基于复合模型的干式除尘系统粉尘爆炸风险分析*

高娟 苑艺笑 薛少谦 苑春苗

(1.东北大学安全工程研究所 沈阳 110819; 2. 中煤科工集团重庆研究院 重庆 400039)

0 引言

近年来，粉尘爆炸事故频发，严重威胁着企业的生产安全，干式除尘系统由于其工作特点，粉尘爆炸风险较高[1]。在所有粉尘爆炸事故中，木粉尘燃爆事故占比高达17%[2]。对企业进行系统的风险分析，确定其风险等级，进而采取相应的安全管理措施，能有效防控粉尘爆炸事故。本文提出一种基于粉尘爆炸特性参数的融合FMEA及DOW分析于一体的半定量复合模型风险分析方法，并以某一木制品加工厂的干式除尘系统为例，对此方法在干式除尘系统风险分析中的应用情况进行研究。

1 复合模型风险分析理论

1.1 故障模式及影响分析

故障模式及影响分析是为分析设备故障而开发的一种定性分析方法，具体过程如下：①分析各个元件功能及其正常运行条件，挖掘元件潜在故障及类型；②根据潜在故障模式，分析其出现时对系统正常运行的影响，从而确定严重度；③根据潜在故障模式，寻找其出现的原因并确定原因出现的频率，从而确定发生率和不可测度；④根据FMEA评价标准，确定故障模式的风险等级；⑤根据风险等级，找出较危险的设备，对其采取必要的安全措施降低风险。

1.2 道化学火灾爆炸指数法

道化学火灾爆炸指数法是一种基于工艺设备特点及所涉物料特性的对火灾爆炸事故风险进行计算的定量分析方法[3]。本研究采用道化学火灾爆炸指数法评价程序如图1所示。

图1 道化学火灾爆炸指数法评价步骤

2 复合模型风险分析步骤

2.1 涉爆粉尘工艺系统的FMEA分析

本研究使用的FMEA标准为MIL-STD -1629A，此标准利用故障对系统正常运行影响的严重度(Severity，S)、故障原因的发生率(Occurrence，O)、监测设备对故障的不易探测度(Detection，D)来确定设备的风险大小，用危险优先数(Risk Priority Number，RPN)表示[4]。严重度、发生率、不易探测度的评价标准如表1所示。RPN最小值为1，最大值为200，可以通过比较最终RPN辨识工艺系统中的事故节点。

表1 严重度、发生率、不易探测度的评价标准

2.2 事故节点粉尘爆炸可能性分析

爆炸可能性分析需要测定粉尘爆炸特性参数，主要包括粉尘粒径、最小点火能MIE、最大爆炸压力Pmax、爆炸指数Kst、爆炸下限MEC、最低着火温度MIT等。

2.2.1 确定可爆环境出现的危险性

可燃粉尘在生产过程中有两种存在方式：堆积状态(粉尘层)和悬浮状态(粉尘云)。确定爆炸性粉尘环境时，判定处于悬浮状态的粉尘云浓度是否会达到爆炸下限是首先需要考虑的条件；同时也要考虑处于沉积状态的粉尘层，因为如开机振动、料堆坍塌、设备维修、清扫卫生、初始爆炸冲击波等因素可以将沉积粉尘瞬间扬起而形成爆炸性粉尘环境。依据粉尘爆炸性环境出现的可能性对其进行分区，如表2所示。

表2 爆炸危险环境出现可能性及分区

2.2.2 确定有效点燃源出现的危险性

由于设备在非正常运行过程中会产生摩擦、撞击、老化、漏电、人为失误等情况，引发热表面、火焰或高温气体、摩擦火花、静电放电等点燃源的危险因素。确定有效点燃源出现的可能性，主要考虑粉尘着火的敏感性和点燃源出现的控制效果两个方面，其中粉尘最小点火能和最低着火温度是衡量粉尘着火敏感性的两个重要指标。若某粉尘样品根据最低着火温度和最小点火能得到的引燃危险性级别不一致，则按较高级别确定。粉尘着火敏感性分级如表3所示，点燃源出现的控制效果分级如表4所示，有效点燃源出现的可能性分级如表5所示。

表3 粉尘着火敏感性级别

表4 点燃源控制效果

表5 有效点燃源出现可能性

2.2.3 确定粉尘爆炸发生可能性

根据可爆环境及有效点燃源出现的危险性，确定设备发生粉尘爆炸的可能性。粉尘爆炸可能性分级如表6所示。

表6 粉尘爆炸可能性级别

2.3 粉尘爆炸后果严重度分析

本文引入道化学火灾爆炸指数法对粉尘爆炸的后果严重度进行计算，并根据火灾爆炸指数对粉尘爆炸后果进行分级。粉尘爆炸后果危险性等级如表7所示。

表7 火灾爆炸指数与危险性等级

为计算火灾爆炸指数，需要确定物质系数MF、一般工艺危险系数F1、特殊工艺危险系数F2以及单元安全措施补偿系数即工艺控制安全补偿系数C1、物质隔离安全补偿系数C2、防火措施安全补偿系数C3。其中，物质系数反映所涉及物料的化学活性及易燃性，通过研究的粉尘特性参数确定。评估所涉及可燃性粉尘的物质系数选取标准如表8所示，其他参数选取标准具体见第3节。根据F&EI=MF×F3=MF×F1×F2确定火灾爆炸指数，从而确定粉尘爆炸的后果严重度。

