垃圾填埋沼气回收利用系统火灾爆炸危险度综合评估模型及其评价

垃圾填埋场中的生活垃圾中含有大量的有机物，它们大多数可以被微生物厌氧消化、降解，产生大量的垃圾填埋沼气体。其主要成分为CH4和CO2，以及其他一些微量成分如N2、H2S、H2和挥发性有机气体等。据计算，每吨含200公斤有机物的垃圾，能产生100立方米的沼气。若不采取适当的收集系统对填埋场释放气体进行收集，则释放气体会在填埋场累积，并向场外扩散，对周边设施和人员造成危害。这些危害中最突出、最具危险性的是沼气爆炸事故和火灾。

填埋释放气体由大量CH4和CO2组成，其中CH4在空气中的浓度达到爆炸下限（5％～15％），容易引起爆炸。目前，我国许多城市都发生过垃圾填埋场气体爆炸事故：

1994年2月4日，重庆市一座垃圾场发生严重沼气爆炸事故，强大的气浪掀起的垃圾，将9名临时工埋没，当场死亡4人；

1994年8月11日，湖南省岳阳市一座约2万立方米的垃圾堆突然爆炸，上万吨的垃圾被抛向空中，摧毁了垃圾场附近的一座水泵和两道污水堤；

1995年，江苏无锡市桃花山垃圾填埋场的两个石笼突然起火，无法扑灭，燃烧多天经过一场暴雨才熄灭；

1995年9月、10月、12月北京昌平县接连三次发生垃圾场沼气爆炸事故，重伤2人……

这些惨痛的教训告诉人们，对于垃圾填埋沼气的回收利用系统的危险性要引起高度重视！因此，利用安全工程理论对填埋沼气回收利用系统进行全面的安全分析对于减少和避免火灾、爆炸的发生是十分必要的。

一、火灾爆炸危险度的综合评估模型

1．1 分析对象的确定

目前国内垃圾填埋沼气回收利用系统所采用的工艺为：净化后的填埋沼气大部分压缩装罐，作为燃料使用。剩余部分用于发电，供厂内生产生活使用。具体的工艺流程如图1所示。

1．2 火灾爆炸危险度的综合评估模型的建立

垃圾填埋沼气回收利用系统火灾爆炸危险度的综合评估系统，应该是火灾分析、预测、决策与安全配套措施的有机统一，并形成完善的安全运行机制，其评估系统的建立应从实际出发，以系统观点为指导，坚持安全定性与定量分析的有机结合，使安全综合评估系统具有科学性、实用性与可操作性。它主要包括火灾爆炸危险度的分析模型、评估模型及火灾危险预知训练与预测模型等，由此可建立起油库火灾爆炸危险度的综合评估体系如图2所示：

二、火灾爆炸危险度的综合评估模型的优点

2．1 在现有技术条件下，突出了安全管理的重要性

安全工程的最终目标在于系统的本质安全化，但是在目前的技术经济条件下，完全依赖从技术上消除工艺设备的危险性不足以将危险度降低到社会可以接受的水平，因此，模型中将安全管理置于与工艺设备安全性同等重要的水平，突出了在目前技术条件下加强安全管理工作的重要性。

2．2 分析内容的全面性

综合评估模型中涵盖了火灾爆炸分析模型、安全评估模型和火灾危险预防训练与预测模型，其中火灾爆炸分析模型阐述了导致火灾的危险因素、各因素之间的相互影响和火灾发展历程，对类似系统的事故数据进行统计分析和计算机模拟；安全评估模型针对系统的某一部分，乃至整体进行安全状况评价；火灾危险预防训练与预测模型则突出了“安全第一，预防为主”的方针，建立火灾爆炸预测模型，强调了安全管理中对火灾的预防与控制功能，将火灾危险消灭在萌芽状态。与过去的火灾爆炸评估体系相比较而言，这一模型具有以火灾机理研究为起点，以安全分析为重点，以安全评估为依据，结合火灾爆炸的预测，真正实现了对垃圾填埋沼气回收利用这一复杂大系统的全面安全分析，最终将该系统火灾爆炸危险度降低到社会可接受的程度。

2．3 将定性分析与定量分析结合起来

将定性分析方法和定量分析方法有机地结合起来，针对不同类型的具体对象进行相应级别的风险性评价，提高安全生产水平。鉴于垃圾填埋沼气回收利用系统中诸多因素不完全清楚，常规决策方法中的评估指标值在这里又多为不确定的模糊量，基于这一特点，把不知道的和不确定的分开考虑，充分利用已有的事故概率数据，实现垃圾填埋沼气回收利用系统的综合评判。采用的分析方法既有定性分析，例如火灾局势分析和安全检查表，又有各类定量、半定量分析方法，例如事故树分析、模糊综合评判和危险矢量评价。

