沼气系统改造工程的安全风险及防范措施
2015/10/21 10:01:21 点击： 文章来源：www.jshhcc.com
引 言
现场阶段，厌氧生物技术广泛应用于我国各行业废水处理，废水中的有机物在厌氧生物的作用下分解产生以甲烷为主要成分的沼气，以及少量二氧化碳（CO2） 和微量的硫化氢 （H2S）、 氢气 （H2）等成份，产生的沼气可以经过脱硫等处理后作为能源加以利用。 但由于沼气中的甲烷具有易燃易爆性质，沼气中的硫化氢具有毒性，因此，对沼气系统进行改造过程中，若对安全问题重视不够，或未采取有效的安全预防措施，极易导致发生安全事故。
现场阶段，厌氧生物技术广泛应用于我国各行业废水处理，废水中的有机物在厌氧生物的作用下分解产生以甲烷为主要成分的沼气，以及少量二氧化碳（CO2） 和微量的硫化氢 （H2S）、 氢气 （H2）等成份，产生的沼气可以经过脱硫等处理后作为能源加以利用。 但由于沼气中的甲烷具有易燃易爆性质，沼气中的硫化氢具有毒性，因此，对沼气系统进行改造过程中，若对安全问题重视不够，或未采取有效的安全预防措施，极易导致发生安全事故。
1 施工风险分析
沼气系统改造工程在对生物反应器、沼气稳压柜、系统内的管道等进行热切割、电焊接等动火作业，以及对设备、管道进行抽堵盲板、拆卸阀门等直接接触沼气的操作过程，存在很大的安全风险，主要包括沼气燃烧、 爆炸和 H2S 中毒两类重大安全风险以及高处坠落和起重伤害等其它施工安全风险，一旦发生事故后果不堪设想。 因而安全施工是此类工程成功的关键，也是此类改造工程的重点和难点。
（1）沼气性质
沼气中主要成份是甲烷，本文涉及的废水处理工程沼气中甲烷含量约 60%~90%， 其它成份为CO2约 5%~25%，H2S 为 0.1%~3%， 以及其它微量CO、H2等成份。 甲烷分子式 CH4，是最简单的有机化合物。 甲烷无色、无味，沸点-161.4℃，比空气轻，极难溶于水。
沼气中主要成份是甲烷，本文涉及的废水处理工程沼气中甲烷含量约 60%~90%， 其它成份为CO2约 5%~25%，H2S 为 0.1%~3%， 以及其它微量CO、H2等成份。 甲烷分子式 CH4，是最简单的有机化合物。 甲烷无色、无味，沸点-161.4℃，比空气轻，极难溶于水。
1）沼气的燃烧爆炸风险沼气爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气作用产生的激烈氧化反应。 沼气爆炸的条件是：一定浓度的沼气、高温火源的存在和充足的氧气。
①沼气浓度
沼气爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中沼气遇火后能引起爆炸的浓度范围称为沼气爆炸界限。 沼气爆炸界限为 5%~15%。 沼气爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。
②引火温度
沼气的引火温度，即点燃沼气的最低温度。 一般认为，沼气的引火温度为 650℃~750℃。但因受沼气的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。
沼气爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中沼气遇火后能引起爆炸的浓度范围称为沼气爆炸界限。 沼气爆炸界限为 5%~15%。 沼气爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。
②引火温度
沼气的引火温度，即点燃沼气的最低温度。 一般认为，沼气的引火温度为 650℃~750℃。但因受沼气的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。
③氧的浓度
实践证明，空气中的氧气浓度降低时，沼气爆炸界限随之缩小， 当氧气浓度减少到 12%以下时，沼气混合气体即失去爆炸性。 因此，对厌氧作业区尤其是密封空间存在沼气的环境应严格安全管理。
实践证明，空气中的氧气浓度降低时，沼气爆炸界限随之缩小， 当氧气浓度减少到 12%以下时，沼气混合气体即失去爆炸性。 因此，对厌氧作业区尤其是密封空间存在沼气的环境应严格安全管理。
2）沼气的中毒窒息风险
