餐廚垃圾處置廠的氣體檢測報警系統設計

楊 程，王 玥，鄭 勁，蔣金明

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300000）

0 引言

餐廚垃圾廢棄物中有機物含量較高，尤其富含高油脂，容易發酵、變質、腐爛，同時還容易滋生病原體，如果不妥善處理，不僅會影響城市環境、市容市貌，還會造成地下水資源與土壤的嚴重污染，甚至危害城鎮居民的身體健康。

而餐廚處理廠作為餐廚垃圾資源化、無害化、減量化的處置終端，餐廚垃圾處置過程的安全可靠運行是緊系生態環境與公眾身體健康等民生大計的重要保障。而餐廚垃圾厭氧發酵作為垃圾資源化，并提供綠色能源的主要工藝流程，在運行過程中會產生大量沼氣，如果在產生、使用過程中發生沼氣泄漏，遇到明火會引發爆炸等嚴重的安全生產事故，危害生命健康。因此，在餐廚垃圾處置工程的設計中，需考慮設置相關可燃、有毒氣體報警檢測系統。該系統能夠及時檢測出空氣中可燃、有毒氣體的濃度并發出報警，提醒操作、運營人員及時采取安全措施，并聯鎖啟動相關安全防護設備，防止爆炸等惡性生產安全事件的發生，保障企業與居民的生命財產安全。

本文以廈門生物質資源再生項目一期工程為例，闡述該廠氣體報警檢測系統的設計方案，并歸納相關設計要點，主要包括氣體報警檢測點的設置，檢測器的選型、安裝、聯鎖控制等內容。

餐廚垃圾處理整體工藝流程可以概括為：

1）餐廚垃圾送入預處理車間進行預處理。

2）經過預處理后的漿料進入“高溫濕式厭氧發酵”系統。

3）發酵產生的沼氣經過沼氣凈化系統送至沼氣發電車間。

4）經過發酵后的沼液進入沼液儲池，然后泵送至脫水系統，脫水后的濾液輸送到污水預處理系統。

1 氣體報警檢測系統

1.1 氣體報警檢測點的設置

根據GB/T50493-2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》[1,2]要求，可燃與有毒氣體探測器的檢測點，應根據氣體的理化性質、釋放源的特性、生產場地布置、地理條件等因素進行綜合分析，選擇氣體易于積聚、便于采樣檢測和儀表維護之處布置，一般在下列釋放源周圍應布置監測點：①氣體壓縮機和液體泵的動密封；②液體采樣口和氣體采樣口；③液體（氣體）排液（水）口和放空口；④經常拆卸的法蘭和經常操作的閥門組。

根據餐廚處理工藝流程，在預處理車間的滲濾液收集池、厭氧發酵罐區域、沼氣凈化裝置與雙膜氣柜、污水處理車間、沼氣發電車間、鍋爐房等存在釋放源的區域，設置可燃氣體和有毒氣體報警探測器。

1.2 氣體報警檢測器選型

根據被測介質種類的不同，選擇不同測量原理的檢測元器件。GB/T50493-2019 規范要求，輕質烴類可燃氣體探測器宜選用催化燃燒型或紅外氣體探測器?？紤]到厭氧發酵產生的沼氣組分復雜，除了占比最大的甲烷（CH4）外，還存在硫化氫（H2S）等氣體，因此檢測甲烷的可燃氣體探測器最終選用抗毒性催化燃燒型探測器；檢測硫化氫的有毒氣體探測器選用電化學型探測器[3]。

催化燃燒型檢測器采用惠斯通電橋原理，可燃氣體能與檢測器內置的感應電阻發生無焰燃燒，熱效應使感應電阻發生阻值突變，電橋電路的平衡受到影響，產生的電流信號經過放大、處理后，在LED 屏上顯示氣體濃度。電化學型檢測器檢測時，環境氣體通過傳感器下端的薄膜擴散到傳感器的電解液中，被檢測氣體在測量電極上發生化學反應，產生的微電流經過放大、溫度補償和參數修正后得到待測氣體的濃度。

1.3 氣體報警檢測器的安裝

檢測器安裝位置的確定，對于可靠檢測氣體泄漏濃度非常重要。釋放源處于露天或敞開式廠房布置的設備區域內，可燃氣體探測器距其覆蓋范圍內的任一釋放源的水平距離不宜大于10m，有毒氣體探測器距其覆蓋范圍內的任一釋放源的水平距離不宜大于4m；釋放源處于封閉式廠房或局部通風不良的半敞開廠房內，可燃氣體探測器距其覆蓋范圍內的任一釋放源的水平距離不宜大于5m，有毒氣體探測器距其覆蓋范圍內的任一釋放源的水平距離不宜大于2m。同時，在封閉式廠房或局部通風不良的半敞開廠房內，在廠房最高點氣體易于積聚處設置比重輕于空氣的可燃氣體與有毒氣體探測器。因此，根據檢測區域的不同劃分，靠近釋放源設置氣體檢測探頭，并保證探頭的檢測總區域應覆蓋所有釋放源[4]。

針對餐廚垃圾處置各工藝流程的特點，檢測半徑為10m 的可燃氣體檢測區域為：①厭氧發酵罐區（包括厭氧罐、均質罐、沼液罐）；②沼氣凈化區域（沼氣凈化設備區、雙膜氣柜、火炬）。

