生活垃圾渗滤液厌氧池泄爆设计探讨论文_冯国建,赖节

摘要：厌氧系统是渗滤液处理系统重要的工艺处理单元，厌氧系统产生易燃易爆的沼气，通过分析厌氧池沼气爆炸原因，在借鉴化工等其他行业经验的基础上，确定了厌氧池泄爆口面积计算方法及泄爆措施，为生活垃圾渗滤液系统厌氧池安全设计提供参考。

关键字：渗滤液；厌氧池；泄爆设计。

1引言

随着我国经济的快速发展，居民生活垃圾量也快速增长，对垃圾的处置采用焚烧的形式也逐渐成为主流处理方式。相比传统的填埋场垃圾渗滤液，焚烧厂渗滤液的有机物含量更高，目前主流的渗滤液处理工艺主要为预处理+厌氧+好氧+深度处理。厌氧处理工艺会产生大量沼气，沼气是以甲烷和二氧化碳为主，具有可燃性的混合气体，如果控制不好，就会发生爆炸。近年来，沼气引发的爆炸事故时有发生，造成人员伤亡和财产损失。2020年1月，杭州天子岭厌氧罐体现场发生爆炸，造成三人死亡的严重事故。因此，厌氧池的防爆设计应得到从业者的重视，尽可能减少因功能性缺失带来的事故概率。本文通过对爆炸原因分析，借鉴化工容器爆破片设置，初步探讨了厌氧池池体防爆设计。

2爆炸原因分析

生活垃圾焚烧厂渗滤液进水COD一般为40000～80000mg/L，渗滤液处理工艺一般采用厌氧+好氧+深度处理的工艺流程。厌氧系统将会产生0.4～0.5Nm3/kgCOD的沼气，沼气是一种混合可燃性气体，主要成分为甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）及其他气体，其中甲烷含量占50%～70%，二氧化碳含量占30%～40%。在一般条件下，甲烷在空气中的浓度在5%-15%时，遇火就会爆炸。由于爆炸下限小于10%，故甲烷被列为一级可燃气体。

沼气爆炸影响因素实质上是爆炸极限的影响因素，主要随原始温度、原始压力、氧含量等因素的不同而不同，本文从厌氧池上部储气区的压力影响进行分析，沼气压力可能随物理和化学两种因素产生变化。

物理爆炸是由于甲烷在厌氧池顶部储气区集聚，当外部管路发生故障或其他原因导致沼气无法外排，当积聚的压力增大超过池体或罐体设计压力时，将池体破坏的现象。

沼气化学爆炸是由于沼气中的甲烷与空气混合后，甲烷浓度处于爆炸范围内，遇到明火而发生激烈的放热反应，产生大量的热量，气体受热膨胀，将池体破坏的现象。

无论物理爆炸还是化学爆炸，都伴随着池体内部压力的缓慢或急剧增大，如果当池体压力增高到爆炸发生前的某一定值时，池体内压力得以泄压，将可避免爆炸事故的发生，保证安全生产、减少生命及财产损失。

