Ứng dụng phương pháp phân tích cây sai phạm trong đánh giá nguy cơ gây sự cố hóa chất

Phương pháp phân tích cây sai phạm (fault tree analysis) FTA là một kỹ thuật suy diễn được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phân tích độ tin cậy của hệ thống. Phương pháp này tập trung vào một tai nạn cụ thể hoặc sự hư hỏng hệ thống kết hợp với các phần cứng, phần mềm và lỗi của con người để xác định nguyên nhân cụ thể dẫn đến sự cố.

K t qu nghiên c u KHCN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÂY SAI PHẠM TRONG ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ GÂY SỰ CỐ HÓA CHẤT ThS Nguy n Th Thúy H ng CS Vi n Nghiên c u KHKT B o h lao đ ng TÓM TẮT hương pháp phân tích sai phạm (fault tree analysis) FTA kỹ thuật suy diễn sử dụng rộng rãi phổ biến phân tích độ tin cậy hệ thống Phương pháp tập trung vào tai nạn cụ thể hư hỏng hệ thống kết hợp với phần cứng, phần mềm lỗi người để xác định nguyên nhân cụ thể dẫn đến cố Trên thực tế, khơng có trình đánh giá nguy chuẩn ngành công nghiệp Mỗi nhà máy, khối cơng nghệ có nét đặc thù riêng Để đánh giá mối nguy nó, nhà phân tích thường phải tự xây dựng bước đánh giá cụ thể cho nhà máy dựa vào kiến thức họ kỹ thuật phân tích mối nguy, khối công nghệ đánh giá, liệu đầu vào… Phương pháp FTA thường áp dụng rộng rãi bước đánh giá mức nguy định tính hay định lượng, tùy thuộc vào liệu đầu vào P 44 I ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành công nghiệp hóa chất hệ thống phức tạp Trong trình vận hành hệ thống sử dụng nhiều loại hóa chất khối lượng hóa chất khác Các q trình cơng nghệ, ngun liệu đầu vào, sản phẩm trung gian, sản phẩm cuối chất thải nguyên nhân dẫn đến hàng loạt cố Thiết bị ngành cơng nghiệp hóa chất thường đa dạng, cụm chi tiết đơn giản van, đường ống, bơm,… hệ thống phức tạp điều khiển, bồn phản ứng, phận tự động báo khẩn cấp… Trên sở phân tích nguyên nhân dẫn đến cố hoá chất gây tổn thất lớn, người ta nhận thấy tỷ lệ cố có nguồn gốc hỏng hóc học lớn nhất, cố xảy sai sót vận hành q trình Những cố xuất hư hỏng học thường liên quan nhiều đến trục trặc bảo dưỡng van, bơm, điều khiển… Sự cố sai sót vận hành bao gồm van khơng mở hay đóng theo trình tự, chất phản ứng khơng cấp vào thiết bị phản ứng theo trật tự nghiêm ngặt phản ứng hệ thống sản xuất hoá chất xảy với tốc độ khơng thể kiểm sốt Những cố đáng tiếc thường xuất số thơng số q trình gây phá vỡ cân làm hư hỏng thiết bị Trên thực tế, khơng có q trình đánh giá nguy chuẩn ngành công nghiệp Mỗi nhà máy, khối cơng nghệ có nét đặc thù riêng Để đánh giá mối nguy nó, nhà phân tích thường phải tự xây dựng bước đánh giá cụ thể cho nhà máy dựa vào kiến thức họ kỹ thuật phân tích mối nguy, khối cơng nghệ đánh giá, liệu đầu vào… Thông thường cố liên quan đến hoá chất xẩy theo bước sau: - Bắt đầu: kiện xẩy bắt đầu cố; - Lan truyền: kiện Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN số kiện khác (độc lập hay liên quan) xảy làm trì làm cố ban đầu trầm trọng - Kết thúc: kiện số kiện xẩy làm ngừng cố lại giảm bớt cường độ cố xuống chấm dứt II CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỐI NGUY Theo Tiêu chuẩn IEC 31010 đưa 31 phương pháp hay kỹ thuật phân tích mối nguy định tính, bán định lượng định lượng, cịn giới sử dụng 60 phương pháp Tuy nhiên đánh giá mức nguy gây cố hóa chất khơng cần sử dụng tất kỹ thuật đánh giá mối nguy Các kỹ thuật đánh giá mối nguy hiểm linh hoạt, áp dụng cách chọn lọc cho mục đích khác Tính tốn hậu sử dụng công cụ sàng lọc để nhận diện mối nguy hậu đáng kể (và mức nguy đáng kể) để tránh tính tốn tần suất chi tiết Tương tự, tính tốn tần suất nhận diện mối nguy xác xuất xảy đủ nhỏ mà việc tính tốn hậu khơng cần thiết Trong trình đánh giá mức nguy