甲烷本身对人基本无毒，当浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。 沼气引起中毒的主要原因是由于沼气中通常含 H2S 气体。 硫化氢是一种剧毒、无色（透明）、比空气重的气体，其毒性比一氧化碳更致命，几乎与氰化氢气（HCN）相同。 低含量硫化氢具有一种类似臭鸡蛋的讨厌气味，含量稍高的硫化氢有令人恶心的气味。 高含量时无气味，难被发觉，因为此时人的嗅觉神经已经很快的被麻痹而失去了知觉。因此绝对不能凭闻气味来检测硫化氢的存在与否。 全世界每年都有硫化氢中毒死亡事故，硫化氢中毒已成为职业中毒杀手，在我国硫化氢中毒死亡仅次于一氧化碳，占到第二位。
厌氧处理过程中因废水水质的不同产生的 H2S 浓度差异会很大， 本文涉及的工程在厌氧处理过程产生的沼气含 H2S 的浓度约为在 5000 ppm~20000 ppm，对施工人员的威胁很大。甲烷本身对人基本无毒，当浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。 沼气引起中毒的主要原因是由于沼气中通常含 H2S 气体。 硫化氢是一种剧毒、无色（透明）、比空气重的气体，其毒性比一氧化碳更致命，几乎与氰化氢气（HCN）相同。 低含量硫化氢具有一种类似臭鸡蛋的讨厌气味，含量稍高的硫化氢有令人恶心的气味。 高含量时无气味，难被发觉，因为此时人的嗅觉神经已经很快的被麻痹而失去了知觉。因此绝对不能凭闻气味来检测硫化氢的存在与否。 全世界每年都有硫化氢中毒死亡事故，硫化氢中毒已成为职业中毒杀手，在我国硫化氢中毒死亡仅次于一氧化碳，占到第二位。
表 1 是不同浓度的硫化氢气体及其对人体的影响：
2 施工安全控制
（1）系统隔离
首先须将沼气系统与外界进行彻底隔离，可以采用盲板或拆除一段管道进行有效隔离。需要注意的是， 由于阀门可能存在不能完全切断管路的情况，因此不可采用关断阀门的方式作为管道切断隔离方法。
（1）系统隔离
首先须将沼气系统与外界进行彻底隔离，可以采用盲板或拆除一段管道进行有效隔离。需要注意的是， 由于阀门可能存在不能完全切断管路的情况，因此不可采用关断阀门的方式作为管道切断隔离方法。
系统隔离需要在储存有沼气的管道进行插入盲板或拆卸阀门、管道等操作。 当打开法兰及拆卸阀门、管道的瞬间，沼气有一定程度和时间的泄漏，此时操作人员会近距离直接接触沼气，存在泄漏沼气燃烧、爆炸和施工人员 H2S 中毒的安全风险。 因此在拆除法兰螺栓，拆卸阀门、管道等操作时，操作人员必须携带可燃气、氧气、硫化氢报警仪，佩戴H2S 防毒面具，使用铜质扳手，拆卸现场周围不得有火源，防止操作过程中因沼气泄漏引起 H2S 中毒和沼气燃烧、爆炸事故。
（2）沼气置换
1）系统内隔离
在实际进行的改造工程中， 为将所有管道及设备内的沼气置换完全， 通常将系统内的设备与管道根据实际情况进行隔离， 再分别进行气体置换及进行必要的改造施工。 系统内隔离应注意以下事项：
1）系统内隔离
在实际进行的改造工程中， 为将所有管道及设备内的沼气置换完全， 通常将系统内的设备与管道根据实际情况进行隔离， 再分别进行气体置换及进行必要的改造施工。 系统内隔离应注意以下事项：
①管道和设备隔离、置换原则
将管道和设备进行隔离、置换的原则是，通过分段隔离，可将其内部的沼气置换完全。 但实际上由于现场可能存在的管道分支、 并汇等复杂关系，要保证将管道、设备进行有效分段并将其内部的气体置换完全而不遗漏并不是一件容易的事。有时不仅需要正确分段，而且要按照事先设计的置换顺序或其它方法进行置换才能顺利完成。
将管道和设备进行隔离、置换的原则是，通过分段隔离，可将其内部的沼气置换完全。 但实际上由于现场可能存在的管道分支、 并汇等复杂关系，要保证将管道、设备进行有效分段并将其内部的气体置换完全而不遗漏并不是一件容易的事。有时不仅需要正确分段，而且要按照事先设计的置换顺序或其它方法进行置换才能顺利完成。
②置换口及位置选择
气体置换口应尽量靠近待置换管道的端部，以尽可能将管道内的气体置换完全。 可将管道、设备上的排液口、仪表口等加装带有可连接软管的球阀作为置换吹入口，另一端的气体排口也可设在另一端的该类位置。如果管道、设备未安装该类端口，可考虑在相关位置的阀门、连接法兰等位置插入一块盲板，盲板上装有带有可连接软管的球阀作为置换气吹入口或气体排气口，盲板上置换口的长度及球阀的角度可根据法兰、阀门等之间的位置和间距现场确定。
