特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器的安全檢測(cè)與安全控制*

嚴(yán)逢春 彭志成 梁衛(wèi)兵

(1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院益陽(yáng)分院 湖南益陽(yáng) 413041； 2.北京中持依迪亞環(huán)境檢測(cè)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(shù)有限公司 北京100192)

0 引言

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器用于處理含固率15%～35%的市政、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等一種或多種有機(jī)廢棄物，同時(shí)生產(chǎn)沼氣、沼液、沼渣。2016年以后，我國(guó)才真正開(kāi)始研究高干厭氧發(fā)酵技術(shù)，由于資金、技術(shù)和人才的限制，大部分處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，尚未展開(kāi)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)處理或產(chǎn)生效益，尚無(wú)規(guī)范的特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器的安全檢測(cè)與安全控制方案。但厭氧反應(yīng)也是生物反應(yīng)，一旦泄漏會(huì)釋放大量有毒有害氣體，造成大面積的人畜傷亡。目前我國(guó)城市與農(nóng)村正在大范圍推廣垃圾分類(lèi)，厭氧反應(yīng)器作為最有效的有機(jī)廢棄物處理設(shè)備將會(huì)大量使用，對(duì)高干厭氧反應(yīng)器在制造、調(diào)試、使用等過(guò)程中的安全問(wèn)題研究迫在眉睫。

2017年我國(guó)農(nóng)村與城市易腐垃圾產(chǎn)生量為2.15×109t/a,植物性有機(jī)廢棄物如秸稈為1.0×109t/a,動(dòng)物糞便為2.7×109t/a，導(dǎo)致我國(guó)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(guó)家發(fā)展改革委與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合制定了《生活垃圾分類(lèi)制度實(shí)施方案》。目前我國(guó)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(duì)周?chē)耐恋嘏c空氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染；焚燒耗費(fèi)巨大的能源，同時(shí)產(chǎn)生大量的廢水與廢氣。因此一種新型的有機(jī)廢棄物循環(huán)利用處理模式“有機(jī)廢棄物—產(chǎn)品—消費(fèi)利用”受到國(guó)家的大力扶持。本研究對(duì)象特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器處理量大,單位體積產(chǎn)氣量最高，兼容性大，各種有機(jī)廢棄物都可以利用同一套高干厭氧系統(tǒng)厭氧消化生產(chǎn)沼氣和有機(jī)肥，不需要加水稀釋?zhuān)档土撕罄m(xù)的沼液脫水及污水處理成本,占地空間少，密封性好，對(duì)周?chē)h(huán)境污染極少，對(duì)易腐垃圾、秸稈、動(dòng)物糞便等有機(jī)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(yīng)器主要安全隱患

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器的安全隱患主要包括沼氣泄漏、加工過(guò)程中的焊接變形、使用過(guò)程中的熱脹冷縮變形、基礎(chǔ)變形與沉降、雷擊、缺少安全檢測(cè)儀器儀表與設(shè)備、運(yùn)行過(guò)程中的酸積累以及氨氮濃度過(guò)高、正負(fù)壓保護(hù)器失靈或者失效等。

(1)沼氣泄漏

特大型高干厭氧反應(yīng)器工作時(shí)雖然壓力不超過(guò)4 kPa，溫度不超過(guò)70 ℃，但會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)如硫化氫、一氧化氮，易燃易爆物質(zhì)如甲烷、乙烷等，一旦泄漏就會(huì)威脅到周邊民眾的生命與財(cái)產(chǎn)安全。一臺(tái)容積為3 000 m3的特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器頂部帶沼氣柜的焊縫長(zhǎng)度不少于1 600 m，密封圈長(zhǎng)度不少于100 m，焊接時(shí)稍不注意就會(huì)導(dǎo)致焊縫泄漏。即使在運(yùn)行前已檢測(cè)焊縫合格，在運(yùn)行中由于會(huì)產(chǎn)生多種生化反應(yīng)，仍易造成已檢測(cè)合格的焊縫因腐蝕或沙子磨損而導(dǎo)致反應(yīng)器泄漏。同時(shí)，密封面若稍有不平，也會(huì)導(dǎo)致密封處泄漏；市場(chǎng)上沒(méi)有整塊大面積的密封板，也沒(méi)有整條很長(zhǎng)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(dǎo)致泄漏。

(2)加工過(guò)程中的焊接變形

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器由于體積太大不方便運(yùn)輸，通常在運(yùn)營(yíng)工地現(xiàn)場(chǎng)焊接，其焊接工作量較大，常為多人同時(shí)焊接，會(huì)產(chǎn)生很大的焊接變形，且當(dāng)日不易發(fā)現(xiàn)，到次日才能看到焊縫處產(chǎn)生了很大裂縫，尤其是最后一塊底板、端板、側(cè)板之間的拼接，裂縫常有一指多寬。

(3)使用過(guò)程中的熱脹冷縮變形

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器工作時(shí)的溫度雖然不太高，但數(shù)十米長(zhǎng)的厭氧反應(yīng)器在冬天停產(chǎn)再啟動(dòng)工作時(shí)，由于熱脹冷縮也會(huì)產(chǎn)生幾十毫米的變形，易導(dǎo)致反應(yīng)器固定與支撐立柱和反應(yīng)器壁板之間的焊縫裂開(kāi)，造成反應(yīng)器垮塌、鼓肚、頂部?jī)?nèi)縮、底部外扒，尤其是兩端端板與側(cè)板底板焊接處焊縫撕裂。

(4)基礎(chǔ)變形與沉降

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器工作時(shí)加上物料重量動(dòng)輒數(shù)千噸，在試水過(guò)程中總會(huì)發(fā)生基礎(chǔ)沉降，動(dòng)載荷很大，物料總是朝一個(gè)方向移動(dòng)，加上反應(yīng)器基礎(chǔ)在地平面以下數(shù)米深處，長(zhǎng)期淹沒(méi)在潮濕泥土中，植物長(zhǎng)期生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)拱墩子導(dǎo)致基礎(chǔ)變形。

(5)雷擊

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器的總高雖然不及周?chē)ㄖ镂蓓敻?，但是自?dǎo)電的鋼材體積龐大集中，聚電能力強(qiáng)，很容易遭受雷擊，而且容易引爆高干厭氧反應(yīng)器頂部的沼氣柜。

(6)缺少安全檢測(cè)設(shè)施與設(shè)備

高干厭氧反應(yīng)器處理的物料TS濃度在20%以上，甚至可達(dá)50%，物料呈非流態(tài)，流動(dòng)性非常差。厭氧反應(yīng)器內(nèi)部物料高低不平，反應(yīng)比濕發(fā)酵劇烈得多，且劇烈程度分布不均，剛進(jìn)完料時(shí)劇烈，冬天不進(jìn)料時(shí)反應(yīng)緩慢。常見(jiàn)的用在濕式厭氧反應(yīng)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(jìn)口的昂貴檢測(cè)儀器，在實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)也常常不夠準(zhǔn)確。

(7)運(yùn)行過(guò)程中的酸積累以及氨氮濃度過(guò)高

運(yùn)行過(guò)程中的酸積累會(huì)抑制厭氧發(fā)酵過(guò)程，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)酸敗，產(chǎn)氣率嚴(yán)重下降，還會(huì)影響到系統(tǒng)安全。高干厭氧反應(yīng)器和內(nèi)部攪拌器體積龐大，耗鋼量很多，所以通常采用碳鋼材質(zhì)。長(zhǎng)久的酸積累以及氨氮濃度過(guò)高，會(huì)腐蝕掉碳鋼材質(zhì)的攪拌器葉片及厭氧反應(yīng)器氣液交界面處焊縫，導(dǎo)致攪拌器損壞及厭氧反應(yīng)器泄漏。

(8)正負(fù)壓保護(hù)器失靈或者失效

正負(fù)壓保護(hù)器里通常注入軟水來(lái)隔斷大氣與厭氧反應(yīng)器內(nèi)部氣體的互通，通過(guò)顯示液位，利用軟水的升降實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓平衡保護(hù)。但是，軟水的物理性質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間和外界環(huán)境的溫度變化而變化，正負(fù)壓保護(hù)器有時(shí)會(huì)失靈或者失效，導(dǎo)致沼氣沼液噴射而出，對(duì)周?chē)娜撕铜h(huán)境造成嚴(yán)重危害。

2 特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器安全檢測(cè)與安全控制方案

本文結(jié)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(gè)工程案例(如圖1、圖2所示)，探討特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、施工、安全檢測(cè)、調(diào)試、運(yùn)行等環(huán)節(jié)的安全檢測(cè)與安全控制。

圖1 山東肥城畜禽污染物治理與綜合利用項(xiàng)目特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)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(yīng)器

2.1 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的安全設(shè)計(jì)

