铜冶炼厂可燃和有毒气体检测报警设计探讨

杜 龙，周天驰，孔新红

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

典型铜火法冶炼厂包括熔炼车间、电解车间、硫酸系统、渣选矿车间等主体工程，制氧站、总降压站等公用和辅助工程。 阴极铜、硫酸、金银生产过程中涉及到的燃料、中间物料包含易燃气体、易燃液体和毒性气体。

可燃和有毒气体检测报警设计对防范火灾、爆炸、中毒等事故，保护设备安全、人身安全具有重要意义。 《建筑设计防火规范》（GB 50016－2014）（2018年版）[1]第8.4.3 条明确要求：“建筑内可能散发可燃气体、可燃蒸气的场所应设置可燃气体报警装置”；《工业企业设计卫生标准》（GBZ 1－2010）[2]第6.1.6 条提出：“应结合生产工艺和毒物特性，在有可能发生急性职业中毒的工作场所，根据自动报警装置技术发展水平设计自动报警或检测装置”；《工作场所有毒气体检测报警装置设置规范》（GBZ/T 223－2009）[3]第4.1 条明确指出：“存在或使用、生产有毒气体，并可能导致劳动者发生急性职业中毒的工作场所，应设立有毒气体检测报警点”。

本文以天然气为燃料，包括阳极泥回收（使用氯气的氯化分金工艺）的铜冶炼厂为例，探讨铜冶炼厂的可燃和有毒气体检测报警设计。 该类企业存在的易燃气体、易燃液体和毒性气体见表1。

根据《工作场所有害因素职业接触限值 第1 部分 化学有害因素》（GBZ 2.1－2007）[4]、《国家安全监管总局办公厅关于印发首批重点监管的危险化学品安全措施和应急处置原则的通知》[5]《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（GB 50493－2009）[6]，本文选取了相应物质的爆炸浓度下限、MAC浓度、PC-TWA 浓度和PC-STEL 浓度。上述规章是铜冶炼厂可燃和有毒气体检测报警设计的重要依据。

1 有毒气体报警值的设定

GBZ 1－2010 标准第6.1.6.3 条要求：毒物报警值应根据有毒气体毒性和现场实际情况至少设警报值和高报值。 GBZ/T 223－2009 规范第5.2.1 条要求，报警值可设预报、警报、高报3 级，……，至少设定警报值和高报值两级，或者设定预报值和警报值两级。

表1 典型铜冶炼厂易燃物质和毒性气体基本情况

上述标准、规范中关于报警值的设定类别并不完全一致， 鉴于GBZ 1－2010 实施时间晚且属于国家强制性标准，不属于国家推荐性标准。因此，报警值的设定执行GBZ 1－2010 中的要求， 即设定警报值和高报值两级报警值。

上述标准、规范中关于预报值、警报值的设定方法是相同的，即预报值为MAC 或PC-STEL 浓度的1/2；警报值为MAC 或PC-STEL 浓度值。 设定警报值和高报值的目的及需要采取的措施在GBZ/T 223－2009 中已有详细说明，本文不再赘述。

砷化氢、硫化氢既属于易燃气体，又属于毒性气体，参考《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（GB 50493－2009），只设置有毒气体检测器。

综上，依据表1 所示数据，铜冶炼厂有毒气体的警报值取值结果见表2。

表2 典型铜冶炼厂有毒气体警报值 mg/m3

2 有毒气体高报值的选取

GBZ 1－2010 标准第6.1.6.3 条指出：“高报值应综合考虑有毒气体毒性、作业人员情况、事故后果、工艺设备等各种因素后设定”，在设计过程中，这条标准较难通过统计调查、数值模拟等方式落实，此前主要参考适用于石油化工行业的GB 50493－2009 中的规定：有毒气体的二级报警设定值不得超过IDHL 浓度的10%，设计将二级报警值定位为高报值。

鉴于高报值表示该场所有毒气体大量释放，己达到危险程度。 因此，通过对“危险程度”进行分析，本文给出以下2 种浓度值作为高报值的设计参考。

1）IDHL（Immediately dangerous to life or health）[6]浓度：环境中空气污染物浓度达到某种危险水平，如可致命或永久损害健康，或使人立即丧失逃生能力。该浓度值由美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）制定。我国《呼吸防护用品的选择、使用与维护》（GBT 18664－2002）引用了该浓度值，作为选择呼吸防护用品的判据。

2）PAC（Protective Action Criteria）[7]是美国能源部发布的保护行动标准，该标准整合了急性暴露指导水平（AEGLs）、应急响应计划指南（ERPGs）和临时紧急暴露限值（TEELs），这3 项标准均分为3 个等级，美国能源部网站上给出了3 个等级的定义，具体见链接：https://sp.eota.energy.gov/pac/TeelDef。 PAC浓度主要用于指导化学品的应急防护。

我国生态环境部发布的《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ 169－2018）[8]给出了大气毒性终点浓度，该浓度本质上是PAC 浓度。 该导则将大气毒性终点浓度分为1、2 级，1 级对应PAC-3，2 级对应PAC-2。 该导则给出的1 级表示当大气中危险物质浓度低于该限值时，绝大多数人员暴露1 h 不会对生命造成威胁，当超过该限值时，有可能对人群造成生命威胁；2 级表示当大气中危险物质浓度低于该限值时，暴露1 h 一般不会对人体造成不可逆的伤害，或出现的症状一般不会损伤该个体采取有效防护措施的能力。

设计过程中，对PAC 浓度主要作以下理解：1）PAC-3 是超过该浓度1 h 则可能导致死亡的最大浓度；2）PAC-2 是超过该浓度1 h 则可能导致严重健康影响的最大浓度。

