沼氣利用技術(shù)在餐廚垃圾處理項目中的應(yīng)用

張淑玲，岳 崢，馬東兵

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074）

1 工程背景

餐廚垃圾厭氧消化過程產(chǎn)生的生物氣體（沼氣）是一種混合氣體，主要成分為CH4、CO2、H2S以及水汽。

沼氣中所含的H2S是一種無色氣體，比空氣重，濃度低時有典型的臭雞蛋味，其毒性很大，遇水酸化具有腐蝕性，燃燒時產(chǎn)生SO2，因此，為保護(hù)設(shè)備，方便沼氣的儲存與利用以及控制SO2排放指標(biāo)，需對沼氣進(jìn)行凈化處理，去除其中的H2S與水汽。

某餐廚垃圾處理項目中餐廚垃圾有機(jī)物在厭氧消化罐內(nèi)降解過程中產(chǎn)生的沼氣氣量為31 000 m3/d，其中甲烷占50%～65%。

沼氣的凈化主要是去除水（H2O）、硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）和鹵化混合物等，水會溶解H2S形成硫酸腐蝕管道，加壓儲存時，凝結(jié)水會產(chǎn)生冰堵。CO2降低了沼氣的能量密度。沼氣純化后甲烷含量可高達(dá)95%，氣體品質(zhì)同天然氣可直接用作車用燃料［1］。

2 工藝選擇

1）沼氣利用方式主要有內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、鍋爐燃燒、民用燃?xì)狻⒕铺烊粴猓?］，以上利用方式優(yōu)缺點比較見表1。

2）沼氣發(fā)電效率較低，產(chǎn)生的效益較小，故不采用發(fā)電方式；燃?xì)饷裼梅绞脚涮坠艿拦こ掏顿Y較大，不宜采用；本工程在保證鍋爐燃燒產(chǎn)生的蒸汽供廠內(nèi)用氣的前提下，還有富足的沼氣可利用，將該部分沼氣提純精制，產(chǎn)品為壓縮天然氣，屬于清潔能源，可作為城市車輛燃料使用，并且有一定的經(jīng)濟(jì)效益，故本工程采用沼氣提純精制做鍋爐燃料和壓縮天然氣相結(jié)合的工藝方式。

表1 沼氣利用方式比較

3 沼氣系統(tǒng)工藝

3.1 凈化前沼氣品質(zhì)

凈化前沼氣品質(zhì)見表2。

3.2 工藝流程

本工程系統(tǒng)主要包括沼氣的增壓、脫硫、脫水、脫碳（PSA）以及壓縮部分。沼氣經(jīng)增壓、脫硫、脫水后一部分作為燃料供鍋爐等設(shè)備使用，剩余部分經(jīng)脫碳（PSA）、壓縮后充裝外運。工藝流程見圖1。

表2 厭氧發(fā)酵罐產(chǎn)生的沼氣特性

3.3 工藝流程說明

來自厭氧發(fā)酵罐的沼氣通過管道輸送進(jìn)入天然氣精制系統(tǒng)，首先經(jīng)過粗過濾器除去固體雜質(zhì)和部分水分后進(jìn)入雙膜沼氣儲氣柜（2 500 m3），儲氣柜主要起緩沖及暫存作用；隨后進(jìn)入沼氣增壓風(fēng)機(jī)（羅茨風(fēng)機(jī)），沼氣被增壓至約14.0 kPa后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，脫硫采用生物法+干法的方式，利用硫桿菌和Fe2O3將沼氣中的H2S脫至20 mg/m3以下，其中設(shè)置生物脫硫系統(tǒng)1套，干式脫硫塔2臺，既可串聯(lián)又可并聯(lián)交替運行；脫硫后沼氣分為2路，一路去鍋爐房和生物柴油制取系統(tǒng)的導(dǎo)熱油爐間，供蒸汽鍋爐和導(dǎo)熱油爐燃燒用熱；另一路進(jìn)入沼氣壓縮機(jī)，將沼氣壓力提至0.3～0.4 MPa，再經(jīng)氣液分離器、精密過濾器后進(jìn)入PSA系統(tǒng)（沼氣脫碳+深度脫水系統(tǒng)），PSA裝置脫去所含CO2和水分，使凈化氣達(dá)到GB 18047—2000的車用壓縮天然氣標(biāo)準(zhǔn)。通過分離緩沖裝置進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)增壓至25 MPa，并通過加氣柱給拖車加氣，精制壓縮天然氣（CNG）再由拖車運輸?shù)教烊粴夤净蚣託庹尽?/p>

當(dāng)后續(xù)系統(tǒng)因故障或不能及時向下游天然氣用戶供氣時，富裕的沼氣經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)送至火炬燃燒。

3.4 凈化后燃?xì)馄焚|(zhì)

經(jīng)沼氣預(yù)處理提純后的燃?xì)馄焚|(zhì)滿足GB 17820—2012中規(guī)定的二類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 凈化后燃?xì)馄焚|(zhì)

沼氣預(yù)處理提純系統(tǒng)的其它工藝參數(shù)：產(chǎn)品壓縮天然氣（CNG）的壓力 25 MPa；產(chǎn)品CH4回收率≥92%；產(chǎn)品氣（CNG）產(chǎn)量106～396 m3/h；高位發(fā)熱量38.6 MJ/m3；設(shè)備年連續(xù)運行無故障時間≥8 000 h；系統(tǒng)操作彈性50%～110%。

