沼氣堿法生物脫硫工程實(shí)例分析

鐘 超，邵烈勇

(1.玉禾田環(huán)境發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市朗坤環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

在餐廚、污泥、糞污處理行業(yè)中，越來越多的項(xiàng)目采用高度集中或協(xié)同的方式進(jìn)行厭氧消化處理，要求產(chǎn)生的沼氣不局限于火炬燃燒，更需要凈化后高值利用。H2S是劇毒氣體，空氣中含量達(dá)到1 g/m3時(shí)在極短時(shí)間內(nèi)即可致人死亡，H2S也是腐蝕氣體，對(duì)發(fā)電機(jī)組和工藝管路具有腐蝕破壞作用，H2S燃燒后還會(huì)生產(chǎn)SO2造成環(huán)境污染并且影響人體健康。因此，沼氣脫硫是環(huán)境保護(hù)、沼氣利用的重要要求，沼氣脫硫的工藝技術(shù)研究也顯得更為迫切[1-2]。目前，H2S脫除有干法脫硫、濕法脫硫、原位脫硫、膜分離脫硫和生物脫硫五類方法。干法脫硫和濕法脫硫通常需要消耗大量藥劑，成本較高。原位脫硫和膜分離脫硫僅適用于粗脫硫過程，難以達(dá)到較高的脫硫效率[3]。然而，生物脫硫是將沼氣和含有硫桿菌的洗滌液進(jìn)行接觸，在合適氧氣、營(yíng)養(yǎng)液、溫度、堿度、濕度與生長(zhǎng)載體等環(huán)境下，堿液吸收的H2S被硫桿菌微生物代謝轉(zhuǎn)化成單質(zhì)S或硫酸鹽的過程。體系中的單質(zhì)硫通過硫沉淀和排泥進(jìn)行控制，硫泥脫水處理后還可以得到進(jìn)一步資源化利用。因此，生物脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、能耗低、投資少、不易造成二次污染的優(yōu)勢(shì)，可以克服其他物理化學(xué)脫硫存在的能耗和運(yùn)行費(fèi)高、效率低、產(chǎn)生二次污染等問題[4]。行業(yè)內(nèi)經(jīng)常采用堿法生物脫硫法作為H2S脫除的主體工藝，物理化學(xué)脫硫法作為其應(yīng)急處理方式。

近年來，SAN-VALERO P等[5]對(duì)全好氧生物脫硫裝置進(jìn)行了研發(fā)，利用了生物反應(yīng)器和吸收塔耦合的方式，使脫硫效率穩(wěn)定保持在不低于80%。王欣等[6]基于菌株的生物脫硫?qū)に噮?shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，徐闖等[7]針對(duì)嗜熱脫硫菌株的生物脫硫性能進(jìn)行了研究，荷蘭帕克公司[8]也對(duì)堿法生物脫硫工藝不斷優(yōu)化，實(shí)施了多個(gè)生物脫硫工程項(xiàng)目，但報(bào)道的工程實(shí)例較少。本文基于生物質(zhì)產(chǎn)沼項(xiàng)目對(duì)沼氣堿法生物脫硫工程實(shí)例進(jìn)行了研究。

1 工程概況

本沼氣堿法生物脫硫工程為配套生物質(zhì)綜合處理項(xiàng)目而建設(shè)，工藝沼氣來源于生物質(zhì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，沼氣堿法生物脫硫后通過發(fā)電機(jī)組將生物能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的資源化產(chǎn)出。該工程配置了兩套日處理4.8萬Nm3沼氣的工藝設(shè)備，總設(shè)計(jì)處理能力達(dá)9.6萬Nm3/日，總占地面積約350 m2，涵蓋了洗滌吸收、生物反應(yīng)、沉淀脫硫、硫泥壓縮、加藥補(bǔ)水、加熱控溫、中控等環(huán)節(jié)。項(xiàng)目于2019年調(diào)試運(yùn)行，脫硫效果持續(xù)穩(wěn)定、運(yùn)行良好，運(yùn)營(yíng)成本也較低。

2 工藝流程及構(gòu)筑物

2.1 工藝流程

(1)洗滌吸收

沼氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)輸送至洗滌塔，與自上而下的洗滌液逆流接觸，過程中H2S被液相吸收，其余氣體從洗滌塔頂排出進(jìn)入后續(xù)單元，完成沼氣吸收、脫除過程。

