吳健宏,邢 楠
(中海石油氣電集團有限責(zé)任公司,北京 100028)
我國是世界上最大的農(nóng)業(yè)國。大量作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的露天焚燒帶來了嚴(yán)重的大氣污染,甚至引發(fā)火災(zāi)事故。發(fā)展沼氣工程,利用廢棄秸稈制造生物質(zhì)天然氣,是減少污染的有效途徑之一;同時有利于增加農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng),緩解天然氣供需壓力。與歐洲相比,我國一直以農(nóng)村戶用小型沼氣為主,難以形成規(guī)模化、商業(yè)化效應(yīng),吸引重量級企業(yè)參與。近年來,在國家政策的支持下,沼氣工程逐步向大型化發(fā)展,單個厭氧消化罐的容積最大可達5000~10000m3,成為新的發(fā)展趨勢。建立具有規(guī)模效益的大型沼氣工程,所需的大型或超大型厭氧消化罐數(shù)量較多。以日產(chǎn)20萬m3的沼氣項目為例,需要60個3000m3的厭氧消化罐[1]。
與此同時,大型沼氣工程所面臨的安全風(fēng)險也需要重新審視。沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳,當(dāng)發(fā)生泄漏時,可能發(fā)生火災(zāi)爆炸,造成人員傷害和設(shè)備損失[2]。作為沼氣工程的主要設(shè)備之一,有必要對厭氧消化罐集群泄漏后引起的火災(zāi)、爆炸后果進行定量分析,評估事故后果嚴(yán)重程度,為合理規(guī)劃廠區(qū)布置,有效制定應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù),保障沼氣工程安全運行。
以秸稈為原料制天然氣的大型沼氣工程的工藝流程如圖1所示。收集來的秸稈原料堆放在青儲池,上料時由取料車將秸稈投入粉碎機粉碎后經(jīng)皮帶輸送至進料攪拌罐,在攪拌罐中秸稈與返回的沼液充分混合后進入發(fā)酵反應(yīng)器。發(fā)酵過程中定時進行攪拌和沼液噴淋,秸稈原料在發(fā)酵反應(yīng)器中停留約30天后,發(fā)酵剩下的沼渣沼液排出發(fā)酵反應(yīng)器;在發(fā)酵反應(yīng)器中經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣,從反應(yīng)器頂部收集后輸送至雙膜儲氣柜穩(wěn)壓、儲存。部分沼氣經(jīng)簡單脫硫脫水后送至熱水鍋爐作為燃料,鍋爐產(chǎn)生的熱水(約70℃)通過管道輸送至發(fā)酵反應(yīng)器的換熱盤管,為反應(yīng)器提供熱源;大部分沼氣經(jīng)進一步凈化、提純、增壓為CNG。
圖1 沼氣工程流程圖
其中,厭氧消化罐是沼氣工程的核心設(shè)備。厭氧發(fā)酵是指在厭氧條件下,通過厭氧微生物的作用,對有機物進行降解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等的生物化學(xué)過程。厭氧消化罐呈圓柱體,由布料器、攪拌器、正負(fù)壓保護器等組成。物料進入頂部進料布料器,使進入反應(yīng)器的物料均勻分布;隨著連續(xù)(批次)進料和排渣,物料呈層狀逐步下移到反應(yīng)器底部,反應(yīng)器底部設(shè)有分離器,使物料進行初步固液分離,發(fā)酵殘渣(沼渣)進入排渣系統(tǒng)設(shè)備排出;該反應(yīng)器帶有強化攪拌裝置,可提高發(fā)酵料的均勻布料和排渣及物料與微生物之間的傳熱、傳質(zhì)效果,顯著提高發(fā)酵效率,物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留反應(yīng)時間約為30天。
