20 000 m3（標(biāo)）/d沼氣變壓吸附法制天然氣（CNG）工藝技術(shù)

劉建波，鄧明志，郝 偉，龐 輝

（1.綿陽(yáng)市鑫科源環(huán)?？萍加邢薰?；2.綿陽(yáng)東江環(huán)?？萍加邢薰?，四川綿陽(yáng) 621000；3.成都天成碳一化工有限公司，四川成都 610045；4. 綿陽(yáng)瑞特爾科技有限公司，四川綿陽(yáng) 6210003）

1 沼氣的性質(zhì)與用途

沼氣是有機(jī)物質(zhì)（如秸稈、雜草、人畜糞便、垃圾、污泥、工業(yè)有機(jī)廢水等）在厭氧環(huán)境和一定條件下，經(jīng)過(guò)種類繁多、數(shù)量巨大、功能不同的各類厭氧微生物的分解代謝，最后形成以CH4和CO2為主的混合氣體，是一個(gè)生物化學(xué)過(guò)程。沼氣的主要成分是甲烷（CH4），通常占總體積的50%~70%；其次是二氧化碳，占總體積的25%~40%；硫化氫、氮?dú)?、氧氣、氫氣和一氧化碳等氣體占總體積的5%左右[1，2]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，以及國(guó)家在節(jié)能減排政策層面的鼓勵(lì)，越來(lái)越多的沼氣提純后作車用燃?xì)猓–NG），通過(guò)鍋爐、發(fā)電[2]（熱電聯(lián)產(chǎn)）等被利用起來(lái)。

目前，沼氣發(fā)電難以上網(wǎng)，一般僅自用；用于燃料電池或凈化廢水技術(shù)尚不成熟；用作化工原料則由于一般沼氣產(chǎn)量較小，不具備一定的規(guī)模效應(yīng)。隨著全國(guó)能源緊張和石油價(jià)格的高位運(yùn)行，全球包括中國(guó)的燃?xì)鈨r(jià)格也在飛漲，其中CNG 價(jià)格已達(dá)4~5元/m3，因此，利用沼氣生產(chǎn)代用天然氣（SNG）或車用燃?xì)猓–NG），將具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 沼氣凈化技術(shù)

沼氣制CNG，從利用方向上分析，除CH4外的其他組分均為有害組成或雜質(zhì)，需分別進(jìn)行脫除。其中主要雜質(zhì)為CO2，由于含量較高，其存在量越多則氣體熱值越低，根據(jù)我國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2018《天然氣》中二類天然氣技術(shù)指標(biāo)要求：須將CO2脫除至4.0%以下；總硫≤100 mg/m3，H2S ≤20 mg/m3；由于沼氣通過(guò)是在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生的，O2含量一般不會(huì)超標(biāo)，但需注意CNG 標(biāo)準(zhǔn)中要求凈化后O2含量不得高于0.5%；為防止結(jié)冰堵塞管道，在生產(chǎn)CNG 和LNG 時(shí)，還需對(duì)其中的水進(jìn)行深度脫除；其他微量的N2、H2等在不影響天然氣標(biāo)準(zhǔn)要求的熱值時(shí)，可不予脫除。

2.1 脫硫

沼氣中含有的少量硫會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)設(shè)備、管道、儀表等產(chǎn)生腐蝕，故無(wú)論是直接用于燃燒或沼氣發(fā)電，都必須對(duì)沼氣進(jìn)行必要的脫硫處理。

沼氣中硫的存在形式主要為H2S，脫除方法很多，目前工業(yè)上常用的脫硫方法有濕法脫硫和干法脫硫兩大類。

針對(duì)20 000 m3（標(biāo)）/d 及其以下沼氣脫硫裝置，推薦采用干法脫硫技術(shù)[3]，兩脫硫塔串并聯(lián)相結(jié)合對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫凈化。

2.2 脫碳

目前工業(yè)上常用的沼氣脫碳工藝主要有：高壓水洗法、膜分離法和變壓吸附法[4]。三種工藝均對(duì)原料氣的壓力有一定要求，即脫碳前需先對(duì)沼氣進(jìn)行加壓。經(jīng)脫碳操作后，三種工藝排放的CO2都接近常壓。對(duì)于沼氣制CNG 裝置，原料沼氣升壓越高，則用于壓縮CO2所浪費(fèi)的功耗越大。