檢測半徑為5m 的可燃氣體檢測區域為：①預處理車間滲濾液收集池區域；②鍋爐房；③沼氣發電車間；④污水處理車間內調節池。

檢測半徑為4m 的有毒氣體檢測區域為：①厭氧發酵罐區（包括厭氧罐、均質罐、沼液罐）；②沼氣凈化區域（沼氣凈化設備區、雙膜氣柜、火炬）。

檢測半徑為2m 的有毒氣體檢測區域為：預處理車間滲濾液收集池區域。

檢測儀的安裝高度需考慮檢測介質與空氣密度的比重，根據GB/T50493-2019 規范要求，檢測氣體介質是否比空氣重，根據介質的分子量與環境空氣的分子量比值為基準：①當比值X ≥1.2 時，則認為氣體介質重于空氣；②當比值1.0 ≤X ＜1.2 時，則認為氣體略重于空氣；③當比值為0.8 ～1.0 時，則認為氣體略輕于空氣；④當比值≤0.8 時，則認為氣體輕于空氣。

根據厭氧發酵工段的工藝特征，經過厭氧發酵產生的沼氣屬于混合氣體，不能簡單地認為是甲烷，其中包括甲烷、硫化氫、水蒸氣以及雜質等。根據筆者以往設計經驗，在工程實踐中將厭氧發酵產生的沼氣認定為比空氣重的氣體是合理的。因此，檢測沼氣與硫化氫的探測器安裝高度宜距地坪0.3m ～0.6m，同時考慮沼氣中易燃易爆的組分為輕于空氣的甲烷，混合氣經過一段時間相互分離，甲烷會向上飄散，因此還需在預處理車間、沼氣發電車間、鍋爐房、污水處理車間的最高點氣體易于積聚處，設置可燃氣體探測器。

1.4 氣體報警檢測器的聯鎖控制

根據GB/T50493-2019 規范要求，可燃氣體的測量范圍為0 ～100%LEL（爆炸下限），有毒氣體的測量范圍為0 ～300%OEL（職業接觸限值）。當現有探測器的測量范圍不能滿足上述要求時，有毒氣體的測量范圍可為0 ～30%IDLH（直接致害濃度）。

圖1 氣體報警檢測系統配置圖Fig. 1 Configuration of gas alarm detection system

查規范可知，硫化氫的OEL 為10mg/m3、IDLH 為430mg/m3，因為大部分有毒氣體檢測儀的氣體濃度量程 選 用ppm，ppm 與mg/m3的 換 算 公 式 為：cppm=22.4/M×T/273×1/P×c mg/m3。其中，T 為環境溫度（K），P 為環境大氣壓。假設考慮環境溫度為20℃，環境氣壓為標準大氣壓，可得cppm=0.707 c mg/m3。將硫化氫的300%OEL 代入公式，可得硫化氫的檢測范圍為21.21ppm。查閱氣體報警儀樣本可知，常規有毒氣體檢測儀的量程可以滿足檢測要求，因此硫化氫的測量范圍定為0 ～300%OEL 即可[5]。

設置可燃氣體一級報警設定值為25%LEL，二級可燃氣體報警設定值為50%LEL；有毒氣體一級報警設定值為100%OEL，二級報警設定值為200%OEL。當氣體泄漏濃度達到一級報警設定值時，報警探頭發出聲光報警信號，提醒操作人員及時排除故障，如果釋放源在密閉廠房，一級報警時，報警控制器需聯鎖啟動事故風機；當氣體濃度達到二級報警設定值時，報警控制器還需聯鎖沼氣緊急切斷閥，使切斷閥失電關閉。

1.5 報警控制器

氣體報警控制單元是能夠接受探測器的輸出信號，顯示和記錄被檢測氣體的濃度，發出聲光報警信號，并將氣體濃度報警信號與控制單元故障信號發送至消防控制室內消防控制柜的電氣電子設備?？扇細怏w和有毒氣體檢測報警系統應獨立于其他系統單獨設置，目前常見的做法有以下兩種：①將探頭信號接入專用氣體報警控制器；②將探頭信號接入DCS/PLC/SIS 系統，DCS/PLC/SIS 的CPU、IO模塊等需獨立設置[6]。

本項目采用第一種方式，現場檢測探頭4mA ～20mA信號采用三線制送至報警控制器，報警控制器放置在操作人員常駐的控制室內，同時報警控制器通過RS485 通訊接口將數據上傳至DCS/PLC，從而傳輸至上位工控機，實現報警歷史事件記錄、報表顯示，并支持歷史數據的查詢。

因為餐廚垃圾處理廠各工藝處理流程相對獨立，全廠不統一設置廠級氣體報警控制器，而是在各生產車間獨立設置：①在餐廚預處理車間控制室，設置預處理工段以及厭氧發酵工段的氣體報警控制器；②在沼氣發電車間，設置沼氣發電、沼氣凈化以及鍋爐房工段的氣體報警控制器；③在污水處理車間，設置污水處理工段的氣體報警控制器。

1.6 其他

除了在釋放源設置固定式氣體報警檢測探頭，本項目還配置了4 合1 便攜式氣體報警檢測儀[7]，操作人員在檢修、操作時可以隨時檢測周圍環境的氣體濃度。當氣體濃度超標時，便攜式檢測儀可以及時報警，提醒操作人員注意周圍環境存在危險，以便采取相應措施或及時撤離。

2 結論

本文設計的餐廚垃圾處置工程可燃、有毒氣體報警檢測系統符合國家規范要求，能夠在餐廚垃圾處置廠運行中實時監測氣體濃度，具備超限報警及時、安全聯鎖可靠等特點，能有效保證生產及操作人員的健康和生命安全。