利用沼氣生產城鎮燃氣的工藝及技術方案

羅東曉

1.新奧能源控股有限公司 2.中山大學

利用沼氣生產城鎮燃氣的工藝及技術方案

羅東曉1,2

1.新奧能源控股有限公司 2.中山大學

目前國內沼氣的高效利用技術缺乏,不能滿足產業發展需求,開發出簡捷實用的工藝流程和方法,可達到沼氣低值產品高值利用的目的。為此,依據沼氣的基本特性和天然氣管網實際需求,研究出了能夠適應各種不同工況的沼氣利用工藝技術方案,即對沼氣實施完全提純技術和部分提純技術。針對沼氣產地的具體情況,通過技術經濟分析比較后,優選了工藝流程,采用最優化工藝技術路線,使沼氣經過相應的凈化處理后,直接輸入天然氣管網,或者與其他燃氣混配后進入天然氣管網;也可以生產出壓縮天然氣產品外運,或者制取壓縮沼氣后外運,以實現沼氣利用成本最低化、附加值最大化的目標。

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保守估計,國內沼氣年產量至少超過200×104m3,相當于1 500×104t標準煤[1]。但是,目前國內的沼氣利用技術研究尚未引起足夠的重視,遠遠滿足不了產業發展需求,特別是沼氣的經濟利用技術嚴重缺乏,嚴重阻礙了產業的發展,致使大量的寶貴能源得不到合理利用,被白白地排放掉[2]。沼氣中的主要組分甲烷是強溫室效應氣體,產生的溫室效應是CO2的21倍,對臭氧層的破壞力是CO2的7倍,直接排放對大氣環境破壞力極大[3]。

能否開發出一種簡捷實用的工藝流程和方法,實現低值產品(沼氣)高值利用(替代天然氣或其他城鎮燃氣),大幅提高經濟效益,這是一個極有現實意義的課題。

1 沼氣與天然氣的參數與基本特性

1.1 沼氣的基本參數與特性

典型的沼氣組分、熱值及燃燒特性參數如下。體積含量:CH4為61.28%;CO2為38.09%;H2S及其他組分為0.63%;高位熱值5 708 kcal/m3(23.90 MJ/ m3);低位熱值5 148 kcal/m3(21.55 MJ/m3);華白指數5 873 kcal/m3(24.59MJ/m3);燃燒勢(CP)18.52;氣體密度1.22 kg/m3。

1.2 典型的天然氣基本參數與特性

按照行業習慣,一般來說,天然氣被分為兩大類別:①管輸天然氣;②液化天然氣。兩類天然氣的典型組分及相關的燃燒特性參數如表1所示。

表1 兩類天然氣的典型組分及相關的燃燒特性參數表

1.3 分析及結論

1)分析沼氣的基本參數、特性和表1數據可以看出,無論是與管輸天然氣還是與液化天然氣相比較,沼氣的熱值、華白指數、燃燒勢、密度等參數,都與其存在較大差異,兩種氣體不具備互換性,不能直接替代。

2)沼氣中的CO2組分含量高是造成上述差異的最根本的原因。對沼氣進行深度凈化處理,使CO2組分體積含量低于3.0%(國標要求值),并脫除掉其他雜質,比如水分、H2S組分等,使其各項指標符合國家標準(以下簡稱“國際”)要求,則沼氣實際上就已成為真正意義上的天然氣。此時,被深度凈化的沼氣與管輸天然氣組分、熱值、燃燒特性參數完全相同。

3)按照“國標”要求,每一類別的天然氣均允許其組分(熱值、華白指數、燃燒勢)有一定幅度的變化,雜質含量有一定的許可范圍。也就是說,這種變化和含量范圍只要在“國標”所規定的范圍內即可。鑒于此,為減少生產成本,不對沼氣進行深度凈化處理,比如,只對沼氣進行淺度凈化處理,甚至完全不進行凈化處理,通過與天然氣或接近天然氣燃燒特性的其他可燃氣體相混合的方式,使混合后的氣體各項指標符合“國標”相關要求,則可以達到沼氣低成本利用的目的。這種利用方式是可行的、經濟的,應優先采用。

2 利用沼氣的基本思路

依據是否對沼氣進行組分分離以及分離深度的不同,將利用沼氣方式分為“沼氣完全提純”和“沼氣部分提純”兩種利用方式,終極目標都是一致的:制取與管輸天然氣燃燒特性完全一致的代天然氣產品。

2.1 沼氣完全提純利用方式

對沼氣進行深度凈化處理,脫除掉其中的雜質(H2S、水分等)和無效組分(CO2、氧氣、氮氣等),使之成為符合“國標”要求,并與天然氣特性完全一致的代天然氣產品:或直接進入天然氣管網供用戶使用;或再進行深度脫水處理后加壓,制成壓縮天然氣產品,以管束車外運到外地區供用戶使用。

