特大型钢制高干厌氧反应器的安全检测与安全控制*

严逢春 彭志成 梁卫兵

(1.湖南省特种设备检验检测研究院益阳分院 湖南益阳 413041； 2.北京中持依迪亚环境检测分析股份有限公司 北京 100192； 3.北京中持绿色能源环境技术有限公司 北京100192)

0 引言

特大型钢制高干厌氧反应器用于处理含固率15%～35%的市政、农业、工业等一种或多种有机废弃物，同时生产沼气、沼液、沼渣。2016年以后，我国才真正开始研究高干厌氧发酵技术，由于资金、技术和人才的限制，大部分处于实验室小试阶段，尚未展开大规模工业化生产处理或产生效益，尚无规范的特大型钢制高干厌氧反应器的安全检测与安全控制方案。但厌氧反应也是生物反应，一旦泄漏会释放大量有毒有害气体，造成大面积的人畜伤亡。目前我国城市与农村正在大范围推广垃圾分类，厌氧反应器作为最有效的有机废弃物处理设备将会大量使用，对高干厌氧反应器在制造、调试、使用等过程中的安全问题研究迫在眉睫。

2017年我国农村与城市易腐垃圾产生量为2.15×109t/a,植物性有机废弃物如秸秆为1.0×109t/a,动物粪便为2.7×109t/a，导致我国20%的耕地、82%的水源受到各种废弃物的污染；2017年3月18日国家发展改革委与住房和城乡建设部联合制定了《生活垃圾分类制度实施方案》。目前我国生活垃圾处理主要还是靠填埋与焚烧，填埋占处理量的63%，焚烧占处理量的35%。填埋占用了大量的土地，并对周围的土地与空气产生严重污染；焚烧耗费巨大的能源，同时产生大量的废水与废气。因此一种新型的有机废弃物循环利用处理模式“有机废弃物—产品—消费利用”受到国家的大力扶持。本研究对象特大型钢制高干厌氧反应器处理量大,单位体积产气量最高，兼容性大，各种有机废弃物都可以利用同一套高干厌氧系统厌氧消化生产沼气和有机肥，不需要加水稀释，降低了后续的沼液脱水及污水处理成本,占地空间少，密封性好，对周围环境污染极少，对易腐垃圾、秸秆、动物粪便等有机废弃物的处理具有重大的意义。

1 特大型钢制高干厌氧反应器主要安全隐患

特大型钢制高干厌氧反应器的安全隐患主要包括沼气泄漏、加工过程中的焊接变形、使用过程中的热胀冷缩变形、基础变形与沉降、雷击、缺少安全检测仪器仪表与设备、运行过程中的酸积累以及氨氮浓度过高、正负压保护器失灵或者失效等。

(1)沼气泄漏

特大型高干厌氧反应器工作时虽然压力不超过4 kPa，温度不超过70 ℃，但会产生大量有毒有害物质如硫化氢、一氧化氮，易燃易爆物质如甲烷、乙烷等，一旦泄漏就会威胁到周边民众的生命与财产安全。一台容积为3 000 m3的特大型钢制高干厌氧反应器顶部带沼气柜的焊缝长度不少于1 600 m，密封圈长度不少于100 m，焊接时稍不注意就会导致焊缝泄漏。即使在运行前已检测焊缝合格，在运行中由于会产生多种生化反应，仍易造成已检测合格的焊缝因腐蚀或沙子磨损而导致反应器泄漏。同时，密封面若稍有不平，也会导致密封处泄漏；市场上没有整块大面积的密封板，也没有整条很长的密封条，有的密封板、密封条只能拼接使用，拼接处也容易导致泄漏。

(2)加工过程中的焊接变形

特大型钢制高干厌氧反应器由于体积太大不方便运输，通常在运营工地现场焊接，其焊接工作量较大，常为多人同时焊接，会产生很大的焊接变形，且当日不易发现，到次日才能看到焊缝处产生了很大裂缝，尤其是最后一块底板、端板、侧板之间的拼接，裂缝常有一指多宽。

(3)使用过程中的热胀冷缩变形

特大型钢制高干厌氧反应器工作时的温度虽然不太高，但数十米长的厌氧反应器在冬天停产再启动工作时，由于热胀冷缩也会产生几十毫米的变形，易导致反应器固定与支撑立柱和反应器壁板之间的焊缝裂开，造成反应器垮塌、鼓肚、顶部内缩、底部外扒，尤其是两端端板与侧板底板焊接处焊缝撕裂。

(4)基础变形与沉降

特大型钢制高干厌氧反应器工作时加上物料重量动辄数千吨，在试水过程中总会发生基础沉降，动载荷很大，物料总是朝一个方向移动，加上反应器基础在地平面以下数米深处，长期淹没在潮湿泥土中，植物长期生长发育也会拱墩子导致基础变形。

