垃圾填埋沼氣回收利用系統火災爆炸危險度綜合評估模型及其評價

垃圾填埋場中的生活垃圾中含有大量的有機物，它們大多數可以被微生物厭氧消化、降解，產生大量的垃圾填埋沼氣體。其主要成分為CH4和CO2，以及其他一些微量成分如N2、H2S、H2和揮發性有機氣體等。據計算，每噸含200公斤有機物的垃圾，能產生100立方米的沼氣。若不采取適當的收集系統對填埋場釋放氣體進行收集，則釋放氣體會在填埋場累積，并向場外擴散，對周邊設施和人員造成危害。這些危害中最突出、最具危險性的是沼氣爆炸事故和火災。

填埋釋放氣體由大量CH4和CO2組成，其中CH4在空氣中的濃度達到爆炸下限（5％～15％），容易引起爆炸。目前，我國許多城市都發生過垃圾填埋場氣體爆炸事故：

1994年2月4日，重慶市一座垃圾場發生嚴重沼氣爆炸事故，強大的氣浪掀起的垃圾，將9名臨時工埋沒，當場死亡4人；

1994年8月11日，湖南省岳陽市一座約2萬立方米的垃圾堆突然爆炸，上萬噸的垃圾被拋向空中，摧毀了垃圾場附近的一座水泵和兩道污水堤；

1995年，江蘇無錫市桃花山垃圾填埋場的兩個石籠突然起火，無法撲滅，燃燒多天經過一場暴雨才熄滅；

1995年9月、10月、12月北京昌平縣接連三次發生垃圾場沼氣爆炸事故，重傷2人……

這些慘痛的教訓告訴人們，對于垃圾填埋沼氣的回收利用系統的危險性要引起高度重視！因此，利用安全工程理論對填埋沼氣回收利用系統進行全面的安全分析對于減少和避免火災、爆炸的發生是十分必要的。

一、火災爆炸危險度的綜合評估模型

1．1 分析對象的確定

目前國內垃圾填埋沼氣回收利用系統所采用的工藝為：凈化后的填埋沼氣大部分壓縮裝罐，作為燃料使用。剩余部分用于發電，供廠內生產生活使用。具體的工藝流程如圖1所示。

1．2 火災爆炸危險度的綜合評估模型的建立

垃圾填埋沼氣回收利用系統火災爆炸危險度的綜合評估系統，應該是火災分析、預測、決策與安全配套措施的有機統一，并形成完善的安全運行機制，其評估系統的建立應從實際出發，以系統觀點為指導，堅持安全定性與定量分析的有機結合，使安全綜合評估系統具有科學性、實用性與可操作性。它主要包括火災爆炸危險度的分析模型、評估模型及火災危險預知訓練與預測模型等，由此可建立起油庫火災爆炸危險度的綜合評估體系如圖2所示：

二、火災爆炸危險度的綜合評估模型的優點

2．1 在現有技術條件下，突出了安全管理的重要性

安全工程的最終目標在于系統的本質安全化，但是在目前的技術經濟條件下，完全依賴從技術上消除工藝設備的危險性不足以將危險度降低到社會可以接受的水平，因此，模型中將安全管理置于與工藝設備安全性同等重要的水平，突出了在目前技術條件下加強安全管理工作的重要性。

2．2 分析內容的全面性

綜合評估模型中涵蓋了火災爆炸分析模型、安全評估模型和火災危險預防訓練與預測模型，其中火災爆炸分析模型闡述了導致火災的危險因素、各因素之間的相互影響和火災發展歷程，對類似系統的事故數據進行統計分析和計算機模擬；安全評估模型針對系統的某一部分，乃至整體進行安全狀況評價；火災危險預防訓練與預測模型則突出了“安全第一，預防為主”的方針，建立火災爆炸預測模型，強調了安全管理中對火災的預防與控制功能，將火災危險消滅在萌芽狀態。與過去的火災爆炸評估體系相比較而言，這一模型具有以火災機理研究為起點，以安全分析為重點，以安全評估為依據，結合火災爆炸的預測，真正實現了對垃圾填埋沼氣回收利用這一復雜大系統的全面安全分析，最終將該系統火災爆炸危險度降低到社會可接受的程度。

2．3 將定性分析與定量分析結合起來

將定性分析方法和定量分析方法有機地結合起來，針對不同類型的具體對象進行相應級別的風險性評價，提高安全生產水平。鑒于垃圾填埋沼氣回收利用系統中諸多因素不完全清楚，常規決策方法中的評估指標值在這里又多為不確定的模糊量，基于這一特點，把不知道的和不確定的分開考慮，充分利用已有的事故概率數據，實現垃圾填埋沼氣回收利用系統的綜合評判。采用的分析方法既有定性分析，例如火災局勢分析和安全檢查表，又有各類定量、半定量分析方法，例如事故樹分析、模糊綜合評判和危險矢量評價。