气体置换口应尽量靠近待置换管道的端部，以尽可能将管道内的气体置换完全。 可将管道、设备上的排液口、仪表口等加装带有可连接软管的球阀作为置换吹入口，另一端的气体排口也可设在另一端的该类位置。如果管道、设备未安装该类端口，可考虑在相关位置的阀门、连接法兰等位置插入一块盲板，盲板上装有带有可连接软管的球阀作为置换气吹入口或气体排气口，盲板上置换口的长度及球阀的角度可根据法兰、阀门等之间的位置和间距现场确定。
③阀门位置及编号
根据气体置换需要，将管道、设备上的阀门置于相应位置，并将每块盲板进行编号，标明开关情况，以防误操作。
根据气体置换需要，将管道、设备上的阀门置于相应位置，并将每块盲板进行编号，标明开关情况，以防误操作。
2）沼气置换
①置换气体类型
设备和管道内部的沼气置换，根据实际情况不同可采用氮气、二氧化碳、水蒸气、烟道气等惰性气体置换；也可采用空气置换，但必须严格控制爆炸极限或有效控制点火源。
②置换气体的选择
为确保沼气系统及整个厌氧处理系统的作业安全，本文涉及的工程均采用氮气置换系统内的沼气。 使用氮气等惰性气体置换沼气，在置换过程中不会产生爆炸性混合物，是一种目前最为安全的沼气置换方式。 工程实践证明，氮气置换量一般为设备或管道体积的 2~3 倍。
①置换气体类型
设备和管道内部的沼气置换，根据实际情况不同可采用氮气、二氧化碳、水蒸气、烟道气等惰性气体置换；也可采用空气置换，但必须严格控制爆炸极限或有效控制点火源。
②置换气体的选择
为确保沼气系统及整个厌氧处理系统的作业安全，本文涉及的工程均采用氮气置换系统内的沼气。 使用氮气等惰性气体置换沼气，在置换过程中不会产生爆炸性混合物，是一种目前最为安全的沼气置换方式。 工程实践证明，氮气置换量一般为设备或管道体积的 2~3 倍。
③气体检测
置换后设备、管道内的气体可采用泵吸式检测仪对沼气、氧气、H2S 浓度进行测量，置换完全后可以进行动火和相关施工作业。
3）注意事项
①沼气置换时要注意将排放口置于现场较高位置，以利于气体扩散稀释，排放口周围无火源和人员来往，并设置安全警示标识和人员监护，防止出现燃烧、爆炸和人员中毒风险。
②系统内部隔离与前述系统隔离操作一样，需要进行插入盲板或拆卸阀门、管道等操作，同样存在泄漏沼气燃烧、爆炸和施工人员 H2S 中毒的安全风险。 因此在进行隔离操作时，操作人员必须按前述要求采取同样的安全预防措施。
置换后设备、管道内的气体可采用泵吸式检测仪对沼气、氧气、H2S 浓度进行测量，置换完全后可以进行动火和相关施工作业。
3）注意事项
①沼气置换时要注意将排放口置于现场较高位置，以利于气体扩散稀释，排放口周围无火源和人员来往，并设置安全警示标识和人员监护，防止出现燃烧、爆炸和人员中毒风险。
②系统内部隔离与前述系统隔离操作一样，需要进行插入盲板或拆卸阀门、管道等操作，同样存在泄漏沼气燃烧、爆炸和施工人员 H2S 中毒的安全风险。 因此在进行隔离操作时，操作人员必须按前述要求采取同样的安全预防措施。
（3）动火作业
1）气割动火
对于单纯的气割动火，由于不需考虑电焊作业时电焊回路因素，因而仅需将动火作业影响范围的设备、管道内沼气置换完全，即可进行气割动火。需要注意的是， 如果对脱硫项目进行改造，应佩戴防毒面具并从管道上部切开并扩大，在清除完管道底部积存的硫污泥及切割口周围的硫污泥后，再继续完成管道切割，避免或减轻切割过程中引燃的硫磺产生的 SO2等有毒气体对人体的侵害。
1）气割动火
对于单纯的气割动火，由于不需考虑电焊作业时电焊回路因素，因而仅需将动火作业影响范围的设备、管道内沼气置换完全，即可进行气割动火。需要注意的是， 如果对脱硫项目进行改造，应佩戴防毒面具并从管道上部切开并扩大，在清除完管道底部积存的硫污泥及切割口周围的硫污泥后，再继续完成管道切割，避免或减轻切割过程中引燃的硫磺产生的 SO2等有毒气体对人体的侵害。
2）电焊动火
对于电焊作业，由于涉及电焊作业时的电焊回路因素，确保动火作业安全的因素比单纯的气割动火复杂得多。
对于电焊作业，由于涉及电焊作业时的电焊回路因素，确保动火作业安全的因素比单纯的气割动火复杂得多。
