CJChE丨太原理工大学 张忠林、郝晓刚、官国清等:基于定量化危害和可操作性分析的低温甲醇洗工艺安全评价

化工产业作为支撑能源、材料、医药等领域发展的核心基础产业，其生产过程经常涉及高温、高压、易燃、易爆及有毒有害介质等。随着化工装置大型化、工艺复杂化趋势加剧，生产系统的耦合度与风险关联性大幅提升，设备老化、操作失误、应急处置不当特别容易引起火灾、爆炸、有毒物质泄漏等安全事故。

传统的化工安全常定性分析，难以实现对实际化工生产过程中动态风险的准确评估和预防。对化工过程进行量化的风险评估同时，优化化工工艺设计并提升过程控制策略的针对性可以在很大程度上降低工厂的生产成本与后期维护成本。但现有的安全评价研究仍普遍存在工艺风险评估“数据孤岛”问题，工艺操作参数、事故原因、事故后果与建议保护措施之间的关联程度分析不足，导致工艺安全评价的系统性不足。定量风险评估作为安全评价研究的未来主流方向，利用现有信息和数据来量化事件的影响或可能性，并采取相应的措施来避免或降低风险，对于预防和减轻潜在事故的后果具有重要意义。而实践过程中可用的信息和数据往往不足，同时还存在环境的变化和复杂的因果关系等因素，给定量风险评估带来了很多不确定性和动态特性。因此，在不确定的环境中对潜在事故和复杂系统进行动态风险评估对于实际应用是非常必要的，构建化工过程的定量安全评价体系，过程危害分析与建模计算分析技术的集成将成为化工安全评价研究的重要方向。

低温甲醇洗工艺作为煤化工领域广泛应用的气体净化技术之一，其操作过程中涉及多种易燃易爆危化品（如CH₄O、H₂、CO、H₂S等），同时工艺中还存在腐蚀、泄漏、引火源三类危险有害因素，生产过程中如不多加以关注重视，极易导致生产事故带来无法估量的损失。低温甲醇洗工艺凭借其高效净化能力和经济性，在煤化工与天然气处理领域占据重要地位，但其复杂的操作条件和工艺的固有危险性要求企业必须建立完善的风险管理体系，因此对低温甲醇洗工艺进行定量安全分析和安全对策研究具有现实意义。基于此背景下，本文以多种安全评价方法与大型过程软件模拟相结合的方式对低温甲醇洗工艺进行定量安全评价。

研究建立了一种有效的安全评价分析方法，以低温甲醇洗工艺作为研究对象，提出了一种将建模分析应用于偏差的风险性排序及风险等级分类的方法以确定高风险单元，并对最危险工况进行了HAZOP、Aspen Plus、Aspen Dynamics、FTA、风险矩阵及LOPA分析相结合的定量化HAZOP安全评价。通过系统研究，得出以下主要结论：

（1）利用Aspen Dynamics搭建了动态模型，并构建了灰色评价模型并据此对偏差的风险高低进行排序，然后对偏差进行风险等级分类，得出结论：“压力过高”和“合成气进料流量过低”为高风险偏差。

（2）利用Aspen Plus灵敏度分析模块，量化高风险偏差的临界波动阈值，并将其导入到Aspen Dynamics动态模型中进一步确定高风险偏差的事故风险等级。

（3）根据动态过程模拟及HAZOP分析得到导致甲醇洗涤单元“合成气进料流量过低”和“压力过高”的根本原因，通过故障树分析（FTA）计算高风险偏差的发生概率，结合风险矩阵法，验证了灰色评价模型的准确性。

（4）通过LOPA分析提出增设独立保护层（IPL）的风险控制策略，剩余风险等级降低并处于工业上可接受范围，在定量HAZOP基础上采用LOPA分析显著提升了系统本质安全水平。

本研究构建的基于低温甲醇洗工艺HAZOP量化分析框架，突破了传统定性方法的局限性，通过过程模拟与多种安全评价方法的集成，实现了风险排序的客观化并构成了“识别-评估-控制”的风险管理体系，最终形成量化的HAZOP分析报告，增加了HAZOP分析报告的可读性和准确性，有助于工艺的风险分析和安全控制，为类似化工过程的风险分析和安全生产提供参考。