2.2 沼氣部分提純利用方式

不對沼氣進行深度凈化處理,視其需要只作淺度處理,脫除掉其中的部分雜質(H2S、水分等)和部分無效組分(CO2、氧氣、氮氣等)后:或進入調配裝置與其他燃氣實施摻混,制成熱值和燃燒特性參數均符合國家相關標準,并確保用戶利益的“沼氣+其他燃氣”混合氣,直接進入天然氣管網供用戶使用;或對沼氣作深度脫水處理后加壓,制取壓縮沼氣,以管束車外運到外地,再與其他燃氣實施摻混,制成符合要求的“沼氣+其他燃氣”混合氣。

顯然,具體采用何種利用方式,需依據沼氣產量、組分、產氣裝置情況,結合沼氣產地周邊具體條件,是否毗鄰天然氣管網等多種因素綜合考慮,并經過技術經濟比較后予以確定。確保以最低的生產成本和安全可靠的工藝技術,達到沼氣高附加值利用的目標。

3 利用沼氣的工藝技術方案

以沼氣為原料生產代天然氣產品的總體工藝流程如圖1所示。

3.1 沼氣集輸與儲存環節

從各個沼氣生產裝置產生的沼氣,分別經過集輸管道以3.0 kPa左右的壓力匯集在沼氣緩沖罐內,再進入雙膜沼氣儲罐儲存,之后由沼氣壓縮機加壓,進入沼氣凈化處理環節。必要時,比如下游裝置呈事故狀態,為平衡負荷,出沼氣壓縮機的沼氣可以部分或全部返回鍋爐燃燒或燃燒放散。

圖1 以沼氣為原料生產代天然氣產品的總體工藝流程圖

3.2 沼氣凈化處理環節

3.2.1 過濾

過濾器分離出沼氣中的絕大部分物理雜質后,送入下一道工序。

3.2.2 脫硫

即主要脫除沼氣中的無機硫——H2S組分[4],主要有干法、濕法和膜分離法等工藝。通常在H2S含量較低、處理量較小、或者對H2S雜質含量要求不太嚴格的場合,采用干法脫硫工藝;而在H2S含量較高、處理量較大、或者對H2S雜質含量要求嚴格的場合,則采用“先濕法后干法”的混合脫硫工藝。

3.2.2.1 干法脫硫工藝

一般采用2個脫硫塔,一開一備的運行模式,填裝在脫硫塔內的脫硫劑可選用價格低廉的氧化鐵木屑脫硫劑。常溫下沼氣通過脫硫劑床層,其中的H2S與活性氧化鐵接觸,生成硫化鐵和亞硫化鐵,使H2S得以分離。吸附有硫化物的脫硫劑與空氣中的氧接觸,有水分存在時,鐵的硫化物又轉化為氧化鐵和單體硫,實現脫硫與再生過程循環。此工藝還可采用活性炭法。3.2.2.2 濕法脫硫工藝

常見的濕法脫硫工藝采用液體吸收劑,通過“吸收—解吸—再吸收—再解吸”閉路循環方法,實現對H2S的分離。吸附下來的硫可以制作硫磺對外銷售。

吸收劑可選擇堿液,比如碳酸鈉溶液、蒽醌二磺酸鈉溶液、氨水溶液、碳酸鈉溶液、氫氧化鈉水溶液等。也可以選用一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA),三乙醇胺(TEA)等,可以同時除去沼氣中的H2S和CO2。

此外,在源頭上(沼氣生產環節)去除H2S則是一種治本的方法[5]。可采用生物降解工藝、生物濾床工藝、添加氯化鐵工藝等,達到這一目的。

3.2.3 脫碳

脫碳是指脫除沼氣中的CO2組分[6]。

3.2.3.1 干法脫除工藝

一般采用碳分子篩(變壓吸附PSA)工藝:利用吸附劑(分子篩)對CO2的吸附力很強,而對CH4吸附力相對較弱的原理,達到將沼氣中甲烷與CO2組分進行分離的目的。通過不同的網孔大小或者壓力,可對CO2組分進行選擇性的吸收。當壓力減小時,分子篩中吸收的CO2組分被釋放出來,使吸附劑得到再生。分子篩材料可由活性炭制作成微米級的孔隙結構。

該工藝可同時去除CO2、H2S和水蒸氣,操作方便,流程簡單,無設備腐蝕問題,能耗及裝置運行費用并不高。缺點是吸附過程伴隨一定量的甲烷組分損失。

3.2.3.2 濕法脫除工藝

濕法脫除工藝主要有:物理吸收法、化學吸收法和物理化學吸收法。常見的N-甲基二乙醇胺法(MDEA法)是一種物理—化學吸收法[7],該方法利用活化MDEA水溶液在中高壓常溫條件下,將沼氣中的CO2和H2S吸收分離出來;而在降壓和升溫情況下,CO2和H2S又從溶液中解吸出來,同時溶液得到再生。MDEA脫除酸性氣體的流程可以視脫除深度要求采用“貧液一段吸收”和“貧液—半貧液兩段吸收”方式。