高干厭氧反應(yīng)器允許朝某個(gè)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(yīng)器永久變形，兩端端板支撐以及中間的立柱支撐一定要堅(jiān)固牢靠。高干厭氧反應(yīng)器中間支撐與固定部分多采用桁架結(jié)構(gòu)，可有效抵抗各種阻力，有利于變形的恢復(fù)。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(yīng)器的頂部以正負(fù)壓保護(hù)器與傳感器為圓心畫(huà)出5 m安全半徑布置避雷針網(wǎng)。為了防止使用過(guò)程中的熱脹冷縮變形，需在關(guān)鍵地方采用U型或者Z型設(shè)計(jì)。在土建設(shè)計(jì)時(shí)，高干厭氧反應(yīng)器地下上下筏板四面都要用圍墻封閉好，計(jì)算土建基礎(chǔ)水平面高度時(shí)，需要在根據(jù)厭氧反應(yīng)器與剛架及附件等的總重量估算出沉降高度的基礎(chǔ)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(xiàng)

為了防止焊接變形，更薄的板材在下料時(shí)應(yīng)增加1‰～1.5‰的焊接收縮量，在不同方向拼焊鋼板時(shí)，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(yīng)對(duì)稱(chēng)。容積在3 000 m3以上的特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器，鋼板規(guī)格盡量采用寬度2 500 mm、長(zhǎng)度9 000 mm，盡量減少焊縫數(shù)量。特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)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(cuò)開(kāi)，錯(cuò)開(kāi)位置隔段對(duì)齊，底板與兩側(cè)面板拼焊時(shí)也要留出焊接余量。

采購(gòu)的鋼板嚴(yán)格按照《糧食鋼板筒倉(cāng)施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 51239—2017)中的相應(yīng)要求進(jìn)行驗(yàn)收。采購(gòu)的焊接材料 (焊條) 應(yīng)具有質(zhì)量合格證，焊條質(zhì)量合格證書(shū)應(yīng)包括熔敷金屬的化學(xué)成分和機(jī)械性能，焊條使用前應(yīng)根據(jù)說(shuō)明書(shū)和焊接工藝卡所規(guī)定的烘烤溫度、時(shí)間進(jìn)行烘烤和保溫。

參加施焊的焊工都要有相應(yīng)項(xiàng)目的焊工合格證，嚴(yán)禁無(wú)證上崗。收縮縫的組焊采用分段退焊或跳焊法，同時(shí)采用斜拉撐鋼性固定的方法來(lái)減少焊接凸凹變形。罐底與罐壁拼焊時(shí), 罐內(nèi)壁每隔一定距離點(diǎn)焊一小筋板控制焊縫冷卻變形,消除焊接應(yīng)力；罐底環(huán)焊縫除了采用正確的焊接方法以外，還應(yīng)該點(diǎn)焊貫通整個(gè)長(zhǎng)度方向的兩根以上橫梁，以此來(lái)嚴(yán)格控制局部變形，且應(yīng)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(shí)，焊工應(yīng)均勻分布，保持焊接層次和焊接方向同步，嚴(yán)禁在同一地方焊接若干層，焊接方向原則上交叉進(jìn)行。每個(gè)焊工都必須做好每天的施工記錄，每條焊縫落實(shí)到責(zé)任人。罐體及附件都焊完后，應(yīng)對(duì)所有焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)。

2.3 安全檢測(cè)與安全控制方案

高干厭氧反應(yīng)器整體焊接好以后，必須做無(wú)損檢測(cè)，主要是滲透檢測(cè)和水壓、氣壓測(cè)試，嚴(yán)格按照沼氣工程施工標(biāo)準(zhǔn)，每條焊縫都要檢查到。為了防止油漆暫時(shí)填塞焊縫極細(xì)的泄漏處，需先試漏再?lài)娪推帷?/p>

(1)滲透探傷

滲透探傷前應(yīng)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(hù)層，用清洗劑去除工件表面油脂、污垢，清洗后的檢測(cè)面上遺留的溶劑和水分等必須干燥，且應(yīng)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(rùn)濕狀態(tài)的滲透時(shí)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(shí)，停留時(shí)間最短10 min，最長(zhǎng)2 h。

(2)人工安全控制

試水主要是檢查下列內(nèi)容：整個(gè)罐體的嚴(yán)密性，罐壁變形，固定與支撐高干厭氧反應(yīng)器罐體的鋼架的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，基礎(chǔ)的沉降觀測(cè)。

