沼氣利用技術在餐廚垃圾處理項目中的應用

張淑玲，岳 崢，馬東兵

（中國市政工程華北設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，燃燒時產生SO2，因此，為保護設備，方便沼氣的儲存與利用以及控制SO2排放指標，需對沼氣進行凈化處理，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物在厭氧消化罐內降解過程中產生的沼氣氣量為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，凝結水會產生冰堵。CO2降低了沼氣的能量密度。沼氣純化后甲烷含量可高達95%，氣體品質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燃機發電、鍋爐燃燒、民用燃氣、精制天然氣［2］，以上利用方式優缺點比較見表1。

2）沼氣發電效率較低，產生的效益較小，故不采用發電方式；燃氣民用方式配套管道工程投資較大，不宜采用；本工程在保證鍋爐燃燒產生的蒸汽供廠內用氣的前提下，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，并且有一定的經濟效益，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合的工藝方式。

表1 沼氣利用方式比較

3 沼氣系統工藝

3.1 凈化前沼氣品質

凈化前沼氣品質見表2。

3.2 工藝流程

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

表2 厭氧發酵罐產生的沼氣特性

3.3 工藝流程說明

來自厭氧發酵罐的沼氣通過管道輸送進入天然氣精制系統，首先經過粗過濾器除去固體雜質和部分水分后進入雙膜沼氣儲氣柜（2 500 m3），儲氣柜主要起緩沖及暫存作用；隨后進入沼氣增壓風機（羅茨風機），沼氣被增壓至約14.0 kPa后進入脫硫系統，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，其中設置生物脫硫系統1套，干式脫硫塔2臺，既可串聯又可并聯交替運行；脫硫后沼氣分為2路，一路去鍋爐房和生物柴油制取系統的導熱油爐間，供蒸汽鍋爐和導熱油爐燃燒用熱；另一路進入沼氣壓縮機，將沼氣壓力提至0.3～0.4 MPa，再經氣液分離器、精密過濾器后進入PSA系統（沼氣脫碳+深度脫水系統），PSA裝置脫去所含CO2和水分，使凈化氣達到GB 18047—2000的車用壓縮天然氣標準。通過分離緩沖裝置進入天然氣壓縮機增壓至25 MPa，并通過加氣柱給拖車加氣，精制壓縮天然氣（CNG）再由拖車運輸到天然氣公司或加氣站。

當后續系統因故障或不能及時向下游天然氣用戶供氣時，富裕的沼氣經羅茨風機送至火炬燃燒。

3.4 凈化后燃氣品質

經沼氣預處理提純后的燃氣品質滿足GB 17820—2012中規定的二類氣質標準，如表3所示。

表3 凈化后燃氣品質

沼氣預處理提純系統的其它工藝參數：產品壓縮天然氣（CNG）的壓力 25 MPa；產品CH4回收率≥92%；產品氣（CNG）產量106～396 m3/h；高位發熱量38.6 MJ/m3；設備年連續運行無故障時間≥8 000 h；系統操作彈性50%～110%。

4 主要裝置

4.1 生物脫硫系統

生物脫硫系統主要由生物洗滌塔、生物反應器和硫沉淀器組成。沼氣首先進入生物洗滌塔，在塔內與堿反應從氣體中脫除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，進入生物反應器。在反應器底部有空氣布氣系統，通過布氣系統提供氧氣，以維持反應器中微生物將溶解的硫化物轉化為單質硫。同時堿得到生物再生。

單質硫在分離器中分離，硫漿可以脫水形成硫餅以進一步使用。

從生物反應器出來的濾液循環回生物洗滌塔，以去除沼氣中所含H2S氣體。

系統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。干法設備的構成是，在一個容器內放入脫硫劑。氣體以低流速從一端經過容器內脫硫劑床，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

厭氧反應器產生的沼氣流量可能存在波動，需設置沼氣儲柜（見圖2）以保證后續提純工藝的連續穩定運行。

罐體由外膜、內膜、底膜及附屬設備組成，具有抗紫外線及各種生物的能力，高度防火。內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，外膜構成儲存柜的球狀外型。利用外膜進氣鼓風機恒壓，當內膜沼氣減少時，外膜通過鼓風機進氣，保持內膜沼氣的設計壓力，當沼氣量增加時，內膜正常伸張，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計壓力。

可調節膜式沼氣儲氣柜的保溫原理：在內外膜之間充入空氣，能有效阻擋外界冷空氣進入。

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）就已經用于商業運營，而且被認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；再被壓縮進入一無油壓縮機，壓力達到200～400 kPa；再經過一個用水冷卻的冷卻機以去除沼氣壓縮過程中產生的熱；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。

當吸附床飽和時，而且產氣不能夠再滿足最低的天然氣純度時，吸附床須進行再生。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吸附床的在線和離線轉換。變壓吸附（PSA）系統的一般循環周期為2～3 min。

5 經濟分析

該工藝系統投資1 000萬元，其中設備費用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 結論

1）該工程沼氣利用系統最大限度地將餐廚垃圾中可利用的資源進行回收與轉化，實現了垃圾處理“減量化、資源化、無害化”原則，符合發展循環經濟、實現垃圾資源化利用的環保政策。

2）該工程技術成熟，運行穩定可靠，運行費用低，且操作方便、易于管理，適用于不同規模生產企業。

［1］陳小濟，魏建勤，李強.對中國車用天然氣成分及技術標準的分析研究［J］.中國公路學報，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理研究［J］.環境科學與管理，2006，31 （8）：79－81.