淺談?wù)託獍l(fā)電工程及氣體的凈化處理與安全輸送

孫剛云 陳建波

摘 要：目前，我國所面臨的環(huán)境和能源壓力比較大，對一系列可再生資源的開發(fā)和應(yīng)用，從而代替天然氣、石油、煤炭等化石燃料是世界將來解決能源危機(jī)的一種關(guān)鍵方式。沼氣這種能源是綠色能源，沼氣發(fā)電技術(shù)是取得綠色能源和治理環(huán)境污染最為實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的方式，縱觀我國沼氣發(fā)電技術(shù)能力、產(chǎn)量潛力、政策導(dǎo)向，以及市場需要，沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)有著巨大的發(fā)展空間。并且，沼氣發(fā)電工程是系統(tǒng)化的，工程中氣體的凈化處理和輸送已經(jīng)影響到了發(fā)電工程的成敗。本文從沼氣的脫硫、脫水、加壓、儲(chǔ)存以及安全輸送等方面詳細(xì)分析了工藝流程中的每個(gè)單元環(huán)節(jié)。沼氣凈化、輸送工程處理效果的好壞和能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，直接影響著沼氣發(fā)電工程的成敗，在沼氣發(fā)電系統(tǒng)工程中起著舉足輕重的作用。

關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電；凈化處理；安全輸送

1 沼氣發(fā)電的現(xiàn)狀及意義

1.1 沼氣發(fā)電的基本概況

沼氣是一種很好的清潔可再生能源，在生物質(zhì)的再生應(yīng)用中，所排出的CO2跟生物質(zhì)再生的過程中吸收的CO2實(shí)現(xiàn)碳平衡，有著零排出CO2的功能，以及十分廣闊的發(fā)展前景。

沼氣發(fā)電屬于優(yōu)化應(yīng)用沼氣工程的一種主要方式。在出臺《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》以及《可再生能源法》的影響下，沼氣發(fā)電引起了人們的普遍重視，當(dāng)今的沼氣發(fā)電趨勢是迅速增長的。在招商引資當(dāng)中，政府部門也高度重視沼氣發(fā)電，可以說，沼氣發(fā)電利國利民，受到越來越多的人關(guān)注。

1.2 沼氣發(fā)電的意義

我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主，煤炭所占的比重近70%，造成了嚴(yán)重的大氣污染。沼氣發(fā)電基本不增加溫室氣體。2.5萬千瓦運(yùn)營沼氣發(fā)電機(jī)組，跟相同功率的火電機(jī)組進(jìn)行比較，每年能夠減少大概10萬噸的二氧化碳排放量?；痣姀S二氧化硫的大量排放，導(dǎo)致酸沉降與酸雨。沼氣含硫量是煤炭的大概10%，“此硫非彼硫”，如此的沼氣發(fā)電還能夠使二氧化硫等有害的氣體量的排出大大地降低。除此之外，傳統(tǒng)意義上的火電廠在燃燒煤炭之后會(huì)出現(xiàn)大概30%的煤渣；生物質(zhì)直燃發(fā)電產(chǎn)灰率只是大概2%，灰粉有著豐富的鉀元素，在進(jìn)行加工之后能夠制作成為高效的肥料。為此，空氣里來空氣里去屬于沼氣發(fā)電的原料，剩下的回到土中，基本不形成污染。

沼氣的主要原料是生物質(zhì)，養(yǎng)殖場、食品廠、釀酒企業(yè)、污水處理廠、垃圾處理廠等企業(yè)均有大量的沼氣資源可以利用。我國有著十分豐富的生物質(zhì)能源，農(nóng)作物秸稈的量超出了7.2億t，其中的6.04億t能夠充當(dāng)能源。我國在引進(jìn)、消化、吸收外國發(fā)達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上，嫁接規(guī)?；⒓s化、商品化的管理，根據(jù)我國的發(fā)展現(xiàn)狀，在注重穩(wěn)定和健康發(fā)展的前提條件下，在緩解電力供應(yīng)緊張與節(jié)約不可再生資源等環(huán)節(jié)上都有著十分關(guān)鍵的作用。沼氣發(fā)電不僅僅使有害氣體與溫室氣體的排出量降低，還有利于建設(shè)和諧社會(huì)。

2 沼氣發(fā)電的工藝流程

沼氣發(fā)電是一個(gè)系統(tǒng)工程，它包括沼氣生產(chǎn)、沼氣凈化與儲(chǔ)存、沼氣發(fā)電及上網(wǎng)等多項(xiàng)單元技術(shù)的優(yōu)化組合。