沼氣脫碳是沼氣凈化制CNG 的關(guān)鍵工序，針對(duì)20 000 m3（標(biāo)）/d 及其以下沼氣脫碳裝置，本文推薦采用變壓吸附脫碳技術(shù)，脫除沼氣中的CO2氣體[2]。

2.3 脫水

水的存在會(huì)與H2S、CO2等反應(yīng)，引起壓縮機(jī)、氣體貯罐和發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕；在管道中積累；高壓情況下冷凝或結(jié)冰。因此，沼氣如用于生產(chǎn)CNG，除需進(jìn)行常規(guī)的脫硫、脫碳外，還需對(duì)沼氣中的H2O進(jìn)行深度脫除，使產(chǎn)品CNG 的常壓露點(diǎn)達(dá)到-60℃。針對(duì)20 000 m3（標(biāo)）/d 及其以下沼氣脫碳裝置，CNG脫水通常采用變溫吸附。

3 20 000 m3（標(biāo)）/d沼氣制CNG工藝方案

以20 000 m3（標(biāo)）/d 沼氣制CNG 裝置為例，擬定的沼氣組成，如表1所示。

表1 擬定的原料沼氣指標(biāo)

3.1 20 000 m3（標(biāo)）/d沼氣PSA制CNG裝置

3.1.1 工藝流程

原料沼氣經(jīng)風(fēng)機(jī)（視原料壓力設(shè)置）增壓后輸送至干法脫硫系統(tǒng)。脫硫系統(tǒng)擬采用兩臺(tái)脫硫塔，可并聯(lián)或串聯(lián)使用。脫硫塔裝填常溫氧化鐵脫硫劑，可控制脫硫塔出口H2S 含量<10×10-6。另外，后序PSA脫碳系統(tǒng)亦有一定的脫硫功能，在壓縮機(jī)可承受范圍及PSA 尾氣達(dá)標(biāo)排放的前提下，前端脫硫塔脫硫精度可適當(dāng)放寬。

脫硫后沼氣通過(guò)沼氣壓縮機(jī)加壓至約0.6 MPa 后，進(jìn)入PSA 脫碳系統(tǒng)[4]。

變壓吸附脫碳擬采用6-2-3/V 流程。即6臺(tái)吸附器，2塔同時(shí)進(jìn)料，3次均壓，抽真空解吸工藝。整個(gè)操作過(guò)程都是在環(huán)境溫度下進(jìn)行，各吸附器交替循環(huán)操作，每個(gè)吸附器在一次循環(huán)中都必須經(jīng)過(guò)：吸附（A）、一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E2D）、逆放（D）、抽真空（V）、三均升（E2R）、二均升（E2R）、一均升（E1R）、終充（FR）等步驟。在脫碳吸附器出口端獲得除去雜質(zhì)的凈化氣，即脫碳后產(chǎn)品天然氣，經(jīng)CNG 壓縮機(jī)加壓至25 MPa，然后經(jīng)脫水裝置深度脫水后即產(chǎn)品CNG。逆放及抽真空步驟排出的解吸氣，其主要成分為CO2，可經(jīng)收集后用于制取液體CO2，或高空排放，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3.1.2 主要工藝設(shè)備

裝置主要非標(biāo)設(shè)備14臺(tái)，主要材質(zhì)為碳鋼，含少量不銹鋼，總重約26 t。定型設(shè)備6臺(tái)/套，其中沼氣鼓風(fēng)機(jī)視原料氣壓力大小選擇與否。所有設(shè)備均可在國(guó)內(nèi)采購(gòu)、加工，如表2所示。

表2 主要工藝設(shè)備表

3.2 投資估算

20 000 m3（標(biāo)）/d 沼氣變壓吸附制CNG 裝置投資估算，如表3所示。

表3 20 000 m3（標(biāo)）/d沼氣變壓吸附制CNG裝置投資估算

4 結(jié)論

以20 000 m3（標(biāo)）/d 沼氣為例，采用變壓吸附法制天然氣，產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均優(yōu)于GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》標(biāo)準(zhǔn)，且生產(chǎn)成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益好，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。建議國(guó)家相關(guān)部門，簡(jiǎn)化沼氣CNG 加氣站審批流程，方便更多的沼氣CNG 進(jìn)入民用市場(chǎng)，緩減目前加氣站供氣不足的狀態(tài)，為沼氣的有效利用提供便利，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。