cơ, lựa chọn sử dụng kỹ thuật phân tích cân nhắc sử dụng ưu tiên rút ngắn thời gian nhân lực để đạt kết chấp nhận Tiêu chí cho việc thiết lập kỹ thuật tính tốn ưu tiên dựa vào mức độ cụ thể kỹ thuật khả dễ sử dụng chúng Các kỹ thuật tính tốn hậu cụ thể ưu tiên sử dụng hơn, kỹ thuật dễ thực Mức độ cố gắng tăng qua bước, với khơng chắn kỹ thuật phân tích giảm B ng 1: Các k thu t phân tích m i nguy theo Tiêu chu n IEC 31010 Quá trình đánh giá mức nguy Nhận dạng mối nguy hiểm Hậu Xác suất Mức nguy Đánh giá mức nguy cô Brainstorming SA NA NA NA NA Structured or semi – structured interviews SA NA NA NA NA Delphi SA NA NA NA NA Check – list SA NA NA NA NA Primary hazard analysis SA NA NA NA NA Hazard and operability studies (HAZOP) SA SA A A A Hazard Analysis and Critical Control Points (HACCP) SA SA NA NA SA Environment risk assessment SA SA SA SA SA Structure “What if?” (SWIFT) SA SA SA SA SA Scenario analysis SA SA A A A A SA A A A Root cause analysis NA SA SA SA SA Failure mode effect analysis SA SA SA SA SA A NA SA A A Các kỹ thuật sử dụng Business impact analysis Fault tree analysis Phân tích nguy Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 45 K t qu nghiên c u KHCN Event tree analysis A SA A A NA Cause and consequence analysis A SA SA A A SA SA NA NA NA A SA A A NA Decision tree NA SA SA A A Human reliability analysis SA SA SA SA A Bow tie analysis NA A SA SA A Reliability centred maintenance SA SA SA SA SA Sneak circuit analysis A NA NA NA NA Markov analysis A SA NA NA NA Monte Carlo simulation NA NA NA NA SA Bayesian statistics and Bayes Nets NA SA NA NA SA FN curves A SA SA A SA Risk indices A SA SA A SA SA SA SA SA A Cost / benefit analysis A SA A A A Multi – criteria decision anlysis (MCDA) A SA A SA A Cause – and - effect analysis Layer protection analysis (LOPA) Consequence / probability matrix SA: aùp dụng tốt NA: áp dụng A: áp dụng III CÁC BƯỚC ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ GÂY SỰ CỐ HÓA CHẤT Để đánh giá nguy xảy cố hóa chất cần tiến hành hai bước nhận diện mối nguy đánh giá mức nguy phát sinh mối nguy xảy Bản chất đánh giá mức nguy xác định khả (xác suất hay tần suất) xẩy mối nguy có ý thích đáng đến biện pháp kiểm sốt an tồn mức độ gây thiệt hại nguy hay chuỗi mối nguy trở thành cố Tuy nhiên trình vận hành nhà máy, việc đánh giá nguy phải thực định kỳ, 46 hay trình bảo dưỡng thay thiết bị Trước hết cần xem xét chất quy trình công nghệ dây chuyền vận hành nhà máy Từ xem xét cần phải đặt câu hỏi sau đây: Các nguy xảy nhà máy hay cơng trình hoạt động bất thường? Các trục trặc xảy nào? Khả xảy mối nguy gì? Hậu sao? Câu hỏi nhằm xác định mối nguy xảy Ba câu hỏi cuối liên quan tới việc đánh giá nguy Quá trình đánh giá nguy bao gồm việc xác định kiện (biến cố) mà gây cố, khả xảy hậu Hậu xảy bao gồm khả gây chết người gây thương vong, khả đe doạ tới môi trường, mát cho trình sản xuất thiết bị Câu hỏi thứ hai thông thường đặt nhằm xác định kịch bản, tình xảy Các nguy xảy nơi nguy thường không xác định cố xảy Do điều thiết yếu nhằm đảm bảo an toàn cần phải nhận biết Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN nguy tiềm ẩn để: - Sử dụng phương pháp đánh giá mối nguy xác định khả xẩy hậu liên quan, từ - Đề xuất chuẩn bị giải pháp phòng ngừa hạn chế tối đa nguy trước cố xảy Thơng thường sau nhận dạng mối nguy cần xây dựng kịch khác ứng với điều kiện hay hồn cảnh khác Để định lượng hố mức độ định mối nguy này, cần sử dụng số phương pháp để xác định mức độ sai số cho phép “khả năng” mà mối nguy trở thành cố, ứng với giả thiết mức thiệt hại tình Các thông tin tập hợp cho bước đánh giá mối nguy cuối Nếu mức độ xảy mối nguy chấp nhận được, nghiên cứu hồn thành qui trình