餐厨垃圾处置厂的气体检测报警系统设计

杨 程，王 玥，郑 劲，蒋金明

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300000）

0 引言

餐厨垃圾废弃物中有机物含量较高，尤其富含高油脂，容易发酵、变质、腐烂，同时还容易滋生病原体，如果不妥善处理，不仅会影响城市环境、市容市貌，还会造成地下水资源与土壤的严重污染，甚至危害城镇居民的身体健康。

而餐厨处理厂作为餐厨垃圾资源化、无害化、减量化的处置终端，餐厨垃圾处置过程的安全可靠运行是紧系生态环境与公众身体健康等民生大计的重要保障。而餐厨垃圾厌氧发酵作为垃圾资源化，并提供绿色能源的主要工艺流程，在运行过程中会产生大量沼气，如果在产生、使用过程中发生沼气泄漏，遇到明火会引发爆炸等严重的安全生产事故，危害生命健康。因此，在餐厨垃圾处置工程的设计中，需考虑设置相关可燃、有毒气体报警检测系统。该系统能够及时检测出空气中可燃、有毒气体的浓度并发出报警，提醒操作、运营人员及时采取安全措施，并联锁启动相关安全防护设备，防止爆炸等恶性生产安全事件的发生，保障企业与居民的生命财产安全。

本文以厦门生物质资源再生项目一期工程为例，阐述该厂气体报警检测系统的设计方案，并归纳相关设计要点，主要包括气体报警检测点的设置，检测器的选型、安装、联锁控制等内容。

餐厨垃圾处理整体工艺流程可以概括为：

1）餐厨垃圾送入预处理车间进行预处理。

2）经过预处理后的浆料进入“高温湿式厌氧发酵”系统。

3）发酵产生的沼气经过沼气净化系统送至沼气发电车间。

4）经过发酵后的沼液进入沼液储池，然后泵送至脱水系统，脱水后的滤液输送到污水预处理系统。

1 气体报警检测系统

1.1 气体报警检测点的设置

根据GB/T50493-2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》[1,2]要求，可燃与有毒气体探测器的检测点，应根据气体的理化性质、释放源的特性、生产场地布置、地理条件等因素进行综合分析，选择气体易于积聚、便于采样检测和仪表维护之处布置，一般在下列释放源周围应布置监测点：①气体压缩机和液体泵的动密封；②液体采样口和气体采样口；③液体（气体）排液（水）口和放空口；④经常拆卸的法兰和经常操作的阀门组。

根据餐厨处理工艺流程，在预处理车间的渗滤液收集池、厌氧发酵罐区域、沼气净化装置与双膜气柜、污水处理车间、沼气发电车间、锅炉房等存在释放源的区域，设置可燃气体和有毒气体报警探测器。

1.2 气体报警检测器选型

根据被测介质种类的不同，选择不同测量原理的检测元器件。GB/T50493-2019 规范要求，轻质烃类可燃气体探测器宜选用催化燃烧型或红外气体探测器。考虑到厌氧发酵产生的沼气组分复杂，除了占比最大的甲烷（CH4）外，还存在硫化氢（H2S）等气体，因此检测甲烷的可燃气体探测器最终选用抗毒性催化燃烧型探测器；检测硫化氢的有毒气体探测器选用电化学型探测器[3]。

催化燃烧型检测器采用惠斯通电桥原理，可燃气体能与检测器内置的感应电阻发生无焰燃烧，热效应使感应电阻发生阻值突变，电桥电路的平衡受到影响，产生的电流信号经过放大、处理后，在LED 屏上显示气体浓度。电化学型检测器检测时，环境气体通过传感器下端的薄膜扩散到传感器的电解液中，被检测气体在测量电极上发生化学反应，产生的微电流经过放大、温度补偿和参数修正后得到待测气体的浓度。

1.3 气体报警检测器的安装

检测器安装位置的确定，对于可靠检测气体泄漏浓度非常重要。释放源处于露天或敞开式厂房布置的设备区域内，可燃气体探测器距其覆盖范围内的任一释放源的水平距离不宜大于10m，有毒气体探测器距其覆盖范围内的任一释放源的水平距离不宜大于4m；释放源处于封闭式厂房或局部通风不良的半敞开厂房内，可燃气体探测器距其覆盖范围内的任一释放源的水平距离不宜大于5m，有毒气体探测器距其覆盖范围内的任一释放源的水平距离不宜大于2m。同时，在封闭式厂房或局部通风不良的半敞开厂房内，在厂房最高点气体易于积聚处设置比重轻于空气的可燃气体与有毒气体探测器。因此，根据检测区域的不同划分，靠近释放源设置气体检测探头，并保证探头的检测总区域应覆盖所有释放源[4]。

针对餐厨垃圾处置各工艺流程的特点，检测半径为10m 的可燃气体检测区域为：①厌氧发酵罐区（包括厌氧罐、均质罐、沼液罐）；②沼气净化区域（沼气净化设备区、双膜气柜、火炬）。

