За последние десять лет активного использования биогазовых установок накоплен большой опыт обеспечения надежности и безопасного функционирования, а также выявлены факторы, способствующие аварийности и негативному воздействию на окружающую среду. На рисунке 1 представлены основные опасные факторы, возникающих в ходе эксплуатации биогазовых установок.
Рис. 1. Возможные опасности при эксплуатации биогазовых установок
В общем, процесс анаэробного сбраживания биомассы и отходов дает высокие риски (для здоровья и для окружающей среды) в ходе эксплуатации и технического обслуживания.
Проблемой анализа рисков в Европе занимается Национальный институт промышленной среды и рисков (INERIS) и Бюро анализа рисков и промышленного загрязнения (BARPI) во Франции и аналитическая компания ZEMA в Германии.
Проведенный обзор данных по авариям и несчастным случаям на установках по получению биогаза позволяет выделить следующие типичные аварийные ситуации:
- утечки из резервуара для хранения отходов или сети их подачи
- утечки газа из мест хранения и распределения
- аварийный выброс H2S
- загрязнение водных источников в результате аварийного сброса сточных вод
- выход из строя оборудования пожаротушения вследствие переполнения резервуаров из-за сильных ливней
- наличие в сырье для производства биогаза опасных веществ
- заклинивание клапанов и образование избыточного давления в котлах для сжигания биогаза.
Анализ показывает, что отдельные части установки, такие как котел, система подачи сырья, насосы, трубы, клапаны и приводы особенно уязвимы, и их сбои приводят к разгерметизации и утечкам.
Статистика аварий на биогазовых установках в Германии с 2001 года приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Динамика аварий и несчастных случаев на биогазовых установках в Германии
Из отчетов ZEMA получается, что большинство из 140 аварийных ситуаций, которые произошли в 2009 году в Германии, были пожарами и, в большинстве случаев, их причины не были достоверно определены. Большинство зарегистрированных случаев произошло на площадках хранения субстратов, загружаемых в биогазовые установки. Никто из обслуживающего персонала не пострадал, также не было зафиксировано никакого существенного воздействия на окружающую среду. Единственным последствием пожаров за пределами биогазовых установок стало образование дымовых шлейфов от горения отходов.
Безопасность при создании и эксплуатации биогазовых установок в нашей стране описаны ГОСТ Р 53790–2010 «Общие технические требования к биогазовым установкам». Раздел «Требования безопасности» содержит положения о защите персонала от поражения электрическим током, требования по пожарной безопасности, требования к коммуникациям, к проведению работ на установках, а также методы проверки оборудования и необходимые средства защиты, которые должны находиться на установке.
Раздел «Требования охраны окружающей среды и здоровья персонала» состоит из четырех пунктов, где описан запрет на складирование отходов под открытым небом для уменьшения эмиссии газов; недопущение загрязнения отходами водных ресурсов; указана необходимость соблюдения мер для предотвращения заражения персонала и требования по электромагнитной совместимости электрооборудования.
По сравнению с европейскими рекомендациями по безопасной эксплуатации биогазовых установок, российские требования выглядят недостаточно подробными в части защиты среды и здоровья персонала. Требования безопасности, например, в части пожаробезопасности достаточны для минимизации рисков взрыва и пожара, но остальные негативные варианты (токсичное воздействие и заражение патогенами) практически не рассмотрено.
Пожаро- и взрывобезопасность биогазовых установок — одно из важнейших направлений в защите людей и окружающей среды ввиду тяжелых последствий этих факторов для человека.
Метан, составляющий от 50 % до 75 % биогаза, образует взрывоопасные смеси в воздухе, и представляет серьезные опасность для взрыва. Нижний взрывной предел метана 4,4 об. %, а верхний — 16,5 об. %. За пределами этого интервала метан не может воспламениться при нормальных обстоятельствах окружающей среды.
Несмотря на принимаемые меры, известны случаи взрывов на установках. Наиболее тяжелые последствия имела авария биогазового резервуара в Турции в 1992, в результате которого погибло 32 и пострадало 64 человека.
Анализ произошедших аварий со взрывами позволяет выделить следующие группы: аварии, связанные с хранением биогаза, связанные с транспортировкой биогаза и связанные с получением биогаза в процессе для анаэробного сбраживания.
Основные способы снижения риска — это недопущение появления источники возгорания и предотвращение утечек метана и создания взрывоопасной среды.
Директивы ЕС для управления взрывоопасными средами (ATEX):
1) Директивы 99/92/ EC («ATEX 137») о минимальных требованиях по улучшению здоровья и безопасности работников при потенциальной опасности взрывов.
2) Директивы 94/9/EC («ATEX 95») об аппроксимации законов государств-членов ЕС в отношении оборудования и защитных систем, предназначенных для использования в потенциально взрывоопасных средах.
