VOCs治理工程安全評價體系研究與構建

楊忠霖，解 強，郝鄭平，周紅陽

(1.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083；2.中國科學院大學 揮發性有機物污染控制材料與技術國家工程實驗室，北京 101408)

0 引 言

近年來，我國揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)治理技術得到快速發展和應用。與此同時，VOCs治理工程的安全事故時有發生，人員傷亡和經濟損失慘重[1]。事故發生的原因包括VOCs的多樣性與排放的復雜性、工藝選擇不合理、工藝設計缺陷、人為操作失誤等[2-3]，主要原因是當前針對VOCs治理工程安全的研究嚴重不足，缺乏系統的安全理論、方法和工具的指導[1]。

相對而言，化工工程的工藝條件更苛刻、工藝系統更復雜、工藝介質危險性更大。然而，分析結果表明，化工工程的安全性明顯優于VOCs治理工程[4-6]。主要原因在于現代化工工業對過程安全分析(Process Hazard Analysis，PHA)極為重視，已經開發出定性、半定量及定量的不同分析深度的數十種安全評價方法，在可行性分析、工藝設計、建造、試車、運行維護、工藝改造等各個階段開展相應的安全評價工作，最大程度保證工程的本質安全[7-9]。VOCs治理工程由各種單元操作和反應單元構成，與化學工程的安全保障措施和事故特征有相似性。因此，體系完整、應用成熟的化工安全評價方法對VOCs治理工程安全的研究工作具有借鑒和指導意義。

筆者對VOCs治理工程的本質進行了分析，概述了化工安全評價方法體系，對比分析了VOCs治理工程與化工過程存在的差異，在此基礎上，根據VOCs治理工程的特點修正了相關化工安全評價方法，構建出適用于VOCs治理工程的安全評價體系，以期對VOCs治理工程的安全提供指導。

1 VOCs治理工程的本質

VOCs治理工程常見的技術有吸附、吸收、冷凝、高溫焚燒、催化氧化、膜分離、光催化、低溫等離子體等[10]，涉及到的操作單元，如吸附、脫附、冷凝、吸收、過濾、傳熱、流體輸送等，是典型的化工單元操作，與化工生產過程一樣遵循相同的物理學規律，使用類似的設備；涉及的熱力燃燒、催化氧化、等離子體氧化、生物降解等反應，均可歸為氧化反應，是化工生產中最常見的反應單元之一[11]。VOCs的氧化銷毀與化工生產的氧化反應單元在本質上相同，在反應設備構造、運行與維護、可能存在的安全隱患等方面十分相似。因此，VOCs治理工程的本質就是化工過程。

因此，完全有可能將體系完整、發展成熟的化工安全評價方法借鑒、應用于VOCs治理工程。

2 化工安全評價方法概述

迄今，已開發出數十種化工安全評價方法，按照量化深度，大致分為定性評價方法、半定量評價方法與定量評價方法[12]。

定性評價方法是最基本的一類安全評價方法，常根據事物變化規律和評價人員的經驗積累對工藝系統的環境、設備、布局、管理等方面進行定性判斷，主要用于簡單事故場景。化工中常用的定性安全評價方法有安全檢查表(Safety Check List，SCL)、人員可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)、故障假設分析(What-if，WI)、危險與可操作性分析(Hazard and Operability Study，HAZOP)等[13-15]。

半定量分析方法是在定性評價的基礎上進一步對危險程度予以分級，對風險大小進行排序，篩選出分析人員應重點關注的安全隱患，適用于比較復雜的事故場景，代表性方法為風險矩陣(Risk Matrix)、保護層分析(Layer of Protection Analysis，LOPA)等[16-18]。