对于与改造施工区域通过金属管道相连接的储存有沼气等易燃易爆介质的设备和管道，必须采取针对性的安全措施， 防止发生由于电焊作业引起的外界设备、管道燃烧和爆炸事故。 因为电焊作业时，根据选用焊条直径的不同，焊接电流一般在60 A～270 A 左右， 电焊作业时所产生的电阻热或引弧时冲击电流所产生的火花能量是任何静电火花所无法比的，其所产生的能量足以引燃任何一种可燃物蒸气而发生火灾爆炸事故。而火花的产生并不仅仅是在电焊机搭地线，在与电焊回路连通的任何部位均可以产生，即使是在设备内部，只要条件具备，也可以产生。
因此，对于准备进行改造的沼气系统，其前端厌氧生物处理系统或通过金属管道与其相连的运行中的沼气稳压柜等设备、管道，就需要采取相应安全措施，包括使用塑料、橡胶等非金属盲板和螺栓与外界进行隔离，或通过拆除一段管道进行有效隔离。
如果无法将系统与外界完全隔离，电焊作业时就需要特别注意加强安全防护，应检查靠近焊接位置侧的管道接地线电阻并确保符合要求，电焊时地线尽量靠近焊接点， 并确保与焊接体可靠电气连接。
如果无法将系统与外界完全隔离，电焊作业时就需要特别注意加强安全防护，应检查靠近焊接位置侧的管道接地线电阻并确保符合要求，电焊时地线尽量靠近焊接点， 并确保与焊接体可靠电气连接。
3 其它安全注意事项
改造工程安全风险很大， 除涉及上述防火、防爆、 防中毒等与沼气特性相关的高风险作业外，还可能涉及受限空间作业、 起重作业等高风险作业，因此必须引起足够重视，在重点采取相应安全技术措施的同时，加强安全管理方面的控制，防止发生安全事故。
1）组建改造工程项目团队，并将业主方的技术和安全管理负责人包括在内。
2）在项目开工前进行安全策划，编制专项施工方案并经施工方和业主方双方评审后方可实施。项目施工过程中专职安全员现场旁站监控。
改造工程安全风险很大， 除涉及上述防火、防爆、 防中毒等与沼气特性相关的高风险作业外，还可能涉及受限空间作业、 起重作业等高风险作业，因此必须引起足够重视，在重点采取相应安全技术措施的同时，加强安全管理方面的控制，防止发生安全事故。
1）组建改造工程项目团队，并将业主方的技术和安全管理负责人包括在内。
2）在项目开工前进行安全策划，编制专项施工方案并经施工方和业主方双方评审后方可实施。项目施工过程中专职安全员现场旁站监控。
3）受限空间作业、起重作业、脚手架搭拆、临时用电、高处作业等高风险作业，必须采用许可证进行管理控制。
4）改造工作前作好危险源辨识和风险评价，并结合法律法规、标准规范的要求，制订严密的、有针对性的应急救援预案，明确紧急情况下作业人员的逃生、自救、互救方法；配备必要的应急救援器材，如正压式呼吸机、灭火设施及器材、氧气袋等；熟悉业主单位的应急救援通讯联络体系， 以及当地消防、医疗等机构的急救电话及位置等信息。
4 结束语
随着企业的发展、规模的扩大以及沼气脱硫技术的改进，需要通过对沼气系统进行工艺流程改造以扩大沼气储量或进一步提高沼气产品质量。改造工程除考虑控制好建设项目常见的安全风险外，尤其注意要控制好沼气的燃烧、爆炸风险及沼气中硫化氢的中毒风险，使用氮气置换可以确保沼气被置换过程中不会产生爆炸性混合物；保持改造系统与外界系统的有效隔离，可消除系统由于电焊作业电焊回路对与之相连的外界设备和管道造成的燃烧和爆炸威胁；而对于改造施工时沼气中含有的毒性气体硫化氢，应注意将置换气体高空排放，进入施工现场须随身携带气体报警仪，佩戴防毒面具以加强个人防护，防止发生硫化氢中毒事故。
4）改造工作前作好危险源辨识和风险评价，并结合法律法规、标准规范的要求，制订严密的、有针对性的应急救援预案，明确紧急情况下作业人员的逃生、自救、互救方法；配备必要的应急救援器材，如正压式呼吸机、灭火设施及器材、氧气袋等；熟悉业主单位的应急救援通讯联络体系， 以及当地消防、医疗等机构的急救电话及位置等信息。
4 结束语
随着企业的发展、规模的扩大以及沼气脱硫技术的改进，需要通过对沼气系统进行工艺流程改造以扩大沼气储量或进一步提高沼气产品质量。改造工程除考虑控制好建设项目常见的安全风险外，尤其注意要控制好沼气的燃烧、爆炸风险及沼气中硫化氢的中毒风险，使用氮气置换可以确保沼气被置换过程中不会产生爆炸性混合物；保持改造系统与外界系统的有效隔离，可消除系统由于电焊作业电焊回路对与之相连的外界设备和管道造成的燃烧和爆炸威胁；而对于改造施工时沼气中含有的毒性气体硫化氢，应注意将置换气体高空排放，进入施工现场须随身携带气体报警仪，佩戴防毒面具以加强个人防护，防止发生硫化氢中毒事故。
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