面向發電機組的餐廚垃圾厭氧沼氣處理工藝應用

目前，國際上比較先進的餐廚垃圾處理辦法是將其厭氧發酵后產生沼氣用于發電。由于厭氧產生的沼氣與一般燃氣發電機組對進氣的要求差異比較大，只有對沼氣采取合適的工藝進行處理，才能保障機組順暢運行并提高發電效率。

一、重慶市餐廚垃圾厭氧沼氣發電項目

作為國內餐廚垃圾問題最為嚴重的城市之一，重慶市一直為如何處理大量的高油脂高有機物含量的餐廚垃圾所困擾。在政府領導和相關技術專家的推動下，重慶環衛集團于2009年開始建設第一個餐廚垃圾厭氧發酵熱電聯產項目。

本項目總投資2.7億元，位于重慶市黑石子垃圾處理廠，采用先進的“厭氧消化、熱電聯產”工藝，日處理餐廚垃圾能達到500噸。同時配套建設包括專用運輸車和專用收集桶的收運系統。

本項目采用的工藝流程見圖1。

本項目投產后，能將餐廚垃圾中的油脂加工成生物燃料，其余部分經厭氧消化后產生沼氣用于發電，沼渣沼液加工成有機肥。預計年產生沼氣1400萬m3，發電3300萬kW.h，生產有機肥料1.2萬t，減排二氧化碳11萬t。

二、餐廚垃圾厭氧沼氣處理的必要性

從餐廚垃圾處置工藝流程圖可看出，沼氣處理是位于厭氧發酵和發電機組之間的一個環節。對整個餐廚垃圾處理項目來說，這只是一個占投資總額不到5%的小環節，但卻是必不可少的一環，對厭氧發酵后端的熱電聯產有著重要意義。

餐廚垃圾厭氧沼氣主要成分是甲烷與二氧化碳，但同時也存在H2S、H2O等對燃氣發動機組平穩運行有影響的物質。厭氧沼氣具體成分和參數見表1。

表1所列的沼氣成分中，對后端發電機組影響比較大的有：

（一）水蒸氣的危害

厭氧沼氣含有大量的水分，而水對發動機的影響主要表現為：發動機點火困難；降低燃燒室溫度，降低內燃機的效率；水蒸氣將增大內燃機尾氣排氣量，從而降低了內燃機效率；由于水蒸氣等無功氣體的存在，增壓耗功增大，降低內燃機的效率；降低燃燒室溫度，導致了二英等劇毒物質生成的可能性大幅度上升，嚴重污染環境；水蒸氣與其他酸性物質的化合產生中間產物，對機組本身產生腐蝕，縮短設備的使用壽命，降低裝置的可靠性；由于發動機內部中冷器的存在，過高的水蒸氣含量可能會導致氣體露點過高，水蒸氣會在發動機內部凝結、積水，造成設備故障，降低設備壽命和可用率。

（二）硫化物的危害

硫化氫是無色、有臭雞蛋氣味的毒性氣體。硫化氫及其燃燒生成的產物二氧化硫有毒性，危害人體，同時硫化氫對鋼材可引起氫脆和硫化物應力腐蝕，對潤滑油的性能也會產生一定的影響。硫化氫的燃燒反應式如下：

2H2S+O2—2S+2H2O

2H2S+3O2—2SO2+2H2O

在厭氧沼氣中，硫化氫是一種易燃易爆、并具有強烈惡臭的污染物質，即使被人體少量吸入，也會產生強烈不適；沼氣中的硫化物與發電機組的潤滑油系統接觸，導致潤滑油乳化，增加機組磨損，降低設備使用壽命；設備潤滑不暢，導致機組震動加大，嚴重威脅人員及設備的安全；硫化物在氧化作用下，產生二氧化硫，排放后與大氣中的水蒸氣作用，是形成酸雨的主要來源，將嚴重污染大氣；另一方面，亞硫酸（H2SO3SO2＋H2O）在低溫條件下（發動機排氣管尾部）對設備具有強烈的腐蝕性，嚴重影響設備的可靠性和使用壽命。

（三）固體雜質的危害

厭氧發酵罐中的固體顆粒物質也可能隨著氣流進入燃氣管道，這些顆粒物是發動機明確限制的雜質，它主要影響在于：堵塞管路，流通不暢，加大壓損，增加運行費用；增大機械磨損，降低設備使用壽命。

本餐廚垃圾處理項目中沼氣處理的必要性，在于除了要消除沼氣中所含的對發電機組有害的因素外，還需要根據發電機組的進氣要求提供匹配的氣體參數，如壓力、溫度等。

同時為了最大化保護環境，在發電機組部分停機維護的時候，沼氣處理環節還需要將多余的沼氣進行焚燒處理，以減少CO2的排放。

三、面向發電機組的厭氧沼氣處理工藝

通過詳細比較前端厭氧沼氣成分、參數和燃氣發電機組的進氣要求的差異，本項目對厭氧沼氣采取了以下處理工藝，見圖2。

（一）脫硫

以硫化氫為主的硫化物的去除主要有物理、化學以及生物三種方式。其中物理方法主要指物理吸附方式脫硫，這種方式操作簡便，但往往需要占地較大的設備，而且吸附劑需要再生。化學方式指以化學反應的方式將硫固化下來，目前有干法及濕法，其差別主要是反應物的物理形態是固體還是液體的差別。生物法脫硫是目前比較新興的一種方式，其主要原理是在反應罐中培養出合適的菌種，這些菌種以硫化物為養料，將其中的硫固定下來。