生物反應(yīng)器洗滌液通過循環(huán)泵噴淋至洗滌塔進(jìn)行H2S吸收，洗滌塔吸收H2S后的洗滌液也通過洗滌塔與生物反應(yīng)器構(gòu)成的連通器回流至生物反應(yīng)器，達(dá)到洗滌液的循環(huán)。

圖1 工藝流程圖

(2)生物轉(zhuǎn)化

生物反應(yīng)器內(nèi)溶液依靠曝氣實(shí)現(xiàn)全混和充氧，吸收H2S后的洗滌液在硫桿菌的作用下可將硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，實(shí)現(xiàn)硫的脫除。

(3)硫分離

生物反應(yīng)器內(nèi)部分溶液流入硫沉淀器，硫產(chǎn)物在此單元沉淀后進(jìn)入壓濾系統(tǒng)，完成硫單質(zhì)的最終分離。液相回流至生物反應(yīng)器。

2.2 構(gòu)筑物與技術(shù)參數(shù)

主要構(gòu)筑物與設(shè)備：生物反應(yīng)器(Φ4.0 m×6.0 m)、洗滌塔(Φ1.4 m×20 m)、硫沉淀器(Φ1.2 m×6.0 m)、脫水機(jī)供料罐、濾液罐、鼓風(fēng)機(jī)(Q=360 m3/h，H=6 m H2O)、循環(huán)泵(Q=115 m3/h，H=26 m)等；

工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：沼氣流量4.8萬Nm3/日，H2S進(jìn)氣濃度≤9 100 mg/Nm3，出氣濃度≤150 mg/Nm3。

3 運(yùn)行效果分析

3.1 成分分析

抽取進(jìn)入堿法生物脫硫系統(tǒng)沼氣的成分進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，如表1成分分析表所示，分析樣本中CH4氣體組分的平均含量約為60.1%，CO2約為37.1%，H2S約為0.16%，O2約為0，其他含量約為2.8%。根據(jù)抽取的8個(gè)樣本組分含量可以看出氣流各組分在系統(tǒng)中的波動(dòng)幅度較小。

表1 成分分析表

3.2 流量監(jiān)測(cè)與硫負(fù)荷

圖2為沼氣流量和硫負(fù)荷圖。根據(jù)圖2中連續(xù)30天沼氣流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)入本套脫硫系統(tǒng)的沼氣量最大日為5.22萬Nm3，最小日為2.52萬Nm3，計(jì)算得出日均進(jìn)氣量約3.95萬Nm3。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)氣量為4.8萬Nm3/日，因此監(jiān)測(cè)時(shí)間段日均進(jìn)氣量、最大日進(jìn)氣量、最小日進(jìn)氣量分別為設(shè)計(jì)處理量的82.3%、108.8%、52.5%，監(jiān)測(cè)氣量滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)沼氣濃度和進(jìn)出氣硫化氫濃度計(jì)算出硫負(fù)荷，得出連續(xù)30天的硫負(fù)荷，如圖2所示，可知監(jiān)測(cè)時(shí)間段硫負(fù)荷在56.05～119.45 kgS/d區(qū)間，平均硫負(fù)荷為87.5 kgS/d。

圖2 沼氣流量和硫負(fù)荷

3.3 脫硫效率

圖3為系統(tǒng)脫硫效果圖。由圖3可知，監(jiān)測(cè)時(shí)間段H2S的最大進(jìn)氣濃度為2 882 mg/Nm3，最小進(jìn)氣濃度為1 909 mg/Nm3，平均進(jìn)氣濃度為2 370 mg/Nm3。監(jiān)測(cè)時(shí)間段H2S的最大出氣濃度為58 mg/Nm3，最小出氣濃度為8 mg/Nm3，平均出氣濃度為30 mg/Nm3，本工藝處理后的沼氣H2S濃度遠(yuǎn)低于NY/T 1704—2009《沼氣電站技術(shù)規(guī)范》要求(NY/T 1704—2009《沼氣電站技術(shù)規(guī)范》表1沼氣成分中要求甲烷含量50%～60%時(shí)硫化氫濃度應(yīng)≤250 mg/Nm3，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理后硫化氫濃度≤152 mg/Nm3)，滿足后續(xù)沼氣發(fā)電需求。對(duì)應(yīng)的脫硫率在97.3%～99.7%區(qū)間，平均脫硫率為98.7%，具有較強(qiáng)的脫硫效果。