本研究提出的HAZOP量化分析方法流程图如图所示，具体的分析流程如下：

（1）确定分析对象，收集HAZOP分析所需的资料；

（2）进行传统的HAZOP分析；

（3）建立分析工艺流程的稳态、动态模型；

（4）将工艺过程偏差进行可模拟性分类；

（5）通过动态过程模拟建立灰色评价模型对偏差进行风险性排序与半定量风险等级分类；

（6）利用Aspen Plus中灵敏度分析模块模拟工艺偏差对控制指标的影响，得到偏差的波动范围；

（7）将稳态模拟的结果导入动态流程模拟中确定事故的后果等级；

（8）采用故障树分析法确定事故的发生概率；

（9）采用风险矩阵法量化分析初始风险等级；

（10）通过LOPA分析，针对量化的事故后果增加独立保护层，直至剩余风险处于工业上可以接受的等级；

（11）形成HAZOP量化分析报告。

Fig. 1  The quantitative HAZOP analysis flowchart

HAZOP量化结果：

本研究通过HAZOP、Aspen Plus、Aspen Dynamics、FTA、风险矩阵及LOPA分析相结合的分析方法，针对低温甲醇洗工艺中的甲醇洗涤单元进行定量安全评价，得到HAZOP量化结果见下图。

第一作者：张海燕-太原理工大学，化学与化工学院，硕士研究生，研究方向为化工过程模拟及系统优化、化工安全

通讯作者：张忠林，太原理工大学化学与化工学院副教授，中国化工学会专业会员、山西省化工学会理事、山西省化工学会副秘书长，主要研究领域为化工过程模拟及系统优化。

郝晓刚，太原理工大学化学与化工学院教授，山西省化工学会理事长，中国化工学会理事、中国颗粒学会理事，山西省科协委员、中国化工学会工程热化学专委会和ESG专委会委员、中国膜工业协会电驱动膜专委会和能源膜专委会委员；国家重点研发计划中日政府间国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目负责人，已完成多项国家自然科学基金、省基金、国际合作项目和回国留学人员基金项目；在国内外学术期刊发表科研论文四百余篇，授权国家发明专利五十余项，出版教材/专著六部。《Carbon Resources Conversion》、《Resource Chemicals and Materials》编委、《太原理工大学学报》执行主编、《水处理技术》及《煤炭转化》等期刊编委，国内外百余种主流学术期刊审稿人。

官国清，日本工程院外籍院士，日本国立弘前大学全职教授。1995年取得四川大学博士学位，1998年晋升四川大学副教授，曾在德国做洪堡学者，在日本做JSPS外国人特别研究员，已发表国际同行评审论文超过490余篇，获得美国日本等国67项专利。其研究领域包括能源技术，能源材料与化学，环境催化与环境材料，分离及过程设计等。多次获得日本化工学会等奖励。2024年获得弘前大学最高学术奖励（远藤赏）。现为东京农工大学，四川大学，太原理工大学，沈阳化工大学，中南林业科技大学，常州大学，埃及-日本科技大学客座教授，新加坡，香港，瑞士，荷兰，克罗地亚，阿联酋等国家和地区科学基金评审委员；期刊《Carbon Resources Conversion》, 《Resources Chemicals and Materials》和《MetalMat》副主编，《Fuel Processing Technology》等杂志编委。现任World Society of Engineering Thermochemistry (WSETC)，全球华人化工学者等国际组织和日本化工学会日中国际交流委员会委员. 2020-2024连续入围全球前2％顶尖科学家终生及年度榜单（World's Top 2％ Scientists）。

太原理工大学计算化学工程与电控膜分离技术课题组：现有全职研究人员11人（教授2名，副教授5名，讲师4名），其中博士生导师2名，省级人才计划2人。参与申请获批山西省教育厅“化学工程山西省重点学科”、科技部“国家国际科技合作基地”。课题组共承担国家自然科学基金项目15项，科技部中日政府间国际合作项目1项，主持、参研国家级重大研究计划项目4项，省级自然基金、国际合作项目以及重大专项等十余项。出版专著6部，申请/授权专利60与项，发表SCI论文500余篇，近三年有4篇论文入选ESI高被引论文。

团队成员长期从事计算化学工程、电活性功能材料、膜分离和水处理技术方向的科研工作，在计算化学工程、电活性功能材料合成及应用领域与美国华盛顿大学、加拿大滑铁卢大学、西安大略大学及日本国立弘前大学进行长期有效的合作，做出了诸多独创性的工作。