tiến hành theo đường mở Nếu mối nguy khơng xác định qui trình thực cần phải thay đổi phải thực lại Theo Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis (Xuất lần thứ 2), hướng dẫn phân tích, đánh giá mức nguy gây cố hóa chất ngành cơng nghiệp hóa chất (CPI), cụ thể ngành công nghiệp liên quan đến: - Phản ứng hóa học - Các cơng nghệ chung chung, chưa chuẩn hóa - Nhiều hóa chất khác sử dụng - Các tính chất vật liệu chưa biết xác - Các thơng số mơ hình nhà máy, tuổi thọ nhà máy, dân số xung quanh nhà máy, mức độ tự động hóa, loại thiết bị… - Nhiều yếu tố tác động cháy, nổ, độc tính, nhiễm mơi trường… yếu tố chung chung Các bước phân tích mức nguy ưu tiên sử dụng, chia thành bước: Bước 1: Xác định mục tiêu đánh giá định lượng Bước 2: Mô tả hệ thống Bước 3: Nhận diện nguy Bước 4: Đánh số cố Bước 5: Lựa chọn cố, hậu cố, trường hợp gây hậu cố Bước 6: Tính toán hậu Nếu hậu cố chấp nhận tần suất nào, q trình phân tích cố hồn thành Đây đơn giản phân tích mức nguy cơ, xác suất xảy cố khoảng thời gian đánh giá giả định 1,0 (sự cố chắn xảy ra) Ví dụ, tràn ethylene glycol từ bồn chứa gây rủi ro cố xảy Nếu hậu không chấp nhận được, tiến tới bước Bước 7: Thay đổi hệ thống để giảm hậu Cần đề xuất đánh giá phương pháp làm giảm hậu Sau việc phân tích quay lại bước để xác định xem thay đổi có gây mối nguy tính tốn lại hậu Nếu khơng có thay đổi kỹ thuật khả thi đem lại hiệu kinh tế, thay đổi khơng loại bỏ hậu khơng chấp nhận tiến tới bước Bước 8: Tính tốn tần suất Nếu tần suất xảy cố thấp chấp nhận được, tính tốn hậu quả, q trình phân tích cố kết thúc Nếu tần suất xảy cố cao, không chấp nhận chuyển sang bước Bước 9: Thay đổi hệ thống để giảm tần suất Bước tương tự khái niệm bước Nếu khơng có thay đổi kỹ thuật khả thi đem lại hiệu kinh tế để giảm tần suất đến mức chấp nhận được, chuyển sang bước 10 Nếu không, quay trở lại bước Sơ đồ Hình trình bày chi tiết kỹ thuật cần sử dụng cho bước, mối quan hệ đánh giá mức nguy xảy cố hóa chất đánh giá rủi ro; mối quan hệ kết đánh giá mức nguy xảy cố hóa chất với sở liệu sử dụng để phân tích, yêu cầu người đánh giá, thái độ người đánh giá với kết đánh giá Xác định đánh giá mức nguy xảy cố: chuyển yêu cầu người đánh giá thành mục đích đối tượng đánh giá Phương pháp đánh giá trình bày kết đánh giá ưu tiên lựa chọn Mô tả hệ thống Nhận diện mối nguy Đánh số cố Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 47 K t qu nghiên c u KHCN 1234ÿ56ÿ78ÿ9 ÿ4ÿ ÿ934ÿÿÿ3ÿ8ÿÿÿ ÿÿ4ÿ4ÿ Hình 1: S
đ t 48 đánh giá m c nguy c
x y s c hóa ch t Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 4,5&6-2016 ÿ K t qu nghiên c u KHCN Lựa chọn Xây dựng mơ hình đánh giá mức nguy gây cố hóa chất Ước tính hậu Tính tốn xác suất Tính tốn mức nguy 10 Sử dụng kết tính tốn mức nguy IV QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ GÂY SỰ CỐ HÓA CHẤT Dựa vào ưu điểm kỹ thuật phân tích mối nguy, nhóm nghiên cứu xây dựng Quy trình đánh giá nguy gây cố hóa chất Trong quy trình áp dụng phương pháp phân tích mối nguy: phương pháp liệt kê mối nguy hiểm (checklist), phương pháp đánh giá số cháy nổ F&EI Dow, phương pháp kiện (ETA), phương pháp sai phạm (FTA) quy trình đánh giá mối nguy định tính định lượng (Guidline of Chemical Process Quantitative Risk Analysis) đề tài xây dựng quy trình phân tích, đánh giá mối nguy hóa chất phương pháp phân tích sai phạm kết hợp với phương pháp phân tích mối nguy hiểm khác Quy trình đánh giá chia thành bước, từ bước xác định mục tiêu đánh giá, nhận diện mối nguy, đánh giá sàng lọc mối nguy để lựa chọn khối công nghệ tiếp tục đánh giá sâu Kết quy trình đánh giá nguy xảy cố khối công nghệ với xác suất số lần/năm Mục đích Quy trình đánh giá là: 1- Nhận diện mối nguy sơ thông qua khảo