3 沼氣的凈化處理及安全輸送

3.1 沼氣的凈化處理

沼氣由厭氧消化罐到達(dá)管道的過程中，溫度逐步地降低，一部分含有雜質(zhì)的冷凝水出現(xiàn)于管道當(dāng)中，倘若不能夠由系統(tǒng)當(dāng)中除去，會(huì)破壞和堵塞管道設(shè)施。并且，沼氣中H2S氣體溶水會(huì)使氫硫酸形成，進(jìn)而使管道設(shè)施毀壞與腐蝕。凈化沼氣重點(diǎn)是儲(chǔ)存和加壓沼氣以及去除冷凝水與脫硫。

3.1.1 沼氣脫硫方案

基本原理：沼氣，即有機(jī)物通過厭氧分解產(chǎn)生的混合氣體。其主要化學(xué)成分為CH4和CO2，還含有微量H2、N2、NH3和H2S氣體。畜禽場沼氣工程沼氣CH4含量一般在55-65%之間，CO2含量一般為35-40%。沼氣中值得注意的是H2S氣體，因?yàn)镠2S氣體不僅溶于水汽中產(chǎn)生能腐蝕管道或設(shè)備的氫硫酸，而且還是一種有毒氣體。H2S氣體有二個(gè)來源，一是由蛋白質(zhì)水解后發(fā)生脫硫化氫脫氨基反應(yīng)生成，二是由污泥中的硫酸鹽中的SO42-發(fā)生還原反應(yīng)生成。當(dāng)污水或污泥中含有大量糞便時(shí)，由于蛋白質(zhì)大大增加，沼氣中的H2S氣體含量有時(shí)會(huì)高達(dá)1.0%。

雖然CH4和CO2為無色無味無毒的氣體，但由于少量的H2S氣體的存在，沼氣略有臭味并具有毒性。沼氣的熱值常在20-23 MJ/m3之間，具體數(shù)值取決于其中CH4氣體的含量。一般來說，沼氣的熱值高于城市煤氣而低于天然氣。

厭氧消化罐剛產(chǎn)出的沼氣這種混合性的氣體含有飽和水蒸氣，除了含有惰性氣體CO2以及氣體燃料CH4之外，還含有懸浮顆粒雜質(zhì)與H2S。H2S有著比較強(qiáng)的腐蝕性與毒性。大量的雜質(zhì)與H2S會(huì)使發(fā)電機(jī)組的壽命受到影響。為此，新生的沼氣不適宜直接性地燃燒，還要求脫硫和分離氣水，最后的時(shí)候向沼氣發(fā)電機(jī)組輸送。

目前，我國的沼氣工程的脫硫方式基本上都應(yīng)用干法氧化鐵。在常溫條件下，把沼氣向脫硫劑床層通過，這樣活性氧化鐵與沼氣中的H2S進(jìn)行接觸，使三硫化二鐵生成，空氣當(dāng)中的氧與含硫化物脫硫劑接觸，在存在水的情況下，鐵的硫化物向單質(zhì)硫與氧化鐵轉(zhuǎn)化。如此的脫硫再生能夠?qū)嵤┒啻蔚难h(huán)，一直到氧化鐵脫硫劑的絕大多數(shù)孔隙被其它雜質(zhì)與硫覆蓋失去活性。脫硫反應(yīng)方程式為：

脫硫反應(yīng)：Fe2O3·H2O + 3H2S → Fe2S3·H2O + 3H2O +63 kJ

再生反應(yīng)：Fe2S3·H2O + 1.5O2 → Fe2O3·H2O + 3S +609 kJ

再生之后的氧化鐵能夠不間斷地將沼氣當(dāng)中的H2S脫除。以上的兩個(gè)反應(yīng)式都是放熱反應(yīng)，然而，脫硫反應(yīng)快于再生反應(yīng)。為了使硫化鐵完全地向氧化鐵再生，工程常常分開這兩種過程。

一般的脫硫塔的形式如圖所示。由底部進(jìn)入沼氣，向脫硫吸附劑層后通過之后，由頂部離開。根據(jù)沼氣量在大小，常用的脫硫塔一般為二只以上并聯(lián)同時(shí)使用，維修或更換脫硫劑時(shí)可單只使用。

