預處理工藝在低濃度瓦斯發電項目中的選擇應用

徐婷婷

(北京時代桃源環境科技有限公司，北京 100085)

預處理工藝在低濃度瓦斯發電項目中的選擇應用

徐婷婷

(北京時代桃源環境科技有限公司，北京 100085)

本文針對低濃度瓦斯氣體預處理工藝提出了兩種技術路線，即電制冷脫水技術和吸收式脫水技術，并通過具體案例對兩種工藝的技術進行了比選分析。結果表明，兩種處理工藝對氣源的改善效果相近，均能夠滿足發電機組對氣源品質的要求，其中電制冷脫水技術更適用于初投資控制嚴格、輸送壓力不低于12～15kPa的低濃度瓦斯發電系統；吸收式脫水技術則更適用于運行費用控制嚴格、前端輸送壓力低，安裝空間小的低濃度瓦斯發電系統。

低濃度瓦斯預處理系統 吸收式脫水工藝 電制冷脫水工藝

1 未處理氣源對低濃度瓦斯發電機組的影響

1.1 增加了燃氣機組的維護工作量

為了有效保護發電機組內部氣缸等運動部件不被固體粉塵雜質卡澀，燃氣發電機組前一般自帶有精密過濾器，低濃瓦斯氣在進入發電機組前如未經過處理則帶有大量的固體粉塵及液態水，造成濾網被水膜覆蓋，增加了進氣阻力損失的同時導致機組頻繁停機更換濾網，極大的增加了燃氣機組維護費用。

液態水隨瓦斯氣進入發電機組后會隨著氣缸的周期性工作出現凝結及沉淀，這部分液態水長期匯集在機組內部將對中冷器、火花塞等部件造成嚴重的銹蝕，極大的縮短了設備使用壽命并影響工作效率，導致機組內中火花塞等配件更換頻繁，維護工作量大。

1.2 降低了燃氣機組的發電效率

液態水進入發電機組后，一方面在降低燃氣有效熱值的同時也會導致火花塞點火困難，惡化燃燒；另一方面混有大量水汽的燃料進入氣缸內壓縮做功時，燃料中的水分會迅速氣化占據氣缸的有效行程，導致氣缸無用做功增加，發電機組運行效率下降。同時，氣體中混有大量的液態水及粉塵也會對增壓器的潤滑油系統造成嚴重污染，導致潤滑油品質惡化迅速，更換頻繁，降低燃氣發電效率。

2 處理氣源對低濃度瓦斯發電機組的改善效果

低濃度瓦斯氣的預處理工藝是通過有效的過濾、脫水等手段，將氣源品質提升至滿足發電機組對進氣的要求。為了驗證氣源品質的提升對低濃度瓦斯發電機組運行效果的影響，北京時代桃源環境科技有限公司聯合寧夏石嘴山瓦斯發電站對其原有的低濃度瓦斯發電系統進行了改造及運行結果跟蹤。

寧夏石嘴山瓦斯發電站低濃度瓦斯發電系統于2007年11月投入試運行，建設有8臺500kW低濃度瓦斯發電機組，由于氣源品質差，一直存在著機組停機維護頻繁，維護費用高昂，發電效率低等問題。2010年3月，該電站對低濃度瓦斯發電系統進行了脫水改造，在每臺發電機組前段增設了一套氣體預處理裝置進行脫水、除塵處理，經過兩年多的運行跟蹤，電站原有的問題得到了有效的改善。

2.1 燃氣機組維護工作量大幅度減少

經過兩年的跟蹤運行，結果表明增加預處理工藝后燃氣發電機組的年持續運行時間由原來的平均5000小時，延長至現在的平均6000小時；潤滑油的更換周期也由改造前的750小時，延長至目前的1500小時。因為燃氣品質的提升，機組內液態水積聚情況得到好轉，減緩了內部中冷器、火花塞、缸套等部件的銹蝕，有效降低了機組停機維護的頻率。

2.2 年發電總量得到顯著提升

氣源品質改善以后，燃氣熱值更為穩定，機組點火成功率提高，因此運行效率得到了明顯的提升，由改造前的76%提升至改造后的84%，再加之單臺發電機組年運行時間的有效延長，使得整個低濃瓦斯發電系統的年發電總量有了顯著的提高，由改造前的1529萬kWh增加至1934萬kWh，提升幅度高達27.3%(此處已經扣除了系統改造新增年耗電量81.6萬kWh)。

3 低濃度瓦斯預處理系統的工藝方案

3.1 電制冷脫水工藝方案

該方案的主要工藝是采用風冷式冷水機組為低濃度瓦斯氣提供冷源，通過一次換熱器的凝結脫水作用及二次換熱器的升溫降濕作用，來達到降低氣體相對濕度的目的。經過細水霧輸送的低濃度瓦斯氣進入預處理單元后首先進入除塵過濾器，濾除大顆粒固體粉塵及部分液態水，再進入一級換熱器冷凝脫水，將瓦斯氣的露點溫度控制在15～20℃后，進入二次回熱換熱器與高溫瓦斯氣進行回熱升溫，有效降低瓦斯氣的出口相對濕度，滿足發電機組對一般瓦斯氣相對濕度≤80%的要求。該方案的工藝流程如圖1所示。

