嚴逢春 彭志成 梁衛(wèi)兵

(1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院益陽分院 湖南益陽 413041； 2.北京中持依迪亞環(huán)境檢測分析股份有限公司 北京 100192； 3.北京中持綠色能源環(huán)境技術有限公司 北京100192)

0 引言

特大型鋼制高干厭氧反應器用于處理含固率15%～35%的市政、農業(yè)、工業(yè)等一種或多種有機廢棄物，同時生產沼氣、沼液、沼渣。2016年以后，我國才真正開始研究高干厭氧發(fā)酵技術，由于資金、技術和人才的限制，大部分處于實驗室小試階段，尚未展開大規(guī)模工業(yè)化生產處理或產生效益，尚無規(guī)范的特大型鋼制高干厭氧反應器的安全檢測與安全控制方案。但厭氧反應也是生物反應，一旦泄漏會釋放大量有毒有害氣體，造成大面積的人畜傷亡。目前我國城市與農村正在大范圍推廣垃圾分類，厭氧反應器作為最有效的有機廢棄物處理設備將會大量使用，對高干厭氧反應器在制造、調試、使用等過程中的安全問題研究迫在眉睫。

2017年我國農村與城市易腐垃圾產生量為2.15×109t/a,植物性有機廢棄物如秸稈為1.0×109t/a,動物糞便為2.7×109t/a，導致我國20%的耕地、82%的水源受到各種廢棄物的污染；2017年3月18日國家發(fā)展改革委與住房和城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合制定了《生活垃圾分類制度實施方案》。目前我國生活垃圾處理主要還是靠填埋與焚燒，填埋占處理量的63%，焚燒占處理量的35%。填埋占用了大量的土地，并對周圍的土地與空氣產生嚴重污染；焚燒耗費巨大的能源，同時產生大量的廢水與廢氣。因此一種新型的有機廢棄物循環(huán)利用處理模式“有機廢棄物—產品—消費利用”受到國家的大力扶持。本研究對象特大型鋼制高干厭氧反應器處理量大,單位體積產氣量最高，兼容性大，各種有機廢棄物都可以利用同一套高干厭氧系統(tǒng)厭氧消化生產沼氣和有機肥，不需要加水稀釋，降低了后續(xù)的沼液脫水及污水處理成本,占地空間少，密封性好，對周圍環(huán)境污染極少，對易腐垃圾、秸稈、動物糞便等有機廢棄物的處理具有重大的意義。

1 特大型鋼制高干厭氧反應器主要安全隱患

特大型鋼制高干厭氧反應器的安全隱患主要包括沼氣泄漏、加工過程中的焊接變形、使用過程中的熱脹冷縮變形、基礎變形與沉降、雷擊、缺少安全檢測儀器儀表與設備、運行過程中的酸積累以及氨氮濃度過高、正負壓保護器失靈或者失效等。

(1)沼氣泄漏

特大型高干厭氧反應器工作時雖然壓力不超過4 kPa，溫度不超過70 ℃，但會產生大量有毒有害物質如硫化氫、一氧化氮，易燃易爆物質如甲烷、乙烷等，一旦泄漏就會威脅到周邊民眾的生命與財產安全。一臺容積為3 000 m3的特大型鋼制高干厭氧反應器頂部帶沼氣柜的焊縫長度不少于1 600 m，密封圈長度不少于100 m，焊接時稍不注意就會導致焊縫泄漏。即使在運行前已檢測焊縫合格，在運行中由于會產生多種生化反應，仍易造成已檢測合格的焊縫因腐蝕或沙子磨損而導致反應器泄漏。同時，密封面若稍有不平，也會導致密封處泄漏；市場上沒有整塊大面積的密封板，也沒有整條很長的密封條，有的密封板、密封條只能拼接使用，拼接處也容易導致泄漏。