高报值的设定目的本质上是为了保护现场作业人员的生命安全，因此高报值可从上述标准中选取，见表3。

表3 典型铜冶炼厂有毒气体高报值来源一览 mg/m3

铜冶炼厂作业场所的人员在佩戴相应个体防护用品的前提下，高报值取IDHL 浓度的10%是可选的，但是从风险管理和危害程度角度出发，设计宜从严掌握，有毒气体高报值取值范围见表4，使用说明见下。

表4 典型铜冶炼厂有毒气体高报值范围 mg/m3

1）根据表2，二氧化硫警报值浓度为10 mg/m3。高报值应大于警报值，因此设计时二氧化硫高报值取IDHL 浓度的10%，为27 mg/m3。

2）砷化氢、硫化氢、氯气均属于毒性气体，且砷化氢、氯气为剧毒气体。 因此，设计时砷化氢、硫化氢、氯气高报值最大可取表3 中的PAC-2 浓度。

3）表2 和表4 使用的质量浓度单位（mg/m3）作为空气污染物浓度的表示方法，但质量浓度与被检测气体的温度、压力环境条件有关，其数值会随着温度、压力等环境条件的变化而不同。而检测污染物浓度的仪器通常使用ppm（体积比单位，百万分之一），需要对两者进行换算。

浓度单位ppm 与mg/m3的换算公式如下：

式中：C为气体污染物质量浓度，mg/m3；C′为气体污染物体积浓度，×10-6；M为污染物的分子量；22.4 为空气在标准状态下（0℃，101.325 kPa）的平均摩尔体积；T为大气环境温度，℃；P为大气压力，Pa。

3 检测报警设计要点

3.1 探测器设置

1）可燃气体和有毒气体探测器的安装位置主要根据气体的理化性质、释放源的特性、生产场地布置、地理条件、环境气候、操作巡检线路等条件，并选择气体易于积累和便于采样检测之处布置。 一般下列位置作为主要释放源：（1）气体压缩机和液体泵的密封处；（2）采样口；（3）排液口和放空口；（4）设备管道的法兰和阀门组。

2）对表1 中的易燃气体、易燃液体设置可燃气体检测报警仪，设二级报警，其中一级报警设定值为≤25%爆炸浓度下限，二级报警设定值为≤50%爆炸浓度下限。 柴油、松醇油等无爆炸下限的物质，参考表1 中的天然气设计一级和二级报警。 探测器一般选择有声光报警功能、报警声音大于96dB@0.1m的。 出现警报值和高报值时，探测器可发出不同频次的声音和不同颜色的声光，高报值较警报值更短促、频次高。

3）安装高度执行以下要求：（1）检测密度大于空气的可燃气体或有毒气体探测器，安装高度距离地面（楼板）0.3~0.6 m；（2）检测密度小于空气的可燃气体或有毒气体的探测器，安装高度应高出释放源0.5~2 m。

4）检测仪距离释放源的要求以及数量参考《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（GB 50493－2009）确定，见表5。

表5 检测仪距离释放源要求 m

5）针对铜冶炼厂，在熔炼车间熔炼炉、吹炼炉、阳极炉的天然气阀组附近设天然气检测报警仪，在乙炔间设乙炔检测报警仪，在药剂间、柴油罐区分别设置天然气检测报警仪，在氯气间设氯气检测报警仪，在二氧化硫风机房和干吸工序设二氧化硫检测报警仪，在硫化反应器旁设硫化氢检测报警仪。

6）尽管设计要求选择符合精度要求的仪表，但部分厂家生产的仪表精度往往达不到设计要求。《国家安全监管总局关于发布金属冶炼企业禁止使用的设备及工艺目录（第一批）的通知》（安监总管四[2017]142 号）指出，目前市场上大部分砷化氢检（监）测仪测量精度为0.1 mg/m3或0.1 ppm，检测结果不能满足标准规定的检测精度要求，且抗酸雾等干扰能力差。因此针对砷化氢气体，设计拟选择安监总管四[2017]142 号文所要求的溴化汞（氯化汞）试纸作为替代方案。

3.2 报警控制系统的设计

可燃、有毒气体指示报警采用独立的控制器，并选用与探测器配套的报警控制器， 报警控制器至少具有以下3 个功能：信号设定、信号指示、声光报警。报警器可以是单通道或多通道（如4 通道、8 通道），将探测器的测量值通过4~20 mA 电流信号直接送入控制器，在控制器上指示和报警。报警指示控制器安装在就近有人值守的控制室、操作室内。如有UPS电源，可燃、有毒气体报警控制器应当采用UPS 供电， 以保证停电等紧急情况下仍能够起到检测报警作用。 报警控制器应当具有模拟量及数字量信号输出功能：1）可将检测的气体浓度信号送入生产过程控制系统（DCS 或PLC），以便控制室操作人员对该数据进行监测，并能够连锁控制某些安全设备，如切断阀门或启动排风机；2）将报警信号送入消防控制系统。

以图1 为例，某厂房需设置3 个可燃或有毒气体探测器，选用4 通道的报警控制器。

图1 报警控制系统

4 小结和建议

1）可燃和有毒气体均需设置两级报警。

2）二氧化硫、砷化氢、硫化氢、氯气的警报值按国家相关标准要求取值。

3）二氧化硫、砷化氢、硫化氢、氯气高报值可分别取27 mg/m3、0.54 mg/m3、38 mg/m3、5.8 mg/m3。 市场上砷化氢精度在不能满足设计精度的前提下，设计可选择溴化汞（氯化汞）试纸作为砷化氢检测报警仪的替代方案。

4）针对剧毒气体检测报警，建议考虑增加预报值，即设定预报值、警报值和高报值三级报警。