sát, vấn 2- Xác định kịch gây cố, thiết bị hay khối cơng nghệ có khả góp phần hay dẫn cố hóa chất, làm thiệt hại kinh tế doanh nghiệp an toàn cho người lao động 3- Xác định xác suất xảy kiện ban đầu dẫn đến nguy xảy cố hóa chất 4- Thơng báo nguy xảy cố hóa chất khối cơng nghệ đánh giá đến lãnh đạo nhà máy Quy trình đánh giá đươc thưc qua mơt sơ bước sau: 1- Xác định mục tiêu đánh giá nguy gây cố hóa chất: Giai đoan thiết kế, bảo dưỡng hay thay đôi khôi công nghê hoăc thay đôi nguyên vât liêu… 2- Dựa vào thông tin ban đầu (Quy mô sản xuất: sơ đồ mặt bằng, diện tích tổng thể, cơng suất; Mơ tả quy trình công nghệ: Bản vẽ thiết kế nhà máy, tài liệu hướng dẫn vận hành, Quy trình cơng nghệ); Danh mục loại hóa chất sử dụng sản phẩm (tính chất hóa lý, MSDS, bảng tra tính tương hợp…); phiếu câu hỏi kết hợp với kết vấn sâu để nhận diện mối nguy tồn doanh nghiệp 3- Xây dựng kịch gây cố hóa chất lựa chọn kịch đánh giá định lượng nguy gây cố hóa chất Dựa vào kết nhận diện mối nguy, xác định kiện khơi mào sử dụng phương pháp kiện xây dựng kịch gây cố hóa chất Kết bước danh sách kịch gây cố hóa chất, hậu chúng Nếu nguy hậu cố chấp nhận được, q trình đánh giá dừng lại Nếu nguy hậu chấp nhận được, cần tiếp tục chọn để đánh giá sâu hơn, xác định nguyên nhân dẫn đến cố tần suất xảy cố Sử dụng kết vấn sâu phương pháp đánh giá định tính định lượng khác (ví dụ số cháy nổ F&EI) để lựa chọn kịch đánh giá định lượng nguy gây cố hóa chất 4- Lựa chọn cố đánh giá nguy xảy cố phương pháp FTA: Lựa chọn kiện ban đầu xác định phạm vi đánh giá Từ kiện ban đầu, sử dụng cách lập luận để suy diễn nguyên nhân tác động đến lỗi trung gian Bậc bậc, xác định tất kiện góp phần dẫn đến kiện trung gian, đến kiện ban đầu Trong trình xây dựng sai phạm, có nguyên nhân trực tiếp dẫn đến kiện ban đầu kiện trung gian, nối với kiện cổng logic HOẶC (OR) Nếu tất nguyên nhân trực tiếp xảy đồng thời dẫn đến kiện ban đầu kiện trung gian, chúng liên kết với kiện cổng logic VÀ (AND) Bằng cách suy diễn xác định tất kiện trung gian phát triển nguyên nhân gây lỗi chúng Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 49 K t qu nghiên c u KHCN 01 23ÿ 56 ÿ 78 9ÿ trình 23ÿ 2ÿ   3ÿ  23ÿ  ÿ m ÿ 89ÿ 3 mÿ  ÿ 3 ÿ 3  ÿt Hình 2: Quy phân tích đánh giá i nguy hi hóa ch Xác định nhóm kiện gây lỗi (MCSs): Trong mơ hình sai phạm, có nhiều kiểu lỗi dẫn đến kiện ban đầu: kiểu lỗi nhiều kiểu lỗi kết hợp với dẫn đến kiện ban đầu Để đơn giản hóa sai phạm đồng thời để tạo điều kiện xác định tần xuất xảy kiện ban đầu phải xác định MCSs loại bỏ lỗi lặp MCSs Các MCSs xác định cách sử dụng quy tắc định luật Boolean Kết bước danh sách cụm lỗi, mà tất lỗi thành phần xảy lúc dẫn đến kiện ban đầu Trường hợp người đánh giá thiếu kiện tần suất xảy lỗi lỗi bản, q trình đánh giá dừng Kết đánh giá định tính, cho biết thiết bị hay nguyên 50 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN nhân gây cố hóa chất - Xác định tần suất xảy cố: để thực bước này, yêu cầu cần phải có liệu tần suất xác suất xảy lỗi thiết bị hay kiện lỗi Dựa vào phép toán đại số xác suất, xác định tần suất xảy kiện ban đầu Trong trường hợp có từ hai kiện ban đầu lựa chọn, trình đánh giá nguy xảy cố cho kiện thứ hai phương pháp FTA thực tiếp tục 5- Kết luận khuyến nghị (nếu có): Liệt kê cố xảy có theo xác suất, nhóm kiện lỗi (MCSs) Các khuyến nghị nhằm giúp doanh nghiệp đưa giải pháp ngăn chặn giảm thiểu rủi ro cố cháy nổ xảy VI KẾT LUẬN Trên sở tổng quan tài liệu phương pháp phân tích mối nguy hiểm sử dụng để đánh giá mức nguy xảy cố, đề tài xây dựng quy trình phân tích, đánh giá mối nguy hiểm hóa chất phương pháp phân tích sai phạm Trong quy trình sử dụng phương pháp nhận diện mối nguy kết hợp với phương pháp FTA: Phương