规模化沼气工程厌氧消化罐事故后果分析

吴健宏，邢 楠

(中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028)

我国是世界上最大的农业国。大量作物秸秆等农业废弃物的露天焚烧带来了严重的大气污染，甚至引发火灾事故。发展沼气工程，利用废弃秸秆制造生物质天然气，是减少污染的有效途径之一；同时有利于增加农村地区的能源供应，缓解天然气供需压力。与欧洲相比，我国一直以农村户用小型沼气为主，难以形成规模化、商业化效应，吸引重量级企业参与。近年来，在国家政策的支持下，沼气工程逐步向大型化发展，单个厌氧消化罐的容积最大可达5000～10000m3，成为新的发展趋势。建立具有规模效益的大型沼气工程，所需的大型或超大型厌氧消化罐数量较多。以日产20万m3的沼气项目为例，需要60个3000m3的厌氧消化罐[1]。

与此同时，大型沼气工程所面临的安全风险也需要重新审视。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，当发生泄漏时，可能发生火灾爆炸，造成人员伤害和设备损失[2]。作为沼气工程的主要设备之一，有必要对厌氧消化罐集群泄漏后引起的火灾、爆炸后果进行定量分析，评估事故后果严重程度，为合理规划厂区布置，有效制定应急预案提供依据，保障沼气工程安全运行。

1 规模化大型沼气工程组成

以秸秆为原料制天然气的大型沼气工程的工艺流程如图1所示。收集来的秸秆原料堆放在青储池，上料时由取料车将秸秆投入粉碎机粉碎后经皮带输送至进料搅拌罐，在搅拌罐中秸秆与返回的沼液充分混合后进入发酵反应器。发酵过程中定时进行搅拌和沼液喷淋，秸秆原料在发酵反应器中停留约30天后，发酵剩下的沼渣沼液排出发酵反应器；在发酵反应器中经发酵产生的沼气，从反应器顶部收集后输送至双膜储气柜稳压、储存。部分沼气经简单脱硫脱水后送至热水锅炉作为燃料，锅炉产生的热水(约70℃)通过管道输送至发酵反应器的换热盘管，为反应器提供热源；大部分沼气经进一步净化、提纯、增压为CNG。

图1 沼气工程流程图

其中，厌氧消化罐是沼气工程的核心设备。厌氧发酵是指在厌氧条件下，通过厌氧微生物的作用，对有机物进行降解产生甲烷和二氧化碳等的生物化学过程。厌氧消化罐呈圆柱体，由布料器、搅拌器、正负压保护器等组成。物料进入顶部进料布料器，使进入反应器的物料均匀分布；随着连续(批次)进料和排渣，物料呈层状逐步下移到反应器底部，反应器底部设有分离器，使物料进行初步固液分离，发酵残渣(沼渣)进入排渣系统设备排出；该反应器带有强化搅拌装置，可提高发酵料的均匀布料和排渣及物料与微生物之间的传热、传质效果，显著提高发酵效率，物料在反应器内的停留反应时间约为30天。

2 沼气物性分析

沼气的主要成分是甲烷、二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢,见图1。一般情况下，可以将这种混合气体看作理想气体的混合物。根据理想气体混合物物性参数的导出方法，可以方便的推导出该种混合气体物性参数公式。具体物性参数包括密度、比热、平均分子量、导热系数等见图2。根据勒夏特列定律，可以计算混合气体的爆炸极限。

表1 典型沼气组分

表2 沼气物性参数

3 泄漏后果分析

本文采用挪威船级社(DNV)所开发的PHAST软件，对厌氧消化罐泄漏情况进行模拟分析，从而评估其后果的严重程度。PHAST是国内应用最广的定量风险分析软件。由于厌氧消化罐基本为常压(操作压力0.05barG)，因此在假设反应器与反应器间靠得不是太近的情况下，可以忽略槽与槽间的边界层效应，PHAST的二维模型可以较准确地模拟厌氧消化罐集群区的泄漏场景[3]。

3.1 模拟场景主要参数

本文选取3000m3厌氧消化罐为研究对象，目前该罐容的厌氧消化罐在大型沼气工程中较为常用。厌氧消化罐的构造如图2所示。罐体直径19m，高度19m。经过厌氧发酵后产生的沼气从罐体顶部通过DN150的管道输送到双膜储气罐中(该管道从罐顶向下到地面，然后沿地面连接到储气罐)。罐体及管道均为碳钢材质。厌氧消化罐的操作温度通常控制在37℃，操作压力为0.05barG。罐内沼液液位通常控制在罐容的50%左右。

图2 厌氧消化罐构造图

根据统计数据，厌氧消化罐发生泄漏事故频率最高的场景为管线在法兰、接头、焊道、阀门、盲板等处的泄漏。在模型中，分别取泄漏孔的直径分别取10mm、25mm、50mm、100mm、150mm。其中，10mm是模拟较小的泄漏，如法兰垫片；25mm是碳钢材质最常见的减薄泄漏口；50mm、100mm是较大的泄漏口；150mm为最严重事故场景，即厌氧消化罐出口管线发生断管[4]。

