案例研究:基于风险的可燃性粉尘危害缓解方法

蒂莫西·l·卡利纳，体育明星*，阿肖克·g·达斯提达，工商管理硕士，博士，艾米·e·泰斯，体育明星，Fauske & Associates, LLC风险管理服务部

摘要

的美国消防协会(NFPA)发布规范，为防火防爆提供指导。木屑颗粒制造设施中可燃性粉尘的指南由NPFA 664，木材加工和木工设施中防止火灾和爆炸的标准．在这个案例研究中，第一步是审查过程，并确定哪些材料构成可燃粉尘危害。下一步是根据NFPA 664的规定要求评估现有设备。在某些情况下，NFPA 664的说明性要求将要求对过程进行重大且昂贵的更改。通过执行过程危害分析(PHA)在该工厂的木屑颗粒制造过程中，采用了基于风险的方法，通过实施保护系统和保障措施来实现可接受的风险水平。

简介

本案例研究开始后，火灾和可燃粉尘爆炸发生在木屑颗粒制造厂。本文将描述该事件，然后采用基于风险的方法来解决该设施的可燃性粉尘危害。该方法由三部分组成:获取适当测试数据的抽样计划、间隙分析和过程危害分析。

事件描述

颗粒冷却器开始冒烟，当地消防部门接到了通知。当消防人员准备扑灭颗粒冷却器火灾时，一股炽热的余烬通过管道传播到颗粒冷却器袋装屋，引发了可燃粉尘爆燃。爆燃破裂了袋子屋的爆炸通风口，导致大火通过6英尺长的管道穿过墙壁，蔓延到距离建筑物8英尺远的附近波纹钢筒仓的一侧。火焰沿着含有干木颗粒的筒仓一侧蔓延，并通过其锥形屋顶下方的通风口，导致热余烬进入筒仓并引发另一场火灾。

图1显示了颗粒冷却器与其袋屋，以及袋屋与外部筒仓的关系。图2显示了爆炸排气口和筒仓。图3显示了修复后的颗粒冷却器袋屋。爆炸留下的焦痕在袋子屋上空清晰可见。

图1．事故区域示意图	图2．出口靠近外面筒仓	图3．修复了颗粒冷却器袋屋

同样的爆燃也吹掉了袋子屋的门，导致隔离阀关闭。被关闭的隔离阀所抑制的压力导致管道破裂，火势一路蔓延到袋子屋。尽管位于Hammer Mill大楼内的隔离阀及其附属管道掉落到地板上，但该隔离阀阻止了爆燃流向上游生产设备。这里没有发生新的火灾。

消防队员迅速扑灭了最初的颗粒冷却器火灾，然后在接下来的12个小时里扑灭了筒仓中的火灾。在此期间，OSHA到达现场开始调查。

在这次事件中没有人受伤，袋子屋的主体，现在没有门，没有管道，也没有通风口，在其他方面保持完整。颗粒冷却器没有受到任何损坏，消防队员甚至挽救了筒仓。不到一周，工作就恢复了。

危害识别:材料特性和工艺描述

该工厂接收绿色和窑干(KD)木颗粒，分别处理，直到颗粒制造前的存储。图4提供了制粒过程的工艺流程图，并确定了在采样计划中确定的绿色和KD木颗粒采样点。

绿色木材，主要是大木屑和小木屑和锯末，其含水量接近50%。这种材料缩小尺寸，干燥，然后再次缩小尺寸。然后，大约85%的木材颗粒被输送到一个储存筒仓，为颗粒制造做准备。剩下的15%的绿色木材颗粒通过第三个，更小的锤式磨进一步缩小尺寸，使其能够作为回转窑的燃料。表1显示了在减小尺寸或干燥后，绿木颗粒在过程中各点的水分含量和尺寸分析。

