規模化沼氣工程厭氧消化罐事故后果分析

吳健宏，邢 楠

(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028)

我國是世界上最大的農業國。大量作物秸稈等農業廢棄物的露天焚燒帶來了嚴重的大氣污染，甚至引發火災事故。發展沼氣工程，利用廢棄秸稈制造生物質天然氣，是減少污染的有效途徑之一；同時有利于增加農村地區的能源供應，緩解天然氣供需壓力。與歐洲相比，我國一直以農村戶用小型沼氣為主，難以形成規模化、商業化效應，吸引重量級企業參與。近年來，在國家政策的支持下，沼氣工程逐步向大型化發展，單個厭氧消化罐的容積最大可達5000～10000m3，成為新的發展趨勢。建立具有規模效益的大型沼氣工程，所需的大型或超大型厭氧消化罐數量較多。以日產20萬m3的沼氣項目為例，需要60個3000m3的厭氧消化罐[1]。

與此同時，大型沼氣工程所面臨的安全風險也需要重新審視。沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳，當發生泄漏時，可能發生火災爆炸，造成人員傷害和設備損失[2]。作為沼氣工程的主要設備之一，有必要對厭氧消化罐集群泄漏后引起的火災、爆炸后果進行定量分析，評估事故后果嚴重程度，為合理規劃廠區布置，有效制定應急預案提供依據，保障沼氣工程安全運行。

1 規模化大型沼氣工程組成

以秸稈為原料制天然氣的大型沼氣工程的工藝流程如圖1所示。收集來的秸稈原料堆放在青儲池，上料時由取料車將秸稈投入粉碎機粉碎后經皮帶輸送至進料攪拌罐，在攪拌罐中秸稈與返回的沼液充分混合后進入發酵反應器。發酵過程中定時進行攪拌和沼液噴淋，秸稈原料在發酵反應器中停留約30天后，發酵剩下的沼渣沼液排出發酵反應器；在發酵反應器中經發酵產生的沼氣，從反應器頂部收集后輸送至雙膜儲氣柜穩壓、儲存。部分沼氣經簡單脫硫脫水后送至熱水鍋爐作為燃料，鍋爐產生的熱水(約70℃)通過管道輸送至發酵反應器的換熱盤管，為反應器提供熱源；大部分沼氣經進一步凈化、提純、增壓為CNG。

圖1 沼氣工程流程圖

其中，厭氧消化罐是沼氣工程的核心設備。厭氧發酵是指在厭氧條件下，通過厭氧微生物的作用，對有機物進行降解產生甲烷和二氧化碳等的生物化學過程。厭氧消化罐呈圓柱體，由布料器、攪拌器、正負壓保護器等組成。物料進入頂部進料布料器，使進入反應器的物料均勻分布；隨著連續(批次)進料和排渣，物料呈層狀逐步下移到反應器底部，反應器底部設有分離器，使物料進行初步固液分離，發酵殘渣(沼渣)進入排渣系統設備排出；該反應器帶有強化攪拌裝置，可提高發酵料的均勻布料和排渣及物料與微生物之間的傳熱、傳質效果，顯著提高發酵效率，物料在反應器內的停留反應時間約為30天。

2 沼氣物性分析

沼氣的主要成分是甲烷、二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫,見圖1。一般情況下，可以將這種混合氣體看作理想氣體的混合物。根據理想氣體混合物物性參數的導出方法，可以方便的推導出該種混合氣體物性參數公式。具體物性參數包括密度、比熱、平均分子量、導熱系數等見圖2。根據勒夏特列定律，可以計算混合氣體的爆炸極限。

表1 典型沼氣組分

表2 沼氣物性參數

3 泄漏后果分析

本文采用挪威船級社(DNV)所開發的PHAST軟件，對厭氧消化罐泄漏情況進行模擬分析，從而評估其后果的嚴重程度。PHAST是國內應用最廣的定量風險分析軟件。由于厭氧消化罐基本為常壓(操作壓力0.05barG)，因此在假設反應器與反應器間靠得不是太近的情況下，可以忽略槽與槽間的邊界層效應，PHAST的二維模型可以較準確地模擬厭氧消化罐集群區的泄漏場景[3]。

3.1 模擬場景主要參數

本文選取3000m3厭氧消化罐為研究對象，目前該罐容的厭氧消化罐在大型沼氣工程中較為常用。厭氧消化罐的構造如圖2所示。罐體直徑19m，高度19m。經過厭氧發酵后產生的沼氣從罐體頂部通過DN150的管道輸送到雙膜儲氣罐中(該管道從罐頂向下到地面，然后沿地面連接到儲氣罐)。罐體及管道均為碳鋼材質。厭氧消化罐的操作溫度通常控制在37℃，操作壓力為0.05barG。罐內沼液液位通常控制在罐容的50%左右。

圖2 厭氧消化罐構造圖

根據統計數據，厭氧消化罐發生泄漏事故頻率最高的場景為管線在法蘭、接頭、焊道、閥門、盲板等處的泄漏。在模型中，分別取泄漏孔的直徑分別取10mm、25mm、50mm、100mm、150mm。其中，10mm是模擬較小的泄漏，如法蘭墊片；25mm是碳鋼材質最常見的減薄泄漏口；50mm、100mm是較大的泄漏口；150mm為最嚴重事故場景，即厭氧消化罐出口管線發生斷管[4]。

