡取舍。

       在其他一些专著和公司的实践中,对于本质安全基本策略的划分有或多或少的不同,如将限制影响视为弱化的一个子类等;对各种补充性方法是否属于本质安全的范畴,更是存在很多不同意见。但是给本质安全理念划分一个精确严格的范围不应该是我们关注的重点。我们希望的是,本质安全的理念能够深入每一个相关从业人员的心中,无论他是实验室的化学家还是设计师,是管理者还是现场的操作者。当每一个人都愿意深入了解工艺和装置,希望从源头上消除危险解决问题时,能兼顾安全和效益的、突破性的改进才更有可能出现。

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