圖3 系統(tǒng)脫硫效果

4 運(yùn)行成本分析

人工費(fèi)、維修費(fèi)、折舊攤銷費(fèi)、利息支出和其他費(fèi)用等容易因不同企業(yè)管理水平、融資情況、折舊攤銷方式的不同造成較大差異，因此本研究?jī)H對(duì)處理過程直接消耗的材料與動(dòng)力消耗費(fèi)進(jìn)行分析。

根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)段的堿法生物脫硫系統(tǒng)的材料與動(dòng)力消耗費(fèi)匯總，表2為材料與動(dòng)力消耗費(fèi)，圖4為材料與動(dòng)力消耗費(fèi)占比圖，得知該工況下每處理1萬Nm3沼氣所需營(yíng)養(yǎng)鹽費(fèi)用為22.9元、堿液35.2元、水3.0元、電207.5元，其中運(yùn)營(yíng)過程中材料與動(dòng)力費(fèi)中電費(fèi)消耗最大，約占總費(fèi)用的77%。所需總材料與動(dòng)力費(fèi)用約268.6元/萬Nm3，折合每方沼氣處理成本0.027元，遠(yuǎn)低于化學(xué)脫硫處理成本[9]。

表2 材料與動(dòng)力消耗費(fèi)

圖4 材料與動(dòng)力消耗費(fèi)占比圖

在運(yùn)營(yíng)中，營(yíng)養(yǎng)鹽、堿液的消耗主要跟硫負(fù)荷有關(guān)，超過設(shè)定的電導(dǎo)率、pH區(qū)間系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行藥劑補(bǔ)充、鼓風(fēng)等調(diào)整。電的消耗主要是循環(huán)泵和鼓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，通常循環(huán)泵功率保持不變以保證系統(tǒng)的持續(xù)噴淋，鼓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和功率跟系統(tǒng)的氧化還原電位有關(guān)，氧化還原電位低時(shí)系統(tǒng)將進(jìn)行鼓氧補(bǔ)充。將堿法生物脫硫系統(tǒng)成本分為與硫負(fù)荷有關(guān)部分和固定部分，鼓風(fēng)機(jī)耗電等為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的部分費(fèi)用稱為固定部分費(fèi)用。總體來說，因固定部分費(fèi)用的存在，總成本不會(huì)因?yàn)檎託饬康慕档投杀壤郎p少，通?？偝杀镜慕档捅壤儆谡託饬康慕档?，因此，系統(tǒng)沼氣量降低時(shí)單位沼氣處理成本將升高，經(jīng)濟(jì)性變差[10]。

5 結(jié)論

(1)本沼氣堿法生物脫硫工程為配套生物質(zhì)綜合處理項(xiàng)目而建設(shè)，工藝沼氣來源于生物質(zhì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，沼氣堿法生物脫硫后通過發(fā)電機(jī)組將生物能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的資源化產(chǎn)出。該工程配置了兩套日處理4.8萬Nm3沼氣的工藝設(shè)備，總設(shè)計(jì)處理能力達(dá)9.6萬Nm3/日，總占地面積約350 m2，涵蓋了洗滌吸收、生物反應(yīng)、沉淀脫硫、硫泥壓縮、加藥補(bǔ)水、加熱控溫、中控等環(huán)節(jié)。項(xiàng)目于2019年調(diào)試運(yùn)行，脫硫效果持續(xù)穩(wěn)定，運(yùn)行良好，運(yùn)營(yíng)成本較低。

(2)本項(xiàng)目沼氣脫硫前各組分在系統(tǒng)中的波動(dòng)幅度較小，其中CH4平均含量為60.1%，CO2為37.1%，H2S為0.16%，O2為0，其他含量為2.8%。

(3)在氣量為2.52～5.22萬Nm3/d、硫負(fù)荷56.05～119.45 kgS/d、進(jìn)氣H2S濃度為1 909～2 882 mg/Nm3的條件下，出氣H2S濃度為8～58 mg/Nm3，滿足NY/T 1704—2009《沼氣電站技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，平均脫硫率達(dá)98.7%。

(4)根據(jù)運(yùn)行成本測(cè)算得到此工況下，所需總材料與動(dòng)力費(fèi)用約268.6元/萬Nm3，折合每方沼氣處理成本0.027元。