定量分析方法是運用大量試驗結果和歷史統計資料分析獲得的指標和規律，對生產系統的各個方面應用科學的方法構造數學模型進行定量計算的一類評價方法，主要用于重大危險場景的詳細分析。定量安全分析方法分為3類：概率安全評價法、危險指數評價法和傷害(破壞)范圍評價法。化工中常用的方法和模型有故障樹分析(Fault Tree Analysis，FTA)、事件樹分析(Event Tree Analysis，ETA)、道化學火災、爆炸危險指數法(Fire and Explosion Index，F & EI)、自由蒸汽爆炸模型分析(Unconfined Vapor Cloud Explosion，UVCE)等[19-21]。

由于不同的安全評價方法在分析深度、評價目標、適用范圍等方面有所不同，單一的評價方法難以對某一系統做出全面評價。因此，在實際應用中，常將多種方法進行組合構建多層次安全評價體系，保證評價質量的同時提高分析效率[22]。

3 VOCs治理工程與化工工程的差異

VOCs治理工程的本質是化工過程，這為將化工安全評價方法應用到VOCs治理工程創造了很好的條件。但2者并非完全相同，在細節上仍存在一些不容忽視的差異，具體表現為：

1)工藝介質危險程度不同。化工過程涉及的物料不僅具有易燃易爆的特性，同時還可能有高毒乃至劇毒，或強腐蝕性，這些物料的量較大。對于VOCs治理來說，大多數VOCs氣體以含氧空氣為載氣，但與化工工程相比，其濃度較低，物料相對安全；雖然組成復雜，但規模普遍較小[23-24]。

2)工藝復雜程度不同。化工生產流程長、工藝復雜、工藝條件苛刻。如乙烯生產從原料裂解到產品產出需12個化學反應和分離單元，最高溫度近1 000 ℃，最低為-170 ℃，最高壓力為11.28 MPa，最低只有0.07 MPa左右，儀表和控點多達上千個。相對而言，VOCs治理工程工作單元少、流程短、工藝條件更溫和[25]。如常見的“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”工藝，僅有預處理系統、吸附系統、脫附系統、催化燃燒系統和消防系統5個單元，溫度為20～450 ℃，除氮氣保護裝置的壓力為0.8 MPa左右，其他裝置則均為常壓。

3)工況條件不同。VOCs排放分散，收集工作難度大。運行環境復雜，濃度和流量也時常不穩定。而大部分化工企業都位于化工園區中，分布集中，溫度、壓力、濃度等工況條件穩定[26-27]。

4)行業分布不同。VOCs排放涉及的行業眾多，不僅包括絕大多數化工生產過程，還包括建筑裝飾、油品儲運、包裝印刷、電子制造、餐飲、噴涂等。據統計，涉及VOCs排放的行業至少在120個以上，其中年排放量在1萬t以上的有50個以上，行業分布遠比化工復雜[28-29]。

5)規模與投資不同。現代化工生產追求規模化，常見的大宗化工產品單廠年產量都在數十萬噸至數百萬噸，相應的投資多達數十億元甚至數百億元。相對來說，非化工行業企業VOCs排放量在每小時數百至數十萬立方米，且有機物濃度普遍較低，設備和運營投資在數十萬元至數千萬元，規模和投資上遠小于化工生產[30]。

鑒于這些差異，如果直接套用化工安全評價方法，難免出現不適用情況。因此，應充分考慮VOCs治理工程本身的特點，對化工安全評價方法進行適當修正后再使用。

4 VOCs治理工程安全評價體系構建

VOCs治理工程雖不及化工工程的系統復雜，但危險因素較多，不同事故的影響也不同，采用單一安全評價方法難以對治理系統做出全面高效的分析。對于這種情況，可通過構建安全評價體系來解決。