3常用防爆措施

防爆装置通常有防爆薄膜、防爆盲板、杠杆防爆等装置，其用途及特点如下：

渗滤液系统厌氧池属于容积较大，温度不太高且不经常爆炸的场所，一般选择防爆盲板。

4泄爆面积计算

通过前述分析，爆炸有物理爆炸和化学爆炸原因形成，分别探讨物理泄爆和化学泄爆面积计算公式。

4.1物理泄爆面积计算

厌氧池三相分离器上部空间为沼气积聚区，为防止池体超压破坏，可参考化工系统爆破片的设置方式设置爆破片。通过计算压力泄放量，确定泄爆面积。

沼气物理超压过程的爆破片额定泄放量与泄放面积关系如下：

W—爆破片的额定泄放量，kg/h；

a—爆破片的最小泄放面积，mm2；

C—气体的特性系数；

C0—额定泄放系数；

M—气体的分子量；

P—爆破片的设计爆破压力，MPa；

T—容器或设备内泄放气体的绝对温度，K；

Z—气体的压缩因子。

根据《压力容器安全技术监察规程》，泄放量计算分有保温层和无保温层两种情况，计算公式如下：

无保温层时：

有保温层时：

Ht—泄放条件下的气化热，kJ/kg；

A—润湿面积，m2；

F—容器外壁校正系数；

t—泄放温度，℃；

λ—保温材料的导热系数，kJ/m.h.℃；

d0—保温材料的厚度，m；

通过上述公式计算确定泄放量后，即可确定物理爆破片的泄放面积。

4.2化学泄爆面积计算

化学超压过程即化学防爆由于其机理复杂，工况较多，目前还没有理论计算公式，需要经过试验或经验确定爆破片的规格。通过查阅文献资料，可供参考的经验计算参考如下：

1）美国石油学会标准API-521

对于空气-碳氢化合物体系，在没有试验数据时，爆破面积可使用6.6m2/100m3爆炸气体容积的经验数据计算确定。

2）工业炉设计手册修订公式

防爆口面积计算经验公式：

A=αV，α为泄压面积比，V为容器内可燃气体容积。

设计手册推荐泄压比取值0.025。

3）建筑设计防火规范

规范3.6.4节明确了厂房的泄压面积计算公式

式中：A—泄压面积（m2）；

V—厂房的容积（m3）；

C—泄压比，取值详见下表；

表1 厂房内爆炸性危险物质的类别与泄压比规定值

对比以上三种计算方法，防火规范计算值最大、美国石油学会标准取

值次之；而防火规范更适用于厂房泄压，不适合容器式构筑物防爆；拟对工业炉设计手册经验公式结合垃圾渗滤液的实践进行修订，确定化学泄爆计算公式。

4）化学泄爆计算公式确定

厌氧池体下部为厌氧沼液，具体一定的降温保护作用，结合渗滤液项目实际情况，对工业炉设计手册经验公式进行优化，确定适合渗滤液项目的计算公式。

A=αV，α为泄压面积比，V为容器内可燃气体容积。

一般采用铝板或塑料片做为防爆隔离片，泄压比建议取值如下：

表2爆炸压力与泄压面积比的关系

根据实际经验，钢砼结构爆炸压力取值一般450KPa，钢罐结构爆炸压力取值一般取120KPa。

5工程实例

以江苏省某市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理项目厌氧系统为例。

渗滤液项目设计规模350m3/d，采用预处理+厌氧+MBR+膜处理工艺。厌氧采用UASB工艺，设计温度为中温35℃，COD容积负荷7.0kg/m3。厌氧池设计两座，采用钢砼结构，单座规格为12.2m×10.4m，液面以上储气区1.5m。

经计算，物理防爆所需泄压面积为0.107m2，设置泄爆管，爆破片规格φ400mm；化学泄爆面积为1.9m2，泄爆口规格为2.0m×1.0m，同时兼做设备安装及检修孔。

6结论

1）厌氧池爆炸可分为化学泄爆和物理泄爆两种方式；

2）厌氧池物理泄爆面积计算建议采用化工爆破片计算公式计算，化学泄爆建议采用工业炉设计手册经验公式的修订公式计算；

3）厌氧池泄爆装置建议采用防爆盲板。

总的来说，尽管国内垃圾渗滤液处理特别是厌氧系统技术越来越成熟，对厌氧系统的相关工艺、设备、安全运行等技术进行了大量研究，并取得了不少的成果，但对厌氧池本体的泄爆研究探讨尚未有公开成果。当然，厌氧池泄爆措施仅是厌氧系统防爆的一个重要环节，沼气管路、存储系统等各环节的防爆措施更是必不可少。通过上述分析，我们可以在工程设计阶段就考虑相应的防范措施，有效降低渗滤液处理工程的安全风险。

参考文献：

[1]李玉俊等 垃圾填埋场沼气曝气原因分析及防护 中国沼气 2002，20（2）

[2]卢政 沼气爆炸极限影响因素探析 中国沼气 2001，19（4）

[3]王秉铨 工业炉设计手册（第三版）机械工业出版社，2010.5：876-878

[4]GB50016-2014（2018年版），建筑设计防火规范

[5]GB51063-2014 大中型沼气工程技术规范

[6]HG/T 20570.3-95 工艺系统工程设计技术规定—爆破片的设置和选用

[7]HG/T 20570.2-95 工艺系统工程设计技术规定—安全阀的设置和选用

论文作者:冯国建,赖节

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/30

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