基于HAZOP技術(shù)的餐廚垃圾厭氧工藝危險(xiǎn)分析研究

＊鄒 衛(wèi)

（深圳市光明區(qū)應(yīng)急管理局 廣東 518107）

廚余垃圾的有機(jī)物含量較高，具有一定再利用價(jià)值，現(xiàn)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(xiàng)目主要采用單相-高溫-厭氧反應(yīng)工藝來產(chǎn)生沼氣。沼氣作為一種可再生能源，可以替代傳統(tǒng)的化石燃料，如煤、石油和天然氣等[1-2]。

涉及沼氣產(chǎn)生及利用的工藝階段及設(shè)備往往存在較大的火災(zāi)、爆炸和人員中毒[3-4]風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)餐廚垃圾資源化利用項(xiàng)目中存在的燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)必須進(jìn)行科學(xué)分析、有效評(píng)估。

本文以某餐廚垃圾處理項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用HAZOP 系統(tǒng)安全分析方法對(duì)涉及沼氣產(chǎn)生及利用的工藝階段進(jìn)行系統(tǒng)安全分析，識(shí)別可能出現(xiàn)的偏差，提出相應(yīng)的安全措施。

1.厭氧工藝簡(jiǎn)介

該餐廚垃圾處理與利用項(xiàng)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(fā)酵產(chǎn)生的沼氣發(fā)生事故的后果會(huì)很嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)維修停工，造成人員傷亡[6]。因此，本文主要針對(duì)厭氧工藝的主要流程及設(shè)備設(shè)施，分析甲烷泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

該餐廚垃圾處理與利用項(xiàng)目采用如圖1 所示的工藝流程，餐廚垃圾物料通過進(jìn)料泵送入?yún)捬豕蓿?jīng)過酸化水解后完成甲烷化過程。沼氣經(jīng)沼氣暫存系統(tǒng)，通過沼氣風(fēng)機(jī)輸送至沼氣凈化系統(tǒng)。凈化后的沼氣進(jìn)入雙膜氣柜暫存，后續(xù)將沼氣引入至鍋爐及發(fā)電機(jī)進(jìn)行利用，氣柜中多余的沼氣會(huì)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(gè)詳細(xì)地識(shí)別危險(xiǎn)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(tǒng)，識(shí)別涉及沼氣產(chǎn)生及利用系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施潛在的危險(xiǎn)，如壓力過高導(dǎo)致儲(chǔ)氣裝置、管道的沼氣泄漏等。識(shí)別系統(tǒng)中潛在的操作性問題，特別是識(shí)別操作性干擾的原因和可能導(dǎo)致偏差，并獲得結(jié)果將有助于制定正確的補(bǔ)救措施。其中偏差（偏離）是指與設(shè)計(jì)目的情況不一致[7]，側(cè)重功能實(shí)現(xiàn)方面出現(xiàn)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(shè)計(jì)、調(diào)試、工藝、機(jī)電、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、安全管理與技術(shù)方面的專業(yè)人員，并選定HAZOP 分析組長(zhǎng)。

其次，收集系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)資料，主要包括工藝流程圖、系統(tǒng)布置圖、管線分布圖、設(shè)備設(shè)施操作手冊(cè)、安全預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告等。

經(jīng)研究組討論，認(rèn)為該項(xiàng)目中沼氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)主要集中在沼氣產(chǎn)生、輸送及利用的環(huán)節(jié)，根據(jù)圖1 所示的工藝流程，將其分解為3 個(gè)子系統(tǒng)，厭氧消化子系統(tǒng)、沼氣凈化子系統(tǒng)、沼氣利用子系統(tǒng)。

最后，確定系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究分析。選擇厭氧罐及雙膜氣柜作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，主要是因?yàn)閰捬豕奘钱a(chǎn)生沼氣的主要裝置，雙膜氣柜則是存儲(chǔ)沼氣的設(shè)施，沼氣壓力較高、儲(chǔ)量較大。