4.1 安全評價方法的選取

選取評價方法時，首先要充分掌握待評價系統的特點。當前，VOCs治理工程同化工工程一樣，已經基本實現了自動化，盡管化工常采用復雜的分散控制系統(Distributed Control System，DCS)，而VOCs治理工程則利用較簡單的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)進行控制，但2者的原理和目的一致，進行安全評價時，應將自動化控制系統作為評價重點[31]。此外，由于VOCs治理工程的本質即為化工過程，2者設計流程相似，因此可供安全評價的資料也基本相同，如管道儀表流程圖(Pipe & Instrument Diagram,PID)、工藝物料平衡圖(Process Flow Diagram,PFD)、工藝流程說明書等。最后，從事故類型來看，化工工程不僅有燃燒爆炸事故，還包括毒性物質的泄漏、壓力設備爆炸、工業腐蝕等[32]，而VOCs治理工程則主要為有機氣體的燃燒爆炸，其他類型的事故影響較小。

選取評價方法時，還應掌握每種安全評價方法的評價目標、使用范圍和優缺點，參考化工安全評價方法的合理性、針對性、適應性、系統性和充分性等原則[33]。與此同時，選取的方法還要兼顧評價體系的構建，使分析過程具有層次感，方法間的信息能夠相互流通。

1)定性評價方法。HAZOP是目前化工安全評價中最常用的方法之一，是一種形式結構化、基于“偏差”來尋找系統潛在危險與可操作性分析的方法。其分析過程系統且嚴謹，對工藝流程中裝置、儀表和控制系統的危險識別尤為詳細，適用于當前VOCs治理工藝已實現全自動化控制的情況。與此同時，HAZOP分析對于治理工程的選址、車間布局、消防設施等整體安全性的識別能力欠佳，而SCL能很好地彌補這一缺點。因此，在評價體系的定性階段選用HAZOP和SCL兩種方法。

2)半定量評價方法。鑒于定性階段選用了HAZOP分析對系統進行詳細的危險識別，在半定量階段選用LOPA可與之形成較好的銜接，且LOPA“保護層”的分析理念與VOCs治理工程的安全保障措施十分契合[34]。此外，為了便于進行風險等級的半定量計算，還需引入風險矩陣作為輔助。

3)定量評價方法。定量評價需從評估事故發生的可能性以及事故后果的評估2方面進行，常用衡量指標為人員傷害和設備損失。目前，化工中最常用的計算事故發生概率的方法為FTA，該方法分析過程直觀簡潔、邏輯清晰、計算準確。且由于VOCs治理工程系統相比化工工程更簡單，采用FTA分析不會使計算量過大而導致工作難以開展。化工中用于評價事故嚴重程度的方法較多，從VOCs治理工程的事故特征來看，可選用指數評價法中的爆炸指數法(F & EI)，但該方法的應用前提是系統中可燃物的質量不低于454 kg，否則結果不可靠，并不適用于大多數的VOCs治理工程[35]。在評價人員傷害時，由于VOCs治理工程爆炸事故大都發生在封閉裝置內，且人員傷害主要由爆炸沖擊波造成而非燒傷，使得化工常用的爆炸相關模型(如蒸汽云爆炸模型，UVCE)同樣不適用[36]。對此，筆者將封閉裝置爆炸沖擊波超壓計算引入到VOCs治理工程的后果評估中，對爆炸可能造成的人員傷害做出量化評價，詳見第4.4節。

綜上所述，通過參考化工安全評價方法選取原則并結合VOCs治理工程的特點，選取安全檢查表和HAZOP用于初期的定性分析，隨后由LOPA和風險矩陣對較嚴重事故進一步開展半定量分析，最后再用FTA和沖擊波超壓計算對嚴重事故進行定量評估。

4.2 安全評價方法的修正

與化工工程相比，VOCs治理工程的工藝介質更安全、工藝系統更簡單，若直接沿用化工中安全評價方法，過于冗余。且從投資和規模來看，大多數VOCs治理工程項目并不足以支撐過于繁雜的安全評價工作。因此，應秉持實用性與合理性原則對選取的化工安全評價方法進行適當調整和簡化，在保證各方法分析步驟基本不變的情況下，適當降低評價詳細程度、縮減評價事故場景或選用更簡潔高效的評價方法。具體的調整情況見表1。