表8 可燃性粉尘物质系数取值

2.4 粉尘爆炸风险评价

粉尘爆炸风险是综合考虑粉尘爆炸发生可能性和后果严重度的结果，风险级别的确定有多种方法，其中风险矩阵法应用时间长、范围广。本文采用风险矩阵法确定粉尘爆炸的风险等级，如图2所示。

图2 粉尘爆炸风险矩阵

根据可接受风险标准，确定所评价的设备粉尘爆炸风险是否可接受，对于不可接受风险，需要采取措施对风险进行控制，主要包括预防爆炸性粉尘环境形成、预防有效点燃源出现和降低爆炸后果严重度等3个方面的措施。

3 干式除尘系统风险分析实例

本节以某一木制品加工厂除尘系统为例，介绍了复合模型风险分析方法在干式除尘系统风险分析中的应用情况。

3.1 干式除尘系统的FMEA分析

以袋式除尘系统为例，袋式除尘系统分为进风口、管道、箱体、清灰系统、灰斗和排灰系统等。针对其组成设备的部件可能发生的故障类型，即各类失常状态，通过计算RPN找出除尘系统粉尘爆炸风险较高的设备，即关键事故节点。对袋式除尘系统FMEA分析结果如表9所示。由表可知，干式除尘系统中管道的粉尘爆炸风险较高，其危险优先数为140，所以在FMEA的基础上，从粉尘爆炸的可能性与后果的严重性方面对除尘管道展开细致分析。

3.2 除尘管道粉尘爆炸可能性分析

根据木粉的粉尘爆炸特性参数，确定可爆环境及有效点燃源出现的危险性，进而确定木粉尘在除尘管道内发生粉尘爆炸的可能性。常见的木粉尘特性参数[5]如表10所示。由表可知，木粉尘云爆炸下限质量浓度为10～20 g/m3，在FMEA分析的基础上可知，除尘管道为经常出现可爆粉尘环境，根据表2可确定其为20区。木粉尘云最小点火能为7 mJ且最低着火温度为360 ℃，根据表3可确定其着火敏感性为高。根据FMEA分析可知，除尘管道与输送粉尘相互摩擦，产生静电火花，且未采取相应措施，故根据表4可确定其控制效果为差，从而根据表5确定除尘管道有效点燃源出现可能性为正常出现。综合以上分析，可根据表6确定粉尘爆炸发生的可能性等级为V。

表9 袋式除尘系统的FMEA分析

表10 常见的木粉尘特性参数

3.3 除尘管道粉尘爆炸严重性分析

由表10可知，木粉尘云最大爆炸压力上升速率为19.2 MPa·m/s，由表8可知，其爆炸指数的粉尘分级属于St-1等级。按照NR为0～4的选取要求逐一对比，当NR=3时，木粉能发生爆炸反应但需在密闭条件下由强引发源引发，符合除尘管道木粉尘爆炸特性，故选取NR=3，从而可确定木粉尘的物质系数MF=29。工艺设备危险系数计算如表11所示，可确定除尘管道的一般工艺危险系数F1=2.00、特殊工艺危险系数F2=2.90。根据F&EI=MF×F3=MF×F1×F2可确定火灾爆炸指数为168.2，从而确定粉尘爆炸后果严重度等级为V。

表11 工艺设备危险系数

3.4 粉尘爆炸风险评价

根据除尘管道木粉尘爆炸可能性和严重度的结果，通过图2可确定其风险等级为A，为不可接受风险。工艺设备危险系数计算如表12所示，由表可知，单元安全措施补偿系数为0.45。通过采取相应安全措施，火灾爆炸指数降为75.7，爆炸后果严重度等级降为II，除尘管道木粉尘爆炸可能性等级降为III，从而可知采取安全措施后，除尘管道木粉尘爆炸风险等级为D，为可接受风险。

表12 单元危险安全补偿系数计算

4 结论

(1)本文提出了一种基于粉尘爆炸特性参数的融合FMEA及DOW分析于一体的复合模型风险分析方法，并通过实践证明了该方法的有效性和可行性。

(2)本文以干式除尘系统为例，对所提出的半定量风险分析方法的使用步骤进行说明，为涉粉企业各个系统风险评价的具体操作提供依据。

(3)本文提出的复合模型风险分析方法对粉尘爆炸事故分析较为透彻，操作性强，也可用于其他设备系统的风险评估，从而系统判定涉爆粉尘企业的风险大小。