Пространства с риском взрыва классифицируются зонами в соответствии с вероятностью возникновения взрывоопасной концентрации. Если такая концентрация может быть достигнута в каком-либо пространстве, то все пространство следует рассматривать как взрывоопасное.
Определяются следующие зоны, в которых возможно возникновение взрывоопасных концентраций метана (Рис. 3).
Зона 0 включает пространства с постоянной, долгосрочной или большую часть времени взрывоопасной средой, которая состоит из смеси воздуха и газов.
В биогазовых установках, газгольдер, система подачи воздуха к двигателю, камера сгорания и, в особых условиях эксплуатации, сам биореактор принадлежат зоне 0. Специальное опасное состояние биореактора создается, когда воздух поступает внутрь. При нормальных условиях эксплуатации, небольшое положительное давление препятствует проникновению воздуха.
В воздухозаборнике двигателя внутреннего сгорания, или в камере газовой горелки взрывоопасная смесь существует постоянно. Двигатель и горелка должны быть отделены от остальной газовой системы пламегасительным устройством в качестве предохранительной системы.
Зона 1 охватывает пространства, где возможно достижение взрывоопасной концентрации. В условиях хорошей вентиляции, зона 1 располагается на расстоянии 1 м. от частей установки, оборудования, соединений, смотровых стекол, прокладок и отверстий для обслуживания в биореакторе, но только при условии, что утечки метана технически невозможны.
Точно так же к зоне 1 относится пространство вокруг концов выхлопных труб и газовых факелов. Закрытые пространства или ямы, в которых содержится сырье для биореактора, также принадлежат к зоне 1.
Для закрытых пространств, радиус опасной зоны определяется по окружности 4,5 м.
Зона 2 — места, где возникновение взрывоопасной концентрации маловероятно, но если это происходит, то только на короткое время. Зона 2 находится в области 1–3 м от частей установки, таких как места соединений, втулки, отверстия для обслуживания и разрывные мембраны. Открытые ямы, замкнутые пространства, не имеющие вентиляции, где установлены трубы для передачи газа, относятся к зоне 2.
Рис. 3.Взрывоопасные зоны
В каждой зоне необходимо провести мероприятия по маркировке, профилактике и обеспечению безопасности.
Для уменьшения риска пожара, элементы биогазовой установки должны быть разделены на сектора противопожарной защиты. Расстояния, которые необходимо соблюдать между секторами зависят от объема резервуара и выбора материала стен конструкций. Пожаробезопасное расстояние от наземных газгольдеров до других элементов установки может изменяться от 3 до 20 метров.
Потенциальными источниками воспламенения могут стать электрические и механические искры, открытое пламя, горячие поверхности и статическое электричество.
Литература:
- Ахмедов, Р. Б. Диффузионное регулирование топочных процессов при сжигании газа [Текст] / Р. Б. Ахмедов, И. М. Гольдберг — М.: Энергия, 1976. — 43 с.
- Ахмедов Р. Б. Дутьевые газогорелочные устройства [Текст] / Р. Б. Ахмедов — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1977. 272 с.
- Ахмедов, Р. Б. Основы регулирования топочных процессов [Текст] / Р. Б. Ахмедов — М.: Энергия, 1977. — 277 с.
- Безруких, В. Ю. Выбор оптимальных параметров газовоздушной смеси в прямоточных горелочных устройствах котлов малой мощности с целью экономии топлива и снижения выброса вредных веществ [Текст]: автореф. дис. д-ра техн. наук 05.23.03 / В. Ю. Безруких. — Л., 1988. — 22 с.
- Беликов, С. Е. Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы [Текст] / С. Е. Беликов, В. Р. Котлер — М.: Аква-Терм, 2008. — 212 с.
- Беликов, С. Е. Малые котлы и защита атмосферы [Текст] / С. Е. Беликов, В. Р. Котлер — М.: Энергоатомиздат, 1996. — 125 с.
- Бирюзова, Е. А. Совершенствование сжигания природного газа на отопительных чугунных секционных котлах с горизонтально-щелевыми (подо- выми) горелками [Текст]: дис.... канд. техн. наук: 05.23.03 / Бирюзова Елена. Александровна. — СПб., 2003. — 231 с.
- Блох, А. Г. Теплообмен излучением [Текст]: справочное пособие / А. Г. Блох, Ю. А. Журавлев, Л. H. Рыжков — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 432 с.
- Блохин, А. В. Теория эксперимента [Текст]: курс лекций / А. В. Блохин — Минск: Изд-во БГУ, 2002. — 67 с.
- Борщов, Д. Я. Эксплуатация отопительной котельной на газообразном топливе [Текст] / Д. Я. Борщов — М.: Стройиздат, 1988. — 239 с.
- Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях [Текст] / Л. Л. Бошняк. — Л.: Машиностроение, 1974. — 448 с.: ил.