图4。工艺流程图

表1。绿木微粒

图5提供了厂房布局。烘干机大楼与有顶棚的接收区和其他三栋包括木屑颗粒处理设施的建筑是分开的。如图6所示，绿色木材颗粒被储存在露天。不同来源的绿色材料在被装载到饲料输送机前往烘干机大楼之前，在覆盖区域下混合。一个小型前端装载机将KD木材颗粒送入KD接收区域屋顶下的传送带。表2提供了第三次尺寸缩小后的绿木颗粒可燃性粉尘测试结果。这种材料用作回转窑的燃料。

图5。厂房布局	图6。绿色木材储存

表2。燃料木颗粒可燃性粉尘数据

^__P_马克斯和K_圣点火能量为10 kJ。* 1000兆焦耳是MIE测试设备能够放电的最大能量。

KD颗粒比绿色木材颗粒要小得多，干燥得多，如图7所示，它通过封闭拖车来到工厂。该KD颗粒在储存用于制粒之前在Hammer Mill建筑中进行了一次尺寸缩小(见图4)。表3给出了尺寸缩小后KD木材颗粒的水分含量、颗粒尺寸分析和可燃性粉尘测试结果(图4中的样本点6)。

图7。KD颗粒在拖车中卸货

表3。木材颗粒样品分析

在该过程的最后阶段，将绿色颗粒和KD颗粒混合并送入造粒机。表4提供了混合饲料的可燃性粉尘测试结果，根据ASTM方法E1226研磨到小于75微米。由颗粒冷却袋室收集的颗粒颗粒在分析之前不需要缩小尺寸。

表4。混合木材颗粒可燃性粉尘数据

^{†根据ASTM E1226测试前准备(研磨到< 75微米)}

危害分析

应该注意的是，NFPA 664将“干性不可爆燃木屑”定义为质量中值颗粒尺寸大于500微米且水分含量小于25%(湿基)的木材颗粒。虽然FAI不支持这一定义，因为许多测试结果提供的数据与这一定义相反，但这一定义在标准中，并且仍然是合规性分析的一个因素。

绿色木材颗粒不提供可燃粉尘爆燃危险，直到它经历尺寸缩小第三次使用作为回转窑燃料。即使如此，从较高的最低点火能量(MIE > 1000 mJ)和大于500微米的大质量中值颗粒尺寸来看，点燃云的难度很明显。Evan一个5千焦点火器没有点燃后燃料锤磨样品。低K_圣， 31±30% bar-meter/sec，当被相当高的能量源(10 kJ)点燃时产生，这是另一个低风险的指标，直到在制粒前与KD颗粒混合。如上所述，这个点火数据与NFPA 664对干性不可爆燃木尘的定义相反，只要它不是在20升容器中超速点火的结果。

另一方面，KD木材颗粒通常作为可燃粉尘到达工厂，单独处理这种材料的设计决策是谨慎的。KD木颗粒很容易飘散到空气中，并且很容易被点燃，特别是通过静电放电(见表3)。KD木颗粒接收区的无保护的袋室服务于封闭的输送机和料斗，与上游输送机、锤磨机和筒仓一样，具有更高的火灾和爆燃风险。卸货KD木颗粒的员工暴露于接收区设备的爆燃以及卸货KD木颗粒时使用的动力工业卡车的热表面引燃的风险增加。

对通风口计算的检查表明，根据K的新测试结果，现有通风口的尺寸过小_圣．通风口的设计依赖于K_圣OSHA盐湖技术中心提供的测试数据为19巴米/秒，而不是由ASTM E1226分析确定的182巴米/秒。

差距分析

木屑颗粒公司聘请FAI为实现NFPA合规提供技术支持。首先，FAI对设施、流程和计划进行了NFPA差距分析。差距分析包括识别和记录NFPA指南或标准与现有设备、实践和管理系统之间的差异。

差距分析确定了几个可归为三大类的问题:

