垃圾填埋场沼气爆炸原因分析及防护

摘要：本文通过分析不同条件下垃圾填埋场沼气爆炸原因，并根据垃圾场具体情况，制定相应防护措施。
关键词：沼气；甲烷；爆炸极限
卫生填埋是目前世界上应用最广泛的垃圾处理方法，近几年国内陆续建造了一批规范的卫生填埋场，并相继投入使用。随着时间的推移，卫生填埋场数量不断增加，每一填埋场都会产生一定量的沼气。沼气是以甲烷和二氧化碳为主，具有可燃性的混合气体，如果控制不好，就会发生爆炸。近年来，我国连续发生了多起垃圾爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。1994年12月重庆市江北到观山垃圾场发生沼气爆炸，造成5人死亡，4人受伤的严重事故。垃圾的危害性已不仅是对生态环境的破坏，而且已经威胁到人们的生命安全，所以弄清垃圾填埋场沼气爆炸原因，采取必要技术措施已是当今垃圾处理工作的重要内容之一。
1沼气爆炸条件
沼气爆炸必须具备三个条件：一定的甲烷浓度，一般在5％～15％之间，最强烈的爆炸发生在甲烷浓度为9.5％左右。其次是甲烷引火温度，一般认为甲烷的引燃温度为650～750℃（见下表）。明火、电气火花、吸烟甚至撞击磨擦产生的火花等，都可以引燃甲烷。甲烷浓度不同，引火温度也有所差异，在浓度6.58％时最易引燃。第三是氧气浓度，由实验得知，沼气爆炸界限与氧气浓度有密切关系，氧气浓度增加，爆炸极限范围扩大，尤其是上限提高得更快，当氧气浓度降低时，沼气爆炸下限缓慢增高，上限则迅速下降，氧气浓度降低到12％，甲烷混合气体即失去爆炸性，遇火也不爆炸。
2爆炸原因分析
垃圾爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸两种。
2.1物理爆炸原因
表1各种气体点燃温度及爆炸极限［1］ 

物理爆炸是由于甲烷在垃圾层中大量积聚，形成了强大的能量，当积聚的压力大于覆盖层压力时，在瞬间将垃圾以迅猛速度突出，发生减压的膨胀。发生物理爆炸事故，除垃圾产生甲烷是必要条件外，填埋的深度、覆盖层的厚度和层数，以及覆盖层的透气性都是影响爆炸的因素。如果垃圾层上面不进行覆盖，一般情况下由于垃圾的透气性较好，甲烷的迁移会垂直向上进入大气中（见图1），在垃圾层中不会积累大量甲烷，其气体压力不足以将垃圾层顶起。如果垃圾上覆盖土层或填埋深度增加，透气性受到影响，垃圾中容易积累甲烷而增加爆炸的危险性［2］（见图2）。 

图1没有覆盖层的甲烷迁移 

图2有覆盖层的甲烷迁移
另外，即使填埋条件都相同，但在一些特定条件下，也会大大影响爆炸的危险性。比如，我国城市生活垃圾中灰土比例较高，在连续阴雨天，上面的垃圾层会变得非常泥泞，其透气系数急剧降低，而垃圾在高温和湿润条件下的产气速率又变得很大，这时就可能发生垃圾爆炸。在寒冷的冬天，由于覆盖层结冰，透气性变得很低，而垃圾层中的温度还没有降到产气终止温度之下，这时也可能发生垃圾物理爆炸。
2.2化学爆炸原因
垃圾化学爆炸是由于甲烷与空气混合后，甲烷浓度处于爆炸范围内，遇到明火而发生激烈的放热反应，产生大量的热量，气体受热膨胀，将垃圾抛到高空和远处。由此可见，垃圾化学爆炸必须同时满足前面提到的甲烷浓度、引火温度和氧气浓度三个条件。如果甲烷排入大气或积聚在建筑物内，且浓度处在爆炸范围，那么引火温度达到650℃以上时，（划火柴产生火焰的温度达到引火温度以上）甲烷就会发生化学爆炸。如果空气进入垃圾层中，和那里积聚的甲烷混合，形成爆炸性气体，那么会由于垃圾中存在没有熄灭的香烟头、煤球等，而有可能引起垃圾化学爆炸。
3预防措施
（1）设置石笼或打沼气井。消极地将气体导出。在垃圾场填埋的初期，主要是设置石笼或沼气井将垃圾层中的沼气通畅地导出，石笼或井间距为50米左右，并随垃圾层厚度增加逐渐向上延伸。此种方法只是将气体导出，减小垃圾层内压力，达到防爆目的。最好是积极地将沼气收集利用。当填埋垃圾达到一定量时，将上述装置连接风机进行抽气，并在抽气过程中严格监测沼气成份变化，防止抽入空气。然后将气体输送到气体处理中心加以利用，这样既能控制填埋气体的迁移，又能有效地回收甲烷气，而且不受地表及覆盖土冰冻或水饱和的影响［3］。
（2）在钻井和挖掘沟槽前对潜在的影响情况作出评估。
当安装设备、铺设管道时，应注意火种是否靠近敞开的挖掘地段和管路连接处。必须对沟槽内空气中氧气、甲烷、硫化氢和其它有关化合物作定期检验，确认浓度不在爆炸极限范围内，才能允许工人在深沟槽内工作。
必要情况下可在作业区充填惰性气体（氮、二氧化碳、水蒸气、氩、氦等），使爆炸危险性降至最低［4］。
（3）沼气收集和利用设备全部选用防爆型，设备布置严格按国家规定标准进行，定期对沼气收集设备进行检修看是否有泄漏现象，以便及时修理。填埋场地建筑物必须与作业区保持一定距离，注意通风，防止甲烷积聚，并在甲烷易积聚的地方安装沼气报警装置。