检测半径为5m 的可燃气体检测区域为：①预处理车间渗滤液收集池区域；②锅炉房；③沼气发电车间；④污水处理车间内调节池。

检测半径为4m 的有毒气体检测区域为：①厌氧发酵罐区（包括厌氧罐、均质罐、沼液罐）；②沼气净化区域（沼气净化设备区、双膜气柜、火炬）。

检测半径为2m 的有毒气体检测区域为：预处理车间渗滤液收集池区域。

检测仪的安装高度需考虑检测介质与空气密度的比重，根据GB/T50493-2019 规范要求，检测气体介质是否比空气重，根据介质的分子量与环境空气的分子量比值为基准：①当比值X ≥1.2 时，则认为气体介质重于空气；②当比值1.0 ≤X ＜1.2 时，则认为气体略重于空气；③当比值为0.8 ～1.0 时，则认为气体略轻于空气；④当比值≤0.8 时，则认为气体轻于空气。

根据厌氧发酵工段的工艺特征，经过厌氧发酵产生的沼气属于混合气体，不能简单地认为是甲烷，其中包括甲烷、硫化氢、水蒸气以及杂质等。根据笔者以往设计经验，在工程实践中将厌氧发酵产生的沼气认定为比空气重的气体是合理的。因此，检测沼气与硫化氢的探测器安装高度宜距地坪0.3m ～0.6m，同时考虑沼气中易燃易爆的组分为轻于空气的甲烷，混合气经过一段时间相互分离，甲烷会向上飘散，因此还需在预处理车间、沼气发电车间、锅炉房、污水处理车间的最高点气体易于积聚处，设置可燃气体探测器。

1.4 气体报警检测器的联锁控制

根据GB/T50493-2019 规范要求，可燃气体的测量范围为0 ～100%LEL（爆炸下限），有毒气体的测量范围为0 ～300%OEL（职业接触限值）。当现有探测器的测量范围不能满足上述要求时，有毒气体的测量范围可为0 ～30%IDLH（直接致害浓度）。

图1 气体报警检测系统配置图Fig. 1 Configuration of gas alarm detection system

查规范可知，硫化氢的OEL 为10mg/m3、IDLH 为430mg/m3，因为大部分有毒气体检测仪的气体浓度量程 选 用ppm，ppm 与mg/m3的 换 算 公 式 为：cppm=22.4/M×T/273×1/P×c mg/m3。其中，T 为环境温度（K），P 为环境大气压。假设考虑环境温度为20℃，环境气压为标准大气压，可得cppm=0.707 c mg/m3。将硫化氢的300%OEL 代入公式，可得硫化氢的检测范围为21.21ppm。查阅气体报警仪样本可知，常规有毒气体检测仪的量程可以满足检测要求，因此硫化氢的测量范围定为0 ～300%OEL 即可[5]。

设置可燃气体一级报警设定值为25%LEL，二级可燃气体报警设定值为50%LEL；有毒气体一级报警设定值为100%OEL，二级报警设定值为200%OEL。当气体泄漏浓度达到一级报警设定值时，报警探头发出声光报警信号，提醒操作人员及时排除故障，如果释放源在密闭厂房，一级报警时，报警控制器需联锁启动事故风机；当气体浓度达到二级报警设定值时，报警控制器还需联锁沼气紧急切断阀，使切断阀失电关闭。

1.5 报警控制器

气体报警控制单元是能够接受探测器的输出信号，显示和记录被检测气体的浓度，发出声光报警信号，并将气体浓度报警信号与控制单元故障信号发送至消防控制室内消防控制柜的电气电子设备。可燃气体和有毒气体检测报警系统应独立于其他系统单独设置，目前常见的做法有以下两种：①将探头信号接入专用气体报警控制器；②将探头信号接入DCS/PLC/SIS 系统，DCS/PLC/SIS 的CPU、IO模块等需独立设置[6]。

本项目采用第一种方式，现场检测探头4mA ～20mA信号采用三线制送至报警控制器，报警控制器放置在操作人员常驻的控制室内，同时报警控制器通过RS485 通讯接口将数据上传至DCS/PLC，从而传输至上位工控机，实现报警历史事件记录、报表显示，并支持历史数据的查询。

因为餐厨垃圾处理厂各工艺处理流程相对独立，全厂不统一设置厂级气体报警控制器，而是在各生产车间独立设置：①在餐厨预处理车间控制室，设置预处理工段以及厌氧发酵工段的气体报警控制器；②在沼气发电车间，设置沼气发电、沼气净化以及锅炉房工段的气体报警控制器；③在污水处理车间，设置污水处理工段的气体报警控制器。

1.6 其他

除了在释放源设置固定式气体报警检测探头，本项目还配置了4 合1 便携式气体报警检测仪[7]，操作人员在检修、操作时可以随时检测周围环境的气体浓度。当气体浓度超标时，便携式检测仪可以及时报警，提醒操作人员注意周围环境存在危险，以便采取相应措施或及时撤离。

2 结论

本文设计的餐厨垃圾处置工程可燃、有毒气体报警检测系统符合国家规范要求，能够在餐厨垃圾处置厂运行中实时监测气体浓度，具备超限报警及时、安全联锁可靠等特点，能有效保证生产及操作人员的健康和生命安全。