充水試驗(yàn)按照《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50128—2005)要求，加強(qiáng)基礎(chǔ)的沉降觀測(cè)，對(duì)于超大型高干厭氧反應(yīng)器，應(yīng)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(gè)方向觀測(cè)沉降值并做好記錄。

罐體的嚴(yán)密性應(yīng)以充水試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)任何滲漏為合格。罐壁的變形及嚴(yán)密性試驗(yàn)，應(yīng)以充水到設(shè)計(jì)最高液位并保持48 h，罐壁無(wú)滲漏、無(wú)異常變形為合格。發(fā)現(xiàn)滲漏時(shí)應(yīng)放水，使液面比滲漏處低300 mm左右，進(jìn)行焊接補(bǔ)修，由經(jīng)驗(yàn)豐富的焊工補(bǔ)修，確認(rèn)合格后方可進(jìn)水。

(3)安全試驗(yàn)

固定與支撐高干厭氧反應(yīng)器罐體的鋼架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性試驗(yàn)，罐體的氣密性試驗(yàn)，應(yīng)充水到設(shè)計(jì)最高液位，封閉所有通氣口進(jìn)行緩慢充水升壓，因?yàn)楦吒蓞捬醴磻?yīng)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(wú)滲漏、U形管壓力計(jì)無(wú)異常即為合格。因?yàn)閴毫μ?，一般壓力表測(cè)量不準(zhǔn)，正負(fù)壓測(cè)量常采用U形管壓力計(jì)。

為了防止基礎(chǔ)突然沉降以及焊縫過(guò)長(zhǎng)來(lái)不及觀察與補(bǔ)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(yùn)行的水位時(shí)，需啟動(dòng)高干厭氧反應(yīng)器內(nèi)的動(dòng)力設(shè)備如攪拌機(jī)，防止高干厭氧反應(yīng)器受到動(dòng)載荷時(shí)變形泄漏。

(4)安全調(diào)試

調(diào)試時(shí)物料與添加劑只能緩慢添加，不能一次加滿高干厭氧反應(yīng)器，攪拌設(shè)備轉(zhuǎn)速也是慢慢調(diào)速，做好每天的調(diào)試記錄。如果發(fā)現(xiàn)有泄漏，一定要放掉或者通過(guò)火炬燒掉高干厭氧反應(yīng)器內(nèi)部及相連管路里的沼氣，燒完后還要檢測(cè)高干厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的甲烷含量。在高干厭氧反應(yīng)器敞開(kāi)后，內(nèi)部物料還會(huì)持續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生沼氣，一定要放完物料后敞開(kāi)多日才能檢修。高干厭氧反應(yīng)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(diào)試之前清除各種安全隱患，當(dāng)調(diào)試運(yùn)行中出現(xiàn)不可避免的清罐檢修時(shí)，需做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

(5)運(yùn)行過(guò)程中的安全控制

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

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器因?yàn)轶w積龐大，在進(jìn)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(fù)壓保護(hù)器，在進(jìn)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(cè)通過(guò)取樣在化驗(yàn)室分析。正負(fù)壓保護(hù)器附近安裝出廠前已經(jīng)調(diào)試好的帶顯示的壓力傳感器，定時(shí)根據(jù)壓力傳感器的顯示值調(diào)校正負(fù)壓保護(hù)器，冬天與夏天采用不同的顯示液。

(6)運(yùn)行過(guò)程中的安全檢測(cè)

設(shè)置消化液回流管，每天定時(shí)回流，避免長(zhǎng)久的酸積累以及氨氮濃度過(guò)高腐蝕掉碳鋼材質(zhì)的攪拌器葉片及厭氧反應(yīng)器氣液交界面處焊縫。

3 結(jié)語(yǔ)

特大型鋼制高干厭氧反應(yīng)器不僅能回收處理有機(jī)垃圾，降低垃圾儲(chǔ)量，減少環(huán)境污染，而且能循環(huán)利用生產(chǎn)沼氣、天然氣、有機(jī)肥，在清罐檢查過(guò)程中，會(huì)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(diào)試前消除所有的安全隱患。對(duì)其進(jìn)行安全檢測(cè)與安全控制，既要有高精尖的檢測(cè)儀器，也要有經(jīng)驗(yàn)豐富而且富有責(zé)任心的設(shè)計(jì)師、項(xiàng)目經(jīng)理、施工監(jiān)理、施工員、運(yùn)營(yíng)人員等共同協(xié)調(diào)工作。