濕法脫碳工藝脫除下來的CO2可進一步進行深加工處理,獲得純凈CO2氣體,或者制作干冰產品外銷。

3.2.3.3 膜分離工藝

膜分離法是一種新型的CO2分離技術。它使用一種選擇性滲透膜,利用甲烷和CO2組分滲透性能的差別而實現酸性組分(CO2和H2S等)的分離主要有2種方法:①高壓氣體分離,膜的兩邊都是氣相;②低壓氣相—液相吸收分離,膜的一邊是氣體(甲烷),另一邊是液體,用于吸收擴散穿過膜的CO2分子。

和變壓吸附(PSA)工藝一樣,膜分離法用于脫除沼氣中的CO2組分時,最大的缺點是伴隨一定量的甲烷組分損失。

3.2.4 脫水

脫除沼氣中的水分常見的有冷凝法、吸收法和吸附法3種:①冷凝法,是在熱交換系統中通過冷卻器冷卻氣體而除去冷凝水;②吸收法,利用乙二醇、三乙二醇等吸水性較好的液相物質吸收沼氣中的水分;③吸附法,通過硅膠、氧化鋁或氧化鎂等干燥劑來吸收氣體中的水分。通常使用2套裝置,一套裝置吸附,另一套裝置再生。

3.3 高壓產品生產與產品調控處理環節

產品調控處理環節的宗旨是確保沼氣利用成本最低化。遵循下述國家標準:《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—2006)、《城鎮燃氣技術規范》(GB 50494—2009)、《天然氣》(GB 17820—1999)、《車用壓縮天然氣》(GB 18047—2000)、《城鎮燃氣分類與燃燒特性》(GB 16121—2008)。其生產模式如下:

3.3.1 壓縮產品生產

3.3.1.1 生產壓縮天然氣

經過深度凈化處理后凈化沼氣,脫除掉其中的物理雜質、H2S、CO2和水分等,甲烷組分體積含量超過97%,實際上這種凈化沼氣已經完全成為純正天然氣產品,燃燒特性與管輸天然氣完全一致。將這種凈化沼氣進行深度脫水處理后加壓至20.0 MPa以上壓力,則成為壓縮天然氣產品。

表2 “LNG+沼氣”混合氣的相關技術參數表

3.3.1.2 生產壓縮沼氣

有些情況下,沼氣產地受現場場地條件等限制,不適宜建設CO2脫除裝置。對脫除掉物理雜質、H2S的沼氣深度脫水后再加壓,制成壓縮沼氣外運,也是一種沼氣的利用方式。

盡管這種利用模式會增大運輸成本,但通常這種沼氣可以通過低成本價格獲取到。綜合比較后發現,這種模式具有其特有的經濟優勢。比如,將其運送至LNG氣化站與高熱值的氣相LNG按照一定比例摻混,制成“LNG+沼氣”混合氣供用戶使用,燃燒特性與管輸天然氣完全一致,混合氣成本一般都較低。

3.3.2 就近輸入天然氣管網

3.3.2.1 完全提純

對沼氣進行深度凈化處理,使之成為純天然氣就近輸入管網供用戶使用。

3.3.2.2 部分提純

初步凈化后的沼氣并不直接進入天然氣管網供用戶使用,而是作為一種中間產品或生產原料與其他燃氣(LNG、LPG或者其他可燃氣體)混配,制成符合“國標”要求的“其他燃氣+沼氣”混合氣,混合氣就近輸入管網供用戶使用[8],燃燒特性與管輸天然氣完全一致,對用戶的使用不構成不良影響,但可以大大降低沼氣凈化處理成本。

以沼氣產量為3 000 m3/d時,典型組分的沼氣與澳大利亞LNG氣混配為例,不同比例情況下的“LNG+沼氣”混合氣熱值、CO2含量及燃燒特性參數見表2。

分析表2數據,只要氣相LNG流量(QLNG)高于3.72×104m3/d,LNG與沼氣的調配比例控制在7.5%∶92.5%范圍內,“LNG+沼氣”混合氣的熱值與燃燒特性,就完全符合“國標”相關要求,可以直接輸入天然氣管網供用戶使用[9]。

4 結束語

沼氣應用在城市燃氣領域,利用方式有多種,可供選擇的工藝路線也較多,不同的工藝適應不同工況,且生產成本有差異。因此,依據沼氣產地條件和天然氣管網的實際情況,經過技術經濟分析比較后,選取最優化的工藝技術方案加以利用,有利于提高整體經濟效益,實現最大化提升沼氣利用附加值的目標。

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10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.029

2011-02-24 編輯 羅冬梅)

羅東曉.利用沼氣生產城鎮燃氣的工藝及技術方案.天然氣工業,2011,31(5):107-110.

羅東曉,1961年生,教授級高級工程師,學士;現任新奧能源控股有限公司副總工程師,中山大學、華南理工大學兼職教授;從事天然氣高效利用及新能源技術研究工作。地址:(065001)河北省廊坊市經濟技術開發區新源東道新奧工業園區A樓416室。電話:(0316)2598740,13501520589。E-mail:ldx2005@vip.sohu.com