垃圾焚烧发电厂沼气危险源的识别与防范

桂宏桥，聂林锋，吴红梅

(1.南京大学，江苏 南京 210000；2.光大环保能源(江阴)有限公司，江苏 江阴 214400)

0 引言

沼气事故是垃圾焚烧发电厂的主要安全事故之一。近年来，由于垃圾焚烧处理技术具有减量化、资源化和无害化的特点，已成为处理生活垃圾的最有效方式。垃圾焚烧电厂发展迅猛，随之而来的沼气安全事故也层出不穷。因此，掌握沼气产生的条件、规律，分析引起沼气事故的原因，制定切实可行的防范措施，对于确保安全生产是十分重要的。

1 沼气产生的条件与区域

1.1 沼气产生的基本条件

沼气是指有机物在厌氧条件下，经微生物分解代谢所产生的可燃性混合气体。沼气的产生过程称为沼气发酵，沼气的主要成分是CH4，其余为CO2，O2，H2S等，其中CH4含量为55 %～70 %，CO2含量为25 %～40 %。沼气各组分的理化性质如表1所示。

表1 沼气各组分的理化性质

CH4的相对分子量是16.04，是一种无色无味的气体，也是最简单、稳定的碳基化合物。CH4密度小，对空气的相对密度是0.554(空气密度=1)。CH4在水中的溶解度很小，20 ℃时溶解度为3 %；当温度为-82.5 ℃、压力为4 640.7 kPa时，才能被液化，体积变为原来的1 %。CH4的着火点在650～750 ℃，热值在35 847～39 796 kJ/m3，燃烧时温度可超过1 400 ℃。由此可见，CH4是一种常见的、相对稳定的、安全且环保的清洁能源。

1.2 产生沼气的区域

(1)垃圾储仓。

(2)垃圾渗滤液收集池及仓格栅通道。

(3)渗滤液站调节池、预处理池、污水池、厌氧池、脱泥间。

(4)沼气输送管路、加压风机房及点火系统。

(5)沼气脱硫预处理系统、沼气储罐、沼气发电机区域。

(6)化粪池、生活污水收集池和食堂隔油池。

2 沼气爆炸条件和危险因素识别

2.1 沼气爆炸条件

沼气爆炸须满足以下条件：沼气浓度达到爆炸极限、引火温度、足够的氧气，3者缺一不可。

(1)沼气浓度：在20 ℃和1个标准大气压状态下，CH4在空气中的爆炸极限为5 %～15 %。一般情况下，沼气浓度在5 %～15 %，遇火会发生爆炸。

(2)引火温度：沼气的点燃温度为650～750 ℃，明火、电弧火花、自然发火甚至铁器撞击等产生的火花，都有可能引燃沼气。CH4浓度不同，引火温度也有所差异；当CH4浓度为6.58 %时，最易被引燃。

(3)氧气含量：当空气中氧气含量低于12 %时，沼气遇火不会发生爆炸。

2.2 沼气危险因素

沼气中的有毒气体主要是H2S。H2S是一种无色有毒的可燃性气体，有强烈的臭鸡蛋味道，其熔点为-83 ℃，沸点为-60.3 ℃，相对分子量为34.8，相对密度为1.189(空气密度=1)。由于S2-容易失去电子而被氧化，具有较强的还原性，因此H2S能与一些金属氧化物形成金属硫化物。H2S是强烈的神经毒物，对人的粘膜和呼吸道有明显的刺激作用，会引起角膜炎，同时极易被肺和胃吸收，与人体组织中的碱性物质结合产生硫化钠，从而对眼睛和呼吸道造成损害。当发生全身中毒时，H2S将通过抑制细胞色素氧化酶，阻断生物氧化过程、造成组织缺氧；H2S进入血液后，与血红蛋白结合，产生不可还原的硫化血红蛋白，即出现中毒症状。不同浓度的H2S对人体的危害如表2所示。