pháp checklist; Phương pháp số cháy nổ F&EI (Dow Fire and Explosion Index -F&EI) (trong trường hợp nghiên cứu đánh giá cố cháy nổ hóa chất); Phương pháp phân tích kiện ETA; Phương pháp phân tích sai phạm FTA Các thơng số, liệu sử dụng để đánh giá nguy gây cháy nổ bao gồm: - Sơ đồ nhà máy, phân xưởng Quy trình cơng nghệ vận hành thiết bị - Các thơng tin hóa lý hóa chất, chất xúc tác… Bảng liệu an toàn MSDS hãng sản xuất hóa chất cung cấp Trong trường hợp liệu hóa chất khơng đủ, cần tham khảo thêm liệu an tồn NFPA (Hiệp hội phịng chống cháy Quốc gia Hoa Kỳ); Trường hợp hóa chất chất hỗn hợp chất nghiên cứu chưa đầy đủ, cần tiến hành nghiên cứu thơng số hóa lý thiết bị phân tích nhiệt vi sai DSC kết hợp với phần mềm động nhiệt học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chương trình điều tra sản xuất sử dụng hoá chất sử dụng ngành kinh tế nước (2003-2005) [2] Tiểu dự án 7.1 “Nghiên cứu hồn thiện phịng thí nghiệm đánh giá nguy TNLĐ BNN hoá chất độc hại gây sản xuất” thuộc Chương trình Quốc gia BHLĐ, ATVSLĐ (đang thực hiện) [3] The Center for Chemical Process Safety (CCPS), Guidelines for Chemical Reactivity Evaluation and Application to Process Design, American Institute of Chemical Engineers, New York, 1995 [4] The Center for Chemical Process Safety (CCPS), Plant Guidelines for Technical Management of Chemical Process Safety, American Institute of Chemical Engineers, New York, Revised Ed 1995 [5] Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis (2nd Edition) [6] Fault tree handbook, NUREG-0492 [7] Dow’ fire & explosion index hazard classification guide, 7th ed, by the American institute of chemical engineers [8] International standard, Fault tree analysis (FTA) IEC 61025-2006 [9] Lees , F.P ( 1996 ) Loss Prevention in the Process Industries Hazard Identification Assessment and Control , 2nd edn , Vol – 3, Butterworth - Heinemann , Oxford [10] International standard, Analysis techniques for dependability Event tree analysis (ETA) IEC 62502-2011 [11] Hazardous Chemicals Handbook, second addition, Phillip Carson [12] Guidelines for Hazard Evaluation Procedures - With Worked Examples (2nd Edition) [13] Practical Hazops, Trips and Alarms by Daves and Macdonald Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 51 K t qu nghiên c u KHCN MƠ HÌNH TH NGHI M HI U QU X LÝ M T S H I DUNG MÔI H U C C TR NG C A NGÀNH IN BAO BÌ B NG PH NG PHÁP NHI T Ph m Th Kim Nhung , Tr

ng Th M Loan Phân Vi n B o H Lao Đ ng B o V Môi Tr
ng Mi n Nam Tr
ng Đ i H c Nơng Lâm Thành Ph H Chí Minh TĨM TẮT ung môi hữu VOCs môi trường lao động (MTLĐ)và tác hại tiềm ẩn VOCs đến sức khỏe người lao động ngành sản xuất in ấn sản phẩm bao bì nghiên cứu nhiều giới[1,2,3,4,5] Chính vậy, cơng nghệ kiểm soát xử lý VOCs MTLĐ nhà khoa học giới quan tâmnghiên cứu nhiều năm gần Trong đó, công nghệ sử dụng phổ biến kể đến là: oxy hóa nhiệt, hấp phụ than hoạt tính màng lọc sinh học [6,7,8]… Mỗi công nghệ xử lý lựa chọn ứng dụng phụ thuộc vào yêu cầu cần xử lý phải phù hợp với điều kiện cụ thể Trong phạm vi nghiên cứu báo này, nhóm tác giả ứng dụng mơ hình xử lý số dung môi đặc trưng phát sinh MTLĐ sở sản xuất D 52 bao bì giấy quy mơ vừa, phương pháp oxy hóa nhiệt Mơ hình thiết bị sản phẩm đề tài nghiên cứu ứng dụng mã số 215/VBH/2015 Viện NC KHKT Bảo hộ lao động ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, giới có cơng nghệ thích hợp để xử lý VOCs đặc trưng (methyl ethyl ketone, isopropyl alcohol, toluene, acetone cyclohexanone) phát sinh ngành sản xuất bao bì, bao gồm: hấp phụ có hồn ngun, hấp phụ khơng hồn ngun, đốt trực tiếp, đốt xúc tác, ngưng tụ sinh học) Qua đánh giá tổng quan phương pháp xử lý VOCs đặc trưng phát sinh MTLĐ ngành sản xuất bao bì, nhóm nghiên cứu nhận thấy có phương pháp phù hợp để ứng dụng xử lý VOCs mực in bao bì sở sản xuất bao bì quy mơ vừa nhỏ, là: phương pháp hấp phụ than hoạt tính phương pháp oxy hóa nhiệt Ảnh minh họa: Nguồn Internet Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN Trong năm gần đây, thực tiễn nghiên cứu ứng dụng phương pháp xử lý VOCs Việt Nam cho khoảng nồng độ thấp nồng độ bốc cháy cho thấy, phương pháp hấp phụ than hoạt tính phổ biến Phương pháp hấp phụ có ưu điểm dễ vận hành Mặc dù vậy, phương pháp tồn nhược điểm đáng lưu tâm, q trình khơng tự phân hủy hữu cơ; tạo vấn đề ô nhiễm thứ cấp than hoạt tính sau hấp phụ; chi phí vận hành cao (hấp phụ khơng hồn ngun) giá than hoạt tính hấp thu có giá cao giá vận chuyển, tiêu thụ than sau hấp thụ khơng nhỏ Ở khía cạnh khác, khảo sát thực trạng MTLĐ sở sản xuất bao bì vừa nhỏ Thành phố Hồ Chí Minh cho thấy: nồng độ trung bình methyl ethyl ketone (MEK), isopropyl alcohol (IPA), toluene, acetone cyclohexanone quan trắc khoảng 155, 158, 190, 118 41ppm; tương đương với tỷ lệ phần trăm theo thể tích 0,0155; 0,0158; 0,019; 0,0118 0,014% Theo đó, dịng khí thải, VOCs có khoảng nồng độ thấp giới hạn trình cháy Thêm nữa, hầu hết VOCs đặc trưng q trình có nhiệt độ bắt cháy 500C nên tiếp xúc với mồi lửa, chúng dễ cháy, nhiên, lửa lan rộng nồng độ VOCs thấp Q trình ơxy hóa dung mơi có ưu điểm đáng ý sau: (a) Khơng địi hỏi thiết bị phức tạp; (b) Là q trình phân hủy (oxi hóa) tạo CO2 nước; (c) Có thể thu hồi, tận dụng nhiệt thải trình đốt; (d) Khả thích ứng thiết bị thay đổi lưu lượng dịng thải nồng độ chất nhiễm tương đối cao Tuy nhiên, trình cháy dung mơi khơng khí, điều kiện nồng độ thấp nêu trên, địi hỏi phải có điều kiện, là: phải nung dịng khơng khí lẫn dung môi lên nhiệt độ cao nhiệt độ tự bắt cháy hỗn hợp, ví dụ đưa hỗn hợp khí vào cấp khí “tươi” cho buồng đốt lị hơi, lị dầu nóng; lị nhiệt phân nhựa hay cao su phế thải…; trì “ngọn lửa” thường xun dịng khí hỗn hợp Từ đặc điểm dựa vào phù hợp phương pháp với điều kiện thực tế sở sản xuất bao bì lựa chọn thực nghiệm, nhóm nghiên cứu lựa chọn, tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị xử lý VOCs mực in bao bì phương pháp oxy hóa nhiệt buồng đốt trực tiếp, với công suất thử nghiệm 3000m3/h MƠ HÌNH THIẾT BỊ XỬ LÝ HƠI VOCs TRONG MỰC IN BAO BÌ 2.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm chế tạo phận đốt a Ch t o b ph n đ t: Mơ hình thiết bị thực nghiệm xây dựng dựa nguyên lý q trình cháy Chính vậy, mơ hình thiết lập đảm bảo hội đủ ba điều kiện: nhiệt, oxy nhiên liệu Trong đó, phận đốt (còn gọi mồi lửa) thiết bị phận quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu xử lý Trước mơ hình thiết bị thiết lập, đặc tính vật lý VOCs liên quan đến trình cháy giới hạn cháy nổ, nhiệt độ tự bốc cháy, khối lượng riêng (ở thể khí), điểm bắt cháy, trọng lượng phân tử (Bảng 1); đặc tính vật lý q trình cháy gắn liền với chuyển động chất lưu, trao đổi nhiệt trao đổi chất không gian VOC tiếp xúc với nhiệt độ cao, nhóm nghiên cứu tìm hiểu kỹ Để trình đốt diễn hoàn toàn, phận đốt thiết kế phải đảm bảo đạt nhiệt độ cao nhiệt độ tự bốc cháy (trên 5000C) VOC đặc trưng - Việc tính tốn thiết kế buồng đốt dùng để xử lý VOC dựa vào đặc tính vật lý VOCs tham gia vào trình cháy điều kiện thực tế tạo trình cháy Trong điều kiện sản xuất sở sản xuất bao bì vừa nhỏ, dịng khí Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 53 K t qu nghiên c u KHCN B ng M t s tính ch t v t lý c a VOCs đ c tr