本項目中需要在厭氧發酵罐工藝投產后，根據實際測量的硫含量選取合適的脫硫方案進行脫硫。目前先在項目現場預留了脫硫工藝的位置，等具體脫硫方案確定后再進行建設。

（二）氣柜穩壓

為了穩定從厭氧消化罐出來的沼氣壓力，并在一定程度上平衡罐內沼氣產生和發電機組的沼氣消耗速率之間的差異，本項目設置了一個雙膜氣柜，容積1000m3，工作壓力2.5kPa，氣柜耐壓20kPa。采用耐腐蝕的環保專用進口膜，具有防腐、抗老化、抗微生物及紫外線等功能，并且防火級別達到B1級，膜的抗拉強度大于5000N/5cm。

同時氣柜還具有容積顯示功能，可以隨時了解氣體容積，掌握使用狀況，并設點報警停機信號。

（三）流量/壓力調節

由于發動機均對進氣壓力及溫度提出較高的要求，壓力的波動會影響發動機的配氣系統，過高或者過低的壓力都有可能引起發動機跳機，所以必須設置相應的壓力平衡機構，以適應發動機的進氣要求。

厭氧沼氣壓力為0～5.0kPa，考慮安全性和經濟性，出口壓力在滿足發電機要求的情況下要盡可能的小，這樣可以保證安全、降低電機功率，節省運行成本。本項目中發電機組要求進口壓力達到10.0～35kPa。

通過對發電量進行跟蹤，利用PLC自動調節變頻器控制風機轉速，保證始終滿足發電機組的運行要求。

（四）冷凝除濕

發電機組要求在10～50℃范圍內，進口燃氣的相對濕度需小于70%。因為厭氧沼氣為飽和濕度，系統必須有除水工藝。

本項目采用成熟的電制冷技術。由制冷機組產生的冷媒水進入冷凝器，將外界進來的沼氣溫度降低，通過風機加壓升溫然后沼氣溫度自然上升，其相對濕度滿足要求。

在冷凝器后部，設有汽水分離器，可以將冷凝器產生的大部分液態水去除。

沼氣在管道和設備中遇冷后會產生凝結水，因此在整個系統的管路和設備中都有匯集凝結水的可能，需要及時排除。冷凝器和汽水分離器的凝結水排往廠區的排水系統。

（五）過濾除塵

通常采用過濾的方式將顆粒物限制在一定的范圍內。為達到較好的去除效果，一般對氣體中的顆粒物分級處理，設置不同精度的過濾器，逐級將顆粒物處理到系統最終的要求，這樣不僅可以降低精密過濾的成本，也可以增加系統運行的可靠性。

本項目在系統入口采用除濕過濾器，對液態水進行初步的去除，同時除濕過濾器能夠將大顆粒的雜質過濾去除，從而達到保護后續設備的目的。

在系統出口采用精密過濾器，能夠去除更細小的雜質，從而達到滿足發電機組對進氣的要求。

過濾器為大面積、微壓降設計。過濾器前后設有壓差計。當粉塵含量逐漸積累時，過濾器前后的壓差將逐步加大。當壓差超過設定值時，為了降低運行的電耗，應及時清理過濾器濾芯。

（六）火炬聯調焚燒

為了提高環境效益，本項目設置封閉式沼氣火炬來焚燒沼氣量較大或發動機組檢（維）修時多余的沼氣。火炬焚燒沼氣的原則為：首先滿足發電機組的要求，其次是通往火炬，最后才是排往大氣。

火炬系統由單獨的變頻羅茨風機供氣，和沼氣處理系統聯動控制，可以保證項目獲得盡可能多的發電收入。火炬同時可以在線監測沼氣流量、壓力、溫度、甲烷濃度、煙氣溫度等重要參數并記錄，滿足CDM項目的需求。

綜上所述，面向發電機組的厭氧沼氣處理工藝的目的，是為了消除厭氧消化產氣與燃氣發電機組進氣要求之間的差異，給燃氣發電機組提供符合要求的氣體品質，以保障機組的平穩運行。

四、結論

本文就重慶市餐廚垃圾項目中厭氧沼氣處理這一環節進行了工藝分析和應用介紹。由于厭氧產生的沼氣與燃氣發電機組對進氣的要求差異比較大，只有對沼氣采取合適的工藝進行處理，才能保障機組順暢運行并提高發電效率。

隨著中國城市化進程的發展，對餐廚垃圾進行專門收集與綜合處理必將成為更多大中型城市的選擇。針對餐廚垃圾處置與利用工程的每一個環節進行精益求精的探索與總結，有利于我們更好地進行餐廚垃圾處理項目建設，以期獲得更好的經濟效益和環境效益。

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（責任編輯：文雪峰）