(5)雷击

特大型钢制高干厌氧反应器的总高虽然不及周围建筑物屋顶高，但是自导电的钢材体积庞大集中，聚电能力强，很容易遭受雷击，而且容易引爆高干厌氧反应器顶部的沼气柜。

(6)缺少安全检测设施与设备

高干厌氧反应器处理的物料TS浓度在20%以上，甚至可达50%，物料呈非流态，流动性非常差。厌氧反应器内部物料高低不平，反应比湿发酵剧烈得多，且剧烈程度分布不均，刚进完料时剧烈，冬天不进料时反应缓慢。常见的用在湿式厌氧反应器的传感器如液位变送器、压力变送器、温度变送器等，即使采用进口的昂贵检测仪器，在实时检测时也常常不够准确。

(7)运行过程中的酸积累以及氨氮浓度过高

运行过程中的酸积累会抑制厌氧发酵过程，导致整个系统酸败，产气率严重下降，还会影响到系统安全。高干厌氧反应器和内部搅拌器体积庞大，耗钢量很多，所以通常采用碳钢材质。长久的酸积累以及氨氮浓度过高，会腐蚀掉碳钢材质的搅拌器叶片及厌氧反应器气液交界面处焊缝，导致搅拌器损坏及厌氧反应器泄漏。

(8)正负压保护器失灵或者失效

正负压保护器里通常注入软水来隔断大气与厌氧反应器内部气体的互通，通过显示液位，利用软水的升降实现正负压平衡保护。但是，软水的物理性质会随着时间和外界环境的温度变化而变化，正负压保护器有时会失灵或者失效，导致沼气沼液喷射而出，对周围的人和环境造成严重危害。

2 特大型钢制高干厌氧反应器安全检测与安全控制方案

本文结合山东肥城畜禽污染物治理与综合利用和河南睢县第三污水处理厂的两个工程案例(如图1、图2所示)，探讨特大型钢制高干厌氧反应器的设计、施工、安全检测、调试、运行等环节的安全检测与安全控制。

图1 山东肥城畜禽污染物治理与综合利用项目特大型钢制高干厌氧反应器

图2 河南睢县第三污水处理厂特大型钢制高干厌氧反应器

2.1 设计环节中的安全设计

高干厌氧反应器允许朝某个指定方向有断续但不影响整体框架的变形，为了防止高干厌氧反应器永久变形，两端端板支撑以及中间的立柱支撑一定要坚固牢靠。高干厌氧反应器中间支撑与固定部分多采用桁架结构，可有效抵抗各种阻力，有利于变形的恢复。为了防止雷击，不能按照传统的建筑物布置网格避雷针，而是在高干厌氧反应器的顶部以正负压保护器与传感器为圆心画出5 m安全半径布置避雷针网。为了防止使用过程中的热胀冷缩变形，需在关键地方采用U型或者Z型设计。在土建设计时，高干厌氧反应器地下上下筏板四面都要用围墙封闭好，计算土建基础水平面高度时，需要在根据厌氧反应器与刚架及附件等的总重量估算出沉降高度的基础上，多留出几十至几百毫米的沉降值。

2.2 施工环节中的安全注意事项

为了防止焊接变形，更薄的板材在下料时应增加1‰～1.5‰的焊接收缩量，在不同方向拼焊钢板时，要待焊缝充分冷却后从中间焊起，焊接前排版图中钢板的布置、焊缝的位置应对称。容积在3 000 m3以上的特大型钢制高干厌氧反应器，钢板规格尽量采用宽度2 500 mm、长度9 000 mm，尽量减少焊缝数量。特大型钢制高干厌氧反应器的底板焊接最重要，底板的环向焊缝宜向同一方向逐圈错开，错开位置隔段对齐，底板与两侧面板拼焊时也要留出焊接余量。

采购的钢板严格按照《粮食钢板筒仓施工与质量验收规范》(GB/T 51239—2017)中的相应要求进行验收。采购的焊接材料 (焊条) 应具有质量合格证，焊条质量合格证书应包括熔敷金属的化学成分和机械性能，焊条使用前应根据说明书和焊接工艺卡所规定的烘烤温度、时间进行烘烤和保温。

参加施焊的焊工都要有相应项目的焊工合格证，严禁无证上岗。收缩缝的组焊采用分段退焊或跳焊法，同时采用斜拉撑钢性固定的方法来减少焊接凸凹变形。罐底与罐壁拼焊时, 罐内壁每隔一定距离点焊一小筋板控制焊缝冷却变形,消除焊接应力；罐底环焊缝除了采用正确的焊接方法以外，还应该点焊贯通整个长度方向的两根以上横梁，以此来严格控制局部变形，且应在焊缝全部焊接完成后才能拆除小筋板及贯通横梁。环焊缝焊接时，焊工应均匀分布，保持焊接层次和焊接方向同步，严禁在同一地方焊接若干层，焊接方向原则上交叉进行。每个焊工都必须做好每天的施工记录，每条焊缝落实到责任人。罐体及附件都焊完后，应对所有焊缝进行渗透检测。