(2)加工過程中的焊接變形

特大型鋼制高干厭氧反應器由于體積太大不方便運輸，通常在運營工地現(xiàn)場焊接，其焊接工作量較大，常為多人同時焊接，會產生很大的焊接變形，且當日不易發(fā)現(xiàn)，到次日才能看到焊縫處產生了很大裂縫，尤其是最后一塊底板、端板、側板之間的拼接，裂縫常有一指多寬。

(3)使用過程中的熱脹冷縮變形

特大型鋼制高干厭氧反應器工作時的溫度雖然不太高，但數(shù)十米長的厭氧反應器在冬天停產再啟動工作時，由于熱脹冷縮也會產生幾十毫米的變形，易導致反應器固定與支撐立柱和反應器壁板之間的焊縫裂開，造成反應器垮塌、鼓肚、頂部內縮、底部外扒，尤其是兩端端板與側板底板焊接處焊縫撕裂。

(4)基礎變形與沉降

特大型鋼制高干厭氧反應器工作時加上物料重量動輒數(shù)千噸，在試水過程中總會發(fā)生基礎沉降，動載荷很大，物料總是朝一個方向移動，加上反應器基礎在地平面以下數(shù)米深處，長期淹沒在潮濕泥土中，植物長期生長發(fā)育也會拱墩子導致基礎變形。

(5)雷擊

特大型鋼制高干厭氧反應器的總高雖然不及周圍建筑物屋頂高，但是自導電的鋼材體積龐大集中，聚電能力強，很容易遭受雷擊，而且容易引爆高干厭氧反應器頂部的沼氣柜。

(6)缺少安全檢測設施與設備

高干厭氧反應器處理的物料TS濃度在20%以上，甚至可達50%，物料呈非流態(tài)，流動性非常差。厭氧反應器內部物料高低不平，反應比濕發(fā)酵劇烈得多，且劇烈程度分布不均，剛進完料時劇烈，冬天不進料時反應緩慢。常見的用在濕式厭氧反應器的傳感器如液位變送器、壓力變送器、溫度變送器等，即使采用進口的昂貴檢測儀器，在實時檢測時也常常不夠準確。

(7)運行過程中的酸積累以及氨氮濃度過高

運行過程中的酸積累會抑制厭氧發(fā)酵過程，導致整個系統(tǒng)酸敗，產氣率嚴重下降，還會影響到系統(tǒng)安全。高干厭氧反應器和內部攪拌器體積龐大，耗鋼量很多，所以通常采用碳鋼材質。長久的酸積累以及氨氮濃度過高，會腐蝕掉碳鋼材質的攪拌器葉片及厭氧反應器氣液交界面處焊縫，導致攪拌器損壞及厭氧反應器泄漏。

(8)正負壓保護器失靈或者失效

正負壓保護器里通常注入軟水來隔斷大氣與厭氧反應器內部氣體的互通，通過顯示液位，利用軟水的升降實現(xiàn)正負壓平衡保護。但是，軟水的物理性質會隨著時間和外界環(huán)境的溫度變化而變化，正負壓保護器有時會失靈或者失效，導致沼氣沼液噴射而出，對周圍的人和環(huán)境造成嚴重危害。

2 特大型鋼制高干厭氧反應器安全檢測與安全控制方案

本文結合山東肥城畜禽污染物治理與綜合利用和河南睢縣第三污水處理廠的兩個工程案例(如圖1、圖2所示)，探討特大型鋼制高干厭氧反應器的設計、施工、安全檢測、調試、運行等環(huán)節(jié)的安全檢測與安全控制。