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

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

表1 偏差及相應(yīng)引導(dǎo)詞

根據(jù)餐廚垃圾處理與利用系統(tǒng)的工藝和設(shè)備設(shè)施特點(diǎn)，主要涉及壓力、流量、液位等工藝參數(shù)，因此本文采用數(shù)量引導(dǎo)詞“多”和“少”來引導(dǎo)識(shí)別工藝過程的危險(xiǎn)。

（3）系統(tǒng)劃分。在進(jìn)行HAZOP 分析前，需根據(jù)系統(tǒng)的可分割屬性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將餐廚垃圾處理與利用劃分為若干適當(dāng)?shù)慕M成部分。根據(jù)前文的分析，餐廚垃圾處理與利用工藝可劃分成三個(gè)子系統(tǒng)，分別為厭氧消化子系統(tǒng)、沼氣凈化子系統(tǒng)、沼氣利用子系統(tǒng)，表2 為各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

表2 子系統(tǒng)劃分及設(shè)計(jì)目的

3.HAZOP分析結(jié)果

本文以餐廚垃圾處理與利用系統(tǒng)中的厭氧罐和雙膜氣柜兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行HAZOP 分析，結(jié)果如下。

（1）厭氧罐/厭氧消化池HAZOP 分析。針對(duì)厭氧罐/厭氧消化池關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分別采用引導(dǎo)詞“多”和“少”進(jìn)行分析，工藝參數(shù)有溫度、流量等。分析可得，厭氧罐/厭氧消化池可能發(fā)生3 種主要偏差，即厭氧罐壓力超標(biāo)、厭氧罐/厭氧消化池出現(xiàn)負(fù)壓，以及厭氧罐液位過低。

厭氧罐壓力超標(biāo)發(fā)生的原因有：①系統(tǒng)溫度過高使得壓力超標(biāo)，如：加熱的蒸氣或者熱水流量過高、溫度超過設(shè)計(jì)值；夏季天氣持續(xù)高溫，厭氧罐本體溫度上升等。②管道發(fā)生堵塞，如：水封穩(wěn)壓裝置失效、沼氣管道冷凝水未及時(shí)排出，導(dǎo)致厭氧罐沼氣難以排出出現(xiàn)超壓。③厭氧罐進(jìn)料與出泥量不協(xié)調(diào)不平衡，導(dǎo)致壓力突然升高。

可能產(chǎn)生的后果是厭氧罐壓力超過設(shè)計(jì)值，使管線或罐體發(fā)生破裂，沼氣發(fā)生泄漏。

建議采取的安全措施有：①安裝溫度、壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)厭氧罐的溫度和壓力變化，當(dāng)壓力超過設(shè)計(jì)值后或報(bào)警值后需將多余的沼氣輸送至氣柜進(jìn)行存儲(chǔ)或通過火炬系統(tǒng)燃燒消除；在夏季高溫天氣，避免陽光長(zhǎng)時(shí)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(shí)灑水等降溫方法。②定期檢修水封穩(wěn)壓裝置、壓力監(jiān)測(cè)及控制設(shè)備的工作狀態(tài)，保證處于正常工作狀態(tài)；安裝高低壓安全裝置。③安裝進(jìn)料與出料量監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置，對(duì)進(jìn)料與出料量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和聯(lián)動(dòng)控制。

厭氧罐/厭氧消化池的壓力出現(xiàn)負(fù)壓，原因有：①排泥量大于進(jìn)泥量或排泥速度過快，使消化池液位降低，產(chǎn)生真空。②投加氨水、氫氧化鈉等藥劑調(diào)整pH 時(shí)，投加過量使氣相中的CO2大量向混合液轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致消化池氣相出現(xiàn)負(fù)壓。③用于沼氣攪拌的壓縮機(jī)的出氣管道出現(xiàn)泄漏，排氣量大于產(chǎn)氣量導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)壓。④沼氣抽氣量大于產(chǎn)氣量，也可導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)壓。