2.3 安全检测与安全控制方案

高干厌氧反应器整体焊接好以后，必须做无损检测，主要是渗透检测和水压、气压测试，严格按照沼气工程施工标准，每条焊缝都要检查到。为了防止油漆暂时填塞焊缝极细的泄漏处，需先试漏再喷油漆。

(1)渗透探伤

渗透探伤前应清除焊缝处的铁锈氧化皮、焊渣、飞溅、油脂、棉纤维、污垢等异物以及各种防护层，用清洗剂去除工件表面油脂、污垢，清洗后的检测面上遗留的溶剂和水分等必须干燥，且应保证在施加渗透剂前不被污染。待工件表面干燥后施加渗透剂，使受检表面在10～50 ℃温度条件下保持在润湿状态的渗透时间不少于10 min。然后除去工件表面多余的渗透剂，将干式显像剂喷洒到被检面上，采用自显像时，停留时间最短10 min，最长2 h。

(2)人工安全控制

试水主要是检查下列内容：整个罐体的严密性，罐壁变形，固定与支撑高干厌氧反应器罐体的钢架的强度与稳定性，基础的沉降观测。

充水试验按照《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》(GB 50128—2005)要求，加强基础的沉降观测，对于超大型高干厌氧反应器，应该在每天注水完成并静置12 h后，分别从东南角、西南角、东北角、西北角4个方向观测沉降值并做好记录。

罐体的严密性应以充水试验过程中无任何渗漏为合格。罐壁的变形及严密性试验，应以充水到设计最高液位并保持48 h，罐壁无渗漏、无异常变形为合格。发现渗漏时应放水，使液面比渗漏处低300 mm左右，进行焊接补修，由经验丰富的焊工补修，确认合格后方可进水。

(3)安全试验

固定与支撑高干厌氧反应器罐体的钢架的强度及稳定性试验，罐体的气密性试验，应充水到设计最高液位，封闭所有通气口进行缓慢充水升压，因为高干厌氧反应器最大工作压力不到4 kPa，试压到8 kPa并保持48 h后，罐壁无渗漏、U形管压力计无异常即为合格。因为压力太低，一般压力表测量不准，正负压测量常采用U形管压力计。

为了防止基础突然沉降以及焊缝过长来不及观察与补焊，每天加高1～2 m，静置观察16 h以上判断漏水情况。在试水到正常运行的水位时，需启动高干厌氧反应器内的动力设备如搅拌机，防止高干厌氧反应器受到动载荷时变形泄漏。

(4)安全调试

调试时物料与添加剂只能缓慢添加，不能一次加满高干厌氧反应器，搅拌设备转速也是慢慢调速，做好每天的调试记录。如果发现有泄漏，一定要放掉或者通过火炬烧掉高干厌氧反应器内部及相连管路里的沼气，烧完后还要检测高干厌氧反应器内部的甲烷含量。在高干厌氧反应器敞开后，内部物料还会持续反应产生沼气，一定要放完物料后敞开多日才能检修。高干厌氧反应器每次清罐检修损失很大，所以不要轻易清罐检修，尽可能在调试之前清除各种安全隐患，当调试运行中出现不可避免的清罐检修时，需做好各项准备工作。

(5)运行过程中的安全控制

特大型钢制高干厌氧反应器检测仪器包括液位变送器、压力变送器、温度变送器、流量计、沼气成分分析仪等，需专业技术人员从错误的显示中推算出真实的数据，每天定时从取样口取样进行生化分析，在风大时可人工用鼻子嗅各连接点的泄漏情况。

特大型钢制高干厌氧反应器因为体积庞大，在进出料端以及中间部位顶部都要安装液位变送器、压力变送器、正负压保护器，在进出口与中间都要安装温度控制传感器，pH值、氧化还原电位、含水量等的监测通过取样在化验室分析。正负压保护器附近安装出厂前已经调试好的带显示的压力传感器，定时根据压力传感器的显示值调校正负压保护器，冬天与夏天采用不同的显示液。

(6)运行过程中的安全检测

设置消化液回流管，每天定时回流，避免长久的酸积累以及氨氮浓度过高腐蚀掉碳钢材质的搅拌器叶片及厌氧反应器气液交界面处焊缝。

3 结语

特大型钢制高干厌氧反应器不仅能回收处理有机垃圾，降低垃圾储量，减少环境污染，而且能循环利用生产沼气、天然气、有机肥，在清罐检查过程中，会释放有害气体，造成人员伤亡，存在诸多安全隐患，所以尽量在调试前消除所有的安全隐患。对其进行安全检测与安全控制，既要有高精尖的检测仪器，也要有经验丰富而且富有责任心的设计师、项目经理、施工监理、施工员、运营人员等共同协调工作。