表2 不同浓度的H2S对人体的危害

3 沼气的安全利用方式

沼气作为易燃易爆气体，必须得到安全利用或处置，垃圾焚烧发电厂沼气收集及处置方式如图1所示。

(1)沼气发电：沼气发电方式应作为沼气处理的首选运行方式，从而达到综合利用沼气，发展循环经济的目标。

(2)入炉焚烧：在沼气发电机维护或检修停运期间，或在冬季生活垃圾发酵不够完全的情况下，采用此种运行方式，能烘干生活垃圾，从而使其充分燃烧。

(3)火炬排空：当前2种运行方式都无法进行时，才采用此种运行方式。

图1 垃圾焚烧发电厂沼气收集及处置方式

4 沼气危险源防范措施

4.1 工程技术措施

4.1.1 垃圾仓内

(1)垃圾焚烧炉的一次风机进风口安装在垃圾仓内。在正常运行情况下，锅炉一次风风量足够保证垃圾仓内的臭气、可燃气体及其他气体被抽走。在锅炉检修或者异常情况下，垃圾仓顶配备相应风量的除臭风机对垃圾仓进行换气，保证垃圾仓内形成负压，抽走内部的臭气与可燃气体。

(2)垃圾仓内配有负压监测装置，实时监测仓内负压情况。

(3)垃圾仓除臭风机使用保安电源。

(4)装设可燃气体报警系统。

(5)配备完备的消防系统。

4.1.2 垃圾渗滤液收集池及仓格栅通道

（1） 设置垃圾渗滤液收集池循环风机，在垃圾通道内及渗滤液收集池内设置吸风口。装设可燃气体报警系统，对渗滤液收集池及收集沟道连续进行可燃与有害气体检测。

(2)垃圾渗滤液收集池与渗滤液检修通道所有照明都采用防爆形式，且除臭风机与排水泵等设备均采用防爆电机。

(3)在循环风机吸风口处安装1个负压表，循环风机使用保安电源。

4.1.3 渗滤液站调节池、预处理池、污水池、厌 氧池、脱泥间

(1)在工程建设期，装设足够风量的除臭风机。

(2)除臭风机与池内搅拌机均采用防暴电机。

(3)在调节池、沉淀池装设危险气体报警系统，进行可燃与有害气体检测；当检测气体超标时，加大除臭风机的排风量，以确保正常通风换气。

(4)除臭风机使用保安电源。

4.1.4 沼气输送管路、加压风机房及点火系统

(1)加压风机房装设可燃气体报警系统，并远传至沼气发电控制室做声光报警。

(2)加压风机房的设备与现场照明电源等均采取防爆措施。

4.1.5 沼气脱硫预处理系统、沼气储罐、沼气发 电机区域

(1)配有监控摄像头，对沼气管道及沼气罐区域进行有效监控。

(2)沼气罐设备装有有效的避雷装置。

(3)沼气发电机房装设可燃气体报警系统。

4.1.6 化粪池、生活污水收集池和食堂隔油池

每年清理化粪池与污水井，保证管道畅通。

4.2 运行管理措施

4.2.1 设立特定危险区域

以石化行业安全管理标准对垃圾焚烧厂的危险区域实行严格管控，实现对特定危险区域的可控、能控、在控，从根本上降低垃圾焚烧厂可燃气体事故的发生率。

对产生CH4、H2S等可燃、有毒气体的场所，实行封闭式管理，并作为特定危险区域(如渗滤液收集池、厌氧区域、沼气发电区域等)全部采用护栏作为屏障，对进出人员严格授权、登记，无权限人员不得进入，以有效防止闲杂人等进入该区域；对非危险区域的渗滤液检修通道(渗滤液池)位置，实行防火门常锁状态，钥匙实行登记使用管理，在源头上控制发生中毒、火灾、爆炸等危险因素。

