垃圾焚燒發電廠沼氣危險源的識別與防范

桂宏橋，聶林鋒，吳紅梅

(1.南京大學，江蘇 南京 210000；2.光大環保能源(江陰)有限公司，江蘇 江陰 214400)

0 引言

沼氣事故是垃圾焚燒發電廠的主要安全事故之一。近年來，由于垃圾焚燒處理技術具有減量化、資源化和無害化的特點，已成為處理生活垃圾的最有效方式。垃圾焚燒電廠發展迅猛，隨之而來的沼氣安全事故也層出不窮。因此，掌握沼氣產生的條件、規律，分析引起沼氣事故的原因，制定切實可行的防范措施，對于確保安全生產是十分重要的。

1 沼氣產生的條件與區域

1.1 沼氣產生的基本條件

沼氣是指有機物在厭氧條件下，經微生物分解代謝所產生的可燃性混合氣體。沼氣的產生過程稱為沼氣發酵，沼氣的主要成分是CH4，其余為CO2，O2，H2S等，其中CH4含量為55 %～70 %，CO2含量為25 %～40 %。沼氣各組分的理化性質如表1所示。

表1 沼氣各組分的理化性質

CH4的相對分子量是16.04，是一種無色無味的氣體，也是最簡單、穩定的碳基化合物。CH4密度小，對空氣的相對密度是0.554(空氣密度=1)。CH4在水中的溶解度很小，20 ℃時溶解度為3 %；當溫度為-82.5 ℃、壓力為4 640.7 kPa時，才能被液化，體積變為原來的1 %。CH4的著火點在650～750 ℃，熱值在35 847～39 796 kJ/m3，燃燒時溫度可超過1 400 ℃。由此可見，CH4是一種常見的、相對穩定的、安全且環保的清潔能源。

1.2 產生沼氣的區域

(1)垃圾儲倉。

(2)垃圾滲濾液收集池及倉格柵通道。

(3)滲濾液站調節池、預處理池、污水池、厭氧池、脫泥間。

(4)沼氣輸送管路、加壓風機房及點火系統。

(5)沼氣脫硫預處理系統、沼氣儲罐、沼氣發電機區域。

(6)化糞池、生活污水收集池和食堂隔油池。

2 沼氣爆炸條件和危險因素識別

2.1 沼氣爆炸條件

沼氣爆炸須滿足以下條件：沼氣濃度達到爆炸極限、引火溫度、足夠的氧氣，3者缺一不可。

(1)沼氣濃度：在20 ℃和1個標準大氣壓狀態下，CH4在空氣中的爆炸極限為5 %～15 %。一般情況下，沼氣濃度在5 %～15 %，遇火會發生爆炸。

(2)引火溫度：沼氣的點燃溫度為650～750 ℃，明火、電弧火花、自然發火甚至鐵器撞擊等產生的火花，都有可能引燃沼氣。CH4濃度不同，引火溫度也有所差異；當CH4濃度為6.58 %時，最易被引燃。

(3)氧氣含量：當空氣中氧氣含量低于12 %時，沼氣遇火不會發生爆炸。

2.2 沼氣危險因素

沼氣中的有毒氣體主要是H2S。H2S是一種無色有毒的可燃性氣體，有強烈的臭雞蛋味道，其熔點為-83 ℃，沸點為-60.3 ℃，相對分子量為34.8，相對密度為1.189(空氣密度=1)。由于S2-容易失去電子而被氧化，具有較強的還原性，因此H2S能與一些金屬氧化物形成金屬硫化物。H2S是強烈的神經毒物，對人的粘膜和呼吸道有明顯的刺激作用，會引起角膜炎，同時極易被肺和胃吸收，與人體組織中的堿性物質結合產生硫化鈉，從而對眼睛和呼吸道造成損害。當發生全身中毒時，H2S將通過抑制細胞色素氧化酶，阻斷生物氧化過程、造成組織缺氧；H2S進入血液后，與血紅蛋白結合，產生不可還原的硫化血紅蛋白，即出現中毒癥狀。不同濃度的H2S對人體的危害如表2所示。