1. 处理可燃性粉尘设备的防护;
2. 电气区域分类;而且
3. 当前不存在或根本不存在的安全管理体系。

处理可燃性粉尘设备的保护

该工厂的一些除尘器没有安装防爆装置。在安装的地方，防爆通风口的设计基于OSHA K_圣= 19 bar-meter/sec，而不是根据NFPA 68和ASTM方法E1226确定的值。尽管OSHA报告上有不使用报告K的标记，但仍然使用了严重低估的值_圣设计计算值。(K_圣OSHA在之前的执法行动中进行了分析。)这些通风口也没有排到安全的地方。通风口指向8英尺外的一个木质颗粒储存筒仓。此外，大多数输送机和空气物料分离器不存在隔离。

为了尽量减少扬尘，大多数输送机是封闭的，由空气物料分离器提供负压。这使得传送带可以作为空气管道，允许小颗粒在气流中携带，而较重的颗粒则在设备之间的传送带上行驶。这种方法允许足够小的空气微粒绕过锤式磨粉机，从而减少了磨粉机的机械和电气负荷。然而，这种设计造成了长段无保护或保护不足的管道和设备。为了保持这一设计特点，传送带和一些空气物料分离器不能通过规定的方法进行保护，需要PHA提供进一步的分析。

室内斗式提升机，由当地管辖当局(AHJ)的建筑规范许可，不符合NFPA 654关于减压、预防点火和防止危险传播的要求。这可以通过安装爆燃通风口、轴承监控器和自调节皮带对准系统来纠正，也可以简单地拆卸和更换室内斗式提升机。FAI建议后一种选择，管理层也接受了。

工厂设计理念的另一个方面是，除了建筑物之间的传送带外，100%的设备都放在室内。在防止天气对设备造成影响的同时，为了安全起见，设备通常位于室外。这也引起了OSHA事件调查小组的关注，他们建议NFPA 664的规定方法，第8.6.2.1节将要求回转窑搬迁到建筑物外。

8.6.2.1有爆燃危险的旋转式干燥机应安装在下列位置之一:

(1)室外

(2)在单独的独立建筑内

(3)在独立的限损室中。

其他设备问题被确定，如验证管道工作和封闭输送机的适当大小，提供足够的空气流量，包括不定期金属分离设备。

电气区域分类

差距分析包括对电气区域分类的回顾。该设施的电线、外壳、导管和出水口符合第II部第2类的要求。然而，该设施没有文件化的电气分类计划，并且没有在II类分区2空间中使用适当的额定设备，如动力工业卡车。其他产生火花的设备，如未评级的便携式真空也应被禁止。

使用NFPA 70，国家电气规范(NEC)，第502条和NFPA 499，化学过程区电气装置可燃性粉尘和危险(分类)位置分类推荐实施规程，使用基于设备位置的点源方法为设施创建分类计划。该计划将设备周围的有限半径确定为II分区2，并提供了清洁要求和扬尘控制措施，以保持这一等级。设备周围的识别半径之外的位置被归类为一般用途。该计划还限制非评级设备在二级评级地区使用。在某些地区，这意味着改变设备和程序，以符合NEC的规定，包括获得II级2级便携式吸尘器用于清洁。

安全管理制度

差距分析表明，不存在书面的可燃性粉尘管理程序，如变更管理(MOC)、内务管理、预防性维护和检查。可燃粉尘培训工作很少，记录也很少。

FAI为新政策、书面计划和要制定和实施的培训提供指导。经核实，这些新程序将满足记录保存和审计的要求。在这些政策和计划落实后，开展了新的综合个人防护装备评估。评估中发现了一个重要的发现，后来得到了PHA的支持，即为卸载KD木颗粒的员工提供防火工作服。

FAI还为工厂管理人员和监督员举办了培训班。讨论的主题包括可燃性粉尘意识;检查和维护要求;可燃性粉尘清洁，指导解决问题，如使用天然刚毛扫帚的推荐清洁技术，禁止在没有采取所有适当预防措施的情况下产生尘雾或使用压缩空气;及时控制扬尘，切实可行，尽快停止泄漏;以及MOC、维护和培训的记录保存要求。反过来，管理层对生产和维护员工重复培训。