圖1 山東肥城畜禽污染物治理與綜合利用項目特大型鋼制高干厭氧反應器

圖2 河南睢縣第三污水處理廠特大型鋼制高干厭氧反應器

2.1 設計環(huán)節(jié)中的安全設計

高干厭氧反應器允許朝某個指定方向有斷續(xù)但不影響整體框架的變形，為了防止高干厭氧反應器永久變形，兩端端板支撐以及中間的立柱支撐一定要堅固牢靠。高干厭氧反應器中間支撐與固定部分多采用桁架結構，可有效抵抗各種阻力，有利于變形的恢復。為了防止雷擊，不能按照傳統(tǒng)的建筑物布置網(wǎng)格避雷針，而是在高干厭氧反應器的頂部以正負壓保護器與傳感器為圓心畫出5 m安全半徑布置避雷針網(wǎng)。為了防止使用過程中的熱脹冷縮變形，需在關鍵地方采用U型或者Z型設計。在土建設計時，高干厭氧反應器地下上下筏板四面都要用圍墻封閉好，計算土建基礎水平面高度時，需要在根據(jù)厭氧反應器與剛架及附件等的總重量估算出沉降高度的基礎上，多留出幾十至幾百毫米的沉降值。

2.2 施工環(huán)節(jié)中的安全注意事項

為了防止焊接變形，更薄的板材在下料時應增加1‰～1.5‰的焊接收縮量，在不同方向拼焊鋼板時，要待焊縫充分冷卻后從中間焊起，焊接前排版圖中鋼板的布置、焊縫的位置應對稱。容積在3 000 m3以上的特大型鋼制高干厭氧反應器，鋼板規(guī)格盡量采用寬度2 500 mm、長度9 000 mm，盡量減少焊縫數(shù)量。特大型鋼制高干厭氧反應器的底板焊接最重要，底板的環(huán)向焊縫宜向同一方向逐圈錯開，錯開位置隔段對齊，底板與兩側面板拼焊時也要留出焊接余量。

采購的鋼板嚴格按照《糧食鋼板筒倉施工與質量驗收規(guī)范》(GB/T 51239—2017)中的相應要求進行驗收。采購的焊接材料 (焊條) 應具有質量合格證，焊條質量合格證書應包括熔敷金屬的化學成分和機械性能，焊條使用前應根據(jù)說明書和焊接工藝卡所規(guī)定的烘烤溫度、時間進行烘烤和保溫。

參加施焊的焊工都要有相應項目的焊工合格證，嚴禁無證上崗。收縮縫的組焊采用分段退焊或跳焊法，同時采用斜拉撐鋼性固定的方法來減少焊接凸凹變形。罐底與罐壁拼焊時, 罐內壁每隔一定距離點焊一小筋板控制焊縫冷卻變形,消除焊接應力；罐底環(huán)焊縫除了采用正確的焊接方法以外，還應該點焊貫通整個長度方向的兩根以上橫梁，以此來嚴格控制局部變形，且應在焊縫全部焊接完成后才能拆除小筋板及貫通橫梁。環(huán)焊縫焊接時，焊工應均勻分布，保持焊接層次和焊接方向同步，嚴禁在同一地方焊接若干層，焊接方向原則上交叉進行。每個焊工都必須做好每天的施工記錄，每條焊縫落實到責任人。罐體及附件都焊完后，應對所有焊縫進行滲透檢測。

2.3 安全檢測與安全控制方案

高干厭氧反應器整體焊接好以后，必須做無損檢測，主要是滲透檢測和水壓、氣壓測試，嚴格按照沼氣工程施工標準，每條焊縫都要檢查到。為了防止油漆暫時填塞焊縫極細的泄漏處，需先試漏再噴油漆。

(1)滲透探傷

滲透探傷前應清除焊縫處的鐵銹氧化皮、焊渣、飛濺、油脂、棉纖維、污垢等異物以及各種防護層，用清洗劑去除工件表面油脂、污垢，清洗后的檢測面上遺留的溶劑和水分等必須干燥，且應保證在施加滲透劑前不被污染。待工件表面干燥后施加滲透劑，使受檢表面在10～50 ℃溫度條件下保持在潤濕狀態(tài)的滲透時間不少于10 min。然后除去工件表面多余的滲透劑，將干式顯像劑噴灑到被檢面上，采用自顯像時，停留時間最短10 min，最長2 h。