表2 不同濃度的H2S對人體的危害

3 沼氣的安全利用方式

沼氣作為易燃易爆氣體，必須得到安全利用或處置，垃圾焚燒發電廠沼氣收集及處置方式如圖1所示。

(1)沼氣發電：沼氣發電方式應作為沼氣處理的首選運行方式，從而達到綜合利用沼氣，發展循環經濟的目標。

(2)入爐焚燒：在沼氣發電機維護或檢修停運期間，或在冬季生活垃圾發酵不夠完全的情況下，采用此種運行方式，能烘干生活垃圾，從而使其充分燃燒。

(3)火炬排空：當前2種運行方式都無法進行時，才采用此種運行方式。

圖1 垃圾焚燒發電廠沼氣收集及處置方式

4 沼氣危險源防范措施

4.1 工程技術措施

4.1.1 垃圾倉內

(1)垃圾焚燒爐的一次風機進風口安裝在垃圾倉內。在正常運行情況下，鍋爐一次風風量足夠保證垃圾倉內的臭氣、可燃氣體及其他氣體被抽走。在鍋爐檢修或者異常情況下，垃圾倉頂配備相應風量的除臭風機對垃圾倉進行換氣，保證垃圾倉內形成負壓，抽走內部的臭氣與可燃氣體。

(2)垃圾倉內配有負壓監測裝置，實時監測倉內負壓情況。

(3)垃圾倉除臭風機使用保安電源。

(4)裝設可燃氣體報警系統。

(5)配備完備的消防系統。

4.1.2 垃圾滲濾液收集池及倉格柵通道

（1） 設置垃圾滲濾液收集池循環風機，在垃圾通道內及滲濾液收集池內設置吸風口。裝設可燃氣體報警系統，對滲濾液收集池及收集溝道連續進行可燃與有害氣體檢測。

(2)垃圾滲濾液收集池與滲濾液檢修通道所有照明都采用防爆形式，且除臭風機與排水泵等設備均采用防爆電機。

(3)在循環風機吸風口處安裝1個負壓表，循環風機使用保安電源。

4.1.3 滲濾液站調節池、預處理池、污水池、厭 氧池、脫泥間

(1)在工程建設期，裝設足夠風量的除臭風機。

(2)除臭風機與池內攪拌機均采用防暴電機。

(3)在調節池、沉淀池裝設危險氣體報警系統，進行可燃與有害氣體檢測；當檢測氣體超標時，加大除臭風機的排風量，以確保正常通風換氣。

(4)除臭風機使用保安電源。

4.1.4 沼氣輸送管路、加壓風機房及點火系統

(1)加壓風機房裝設可燃氣體報警系統，并遠傳至沼氣發電控制室做聲光報警。

(2)加壓風機房的設備與現場照明電源等均采取防爆措施。

4.1.5 沼氣脫硫預處理系統、沼氣儲罐、沼氣發 電機區域

(1)配有監控攝像頭，對沼氣管道及沼氣罐區域進行有效監控。

(2)沼氣罐設備裝有有效的避雷裝置。

(3)沼氣發電機房裝設可燃氣體報警系統。

4.1.6 化糞池、生活污水收集池和食堂隔油池

每年清理化糞池與污水井，保證管道暢通。

4.2 運行管理措施

4.2.1 設立特定危險區域

以石化行業安全管理標準對垃圾焚燒廠的危險區域實行嚴格管控，實現對特定危險區域的可控、能控、在控，從根本上降低垃圾焚燒廠可燃氣體事故的發生率。

對產生CH4、H2S等可燃、有毒氣體的場所，實行封閉式管理，并作為特定危險區域(如滲濾液收集池、厭氧區域、沼氣發電區域等)全部采用護欄作為屏障，對進出人員嚴格授權、登記，無權限人員不得進入，以有效防止閑雜人等進入該區域；對非危險區域的滲濾液檢修通道(滲濾液池)位置，實行防火門常鎖狀態，鑰匙實行登記使用管理，在源頭上控制發生中毒、火災、爆炸等危險因素。

4.2.2 特定危險性區域掛牌警示

在垃圾焚燒發電廠特定危險區域入口處，設置區域內安全警示標志、安全責任牌，懸掛“防火防爆區域、嚴禁煙火”告示牌；在滲濾液通道入口處，安裝“重大危險點”警示牌，采用標簽或圖示的形式警示作業人員、管理人員和應急救援人員在作業時采取正確的預防和防護措施，加強特定危險區域安全警示教育，提高相關人員的安全防范意識。同時，對公司區域進行重點防火區域的劃分，并在現場懸掛“重點防火區域”標牌，將其劃分到責任部門及責任人。