不同泄漏点会导致沼气在空气中的扩散范围不同，事故的影响范围也不同。因此，模拟中考虑了两种不同高度的泄漏场景，沼气分别从罐顶(高点泄漏，泄漏高度19m)和罐底(低点泄漏，泄漏高度0m)管道处泄漏。

外部气象条件考虑两种场景，如表3所示。地表粗糙度系数取0.173718。

表3 气象条件假设

3.2 气体扩散及闪火影响范围

利用PHAST泄漏模型模拟沼气泄漏扩散过程，在最严重事故场景和最坏气象条件下，高点泄漏和低点泄漏的扩散影响范围如图3、图4所示。图中红色线为燃烧(爆炸)上限范围，黄色线为燃烧下限范围，蓝色线为1/2燃烧下限范围。闪火发生的范围即燃烧上下限。从图中可以看出，沼气密度与空气密度接近，在高点泄漏情况下，对地面的影响较小，闪火的影响范围为1.89m(UFL)～8.8m(LFL)；在低点泄漏情况下影响范围扩大为2.73m(UFL)～17.62m(LFL)。

在PHAST中改变了模型的相关参数，通过结果对比表明：泄漏孔的孔径大小对计算结果的影响较大，而气象条件(包括风速、大气稳定度等)对计算结果的影响较小。

图3 最严重事故场景/最坏气象条件下高点泄漏扩散范围

图4 最严重事故场景/最坏气象条件下低点泄漏扩散范围

3.3 喷射火影响范围

沼气泄漏时形成射流，遇点火源被点燃后形成喷射火。通过PHAST计算得到在最严重事故场景和最坏气象条件下，高点泄漏和低点泄漏的喷射火辐射热影响范围如图5、6所示。高点泄漏下喷射火的辐射热没有达到危害值，不会造成损害；低点泄漏下喷射火造成人员伤害的距离为16.722m，造成工艺设备受损的距离为4.33m。低点泄漏在泄漏孔小于25mm时，辐射热不会达到危害值，喷射火影响范围见表4。

图5 最严重事故场景/最坏气象条件下高点泄漏辐射热

图6 最严重事故场景/最坏气象条件下低点泄漏辐射热

表4 喷射火影响范围

3.4 延迟引燃爆炸影响范围

沼气泄漏后与空气混合形成爆炸性混合气体，遇到火源延时点燃会发生爆炸。计算表明，高点泄漏下，只有最严重事故场景(泄漏孔150mm)下才可能发生延迟引燃气云爆炸，对设备造成损坏的范围为13.29m，其它较小泄漏下不会发生气云爆炸；低点泄漏下泄漏孔小于25mm时不会发生气云爆炸，最严重事故场景下气云爆炸对设备造成损坏的范围为26.37m。

延迟爆炸冲击波影响范围见表5。

图7 最严重事故场景/最坏气象条件下高点泄漏延迟爆炸冲击波影响范围

图8 最严重事故场景/最坏气象条件下低点泄漏延迟爆炸冲击波影响范围

表5 延迟爆炸冲击波影响范围

4 结语

采用PHAST模型对厌氧消化罐泄漏后果进行模拟分析。结果表明，在最常见的泄漏场景下(泄漏口为25mm)，无论是高点泄漏还是低点泄漏的辐射热均低于危害值，不会对周围设备造成伤害；无论是高点还是低点泄漏发生都不会发生延迟引燃气云爆炸。因此，从风险的角度来看，对于厌氧消化罐彼此之间的间距并没有特殊要求。模拟结果验证了GB/T 51063-2014《大中型沼气工程技术规范》中没有提出厌氧消化罐之间的间距要求是合理的[5]。但是，厌氧消化罐组与料场、储气柜、火炬等之间的间距应满足GB/T51063的要求。

对于应急预案中热区/温区/冷区的规划设置，建议热区(紧急操作/抢救)考虑最严重时间场景下风向气体浓度在1/2LFL内；温区(侦检隔离/人员清洁)考虑最严重事件场景下风浓度1/2 LFL至延迟引燃爆炸安全距离(爆炸超压0.02068bar)；冷区(应变指挥/后勤)考虑最严重时间场景延迟引燃爆炸安全距离外。在本例中，热区范围为<22.75m，温区范围为22.55～51.81m，冷区范围>51.81m。

[1] 代元元，江 皓，丁江涛,等．秸秆厌氧混合发酵的研究进展[J].中国沼气，2014,32(5):40-45.

[2] 王彦博.规模化沼气工程安全风险评估管理和危险源辨识初探[J].河北农业,2018(1):41-43.

[3] 张文冬，张永信.基于PHAST软件模拟大型LNG储罐泄漏事故[J].石油化工安全环保技术，2014,30(5):27-31.

[4] CCPS.Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases [M].New york: Center for Chemical Process Safety of the American Institute of Chemical Engineers,1999.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 51063-2014 大中型沼气工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.