这种差距分析确定了许多可以根据NFPA 664的规定要求进行纠正的问题。然而，有些问题更加复杂，需要进一步的测试和评估，以提出一种最小化可燃性粉尘危害的策略。FAI提出了一种基于风险的方法，在NFPA标准中提到，作为上述说明性行动的可接受替代方案，以确定和优先考虑减少或减轻风险所需的行动。以下是基于风险的研究的一些重点领域:

• 从关键植物区域取样和测试木材颗粒;
• 提供可燃性粉尘管理和意识培训;
• 执行过程危害分析(PHA);而且
• 以风险等级的方式实施PHA建议。

使用PHA的基于风险的方法来解决问题，并对差距分析确定的项目进行优先级排序。

过程危害分析(PHA)

在执行PHA之前，FAI花时间与客户一起开发一个代表他们自己的风险承受能力的风险管理矩阵。风险矩阵的开发涉及人员和公共安全、环境保护以及偶发性事件造成的业务中断或损失后果。这项工作产生了一个详细的5级可能性和7级严重性风险矩阵。对于每一级风险，都制定了紧急指示，以确定完成后续行动的允许时间。表5列出了制定的风险描述和行动时间框架矩阵．

表5所示。风险描述和行动时间框架

PHA遵循HAZOP方法以满足NFPA 664的危害分析要求。范围包括从原料接收到包装和散装装载的颗粒制造过程的可燃性粉尘危害识别和后果评估。根据过程域和控制机会将过程划分为18个节点。例如，将窑干木材分为4个节点，如下例所示。青木搬运为8个节点，包装/散装装载混合颗粒和制粒为6个节点(参考图4)。例如，KD节点如下:

• 节点1，接收窑干燥(KD)木颗粒(WP)
• 节点2,KD粉碎机从料斗输送到计量仓
• 节点3,KD计量仓到KD锤磨机，和
• 节点4，填充筒仓1、2和3。

FAI带领PHA团队识别危险、后果和保障措施。对木材流量、气流、设备运行和信号流等工艺参数进行了标准和工艺具体指导词的分析。该团队确定了设备故障或不当操作可能导致的设计意图偏差，以及每种情况下可能发生的后果。接下来，研究小组根据对这些情况的严重性和可能性的估计，对这些情况进行了风险排名。过程的连续操作和瞬态操作(启动和关闭)都包括在研究中。

其中一个场景确定了一个设计控制缺陷，即在启动操作期间将绿木材计量到回转窑中。这种情况后来在维护关闭后的启动操作中实现，并在实施建议的更改之前导致了一场小火灾。总而言之，PHA针对识别出的不可接受和边际可接受的风险制定了54项建议(见表5)。

值得注意的是，PHA的结果并不同意回转窑存在爆燃危险，这是基于实验室对颗粒大小、水分含量、人员暴露和其他可燃粉尘测试结果的结果。工人们每班只短暂地进入大楼两次，记录设备仪表读数。最终，这些仪表被重新布线并路由到自动数据收集系统，并报告给控制中心(远程位置)。这栋建筑的干燥过程确实存在火灾隐患，PHA建议采取额外的防火措施。这些安全措施包括在向OSHA提出的纠正措施中。图8提供了旋转干燥机建筑的块流草图。

OSHA要求工厂从他们建议的专家名单中聘请一名独立的第三方专家，对建议的纠正措施及其实施以及PHA的可接受性进行评论。独立专家接受了PHA的结论，也满足了OSHA对工人安全的关注。

图8。旋转式烘干机积木流动草图

结论

使用定义良好的测试策略，差距分析和PHA使工厂人员有机会了解以前没有意识到的危险，并确定与这些危险相关的相对风险。这种方法使工厂员工对个别问题有了新的所有权。通过执行差距分析和PHA，应用了基于风险的方法，通过实施保护系统和保障措施来实现可接受的风险水平。PHA允许客户确定行动的优先级，并分配负责的人员来解决建议并跟踪实施。客户保留FAI以在其其他设施中完成相同的流程。

欢迎提问和讨论。欲了解更多信息，请联系Tim Cullinacullina@fauske.com,630-887-5213