4.2.3 檢測重點區域沼氣濃度

進一步鞏固人防措施，在產生CH4、H2S的滲濾液站預處理間、污泥處理間、沼氣發電裝置間、滲濾液檢修通道(滲濾液池)等重點部位，安置沼氣濃度檢測裝置，并將氣體報警終端報警控制器設置在中央控制室內。一旦現場氣體濃度超過10 ppm就會發出報警信號，提醒中控室運行人員注意。遵循重點區域的巡檢制度，及時觀察沼氣濃度是否處于沼氣爆炸范圍內，并采取積極措施，降低或提升沼氣濃度，確保沼氣濃度處于安全水平。

對于未安裝沼氣檢測裝置的重點區域，應采用便攜式氣體檢測儀進行檢測并做好記錄，同時建立全方位、多層次的技防體系，提高特定危險區域的安全防控能力。

4.2.4 定期校驗檢測儀器

每年將沼氣檢測裝置與便攜式檢測儀送至檢測單位進行校驗，并取得合格證，以保證儀器檢測結果的準確性。

4.2.5 設立作業許可證制度

受限空間區域作業必須辦理作業許可證，特別在滲濾液站、沼氣電站區域、滲濾液檢修通道等重大危險區內進行檢修作業時，必須經授權許可。

進池入罐作業時，使用“受限空間作業證”，安全工程師必須到現場監督，并使用便攜式檢測儀監測危險性氣體，做好工前氣體濃度、成分分析工作。在人員進入前，還需進行活體動物實驗，當活體動物存活半小時以上且無任何不良反應后，工作人員方可進入。同時，還應每隔半小時再進行檢測，全程監測并確保通風暢通，直至工作結束。

4.2.6 加強閥門、消防器材檢查

對滲濾液站、沼氣電站區域、滲濾液檢修通道區域設備的法蘭、閥門等關鍵部位進行檢查，發現問題及時處理；對滅火器、消防栓與消防水帶等進行定期檢查，如有缺失及時補充。

4.2.7 檢修置換措施

(1)水置換法。先用水置換沼氣容器、管道內的沼氣，再用空氣置換容器、管道內的水，即將水作為置換中間介質。

此方法的操作過程為：先將沼氣容器、管道充滿水，以水排盡沼氣容器、管道內的沼氣，再將水排盡，完成空氣置換。此法能確保儲氣罐內、管道內的沼氣不會與空氣接觸，確保不會產生具有爆炸性的混合氣體，絕對安全可靠。

(2)惰性氣體置換法。用惰性氣體置換沼氣容器、管道內的沼氣，即把惰性氣體作為置換中間介質。“惰性氣體”指的是不可燃又不可助燃的無毒氣體，如氮氣(N2或液氮)、二氧化碳(CO2)等。

此方法的操作過程為：將惰性氣體充入容器、管道內，并加壓到一定程度置換沼氣，直至罐內惰性氣體濃度達到預定的置換標準為止，再以空氣置換惰性氣體，從而完成空氣置換程序。

4.2.8 加強員工培訓教育

對在危險區域工作的員工應定期進行安全培訓與考核，確保其能夠準確、快速辨識垃圾焚燒發電廠中產生H2S、CH4等主要危險源。不斷提升員工的素質和技術水平，切實增強員工的安全防范意識和應急處理能力，糾正各級人員存在的安全認識誤區和麻痹大意思想，從意識源頭上抓好安全。

5 結論

防范沼氣危險源是垃圾焚燒發電廠的一項系統工程，除了完善可靠的安全裝備和采取有效措施外，還應加強安全管理和安全監督，重視員工安全認識的培養。只有將安全放在首位，才能實現垃圾焚燒發電廠的安全穩定環保運行。在日常安全管理工作中，只有建立健全各項規章制度，保持安全費用的合理支出，提升工作人員的安全責任意識，才能大幅度減少沼氣爆炸事故，切實提高垃圾焚燒發電廠的運行管理水平。