沼氣的主要成分是甲烷、二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫,見圖1。一般情況下,可以將這種混合氣體看作理想氣體的混合物。根據(jù)理想氣體混合物物性參數(shù)的導(dǎo)出方法,可以方便的推導(dǎo)出該種混合氣體物性參數(shù)公式。具體物性參數(shù)包括密度、比熱、平均分子量、導(dǎo)熱系數(shù)等見圖2。根據(jù)勒夏特列定律,可以計算混合氣體的爆炸極限。
表1 典型沼氣組分
表2 沼氣物性參數(shù)
本文采用挪威船級社(DNV)所開發(fā)的PHAST軟件,對厭氧消化罐泄漏情況進行模擬分析,從而評估其后果的嚴(yán)重程度。PHAST是國內(nèi)應(yīng)用最廣的定量風(fēng)險分析軟件。由于厭氧消化罐基本為常壓(操作壓力0.05barG),因此在假設(shè)反應(yīng)器與反應(yīng)器間靠得不是太近的情況下,可以忽略槽與槽間的邊界層效應(yīng),PHAST的二維模型可以較準(zhǔn)確地模擬厭氧消化罐集群區(qū)的泄漏場景[3]。
本文選取3000m3厭氧消化罐為研究對象,目前該罐容的厭氧消化罐在大型沼氣工程中較為常用。厭氧消化罐的構(gòu)造如圖2所示。罐體直徑19m,高度19m。經(jīng)過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣從罐體頂部通過DN150的管道輸送到雙膜儲氣罐中(該管道從罐頂向下到地面,然后沿地面連接到儲氣罐)。罐體及管道均為碳鋼材質(zhì)。厭氧消化罐的操作溫度通??刂圃?7℃,操作壓力為0.05barG。罐內(nèi)沼液液位通??刂圃诠奕莸?0%左右。
圖2 厭氧消化罐構(gòu)造圖
根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),厭氧消化罐發(fā)生泄漏事故頻率最高的場景為管線在法蘭、接頭、焊道、閥門、盲板等處的泄漏。在模型中,分別取泄漏孔的直徑分別取10mm、25mm、50mm、100mm、150mm。其中,10mm是模擬較小的泄漏,如法蘭墊片;25mm是碳鋼材質(zhì)最常見的減薄泄漏口;50mm、100mm是較大的泄漏口;150mm為最嚴(yán)重事故場景,即厭氧消化罐出口管線發(fā)生斷管[4]。
不同泄漏點會導(dǎo)致沼氣在空氣中的擴散范圍不同,事故的影響范圍也不同。因此,模擬中考慮了兩種不同高度的泄漏場景,沼氣分別從罐頂(高點泄漏,泄漏高度19m)和罐底(低點泄漏,泄漏高度0m)管道處泄漏。
外部氣象條件考慮兩種場景,如表3所示。地表粗糙度系數(shù)取0.173718。
表3 氣象條件假設(shè)
利用PHAST泄漏模型模擬沼氣泄漏擴散過程,在最嚴(yán)重事故場景和最壞氣象條件下,高點泄漏和低點泄漏的擴散影響范圍如圖3、圖4所示。圖中紅色線為燃燒(爆炸)上限范圍,黃色線為燃燒下限范圍,藍色線為1/2燃燒下限范圍。閃火發(fā)生的范圍即燃燒上下限。從圖中可以看出,沼氣密度與空氣密度接近,在高點泄漏情況下,對地面的影響較小,閃火的影響范圍為1.89m(UFL)~8.8m(LFL);在低點泄漏情況下影響范圍擴大為2.73m(UFL)~17.62m(LFL)。
在PHAST中改變了模型的相關(guān)參數(shù),通過結(jié)果對比表明:泄漏孔的孔徑大小對計算結(jié)果的影響較大,而氣象條件(包括風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等)對計算結(jié)果的影響較小。
圖3 最嚴(yán)重事故場景/最壞氣象條件下高點泄漏擴散范圍