比如，就安全评估模型而言，事故树分析是安全系统工程的重要方法，它能对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入揭示事故的潜在原因。用它描述事故的因果关系直观、明了，思路清晰，逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析。在应用中，由于安全数据的不充分性和基本事件的模糊性等原因，使传统的事故树分析方法受到限制。解决的办法是引入模糊数学理论，采用模糊事故树的分析方法。模糊事故树分析中底事件发生概率的获得，可以采用以下方法：对于可以通过可靠性手册、经验数据等途径获得事故率的底事件，根据事故率、概率分布参数和其他参数获得底事件的发生概率，这是精确值。对于没有统计数据的底事件及其他模糊事件，通常是通过专家的主观判断确定底事件的发生概率，获得底事件的模糊发生概率。一般的做法是：先对事故树中各事件(顶端事件、中间事件和基本事件)的安全程度进行模糊描述，一般用四个等级为度量所有事件的语言变量名称，即“安全”、“临界”、“危险”、“破坏”。接下来对每一个语言变量名称,以语气算子“极”、“很”、“微”加以修饰，例如：“极安全”、“很安全”、“微安全”等等。这样，就构成了事故树模糊分析中的全部语言变量，总计12个。再令每一个语言变量代表一个模糊子集，每一个模糊子集的隶属函数0≤ ≤1。这些模糊子集、语言变量和隶属函数构成12×12的隶属函数矩阵。最后，在事故树的所有基本事件都测得一个动态的模糊值之后，依据事故树所对应的逻辑表达式进行模糊运算的过程，就称之为对事故树所进行的模糊分析。运算的结果就是系统动态状态的一个模糊值。再对这个模糊值进行判定（例如采用模糊数学中关于“贴近度”的计算方法），就可以得到运行系统动态状态的一个模糊评估。

相对于Delphi法、专家打分法和头脑风暴法等评价方法而言，其优点在于将模糊数学引入事故树分析中，使用多种模糊数、语言值及精确概率值刻画事件的发生概率，并作统一处理，因而更符合工程实际，具有很高的工程实用价值。

2．4 分析方法的多样性和互补性

克服过去单纯依赖某一特定分析方法所带来的不可避免的缺陷，充分发挥多种分析方法的优点，实现了各种分析方法的有机结合，提高了模型预测的准确性。在本模型中，综合采用了事故树、模糊综合评判、随机过程的马尔克夫模型、危险矢量评估等多种安全评价方法，这些方法在具体应用中可以结合使用、相互补充。比如，传统的事故树分析法，运用条件概率的计算方法，估算火灾发生的概率和消防系统的可靠性。但这种静态分析方法，未考虑系统起火后火灾随时间的传播过程。在火灾灾变模型中，可以将火灾传播过程看作稳定的马尔克夫过程，火灾在某一时刻传播的方向和概率，只与该时刻火灾位置有关，而与火灾前期历史无关，并认为传播概率不随时间的推移而改变，从而建立了火灾传播的动态模型。在大多数情况下，垃圾填埋场的防火安全的重要因素以及火灾发展的最后状况，取决于消防系统的工作可靠性。首先，对消防系统的可靠性进行事故树分析；接着，求解基本原因事件的概率重要度，找到防火的重点和消防设计应该着重考虑的问题；紧接着，用马尔可夫状态转移矩阵描述火灾传播发生概率的时间分布；最后，求解出各个事件随火灾发展而产生的概率。运用动态马尔克夫模型估算消防系统随火灾传播被破坏的不同状态概率的时间分布，对制订消防灭火战术，具有重要意义。

所以，采用多种方法并充分利用其互补性，可以提高模型的精度，较好地反映实际情况及其发展变化，更有效地实现对系统安全的动态监控。

三、结论及展望

3．1 火灾爆炸危险度的科学评估是一项复杂的系统工程。应从系统危险致灾因素、火灾分析与处理、安全预测与决策等方面综合考虑与分析，并应借助火灾数据统计、火灾科学及安全消防技术的支持，其得出的评估结论方有科学性与可信性。

3．2应加强火灾系统评估理论的研究。立足于实际工作中使用的工艺设备，运用先进科学的评估理论以建立“全方位”的垃圾填埋沼气回收利用系统火灾防范措施及评估体系，是确保垃圾填埋沼气回收利用系统本质安全的可靠保证。由于安全系统工程本身就是一门新兴学科，其安全度及火灾爆炸危险度的研究将随着系统工程的不断发展，而不断地得到充实与完善。

3．3 应当加快垃圾填埋沼气回收利用系统火灾爆炸危险度综合评估的计算机软件模块的研制。实际上，立足于每个垃圾填埋沼气回收利用系统安全工艺设备现状的实际，我们可建立起诸如垃圾填埋作业区火灾爆炸危险度计算机评估子模块、装罐区火灾危险度评估子模块等，形成各分区模块配套的结构体系。