3.1.2 沼氣脫水處理方案

沼氣進(jìn)脫硫塔前，必須脫除其中的液態(tài)水，防止液態(tài)水在塔內(nèi)積累。

基本原理：當(dāng)含有水分的沼氣流通過旋風(fēng)捕滴氣水分離器的進(jìn)氣管進(jìn)入氣水分離罐體時(shí)，利用旋風(fēng)分離技術(shù)使氣水在分離罐內(nèi)分離，分離出來的氣體仍然含有一定的水霧，氣體進(jìn)入罐體內(nèi)筒，內(nèi)筒裝有能改變氣體流動(dòng)方向的介質(zhì)（介質(zhì)孔隙率86%，介質(zhì)通氣截面積是進(jìn)氣管道截面積的3倍），當(dāng)氣體通過多層面介質(zhì)時(shí)，在霧沫慣性的基礎(chǔ)上，科學(xué)利用了霧沫與介質(zhì)相互碰撞的原理，介質(zhì)表面上的霧沫在擴(kuò)散和重力基礎(chǔ)上，使霧沫逐漸形成較大的液滴，直到液滴重力越過氣體的上升與液體表面張力的合力時(shí)，液體就從介質(zhì)上分離下來，使除水率達(dá)到99%以上，進(jìn)一步分離了氣體中殘留的水霧，通過輸氣管進(jìn)入輸送管道，分離出來的水分則在罐底積蓄起來，當(dāng)水位達(dá)到一定的高度時(shí)，由疏水閥將水輸出，水位下降后，疏水閥關(guān)閉，使罐內(nèi)的水保持一定的水位。如此循環(huán)動(dòng)作，旋風(fēng)捕滴氣水分離器一直處于恒定的水位狀態(tài)，氣水達(dá)到充分分離。為防止沼氣粉塵對介質(zhì)的堵塞，分離器設(shè)有水清洗系統(tǒng)，當(dāng)分離器進(jìn)輸氣口壓降達(dá)到1kpa時(shí)，開動(dòng)水清洗系統(tǒng)清洗介質(zhì)，污水通過輸渣口輸出，保持介質(zhì)的暢通，使氣體流量保持恒定。分離器還裝有防爆裝置，確保了設(shè)備的安全。

3.1.3 沼氣加壓設(shè)備方案

沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)對進(jìn)氣壓力的要求為5～20kPa，而厭氧消化罐產(chǎn)生的沼氣壓力一般為不大于2kPa，故應(yīng)配置羅茨鼓風(fēng)機(jī)，對沼氣進(jìn)行增壓后進(jìn)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

基本原理：轉(zhuǎn)子是它的主要工作元件。在轉(zhuǎn)軸不同安裝位置的影響下，劃分為立式與臥式的羅茨鼓風(fēng)機(jī)。臥式的兩個(gè)轉(zhuǎn)子中心線在相同的水平面上，并且是垂直流向的氣流，立式的兩個(gè)轉(zhuǎn)子中心線在相同的垂直面上，并且是水平流向的氣流。工作的過程中耦合轉(zhuǎn)子以相等的速度進(jìn)行反向的旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子分向側(cè)，因?yàn)闅馐胰莘e是從小到大發(fā)生變化，這一側(cè)的低壓區(qū)就形成，從而便于進(jìn)氣。在轉(zhuǎn)子合向側(cè)，氣室的容積使從小到大發(fā)生變化，這一側(cè)的高壓區(qū)形成，方便氣體的壓送。氣體由低壓區(qū)輸送到高壓區(qū)，那么憑借轉(zhuǎn)子任何一端把氣體由低壓區(qū)向高壓區(qū)掃入。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一次，氣體會(huì)被壓送四次。為此，其轉(zhuǎn)速與流量是正比例關(guān)系，并且不會(huì)受到高壓區(qū)壓力改變的制約。

3.1.4 沼氣儲(chǔ)氣柜的設(shè)計(jì)

基本原理：以一個(gè)生產(chǎn)沼氣500m3/ h的工程為例，建議采用貯氣柜容積為1000m3。

設(shè)計(jì)參數(shù)如下：水封式氣柜：單座直徑10m，總高度10m，建2座。鋼結(jié)構(gòu)。屬可變?nèi)莘e的金屬柜，它主要由水槽、鐘罩、塔節(jié)以及升降導(dǎo)向裝置所組成。當(dāng)沼氣輸入氣柜內(nèi)貯存式，放在水槽內(nèi)的鐘罩和塔節(jié)依次（按直徑由小到大）升高；當(dāng)沼氣從氣柜內(nèi)導(dǎo)出時(shí)，塔節(jié)和鐘罩又依次（按直徑由大到?。┙德涞剿壑小ｇ娬趾退?jié)、內(nèi)側(cè)塔節(jié)于外側(cè)塔節(jié)之間，利用水封將柜內(nèi)沼氣與大氣隔絕。因此，隨塔節(jié)升降，沼氣的貯存容積和壓力是變化著的。目前在國內(nèi)比較普遍。

3.2 安全輸送沼氣

3.2.1 消除火焰以及防爆

空氣和沼氣在碰到明火與相應(yīng)混合比的影響下，會(huì)導(dǎo)致沼氣的燃燒或者是爆炸。設(shè)計(jì)阻火器能夠避免火焰在管路當(dāng)中的傳播以及外部火焰到達(dá)沼氣系統(tǒng)，從而確保了系統(tǒng)的安全。