圖1 電制冷脫水工藝方案工藝流程圖

低濃度瓦斯氣電制冷脫水單元采用集裝箱或整體撬裝結構，常規設計以1MW裝機容量為1個單元，結構緊湊，可放置于兩臺燃氣機組之間的閑置區域，風冷式冷水機組可集中放置于發電機組廠房外的安全區域內。該方案的主要優點是工藝成熟，處理效果好；主要的缺點是系統運行過程中會產生一定的電耗，對于發電機組年發電總量的改善效果有限，此外，由于系統內設置有冷凝換熱與回熱工藝，導致系統阻力損失較大，約為3～4kPa，對于前端氣體輸送壓力低于12kPa的低濃瓦斯發電系統并不十分適合，適用范圍有限。

3.2 吸收式脫水工藝方案

圖2 吸收式脫水工藝方案流程圖

該方案的主要工藝是采用液態吸收劑對氣體中攜帶的液態水、固體粉塵及部分氣態水進行吸收式脫除，該工藝在空氣除濕領域具有非常成熟的應用經驗。經過細水霧輸送過來的瓦斯氣首先進入除塵脫水器，脫除大顆粒固體粉塵及攜帶的部分液態水后，從吸收塔底部進入，在塔內與噴淋吸收液發生逆流接觸，從而將氣體中攜帶的氣態水分子轉移到吸收液中，同時通過重力及過濾原理去除部分大顆粒固體粉塵，使氣體從塔頂出去以后達到滿足發電機組對氣體相對濕度≤80%的要求。吸收劑與氣體充分接觸后逐漸趨于飽和，飽和的吸收劑在溶液泵的作用下進入再生系統，在再生熱空氣的作用下實現水分子的轉移，恢復活性，循環利用。該方案的工藝流程圖如圖2所示。

低濃度瓦斯吸收式脫水單元主要由吸收塔和再生裝置構成，采用吸收塔與發電機組一對一配置，再生單元共用的設計理念。吸收塔體直徑控制在1～1.5m左右，對于新建項目可放置于發電機組旁的閑置空間，對于改造項目可將原發電機組前的重力脫水器替換為吸收塔，安裝方便；再生系統為整體撬裝結構，可放置于發電機組廠房外的閑置空地處。該方案的主要優點是：系統內耗電設備少，運行能耗極低，約為電制冷的1/6，同時系統運行過程中氣側阻力損失極小，可控制在1～1.5kPa以下，更為適合目前國內低濃度瓦斯低壓輸送的現狀；主要缺點是該工藝在低濃瓦斯利用領域屬于較新技術，在運行案例較少。

4 兩種工藝的技術經濟性比較

為了進一步對比分析兩種預處理工藝在低濃度瓦斯發電系統中應用的技術經濟性，本文針對山西某瓦斯抽放泵站的低濃度瓦斯發電站做了方案對比分析。該發電站可利用低濃度混合瓦斯氣量為15000Nm3/h，總裝機功率7.5MW，為了提高機組運行效率，擬對低濃度瓦斯氣進行預處理，兩種工藝的主要技術、經濟性對比分別如表1、2所示。

表1 兩種工藝的技術性對比

表2 兩種工藝的經濟性對比

續表

由表1、表2分析可知，電制冷脫水工藝技術成熟，處理效果穩定，但是由于系統內冷凝換熱器與回熱器的工藝約束，系統內阻力損失較大，對于前端瓦斯氣輸送壓力較低或發電機組對進氣壓力要求較高的低濃度瓦斯發電系統不宜采用此方法；吸收式脫水工藝屬于新興技術，處理效果穩定，系統內阻力損失極低，能夠適應目前國內低濃度瓦斯輸送壓力低的現狀，雖然其設備初投資相比較同等處理規模的電制冷工藝較高，但是通過對運行費用的節省，兩年內可回收設備投資差價，從長遠運行的角度考慮，低濃度瓦斯發電站氣體預處理系統宜采用吸收式脫水工藝。

[1] 顧潔. 液體除濕設備性能的分析與研究[D]. 西安建筑科技大學，2004

[2] SY/T0076-93, 天然氣脫水設計規范

[3] ROE S, REISMAN J, ST RAIT R, et al. Emerging Techno loges for the Management and Utilization of Landfill Gas [R]. Washing to n: U. S. Environment al Protection n Agency Office of Research and Development, 1998.

(責任編輯 黃 嵐)

Selective Application of Pretreatment Process in Low-concentration Gas Power Generation Project

XU Tingting

(Beijing Fairyland Environmental Technology Co., Ltd., Beijing 100085)

This paper puts forwards two technical routes aiming at low concentration gas pretreatment, i.e. electrical refrigeration dewatering process and absorption dewatering process, and compares and analyzes the factors of two processes. Results show the effect of two processes on gas source improvement are similar, and the two processes can both meet requirements of generator units for gas quality. The electrical refrigeration dewatering process is more suitable for low concentration gas power generation system with strict initial investment control and transmission pressure no lower than 12～15kPa; while the absorption dewatering process is more suitable for low concentration gas power generation system with strict operation cost control, low front-end transmission pressure and small installation space.

Low-concentration gas pretreatment system; absorption dewatering process; electrical refrigeration dewatering process

徐婷婷，女，碩士研究生，主要從事瓦斯氣、沼氣、填埋氣等氣體的預處理工藝設計及售前支持工作。