不同泄漏點會導致沼氣在空氣中的擴散范圍不同，事故的影響范圍也不同。因此，模擬中考慮了兩種不同高度的泄漏場景，沼氣分別從罐頂(高點泄漏，泄漏高度19m)和罐底(低點泄漏，泄漏高度0m)管道處泄漏。

外部氣象條件考慮兩種場景，如表3所示。地表粗糙度系數取0.173718。

表3 氣象條件假設

3.2 氣體擴散及閃火影響范圍

利用PHAST泄漏模型模擬沼氣泄漏擴散過程，在最嚴重事故場景和最壞氣象條件下，高點泄漏和低點泄漏的擴散影響范圍如圖3、圖4所示。圖中紅色線為燃燒(爆炸)上限范圍，黃色線為燃燒下限范圍，藍色線為1/2燃燒下限范圍。閃火發生的范圍即燃燒上下限。從圖中可以看出，沼氣密度與空氣密度接近，在高點泄漏情況下，對地面的影響較小，閃火的影響范圍為1.89m(UFL)～8.8m(LFL)；在低點泄漏情況下影響范圍擴大為2.73m(UFL)～17.62m(LFL)。

在PHAST中改變了模型的相關參數，通過結果對比表明：泄漏孔的孔徑大小對計算結果的影響較大，而氣象條件(包括風速、大氣穩定度等)對計算結果的影響較小。

圖3 最嚴重事故場景/最壞氣象條件下高點泄漏擴散范圍

圖4 最嚴重事故場景/最壞氣象條件下低點泄漏擴散范圍

3.3 噴射火影響范圍

沼氣泄漏時形成射流，遇點火源被點燃后形成噴射火。通過PHAST計算得到在最嚴重事故場景和最壞氣象條件下，高點泄漏和低點泄漏的噴射火輻射熱影響范圍如圖5、6所示。高點泄漏下噴射火的輻射熱沒有達到危害值，不會造成損害；低點泄漏下噴射火造成人員傷害的距離為16.722m，造成工藝設備受損的距離為4.33m。低點泄漏在泄漏孔小于25mm時，輻射熱不會達到危害值，噴射火影響范圍見表4。

圖5 最嚴重事故場景/最壞氣象條件下高點泄漏輻射熱

圖6 最嚴重事故場景/最壞氣象條件下低點泄漏輻射熱

表4 噴射火影響范圍

3.4 延遲引燃爆炸影響范圍

沼氣泄漏后與空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇到火源延時點燃會發生爆炸。計算表明，高點泄漏下，只有最嚴重事故場景(泄漏孔150mm)下才可能發生延遲引燃氣云爆炸，對設備造成損壞的范圍為13.29m，其它較小泄漏下不會發生氣云爆炸；低點泄漏下泄漏孔小于25mm時不會發生氣云爆炸，最嚴重事故場景下氣云爆炸對設備造成損壞的范圍為26.37m。

延遲爆炸沖擊波影響范圍見表5。

圖7 最嚴重事故場景/最壞氣象條件下高點泄漏延遲爆炸沖擊波影響范圍

圖8 最嚴重事故場景/最壞氣象條件下低點泄漏延遲爆炸沖擊波影響范圍

表5 延遲爆炸沖擊波影響范圍

4 結語

采用PHAST模型對厭氧消化罐泄漏后果進行模擬分析。結果表明，在最常見的泄漏場景下(泄漏口為25mm)，無論是高點泄漏還是低點泄漏的輻射熱均低于危害值，不會對周圍設備造成傷害；無論是高點還是低點泄漏發生都不會發生延遲引燃氣云爆炸。因此，從風險的角度來看，對于厭氧消化罐彼此之間的間距并沒有特殊要求。模擬結果驗證了GB/T 51063-2014《大中型沼氣工程技術規范》中沒有提出厭氧消化罐之間的間距要求是合理的[5]。但是，厭氧消化罐組與料場、儲氣柜、火炬等之間的間距應滿足GB/T51063的要求。

對于應急預案中熱區/溫區/冷區的規劃設置，建議熱區(緊急操作/搶救)考慮最嚴重時間場景下風向氣體濃度在1/2LFL內；溫區(偵檢隔離/人員清潔)考慮最嚴重事件場景下風濃度1/2 LFL至延遲引燃爆炸安全距離(爆炸超壓0.02068bar)；冷區(應變指揮/后勤)考慮最嚴重時間場景延遲引燃爆炸安全距離外。在本例中，熱區范圍為<22.75m，溫區范圍為22.55～51.81m，冷區范圍>51.81m。

[1] 代元元，江 皓，丁江濤,等．秸稈厭氧混合發酵的研究進展[J].中國沼氣，2014,32(5):40-45.

[2] 王彥博.規模化沼氣工程安全風險評估管理和危險源辨識初探[J].河北農業,2018(1):41-43.

[3] 張文冬，張永信.基于PHAST軟件模擬大型LNG儲罐泄漏事故[J].石油化工安全環保技術，2014,30(5):27-31.

[4] CCPS.Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases [M].New york: Center for Chemical Process Safety of the American Institute of Chemical Engineers,1999.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 51063-2014 大中型沼氣工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.