比如，就安全評估模型而言，事故樹分析是安全系統工程的重要方法，它能對各種系統的危險性進行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入揭示事故的潛在原因。用它描述事故的因果關系直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，既可定性分析，又可定量分析。在應用中，由于安全數據的不充分性和基本事件的模糊性等原因，使傳統的事故樹分析方法受到限制。解決的辦法是引入模糊數學理論，采用模糊事故樹的分析方法。模糊事故樹分析中底事件發生概率的獲得，可以采用以下方法：對于可以通過可靠性手冊、經驗數據等途徑獲得事故率的底事件，根據事故率、概率分布參數和其他參數獲得底事件的發生概率，這是精確值。對于沒有統計數據的底事件及其他模糊事件，通常是通過專家的主觀判斷確定底事件的發生概率，獲得底事件的模糊發生概率。一般的做法是：先對事故樹中各事件(頂端事件、中間事件和基本事件)的安全程度進行模糊描述，一般用四個等級為度量所有事件的語言變量名稱，即“安全”、“臨界”、“危險”、“破壞”。接下來對每一個語言變量名稱，以語氣算子“極”、“很”、“微”加以修飾，例如：“極安全”、“很安全”、“微安全”等等。這樣，就構成了事故樹模糊分析中的全部語言變量，總計12個。再令每一個語言變量代表一個模糊子集，每一個模糊子集的隸屬函數0≤ ≤1。這些模糊子集、語言變量和隸屬函數構成12×12的隸屬函數矩陣。最后，在事故樹的所有基本事件都測得一個動態的模糊值之后，依據事故樹所對應的邏輯表達式進行模糊運算的過程，就稱之為對事故樹所進行的模糊分析。運算的結果就是系統動態狀態的一個模糊值。再對這個模糊值進行判定（例如采用模糊數學中關于“貼近度”的計算方法），就可以得到運行系統動態狀態的一個模糊評估。

相對于Delphi法、專家打分法和頭腦風暴法等評價方法而言，其優點在于將模糊數學引入事故樹分析中，使用多種模糊數、語言值及精確概率值刻畫事件的發生概率，并作統一處理，因而更符合工程實際，具有很高的工程實用價值。

2．4 分析方法的多樣性和互補性

克服過去單純依賴某一特定分析方法所帶來的不可避免的缺陷，充分發揮多種分析方法的優點，實現了各種分析方法的有機結合，提高了模型預測的準確性。在本模型中，綜合采用了事故樹、模糊綜合評判、隨機過程的馬爾克夫模型、危險矢量評估等多種安全評價方法，這些方法在具體應用中可以結合使用、相互補充。比如，傳統的事故樹分析法，運用條件概率的計算方法，估算火災發生的概率和消防系統的可靠性。但這種靜態分析方法，未考慮系統起火后火災隨時間的傳播過程。在火災災變模型中，可以將火災傳播過程看作穩定的馬爾克夫過程，火災在某一時刻傳播的方向和概率，只與該時刻火災位置有關，而與火災前期歷史無關，并認為傳播概率不隨時間的推移而改變，從而建立了火災傳播的動態模型。在大多數情況下，垃圾填埋場的防火安全的重要因素以及火災發展的最后狀況，取決于消防系統的工作可靠性。首先，對消防系統的可靠性進行事故樹分析；接著，求解基本原因事件的概率重要度，找到防火的重點和消防設計應該著重考慮的問題；緊接著，用馬爾可夫狀態轉移矩陣描述火災傳播發生概率的時間分布；最后，求解出各個事件隨火災發展而產生的概率。運用動態馬爾克夫模型估算消防系統隨火災傳播被破壞的不同狀態概率的時間分布，對制訂消防滅火戰術，具有重要意義。

所以，采用多種方法并充分利用其互補性，可以提高模型的精度，較好地反映實際情況及其發展變化，更有效地實現對系統安全的動態監控。

三、結論及展望

3．1 火災爆炸危險度的科學評估是一項復雜的系統工程。應從系統危險致災因素、火災分析與處理、安全預測與決策等方面綜合考慮與分析，并應借助火災數據統計、火災科學及安全消防技術的支持，其得出的評估結論方有科學性與可信性。

3．2應加強火災系統評估理論的研究。立足于實際工作中使用的工藝設備，運用先進科學的評估理論以建立“全方位”的垃圾填埋沼氣回收利用系統火災防范措施及評估體系，是確保垃圾填埋沼氣回收利用系統本質安全的可靠保證。由于安全系統工程本身就是一門新興學科，其安全度及火災爆炸危險度的研究將隨著系統工程的不斷發展，而不斷地得到充實與完善。

3．3 應當加快垃圾填埋沼氣回收利用系統火災爆炸危險度綜合評估的計算機軟件模塊的研制。實際上，立足于每個垃圾填埋沼氣回收利用系統安全工藝設備現狀的實際，我們可建立起諸如垃圾填埋作業區火災爆炸危險度計算機評估子模塊、裝罐區火災危險度評估子模塊等，形成各分區模塊配套的結構體系。