ng ngành s n xu t bao bì Tên VOCs Trọng lượng Điểm sôi phân tử (oC) (g/mol) Methyl Ethyl Ketone C4H8O/ CH3COCH2CH3 Iso Propyl Alcohol C3H8O/ (CH3)2CHOH Toluene C7H8 Cyclohexanone C6H10O Acetone C3H6O/(CH3)2CO 72,12 Khối lượng riêng (ở thể khí) (Kg/m3) Điểm bắt cháy (oC) Điểmtự bốc cháy (oC) 2,5 -5,5 404 79,6 60,10 82,5 2,1 16,7 399 92,14 98,15 58,08 110 155,6 56,2 3,176 2,0 16,0 46,0 -9,0 480 420 465 (Nicholas P Cheremisinoff, 2003) B ng Th ng kê đ c tính c a m t s lo i n tr kh o sát th tr
ng Loại dây điện trở Hợp kim Ni-Cr Type Hợp kim Ni-Cr Type Hợp kim Ni-Cr Type Chiều dài cuộn dây(m) 1.3 1.2 1.8 chứa VOCs đặc trưng có nồng độ phần trăm theo thể tích thấp giới hạn trình cháy có nhiệt độ tự bốc cháy khoảng 5000C nên chúng dễ cháy tiếp xúc với bề mặt nóng Mặt khác, theo yêu cầu định hướng phát triển thiết bị, thiết bị đốt VOCs cần có cấu tạo đơn giản, đảm bảo an tồn dễ vận hành Chính vậy, nhóm thực nghiên cứu tiến hành thiết kế mơ hình thiết bị sử dụng phận đốt (mồi lửa) bề mặt nóng (đảm bảo 5000C) sử dụng VOCs nguồn nhiên liệu cho trình cháy Trong điều kiện khí cháy khoảng nồng độ thấp lan truyền lửa không xảy - Với mục tiêu chế tạo 54 Tiết diện (mm) 1.2 1.0 0.5 Điện áp (V) 220 220 220 thiết bị đơn giản, dễ vận hành, nhóm nghiên cứu lựa chọn sử dụng dây điện trở nhiệt để thiết kế mồi lửa mơ hình; dây điện trở nhiệt có khả cho dịng điện chạy qua chuyển hóa lượng điện thành nhiệt, phản ứng cháy VOCs mực in bao bì xảy bề mặt dây điện trở đạt nhiệt độ từ 5000C trở lên (khoảng nhiệt độ tự bốc cháy VOC) Khi dịng khí thải có chứa VOC tiếp xúc với mồi lửa làm dây điện trở, phân tử chất khí tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nóng dây điện trở tự bốc cháy chuyển hóa thành CO2 H2O thông qua phản ứng cháy (phản ứng oxy hóa nhiệt) Tuy nhiên, Điện trở (:) 16.1 24.2 270 Công suất (kW) 0.18 điều kiện khí cháy khoảng nồng độ thấp lan truyền lửa không xảy - Để lựa chọn loại dây điện trở phù hợp mơ hình thực nghiệm, đặc tính kỹ thuật (Bảng 2) hợp kim dùng làm điện trở nhiệt hình dạng (Hình 1) loại điện trở đốt nóng cần xem xét suốt trình thiết kế phận đốt VOC thiết bị xử lý Nhóm thực đề tài phải tiến hành khảo sát thị trường dạng điện trở đốt nóng thông số kỹ thuật tương ứng loại điện trở để lựa chọn loại phù hợp cho trình xử lý - Nhiệt độ bề mặt dây mayso yếu tố khó kiểm sốt thực tế nhiệt kế thơng thường Vì vậy, Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN Hình Hình d ng m t s lo i n tr đ t nóng ph bi n th tr
ng Thành phần màu sắc theo phương y (i) Điện trở nhiệt làm từ kim loại: (a) dây cuộn (dây mayso)-(b) dạng dải uốn cong-(c) dạng dải có bề mặt lớn – (d) dạng hình ống (ii) Điện trở nhiệt làm từ phi lim loại: (e) dạng que hình ống – (h) molybdenum disilicide – (g) dạng khối (Laughton Warne, 2003) Thành phần màu sắc theo phương x Hình S
đ màu s c CIE-xy-1931 bao g m nhi t đ b c x c a v t đen(Plancian locus) suốt trình gia cơng, chế tạo vận hành thiết bị xử lý, nhiệt độ dây mayso kiểm tra dựa vào phổ màu nhiệt độ (Colour Temperature) (hay gọi Sơ đồ màu sắc CIE-xy1931) Vùng màu: x = 0,4 – 0,75; y = 0,15 – 0,4; tương ứng với màu vàng đến màu đỏ cà chua (Hình 2) b B trí thí nghi m: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm phận đốt chế tạo Hình 3, cụ thể: dịng khí qua tạo nồng độ dung môi, bao gồm không gian có chứa thùng chứa dung mơi hữu (1) dẫn qua đường ống đến thiết bị xử lý Tốc độ dịng khí điều chỉnh van điều chỉnh (3) biến tần (5) Trước tiến hành thí nghiệm với dung môi, bên thiết bị (4), nhóm nghiên cứu thiết lập dàn dây điện trở cho bề mặt dây điện trở tiếp xúc với dòng khí nhiều tốt Sau đó, cho dịng khí qua dàn dây điện trở tiến hành điều chỉnh tốc độ dịng khí qua dàn dây điện trở Việc điều chỉnh tốc độ dịng khí lặp lặp lại liên tục để cân đối tốc độ gió khoang thí nghiệm nhiệt độ bề mặt dây điện trở Các loại dây điện trở thay nhiều loại khác q trình tiến hành thí nghiệm để lựa chọn loại dây điện trở phù hợp với thiết bị xử lý Q trình thí nghiệm kết thúc tốc độ gió bên Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 55 K t qu nghiên c u KHCN Hình S