圖4 最嚴(yán)重事故場景/最壞氣象條件下低點泄漏擴散范圍
沼氣泄漏時形成射流,遇點火源被點燃后形成噴射火。通過PHAST計算得到在最嚴(yán)重事故場景和最壞氣象條件下,高點泄漏和低點泄漏的噴射火輻射熱影響范圍如圖5、6所示。高點泄漏下噴射火的輻射熱沒有達到危害值,不會造成損害;低點泄漏下噴射火造成人員傷害的距離為16.722m,造成工藝設(shè)備受損的距離為4.33m。低點泄漏在泄漏孔小于25mm時,輻射熱不會達到危害值,噴射火影響范圍見表4。
圖5 最嚴(yán)重事故場景/最壞氣象條件下高點泄漏輻射熱
圖6 最嚴(yán)重事故場景/最壞氣象條件下低點泄漏輻射熱
表4 噴射火影響范圍
沼氣泄漏后與空氣混合形成爆炸性混合氣體,遇到火源延時點燃會發(fā)生爆炸。計算表明,高點泄漏下,只有最嚴(yán)重事故場景(泄漏孔150mm)下才可能發(fā)生延遲引燃氣云爆炸,對設(shè)備造成損壞的范圍為13.29m,其它較小泄漏下不會發(fā)生氣云爆炸;低點泄漏下泄漏孔小于25mm時不會發(fā)生氣云爆炸,最嚴(yán)重事故場景下氣云爆炸對設(shè)備造成損壞的范圍為26.37m。
延遲爆炸沖擊波影響范圍見表5。
圖7 最嚴(yán)重事故場景/最壞氣象條件下高點泄漏延遲爆炸沖擊波影響范圍
圖8 最嚴(yán)重事故場景/最壞氣象條件下低點泄漏延遲爆炸沖擊波影響范圍
表5 延遲爆炸沖擊波影響范圍
采用PHAST模型對厭氧消化罐泄漏后果進行模擬分析。結(jié)果表明,在最常見的泄漏場景下(泄漏口為25mm),無論是高點泄漏還是低點泄漏的輻射熱均低于危害值,不會對周圍設(shè)備造成傷害;無論是高點還是低點泄漏發(fā)生都不會發(fā)生延遲引燃氣云爆炸。因此,從風(fēng)險的角度來看,對于厭氧消化罐彼此之間的間距并沒有特殊要求。模擬結(jié)果驗證了GB/T 51063-2014《大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范》中沒有提出厭氧消化罐之間的間距要求是合理的[5]。但是,厭氧消化罐組與料場、儲氣柜、火炬等之間的間距應(yīng)滿足GB/T51063的要求。
對于應(yīng)急預(yù)案中熱區(qū)/溫區(qū)/冷區(qū)的規(guī)劃設(shè)置,建議熱區(qū)(緊急操作/搶救)考慮最嚴(yán)重時間場景下風(fēng)向氣體濃度在1/2LFL內(nèi);溫區(qū)(偵檢隔離/人員清潔)考慮最嚴(yán)重事件場景下風(fēng)濃度1/2 LFL至延遲引燃爆炸安全距離(爆炸超壓0.02068bar);冷區(qū)(應(yīng)變指揮/后勤)考慮最嚴(yán)重時間場景延遲引燃爆炸安全距離外。在本例中,熱區(qū)范圍為<22.75m,溫區(qū)范圍為22.55~51.81m,冷區(qū)范圍>51.81m。
[1] 代元元,江 皓,丁江濤,等.秸稈厭氧混合發(fā)酵的研究進展[J].中國沼氣,2014,32(5):40-45.
[2] 王彥博.規(guī)模化沼氣工程安全風(fēng)險評估管理和危險源辨識初探[J].河北農(nóng)業(yè),2018(1):41-43.
[3] 張文冬,張永信.基于PHAST軟件模擬大型LNG儲罐泄漏事故[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù),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] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 51063-2014 大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.