(2)人工安全控制

試水主要是檢查下列內容：整個罐體的嚴密性，罐壁變形，固定與支撐高干厭氧反應器罐體的鋼架的強度與穩(wěn)定性，基礎的沉降觀測。

充水試驗按照《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工及驗收規(guī)范》(GB 50128—2005)要求，加強基礎的沉降觀測，對于超大型高干厭氧反應器，應該在每天注水完成并靜置12 h后，分別從東南角、西南角、東北角、西北角4個方向觀測沉降值并做好記錄。

罐體的嚴密性應以充水試驗過程中無任何滲漏為合格。罐壁的變形及嚴密性試驗，應以充水到設計最高液位并保持48 h，罐壁無滲漏、無異常變形為合格。發(fā)現(xiàn)滲漏時應放水，使液面比滲漏處低300 mm左右，進行焊接補修，由經驗豐富的焊工補修，確認合格后方可進水。

(3)安全試驗

固定與支撐高干厭氧反應器罐體的鋼架的強度及穩(wěn)定性試驗，罐體的氣密性試驗，應充水到設計最高液位，封閉所有通氣口進行緩慢充水升壓，因為高干厭氧反應器最大工作壓力不到4 kPa，試壓到8 kPa并保持48 h后，罐壁無滲漏、U形管壓力計無異常即為合格。因為壓力太低，一般壓力表測量不準，正負壓測量常采用U形管壓力計。

為了防止基礎突然沉降以及焊縫過長來不及觀察與補焊，每天加高1～2 m，靜置觀察16 h以上判斷漏水情況。在試水到正常運行的水位時，需啟動高干厭氧反應器內的動力設備如攪拌機，防止高干厭氧反應器受到動載荷時變形泄漏。

(4)安全調試

調試時物料與添加劑只能緩慢添加，不能一次加滿高干厭氧反應器，攪拌設備轉速也是慢慢調速，做好每天的調試記錄。如果發(fā)現(xiàn)有泄漏，一定要放掉或者通過火炬燒掉高干厭氧反應器內部及相連管路里的沼氣，燒完后還要檢測高干厭氧反應器內部的甲烷含量。在高干厭氧反應器敞開后，內部物料還會持續(xù)反應產生沼氣，一定要放完物料后敞開多日才能檢修。高干厭氧反應器每次清罐檢修損失很大，所以不要輕易清罐檢修，盡可能在調試之前清除各種安全隱患，當調試運行中出現(xiàn)不可避免的清罐檢修時，需做好各項準備工作。

(5)運行過程中的安全控制

特大型鋼制高干厭氧反應器檢測儀器包括液位變送器、壓力變送器、溫度變送器、流量計、沼氣成分分析儀等，需專業(yè)技術人員從錯誤的顯示中推算出真實的數(shù)據(jù)，每天定時從取樣口取樣進行生化分析，在風大時可人工用鼻子嗅各連接點的泄漏情況。

特大型鋼制高干厭氧反應器因為體積龐大，在進出料端以及中間部位頂部都要安裝液位變送器、壓力變送器、正負壓保護器，在進出口與中間都要安裝溫度控制傳感器，pH值、氧化還原電位、含水量等的監(jiān)測通過取樣在化驗室分析。正負壓保護器附近安裝出廠前已經調試好的帶顯示的壓力傳感器，定時根據(jù)壓力傳感器的顯示值調校正負壓保護器，冬天與夏天采用不同的顯示液。

(6)運行過程中的安全檢測

設置消化液回流管，每天定時回流，避免長久的酸積累以及氨氮濃度過高腐蝕掉碳鋼材質的攪拌器葉片及厭氧反應器氣液交界面處焊縫。

3 結語

特大型鋼制高干厭氧反應器不僅能回收處理有機垃圾，降低垃圾儲量，減少環(huán)境污染，而且能循環(huán)利用生產沼氣、天然氣、有機肥，在清罐檢查過程中，會釋放有害氣體，造成人員傷亡，存在諸多安全隱患，所以盡量在調試前消除所有的安全隱患。對其進行安全檢測與安全控制，既要有高精尖的檢測儀器，也要有經驗豐富而且富有責任心的設計師、項目經理、施工監(jiān)理、施工員、運營人員等共同協(xié)調工作。