4.2.2 特定危险性区域挂牌警示

在垃圾焚烧发电厂特定危险区域入口处，设置区域内安全警示标志、安全责任牌，悬挂“防火防爆区域、严禁烟火”告示牌；在渗滤液通道入口处，安装“重大危险点”警示牌，采用标签或图示的形式警示作业人员、管理人员和应急救援人员在作业时采取正确的预防和防护措施，加强特定危险区域安全警示教育，提高相关人员的安全防范意识。同时，对公司区域进行重点防火区域的划分，并在现场悬挂“重点防火区域”标牌，将其划分到责任部门及责任人。

4.2.3 检测重点区域沼气浓度

进一步巩固人防措施，在产生CH4、H2S的渗滤液站预处理间、污泥处理间、沼气发电装置间、渗滤液检修通道(渗滤液池)等重点部位，安置沼气浓度检测装置，并将气体报警终端报警控制器设置在中央控制室内。一旦现场气体浓度超过10 ppm就会发出报警信号，提醒中控室运行人员注意。遵循重点区域的巡检制度，及时观察沼气浓度是否处于沼气爆炸范围内，并采取积极措施，降低或提升沼气浓度，确保沼气浓度处于安全水平。

对于未安装沼气检测装置的重点区域，应采用便携式气体检测仪进行检测并做好记录，同时建立全方位、多层次的技防体系，提高特定危险区域的安全防控能力。

4.2.4 定期校验检测仪器

每年将沼气检测装置与便携式检测仪送至检测单位进行校验，并取得合格证，以保证仪器检测结果的准确性。

4.2.5 设立作业许可证制度

受限空间区域作业必须办理作业许可证，特别在渗滤液站、沼气电站区域、渗滤液检修通道等重大危险区内进行检修作业时，必须经授权许可。

进池入罐作业时，使用“受限空间作业证”，安全工程师必须到现场监督，并使用便携式检测仪监测危险性气体，做好工前气体浓度、成分分析工作。在人员进入前，还需进行活体动物实验，当活体动物存活半小时以上且无任何不良反应后，工作人员方可进入。同时，还应每隔半小时再进行检测，全程监测并确保通风畅通，直至工作结束。

4.2.6 加强阀门、消防器材检查

对渗滤液站、沼气电站区域、渗滤液检修通道区域设备的法兰、阀门等关键部位进行检查，发现问题及时处理；对灭火器、消防栓与消防水带等进行定期检查，如有缺失及时补充。

4.2.7 检修置换措施

(1)水置换法。先用水置换沼气容器、管道内的沼气，再用空气置换容器、管道内的水，即将水作为置换中间介质。

此方法的操作过程为：先将沼气容器、管道充满水，以水排尽沼气容器、管道内的沼气，再将水排尽，完成空气置换。此法能确保储气罐内、管道内的沼气不会与空气接触，确保不会产生具有爆炸性的混合气体，绝对安全可靠。

(2)惰性气体置换法。用惰性气体置换沼气容器、管道内的沼气，即把惰性气体作为置换中间介质。“惰性气体”指的是不可燃又不可助燃的无毒气体，如氮气(N2或液氮)、二氧化碳(CO2)等。

此方法的操作过程为：将惰性气体充入容器、管道内，并加压到一定程度置换沼气，直至罐内惰性气体浓度达到预定的置换标准为止，再以空气置换惰性气体，从而完成空气置换程序。

4.2.8 加强员工培训教育

对在危险区域工作的员工应定期进行安全培训与考核，确保其能够准确、快速辨识垃圾焚烧发电厂中产生H2S、CH4等主要危险源。不断提升员工的素质和技术水平，切实增强员工的安全防范意识和应急处理能力，纠正各级人员存在的安全认识误区和麻痹大意思想，从意识源头上抓好安全。

5 结论

防范沼气危险源是垃圾焚烧发电厂的一项系统工程，除了完善可靠的安全装备和采取有效措施外，还应加强安全管理和安全监督，重视员工安全认识的培养。只有将安全放在首位，才能实现垃圾焚烧发电厂的安全稳定环保运行。在日常安全管理工作中，只有建立健全各项规章制度，保持安全费用的合理支出，提升工作人员的安全责任意识，才能大幅度减少沼气爆炸事故，切实提高垃圾焚烧发电厂的运行管理水平。