đ b trí thí nghi m (1): Thùng chứa dung môi hữu cơ; (2) Động điều chỉnh cánh khuấy; (3) Van điều chỉnh dịng khí; (4) Thiết bị xử lý; (5) Máy biến tần; A: điểm lấy mẫu đầu vào thiết bị xử lý; B: điểm lấy mẫu đầu thiết bị xử lý dây đốt chuyển động dịng khí quan sát kỹ kiểm tra cách cẩn thận suốt thời gian thực thí nghiệm nhằm đảm bảo khả hoạt động thiết bị tương thích phận đốt với thiết bị xử lý VOCs Nồng độ dung môi điều chỉnh cách điều chỉnh tốc độ quay cánh khuấy, lượng khơng khí qua khơng gian phía thùng chứa Hiệu suất thiết bị đo nồng độ dung môi đầu vào khỏi thiết bị xử lý 2.2 Định hình thiết bị Hình Quy trình công ngh x lý VOCs t i công ty Đ i Toàn Phát - Nguồn phát thải: buồng rửa khuôn in chế in; - Quạt ; - Thiết bị xử lý VOCs ; - Máy biến tần mơ hình vừa đủ để khơng làm màu đỏ hồng cà chua (khoảng nhiệt độ 5000C) dây điện trở (vì khoảng nhiệt độ này, VOCs tiếp xúc với bề mặt dây điện trở tự bốc cháy) Dây điện trở không bị rung, võng tác động gió trọng lực thân Quá trình kiểm tra thực liên tục lặp lại phận đốt đạt yêu cầu thiết kế Bước thí nghiệm tiến hành với dịng lưu chất thực (có chứa VOCs đặc trưng phát sinh trình sản xuất bao bì) dẫn qua phận đốt Các trạng thái (vị trí, hình dạng, nhiệt độ) 56 a Mơ t trình x lý: Trước lắp đặt thiết bị thí nghiệm, phịng để bảng in rửa khn in (thể tích 25,36m3) có trổ cửa gió lắp quạt hút tường (quạt trục D = 400mm) Cửa lấy gió phịng có diện tích 1,35m2 (1,8 x 0,75) Nồng độ VOC phát sinh phòng khảo sát MEK, toluene, cyclohexanone,acetone, IPA là: 162736mg/m3; 197-373mg/m3; 120-214mg/m ; 511-973mg/m3; 296-541mg/m3 Khi tiến hành thử nghiệm, dịng khí hút qua phòng (1) thu bắt quạt hút (2), sau dẫn vào buồng xử lý (3), sau theo ống khí ngồi b Thơng s thi t b : - Lưu lượng trao đổi khơng khí mg/m3 phịng: 2000m /h – 3000m3/h Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN - Quạt hút kiểu L 14-46 với thơng số kỹ thuật: + Đường kính guồng cánh: 375mm + Lưu lượng: 3000m3/h + Tốc độ quay: 700 vòng/phút + Áp suất toàn phần: 34kg/m2 + Áp suất tĩnh: 50kg/m2 + Công suất yêu cầu: 2.1KW - Máy biến tần: CS (Taiwan) HP (chỉ phục vụ cho mục đích thử nghiệm) - Nguồn điện sử dụng: pha - Khối lượng vật liệu ước tính: + Thép tấm/Inox: 200-300Kg + Que hàn: 1-2 hộp + Tole: 70-80Kg + Dây Mayso: dây (0.5 ly 1m) + Máy biến tần: + Dây điện 6mm2: phụ thuộc bố trí nhà xưởng + Sơn: 4-5Kg * Giải pháp an toàn cách điện cách nhiệt: - Thiết bị bọc lớp đệm cách nhiệt cách điện dọc theo toàn thân buồng đốt để đảm bảo an tồn suốt q trình vận hành thử nghiệm thiết bị Nồng độ dung môi kiểm tra kỹ để đảm bảo thấp nhiều nồng độ thấp gây cháy nổ - Thiết bị có sử dụng aptomat pha chống điện giật cực âm nguồn điện nối với vỏ thiết bị để dự phịng có rị rỉ điện xảy ra, aptomat tự động ngắt nguồn điện đảm bảo an toàn sử dụng cho người vận hành thiết bị ĐÁNH GIÁ THỬ NGHIỆM 3.1 Đánh giá hiệu xử lý VOCs thiết bị thực nghiệm Hiệu xử lý thiết bị kiểm tra chế độ: (1) chế độ hoạt động dàn dây may so với lưu lượng làm việc thiết bị thay đổi tương ứng hai mức bị 2500m3/h 3000m3/h; (2) chế độ hoạt động dàn dây may so 3000 m3/h với lưu lượng làm việc thiết bị thay đổi tương ứng hai mức bị 2500m3/h 3000m3/h Hiệu suất xử ký VOCs thiết bị tính tốn cơng thức: Kết đánh giá hiệu xử lý trình bày Biểu đồ 1,2 Kết phân tích cho thấy: lưu lượng khí thải có ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý VOCs đặc trưng mực in bao bì Ở hai chế độ hoạt động dàn mayso (chế độ dàn dây mayso chế độ dàn dây mayso) chế độ -8 dòng chảy tầng (Re = 10 – -8 4,1x10