餐廚垃圾處置廠的氣體檢測報警系統(tǒng)設(shè)計

楊 程，王 玥，鄭 勁，蔣金明

（中國市政工程華北設(shè)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(fā)酵、變質(zhì)、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(huán)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(zhèn)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(tài)環(huán)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(fā)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(chǎn)生大量沼氣，如果在產(chǎn)生、使用過程中發(fā)生沼氣泄漏，遇到明火會引發(fā)爆炸等嚴重的安全生產(chǎn)事故，危害生命健康。因此，在餐廚垃圾處置工程的設(shè)計中，需考慮設(shè)置相關(guān)可燃、有毒氣體報警檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時檢測出空氣中可燃、有毒氣體的濃度并發(fā)出報警，提醒操作、運營人員及時采取安全措施，并聯(lián)鎖啟動相關(guān)安全防護設(shè)備，防止爆炸等惡性生產(chǎn)安全事件的發(fā)生，保障企業(yè)與居民的生命財產(chǎn)安全。

本文以廈門生物質(zhì)資源再生項目一期工程為例，闡述該廠氣體報警檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，并歸納相關(guān)設(shè)計要點，主要包括氣體報警檢測點的設(shè)置，檢測器的選型、安裝、聯(lián)鎖控制等內(nèi)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(yù)處理車間進行預(yù)處理。

2）經(jīng)過預(yù)處理后的漿料進入“高溫濕式厭氧發(fā)酵”系統(tǒng)。

3）發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過沼氣凈化系統(tǒng)送至沼氣發(fā)電車間。

4）經(jīng)過發(fā)酵后的沼液進入沼液儲池，然后泵送至脫水系統(tǒng)，脫水后的濾液輸送到污水預(yù)處理系統(tǒng)。

1 氣體報警檢測系統(tǒng)

1.1 氣體報警檢測點的設(shè)置

根據(jù)GB/T50493-2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》[1,2]要求，可燃與有毒氣體探測器的檢測點，應(yīng)根據(jù)氣體的理化性質(zhì)、釋放源的特性、生產(chǎn)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(yīng)布置監(jiān)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(jīng)常拆卸的法蘭和經(jīng)常操作的閥門組。

根據(jù)餐廚處理工藝流程，在預(yù)處理車間的滲濾液收集池、厭氧發(fā)酵罐區(qū)域、沼氣凈化裝置與雙膜氣柜、污水處理車間、沼氣發(fā)電車間、鍋爐房等存在釋放源的區(qū)域，設(shè)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(jù)被測介質(zhì)種類的不同，選擇不同測量原理的檢測元器件。GB/T50493-2019 規(guī)范要求，輕質(zhì)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(fā)酵產(chǎn)生的沼氣組分復(fù)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(xué)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(nèi)置的感應(yīng)電阻發(fā)生無焰燃燒，熱效應(yīng)使感應(yīng)電阻發(fā)生阻值突變，電橋電路的平衡受到影響，產(chǎn)生的電流信號經(jīng)過放大、處理后，在LED 屏上顯示氣體濃度。電化學(xué)型檢測器檢測時，環(huán)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的微電流經(jīng)過放大、溫度補償和參數(shù)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(shè)備區(qū)域內(nèi)，可燃氣體探測器距其覆蓋范圍內(nèi)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(nèi)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(fēng)不良的半敞開廠房內(nèi)，可燃氣體探測器距其覆蓋范圍內(nèi)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(nèi)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(fēng)不良的半敞開廠房內(nèi)，在廠房最高點氣體易于積聚處設(shè)置比重輕于空氣的可燃氣體與有毒氣體探測器。因此，根據(jù)檢測區(qū)域的不同劃分，靠近釋放源設(shè)置氣體檢測探頭，并保證探頭的檢測總區(qū)域應(yīng)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(qū)域為：①厭氧發(fā)酵罐區(qū)（包括厭氧罐、均質(zhì)罐、沼液罐）；②沼氣凈化區(qū)域（沼氣凈化設(shè)備區(qū)、雙膜氣柜、火炬）。

檢測半徑為5m 的可燃氣體檢測區(qū)域為：①預(yù)處理車間滲濾液收集池區(qū)域；②鍋爐房；③沼氣發(fā)電車間；④污水處理車間內(nèi)調(diào)節(jié)池。

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

檢測半徑為2m 的有毒氣體檢測區(qū)域為：預(yù)處理車間滲濾液收集池區(qū)域。

檢測儀的安裝高度需考慮檢測介質(zhì)與空氣密度的比重，根據(jù)GB/T50493-2019 規(guī)范要求，檢測氣體介質(zhì)是否比空氣重，根據(jù)介質(zhì)的分子量與環(huán)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(zhì)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(jù)厭氧發(fā)酵工段的工藝特征，經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(zhì)等。根據(jù)筆者以往設(shè)計經(jīng)驗，在工程實踐中將厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(jīng)過一段時間相互分離，甲烷會向上飄散，因此還需在預(yù)處理車間、沼氣發(fā)電車間、鍋爐房、污水處理車間的最高點氣體易于積聚處，設(shè)置可燃氣體探測器。

1.4 氣體報警檢測器的聯(lián)鎖控制

根據(jù)GB/T50493-2019 規(guī)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(yè)接觸限值）。當現(xiàn)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(tǒng)配置圖Fig. 1 Configuration of gas alarm detection system

查規(guī)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(huán)境溫度（K），P 為環(huán)境大氣壓。假設(shè)考慮環(huán)境溫度為20℃，環(huán)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(guī)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(shè)置可燃氣體一級報警設(shè)定值為25%LEL，二級可燃氣體報警設(shè)定值為50%LEL；有毒氣體一級報警設(shè)定值為100%OEL，二級報警設(shè)定值為200%OEL。當氣體泄漏濃度達到一級報警設(shè)定值時，報警探頭發(fā)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(lián)鎖啟動事故風(fēng)機；當氣體濃度達到二級報警設(shè)定值時，報警控制器還需聯(lián)鎖沼氣緊急切斷閥，使切斷閥失電關(guān)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(fā)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(fā)送至消防控制室內(nèi)消防控制柜的電氣電子設(shè)備?？扇細怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)應(yīng)獨立于其他系統(tǒng)單獨設(shè)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(tǒng)，DCS/PLC/SIS 的CPU、IO模塊等需獨立設(shè)置[6]。

本項目采用第一種方式，現(xiàn)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(nèi)，同時報警控制器通過RS485 通訊接口將數(shù)據(jù)上傳至DCS/PLC，從而傳輸至上位工控機，實現(xiàn)報警歷史事件記錄、報表顯示，并支持歷史數(shù)據(jù)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(tǒng)一設(shè)置廠級氣體報警控制器，而是在各生產(chǎn)車間獨立設(shè)置：①在餐廚預(yù)處理車間控制室，設(shè)置預(yù)處理工段以及厭氧發(fā)酵工段的氣體報警控制器；②在沼氣發(fā)電車間，設(shè)置沼氣發(fā)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(shè)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(shè)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(huán)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(huán)境存在危險，以便采取相應(yīng)措施或及時撤離。

2 結(jié)論

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