表1 安全評價方法的修正

4.3 安全評價方法的信息共享

為了構建合理、高效的VOCs治理工程評價體系，加強方法間的信息共享是常用手段之一[37]。HAZOP分析是從“偏差”出發，定性識別出初始事件，并根據歷史資料和經驗對事件發生頻率和嚴重程度做出判斷[38]。LOPA在確定事故場景后，同樣需找到始發事件，并判斷始發事件發生概率、后果等級等[39]。因此，2者在分析步驟很相似，具體情況如圖1所示。

圖1 HAZOP分析與LOPA分析的相似性Fig.1 Similarity between HAZOP analysis and LOPA analysis

2者的相似性為體系的信息共享奠定了基礎，如圖2所示，HAZOP分析得到的“偏離”、“初始事件”、“事件發生概率”、“后果”、“后果嚴重程度”等可直接替代LOPA分析中的“事故場景描述”、“始發事件”、“始發事件概率”、“事故后果”、“事故后果嚴重程度”等步驟。得到的事件發生概率和后果嚴重程度直接用于風險矩陣分析，對初始事件的風險等級進行判斷，篩選出較嚴重的事故。隨后，LOPA繼續對較嚴重事故進行評價，確定已有安全措施并適當添加保護層，利用保護層失效概率(Probability of Failure on Demand,PFD)計算事故的剩余風險，將其與可接受風險等級對比，直至達到要求為止。

圖2 HAZOP/風險矩陣/LOPA信息共享Fig.2 Information sharing between HAZOP/risk matrix/LOPA

此外，對爆炸事故進行FTA分析時，需確定原因事件，而HAZOP分析中識別出的與爆炸相關的初始事件可作為參考。由于HAZOP分析更加系統全面，不僅可提高FTA分析效率，還使分析結果更加完整。

4.4 VOCs治理工程安全評價體系的構建

將選出的化工評價方法經適當修正后構建出VOCs治理工程的安全評價體系，如圖3所示。該體系的評價步驟按照定性、半定量、定量的先后順序逐步推進，最后將所有分析結果編制成安全評價報告。

圖3 VOCs治理工程安全評價體系Fig.3 Safety assessment procedures of VOCs treatment project

4.4.1VOCs治理工程整體性定性安全評價

首先利用安全檢查表對VOCs治理工程整體安全性做出評價，避免違反基本安全設計原則的情況出現。完整可靠的資料對于安全檢查的編制極為關鍵，盡管當前VOCs治理相關的標準和法規并不完善，但化工類和工程類的相關標準規范同樣有很好的安全指導作用，一些常用的標準規范[40-41]見表2。

表2 VOCs治理工程相關標準和規范

4.4.2VOCs治理工程系統性定性和半定量安全評價

完成整體性安全評價后，進一步利用HAZOP、風險矩陣和LOPA等方法對VOCs治理工程進行詳細的危險識別和安全評價。首先由HAZOP逐個節點逐個偏差識別初始事件，確定事故發生頻率和嚴重程度。發生頻率可從各大數據庫查詢，嚴重程度的劃分參考表3。隨后，由風險矩陣求出各事故的風險等級，風險矩陣的格式見表4，若風險等級數大于10則為較嚴重事故，需進一步用LOPA分析，添加可用且經濟的保護層，并根據保護層的要求失效概率(Probability of Failure on Demand，PFD)計算剩余風險，直至達到可接受水平。對于較嚴重事故中的爆炸事故，需繼續進行下一步的定量評價。

