基于HAZOP技術的餐廚垃圾厭氧工藝危險分析研究

＊鄒 衛

（深圳市光明區應急管理局 廣東 518107）

廚余垃圾的有機物含量較高，具有一定再利用價值，現有的廚余垃圾的處理方法及資源化利用包括粉碎直排、填埋、焚燒、氣化及能源化等。

論文研究的餐廚垃圾處理項目主要采用單相-高溫-厭氧反應工藝來產生沼氣。沼氣作為一種可再生能源，可以替代傳統的化石燃料，如煤、石油和天然氣等[1-2]。

涉及沼氣產生及利用的工藝階段及設備往往存在較大的火災、爆炸和人員中毒[3-4]風險。因此，對餐廚垃圾資源化利用項目中存在的燃燒爆炸風險必須進行科學分析、有效評估。

本文以某餐廚垃圾處理項目為研究對象，采用HAZOP 系統安全分析方法對涉及沼氣產生及利用的工藝階段進行系統安全分析，識別可能出現的偏差，提出相應的安全措施。

1.厭氧工藝簡介

該餐廚垃圾處理與利用項目采用濕式厭氧消化工藝，廚余垃圾采用干式厭氧消化工藝，其主要的工藝單元有厭氧消化、沼氣凈化及暫存、沼氣利用[5]。厭氧發酵產生的沼氣發生事故的后果會很嚴重，導致生產維修停工，造成人員傷亡[6]。因此，本文主要針對厭氧工藝的主要流程及設備設施，分析甲烷泄漏的風險。

該餐廚垃圾處理與利用項目采用如圖1 所示的工藝流程，餐廚垃圾物料通過進料泵送入厭氧罐，經過酸化水解后完成甲烷化過程。沼氣經沼氣暫存系統，通過沼氣風機輸送至沼氣凈化系統。凈化后的沼氣進入雙膜氣柜暫存，后續將沼氣引入至鍋爐及發電機進行利用，氣柜中多余的沼氣會通過火炬燃燒消除。

圖1 餐廚垃圾處理工藝流程

圖2 厭氧罐

圖3 雙膜氣柜

2.HAZOP分析方法

HAZOP 分析是一個詳細地識別危險和可操作性問題地過程，本文用于分析已確定的餐廚垃圾處理系統，識別涉及沼氣產生及利用系統中設備設施潛在的危險，如壓力過高導致儲氣裝置、管道的沼氣泄漏等。識別系統中潛在的操作性問題，特別是識別操作性干擾的原因和可能導致偏差，并獲得結果將有助于制定正確的補救措施。其中偏差（偏離）是指與設計目的情況不一致[7]，側重功能實現方面出現的問題。

（1）HAZOP 分析程序。本文遵循HAZOP 分析程序，首先，成立了HAZOP 研究組，主要包括設計、調試、工藝、機電、現場生產、安全管理與技術方面的專業人員，并選定HAZOP 分析組長。

其次，收集系統的詳細技術資料，主要包括工藝流程圖、系統布置圖、管線分布圖、設備設施操作手冊、安全預評價報告等。

經研究組討論，認為該項目中沼氣泄漏的風險主要集中在沼氣產生、輸送及利用的環節，根據圖1 所示的工藝流程，將其分解為3 個子系統，厭氧消化子系統、沼氣凈化子系統、沼氣利用子系統。

最后，確定系統中的關鍵節點進行研究分析。選擇厭氧罐及雙膜氣柜作為系統中的關鍵節點，主要是因為厭氧罐是產生沼氣的主要裝置，雙膜氣柜則是存儲沼氣的設施，沼氣壓力較高、儲量較大。

（2）HAZOP 引導詞及偏差。HAZOP 分析還要使用引導詞分析餐廚垃圾處理與利用工藝和操作可能出現的偏差、偏差出現的原因，以及偏差導致的后果，并提出針對性的建議措施。

在HAZOP 分析中，偏差為引導詞與工藝參數的組合，一般描述為：偏差=引導詞+工藝參數[8]。常見引導詞的名稱和含義見表1。

表1 偏差及相應引導詞

根據餐廚垃圾處理與利用系統的工藝和設備設施特點，主要涉及壓力、流量、液位等工藝參數，因此本文采用數量引導詞“多”和“少”來引導識別工藝過程的危險。

（3）系統劃分。在進行HAZOP 分析前，需根據系統的可分割屬性，對整個系統進行劃分，將餐廚垃圾處理與利用劃分為若干適當的組成部分。根據前文的分析，餐廚垃圾處理與利用工藝可劃分成三個子系統，分別為厭氧消化子系統、沼氣凈化子系統、沼氣利用子系統，表2 為各子系統的設計目的。

表2 子系統劃分及設計目的

3.HAZOP分析結果

本文以餐廚垃圾處理與利用系統中的厭氧罐和雙膜氣柜兩個關鍵節點為例進行HAZOP 分析，結果如下。

（1）厭氧罐/厭氧消化池HAZOP 分析。針對厭氧罐/厭氧消化池關鍵節點，分別采用引導詞“多”和“少”進行分析，工藝參數有溫度、流量等。分析可得，厭氧罐/厭氧消化池可能發生3 種主要偏差，即厭氧罐壓力超標、厭氧罐/厭氧消化池出現負壓，以及厭氧罐液位過低。