阻火器原理。阻火器阻火原理基于兩種作用：傳熱作用 ；器壁效應(yīng)。

（1）傳熱作用。燃燒所需要的必要條件之一就是要達(dá)到一定的溫度，即著火點(diǎn)。低于著火點(diǎn)，燃燒就會(huì)停止。依照這一原理，只要將燃燒物質(zhì)的溫度降到其著火點(diǎn)以下，就可以阻止火焰的蔓延。當(dāng)火焰通過阻火器的許多細(xì)小通道之后將變成若干細(xì)小的火焰。設(shè)計(jì)阻火器內(nèi)部的阻火元件時(shí)，盡可能擴(kuò)大細(xì)小火焰和通道壁的接觸面積，強(qiáng)化傳熱，使火焰溫度降到著火點(diǎn)以下，從而阻止火焰蔓延。

（2）器壁效應(yīng)。燃燒于爆炸并不是分子間直接反應(yīng)，而是受外來能量的激發(fā)，分子鍵遭到破壞，產(chǎn)生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產(chǎn)物，同時(shí)也產(chǎn)生新的自由基在繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)燃燒的可燃?xì)馔ㄟ^阻火器的狹窄通道時(shí)，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應(yīng)的自由基減小。當(dāng)阻火器的通道窄到一定程度時(shí)，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位，由于自由基數(shù)量急劇減少，反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行，也即燃燒反應(yīng)不能通過阻火器繼續(xù)傳播。

3.2.2 壓力安全防護(hù)

沼氣利用系統(tǒng)是一個(gè)壓力系統(tǒng)，如果沼氣收集和使用不平衡，系統(tǒng)壓力可能升高超過允許值或沼氣從沼氣池或氣柜過快地排出可能引起管道內(nèi)部的真空狀態(tài)。

（1）防止超壓的緊急釋放裝置。系統(tǒng)中產(chǎn)生的氣體會(huì)使系統(tǒng)壓力升高。防止系統(tǒng)超壓可以使用廢氣燃燒器將沼氣燒掉，如果還不能阻止系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升，為防止系統(tǒng)超壓對構(gòu)筑物和設(shè)備可能造成的破壞性影響，在沼氣池或氣柜頂部設(shè)置了真空壓力安全閥。同時(shí)，在污泥或沼氣從消化池或氣柜過快地排出而可能引起構(gòu)筑物內(nèi)部的真空狀態(tài)的時(shí)候，真空壓力安全閥還會(huì)動(dòng)作使空氣進(jìn)入構(gòu)筑物，起到最終防護(hù)的作用。因?yàn)檎婵諌毫Π踩y安裝在沼氣系統(tǒng)與外界大氣連通的部位，也需要與消焰器同步安裝，以避免外部的火源進(jìn)入沼氣系統(tǒng)。

（2）負(fù)壓狀態(tài)下的保護(hù)措施。在沼氣壓縮機(jī)和脫硫裝置的入口處安裝了截止閥，防止閥門前部系統(tǒng)沼氣量不夠的情況下，后部沼氣利用系統(tǒng)依然繼續(xù)抽吸氣體。

4 結(jié)論

沼氣發(fā)電這項(xiàng)技術(shù)是獲取綠色能源與治理環(huán)境污染最為實(shí)用與經(jīng)濟(jì)的方式，縱觀我國沼氣發(fā)電技術(shù)能力、產(chǎn)量強(qiáng)力、政策導(dǎo)向，以及市場需要，沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)會(huì)有所突破。然而，沼氣發(fā)電系統(tǒng)工程中的氣體的凈化處理和輸送已經(jīng)影響到了發(fā)電工程的成敗，直接產(chǎn)生的沼氣內(nèi)大量含水、含硫，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸后一方面腐蝕火花塞，另一方面導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火不良，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不均勻，尤其是在冷機(jī)起動(dòng)或低負(fù)荷狀態(tài)下導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不太穩(wěn)定。空氣和沼氣在碰到明火與相應(yīng)混合比的影響下，會(huì)導(dǎo)致沼氣的燃燒或者是爆炸。設(shè)計(jì)阻火器能夠避免火焰在管路當(dāng)中的傳播以及外部火焰到達(dá)沼氣系統(tǒng)，從而確保了系統(tǒng)的安全。總之，沼氣凈化、輸送工程處理效果的好壞和能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，直接影響著沼氣發(fā)電工程的成敗，在沼氣發(fā)電系統(tǒng)工程中起著舉足輕重的作用。