表3 VOCs治理工程安全事故后果等級劃分

表4 風險矩陣

通過風險矩陣得到風險等級后，進一步將其劃分為4個區間，對于不同等級區間的事故采取不同的應對策略，具體見表5。

表5 風險等級劃分及應對策略

4.4.3爆炸事故定量評價

定量評價分為2部分：利用FTA評價事故發生的可能性和利用沖擊波超壓計算評價事故后果的嚴重程度。

1)FTA分析。鑒于VOCs治理工程事故的特點，只對爆炸事故進行定量評價，確定了故障樹分析的頂上事件。中間事件、省略事件和基本事件等的確定需要結合工程資料分析，也可以從HAZOP分析中出現的與爆炸相關的初始事件來確定。厘清所有事件的邏輯關系后，最終繪制成故障樹結構圖。根據布爾運算法求出最小割集，求出頂上事件發生概率、概率重要度和結構重要度等，具體說明和計算方法[42-44]見表6。

表6 故障樹計算說明

以圖4故障樹為例，說明事故分析的方法。T為頂上事件，M為中間事件，X1、X2、X3、X4為基本事件，并假設q1=q3=0.1，q2=q4=0.01。根據故障樹的邏輯結構，采用上行法易得出T事件的最小割集為{X1}、{X3X4}、{X2}。

圖4 某故障樹結構Fig.4 A fault tree structure

則頂上事件T發生的概率為

(1)

因此，4個基本事件的概率重要度為

(2)

(3)

以此類推，可計算得到4個基本事件X1、X2、X3、X4的概率重要度，并對其進行排序為X1=X4>X2>X3，表示X1和X4事件發生概率的變化對頂上事件T的影響較大。

根據計算得到的概率重要度進一步計算4個基本事件的結構重要度：

(4)

(5)

同理計算出4個基本事件的結構重要度，得到排序為：X1>X3=X4>X2，表示X1事件的發生概率對頂上事件T的影響較大，應重點關注。

2)沖擊波超壓計算。有機混合氣體爆炸產生的沖擊波壓力與初始壓力、初始溫度、濃度、組分以及容器的形狀、大小等因素有關[45]。爆炸產生的最大壓力可按壓力與溫度及摩爾數呈正比的規律確定，關系式為

(6)

式中，P、T和n分別為爆炸后的最大壓力、最高溫度和氣體物質的量；Po、To和m分別為爆炸前的最大壓力、最高溫度和氣體物質的量。

由式(1)進一步推導得到爆炸壓力(不考慮熱損失)計算公式為

(7)

爆炸前后的氣體物質的量與VOCs組成有關，相關信息可從氣體成分分析報告中獲取，爆炸后的溫度可通過熱力學計算求得。將計算出的爆炸壓力與治理設備的結構強度對比，若爆炸壓力超過設備抗壓強度，則會導致設備炸裂，產生的沖擊波會對附近的工作人員造成傷害，傷害標準可參考表7(ΔP為沖擊波超壓)[46-48]。

表7 爆炸時沖擊波超壓的人身傷害準則

通過表7和式(8)還可進一步計算出死亡半徑、重傷半徑等：

(8)

其中，R為比例距離，是爆炸中心的距離r與爆炸物藥量W的立方根之比，其中W按TNT當量計算，kg。

5 結 論

1)由于VOCs治理工程的本質為化工過程，所以將化工安全評價方法應用到VOCs治理工程中可行，但2者在諸多細節上仍存在不可忽視的差異，需充分考慮VOCs治理工程的特點選取評價方法并進行適當修正。另外，采用單一評價方法往往無法對VOCs治理系統進行全面高效評價，將多種方法組合，構建多層次安全評價體系既能保證分析質量，還能提高評價效率。

2)在本文構建的集安全檢查表、HAZOP、風險矩陣、LOPA、FTA和沖擊波超壓計算為一體的安全評價體系中，HAZOP分析得到的初始事件頻率和后果嚴重程度可作為風險矩陣分析的數據來源，風險矩陣對事故風險等級的判斷可篩選出較嚴重的事故，以便進一步開展LOPA分析，HAZOP識別出的初始事件還可以為FTA分析提供原因事件。

3)該體系充分發揮了不同評價方法的優勢，實現了不同方法間的信息共享，評價過程系統、高效、有層次。