可能產(chǎn)生的后果是厭氧消化池出現(xiàn)負(fù)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(fù)壓保護(hù)器，加強(qiáng)進(jìn)料和排泥的控制和管理，使進(jìn)料和排泥量平衡，保證厭氧罐工作液位的穩(wěn)定。②嚴(yán)格控制堿源的投加量，避免產(chǎn)生過量的CO2。③定期檢修攪拌壓縮機(jī)出氣管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并修補(bǔ)。④監(jiān)測(cè)厭氧罐產(chǎn)氣量及出氣量，嚴(yán)格控制產(chǎn)氣與出氣平衡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行；設(shè)置低壓報(bào)警裝置，出現(xiàn)負(fù)壓后及時(shí)報(bào)警作出響應(yīng)。

厭氧罐液位過低的原因主要是排泥量大于進(jìn)料量或排泥時(shí)速度過快，使消化池液位降低。會(huì)導(dǎo)致厭氧罐出現(xiàn)負(fù)壓，罐體變形，空氣進(jìn)入易發(fā)生燃燒爆炸事故。另外，液位過低時(shí)，沼氣可能進(jìn)入上清液管道。

針對(duì)排泥量大于進(jìn)料量或排泥時(shí)速度過快的問題，應(yīng)安裝進(jìn)料與出料量監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置，對(duì)進(jìn)料與出料量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)應(yīng)設(shè)置氣壓低壓報(bào)警裝置，當(dāng)壓力過低時(shí)及時(shí)報(bào)警。

（2）雙膜氣柜HAZOP 分析。針對(duì)雙膜氣柜關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分別采用引導(dǎo)詞“多”和“少”進(jìn)行分析，工藝參數(shù)有溫度、流量等。分析可得雙膜氣柜主要會(huì)發(fā)生雙膜氣柜內(nèi)膜壓力過大的偏差。

偏差產(chǎn)生的原因主要有：①雙膜氣柜沼氣進(jìn)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(yīng)急火炬燃燒處理，導(dǎo)致雙膜氣柜壓力過大。③安全水封內(nèi)液位過高或結(jié)冰，停車檢修時(shí)無法調(diào)節(jié)氣柜壓力。④內(nèi)部壓力檢測(cè)器（壓力變送器）故障，無法測(cè)量壓力導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)失效。⑤氣柜內(nèi)部溫度過高。

可能產(chǎn)生的后果是氣柜內(nèi)沼氣壓力超壓導(dǎo)致內(nèi)膜破裂泄漏，沼氣與空氣混合后遇靜電等點(diǎn)火源發(fā)生爆炸。

建議采取的安全措施有：①對(duì)管道流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與調(diào)節(jié)閥聯(lián)動(dòng)控制。②定期檢修雙膜氣柜至應(yīng)急火炬管道，重點(diǎn)是閥門是否處于正常位置。③安裝防爆型液位儀監(jiān)測(cè)液位，及時(shí)調(diào)整水封液位，可在安全水封內(nèi)加入防凍液，防止低溫結(jié)冰。④安裝冗余監(jiān)測(cè)器，并制定定期檢修更換計(jì)劃，保證正常使用狀態(tài)。⑤讀取輸入沼氣的溫度值，對(duì)輸入沼氣的溫度進(jìn)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(jié)論

論文對(duì)某餐廚垃圾處理與利用項(xiàng)目的沼氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。

由于加熱流量過大、水封穩(wěn)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(dǎo)致泄漏和爆炸。為了防止此類情況的發(fā)生，建議對(duì)溫度、壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，超壓時(shí)將多余沼氣輸送至后續(xù)存儲(chǔ)利用，并采取防曬、定期檢修設(shè)備等措施。

排泥量大、液位過低或藥劑投加過量等原因會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)負(fù)壓，嚴(yán)重時(shí)用空氣進(jìn)入引發(fā)爆炸事故。為了防范此類情況，建議可采取定期檢修保護(hù)器、控制進(jìn)料和排泥量的平衡、控制堿源投加量、設(shè)置低壓報(bào)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(jiān)測(cè)液位等安全措施。