厭氧罐壓力超標發生的原因有：①系統溫度過高使得壓力超標，如：加熱的蒸氣或者熱水流量過高、溫度超過設計值；夏季天氣持續高溫，厭氧罐本體溫度上升等。②管道發生堵塞，如：水封穩壓裝置失效、沼氣管道冷凝水未及時排出，導致厭氧罐沼氣難以排出出現超壓。③厭氧罐進料與出泥量不協調不平衡，導致壓力突然升高。

可能產生的后果是厭氧罐壓力超過設計值，使管線或罐體發生破裂，沼氣發生泄漏。

建議采取的安全措施有：①安裝溫度、壓力傳感器，實時監測厭氧罐的溫度和壓力變化，當壓力超過設計值后或報警值后需將多余的沼氣輸送至氣柜進行存儲或通過火炬系統燃燒消除；在夏季高溫天氣，避免陽光長時間照射，可采取在厭氧罐外涂裝隔熱涂料等隔熱措施，也可采取臨時灑水等降溫方法。②定期檢修水封穩壓裝置、壓力監測及控制設備的工作狀態，保證處于正常工作狀態；安裝高低壓安全裝置。③安裝進料與出料量監測監控裝置，對進料與出料量進行動態調節和聯動控制。

厭氧罐/厭氧消化池的壓力出現負壓，原因有：①排泥量大于進泥量或排泥速度過快，使消化池液位降低，產生真空。②投加氨水、氫氧化鈉等藥劑調整pH 時，投加過量使氣相中的CO2大量向混合液轉移，導致消化池氣相出現負壓。③用于沼氣攪拌的壓縮機的出氣管道出現泄漏，排氣量大于產氣量導致產生負壓。④沼氣抽氣量大于產氣量，也可導致出現負壓。

可能產生的后果是厭氧消化池出現負壓，吸入的空氣與沼氣形成爆炸性混合氣體。

建議采取的安全措施有：①定期檢修正負壓保護器，加強進料和排泥的控制和管理，使進料和排泥量平衡，保證厭氧罐工作液位的穩定。②嚴格控制堿源的投加量，避免產生過量的CO2。③定期檢修攪拌壓縮機出氣管，及時發現泄漏點并修補。④監測厭氧罐產氣量及出氣量，嚴格控制產氣與出氣平衡，實現自動運行；設置低壓報警裝置，出現負壓后及時報警作出響應。

厭氧罐液位過低的原因主要是排泥量大于進料量或排泥時速度過快，使消化池液位降低。會導致厭氧罐出現負壓，罐體變形，空氣進入易發生燃燒爆炸事故。另外，液位過低時，沼氣可能進入上清液管道。

針對排泥量大于進料量或排泥時速度過快的問題，應安裝進料與出料量監測監控裝置，對進料與出料量進行動態調節和聯動控制。同時應設置氣壓低壓報警裝置，當壓力過低時及時報警。

（2）雙膜氣柜HAZOP 分析。針對雙膜氣柜關鍵節點，分別采用引導詞“多”和“少”進行分析，工藝參數有溫度、流量等。分析可得雙膜氣柜主要會發生雙膜氣柜內膜壓力過大的偏差。

偏差產生的原因主要有：①雙膜氣柜沼氣進氣口流量過大。②雙膜氣柜至火炬的管道堵塞，多余沼氣無法輸送至應急火炬燃燒處理，導致雙膜氣柜壓力過大。③安全水封內液位過高或結冰，停車檢修時無法調節氣柜壓力。④內部壓力檢測器（壓力變送器）故障，無法測量壓力導致壓力調節失效。⑤氣柜內部溫度過高。

可能產生的后果是氣柜內沼氣壓力超壓導致內膜破裂泄漏，沼氣與空氣混合后遇靜電等點火源發生爆炸。

建議采取的安全措施有：①對管道流量進行實時監測，并與調節閥聯動控制。②定期檢修雙膜氣柜至應急火炬管道，重點是閥門是否處于正常位置。③安裝防爆型液位儀監測液位，及時調整水封液位，可在安全水封內加入防凍液，防止低溫結冰。④安裝冗余監測器，并制定定期檢修更換計劃，保證正常使用狀態。⑤讀取輸入沼氣的溫度值，對輸入沼氣的溫度進行控制，如有需要可采取在厭氧罐外涂裝隔熱涂料等隔熱措施。

4.結論

論文對某餐廚垃圾處理與利用項目的沼氣泄漏風險進行了分析。

由于加熱流量過大、水封穩壓裝置失效等多種原因可能使厭氧罐壓力超限，引起管線或罐體破裂，導致泄漏和爆炸。為了防止此類情況的發生，建議對溫度、壓力變化進行實時監測，超壓時將多余沼氣輸送至后續存儲利用，并采取防曬、定期檢修設備等措施。

排泥量大、液位過低或藥劑投加過量等原因會導致罐內負壓，嚴重時用空氣進入引發爆炸事故。為了防范此類情況，建議可采取定期檢修保護器、控制進料和排泥量的平衡、控制堿源投加量、設置低壓報警裝置等措施。

沼氣流量過大和管道堵塞等可能引起雙膜氣柜壓力超限，建議采取定期檢修管道、加防凍液、監測液位等安全措施。