4 主要裝置

4.1 生物脫硫系統(tǒng)

生物脫硫系統(tǒng)主要由生物洗滌塔、生物反應(yīng)器和硫沉淀器組成。沼氣首先進(jìn)入生物洗滌塔，在塔內(nèi)與堿反應(yīng)從氣體中脫除H2S，而去除H2S氣體后氣體排出生物洗滌塔。

生物洗滌塔吸收液流至塔底，進(jìn)入生物反應(yīng)器。在反應(yīng)器底部有空氣布?xì)庀到y(tǒng)，通過布?xì)庀到y(tǒng)提供氧氣，以維持反應(yīng)器中微生物將溶解的硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。同時堿得到生物再生。

單質(zhì)硫在分離器中分離，硫漿可以脫水形成硫餅以進(jìn)一步使用。

從生物反應(yīng)器出來的濾液循環(huán)回生物洗滌塔，以去除沼氣中所含H2S氣體。

系統(tǒng)中會有非常小的排出液，這主要是為防止鹽的積累。

4.2 干式脫硫塔

干法脫除沼氣氣體中硫化氫（H2S）的設(shè)備基本原理是使H2S氧化成硫或硫氧化物的一種方法，也可稱為干式氧化法。干法設(shè)備的構(gòu)成是，在一個容器內(nèi)放入脫硫劑。氣體以低流速從一端經(jīng)過容器內(nèi)脫硫劑床，硫化氫（H2S）氧化成硫或硫氧化物后，余留在床層中，凈化后氣體從容器另一端排出。

4.3 沼氣儲柜

厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣流量可能存在波動，需設(shè)置沼氣儲柜（見圖2）以保證后續(xù)提純工藝的連續(xù)穩(wěn)定運行。

罐體由外膜、內(nèi)膜、底膜及附屬設(shè)備組成，具有抗紫外線及各種生物的能力，高度防火。內(nèi)膜與底膜之間形成一個容量可變的氣密空間用作儲存沼氣，外膜構(gòu)成儲存柜的球狀外型。利用外膜進(jìn)氣鼓風(fēng)機(jī)恒壓，當(dāng)內(nèi)膜沼氣減少時，外膜通過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣，保持內(nèi)膜沼氣的設(shè)計壓力，當(dāng)沼氣量增加時，內(nèi)膜正常伸張，通過安全閥將外膜多余空氣排出，使沼氣壓力始終恒定在一個需要的設(shè)計壓力。

可調(diào)節(jié)膜式沼氣儲氣柜的保溫原理：在內(nèi)外膜之間充入空氣，能有效阻擋外界冷空氣進(jìn)入。

4.4 PSA 工藝［3］

變壓吸附 PSA（Presure Swing Adsorption），是一個近似等溫變化的物理過程，它是利用氣體介質(zhì)中不同組分在吸附劑上的吸附容量的不同，吸附劑在壓力升高時進(jìn)行選擇性吸附，在壓力降低時得到脫附再生。

自1970年，變壓吸附工藝（PSA）就已經(jīng)用于商業(yè)運營，而且被認(rèn)為是一個成熟的工藝。沼氣首先通過過濾器以去除氣體中的顆粒物質(zhì)；再被壓縮進(jìn)入一無油壓縮機(jī)，壓力達(dá)到200～400 kPa；再經(jīng)過一個用水冷卻的冷卻機(jī)以去除沼氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱；最后壓縮沼氣被輸送到吸附床，并將甲烷與二氧化碳、硫化氫以及沼氣中的其他成分分開。

當(dāng)吸附床飽和時，而且產(chǎn)氣不能夠再滿足最低的天然氣純度時，吸附床須進(jìn)行再生。吸附床的再生須將床的壓力從運行壓力（200～400 kPa）降到大氣壓。利用一個通過微處理器控制的閥門管路來實現(xiàn)吸附床的在線和離線轉(zhuǎn)換。變壓吸附（PSA）系統(tǒng)的一般循環(huán)周期為2～3 min。

5 經(jīng)濟(jì)分析

該工藝系統(tǒng)投資1 000萬元，其中設(shè)備費用850萬元，土建費用10萬元，其他費用80萬元，處理成本為0.56元/m3。

6 結(jié)論

1）該工程沼氣利用系統(tǒng)最大限度地將餐廚垃圾中可利用的資源進(jìn)行回收與轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了垃圾處理“減量化、資源化、無害化”原則，符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實現(xiàn)垃圾資源化利用的環(huán)保政策。

2）該工程技術(shù)成熟，運行穩(wěn)定可靠，運行費用低，且操作方便、易于管理，適用于不同規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)。

［1］陳小濟(jì)，魏建勤，李強.對中國車用天然氣成分及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的分析研究［J］.中國公路學(xué)報，2002，15（4）：109-112.

［2］Kapdi S S，Vijay V K，Rajesh S K，et al.Biogas scrubbing，compression and storage：Perspective and prospectus in Indian context［J］.Renew Energ，2005，30 （8）：1195－1202.

［3］宿輝，崔琳.二氧化碳的吸收方法及機(jī)理研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31 （8）：79－81.