預(yù)處理工藝在低濃度瓦斯發(fā)電項目中的選擇應(yīng)用

徐婷婷

(北京時代桃源環(huán)境科技有限公司，北京 100085)

預(yù)處理工藝在低濃度瓦斯發(fā)電項目中的選擇應(yīng)用

徐婷婷

(北京時代桃源環(huán)境科技有限公司，北京 100085)

本文針對低濃度瓦斯氣體預(yù)處理工藝提出了兩種技術(shù)路線，即電制冷脫水技術(shù)和吸收式脫水技術(shù)，并通過具體案例對兩種工藝的技術(shù)進(jìn)行了比選分析。結(jié)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(fā)電機(jī)組對氣源品質(zhì)的要求，其中電制冷脫水技術(shù)更適用于初投資控制嚴(yán)格、輸送壓力不低于12～15kPa的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)；吸收式脫水技術(shù)則更適用于運行費用控制嚴(yán)格、前端輸送壓力低，安裝空間小的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)。

低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng) 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(fā)電機(jī)組的影響

1.1 增加了燃?xì)鈾C(jī)組的維護(hù)工作量

為了有效保護(hù)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部氣缸等運動部件不被固體粉塵雜質(zhì)卡澀，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組前一般自帶有精密過濾器，低濃瓦斯氣在進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前如未經(jīng)過處理則帶有大量的固體粉塵及液態(tài)水，造成濾網(wǎng)被水膜覆蓋，增加了進(jìn)氣阻力損失的同時導(dǎo)致機(jī)組頻繁停機(jī)更換濾網(wǎng)，極大的增加了燃?xì)鈾C(jī)組維護(hù)費用。

液態(tài)水隨瓦斯氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)組后會隨著氣缸的周期性工作出現(xiàn)凝結(jié)及沉淀，這部分液態(tài)水長期匯集在機(jī)組內(nèi)部將對中冷器、火花塞等部件造成嚴(yán)重的銹蝕，極大的縮短了設(shè)備使用壽命并影響工作效率，導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)中火花塞等配件更換頻繁，維護(hù)工作量大。

1.2 降低了燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電效率

液態(tài)水進(jìn)入發(fā)電機(jī)組后，一方面在降低燃?xì)庥行嶂档耐瑫r也會導(dǎo)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(jìn)入氣缸內(nèi)壓縮做功時，燃料中的水分會迅速氣化占據(jù)氣缸的有效行程，導(dǎo)致氣缸無用做功增加，發(fā)電機(jī)組運行效率下降。同時，氣體中混有大量的液態(tài)水及粉塵也會對增壓器的潤滑油系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，導(dǎo)致潤滑油品質(zhì)惡化迅速，更換頻繁，降低燃?xì)獍l(fā)電效率。

2 處理氣源對低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的改善效果

低濃度瓦斯氣的預(yù)處理工藝是通過有效的過濾、脫水等手段，將氣源品質(zhì)提升至滿足發(fā)電機(jī)組對進(jìn)氣的要求。為了驗證氣源品質(zhì)的提升對低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組運行效果的影響，北京時代桃源環(huán)境科技有限公司聯(lián)合寧夏石嘴山瓦斯發(fā)電站對其原有的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了改造及運行結(jié)果跟蹤。

寧夏石嘴山瓦斯發(fā)電站低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)于2007年11月投入試運行，建設(shè)有8臺500kW低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，由于氣源品質(zhì)差，一直存在著機(jī)組停機(jī)維護(hù)頻繁，維護(hù)費用高昂，發(fā)電效率低等問題。2010年3月，該電站對低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了脫水改造，在每臺發(fā)電機(jī)組前段增設(shè)了一套氣體預(yù)處理裝置進(jìn)行脫水、除塵處理，經(jīng)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?xì)鈾C(jī)組維護(hù)工作量大幅度減少

經(jīng)過兩年的跟蹤運行，結(jié)果表明增加預(yù)處理工藝后燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的年持續(xù)運行時間由原來的平均5000小時，延長至現(xiàn)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?xì)馄焚|(zhì)的提升，機(jī)組內(nèi)液態(tài)水積聚情況得到好轉(zhuǎn)，減緩了內(nèi)部中冷器、火花塞、缸套等部件的銹蝕，有效降低了機(jī)組停機(jī)維護(hù)的頻率。

2.2 年發(fā)電總量得到顯著提升

氣源品質(zhì)改善以后，燃?xì)鉄嶂蹈鼮榉€(wěn)定，機(jī)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(fā)電機(jī)組年運行時間的有效延長，使得整個低濃瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)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(dá)27.3%(此處已經(jīng)扣除了系統(tǒng)改造新增年耗電量81.6萬kWh)。

3 低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)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(fēng)冷式冷水機(jī)組為低濃度瓦斯氣提供冷源，通過一次換熱器的凝結(jié)脫水作用及二次換熱器的升溫降濕作用，來達(dá)到降低氣體相對濕度的目的。經(jīng)過細(xì)水霧輸送的低濃度瓦斯氣進(jìn)入預(yù)處理單元后首先進(jìn)入除塵過濾器，濾除大顆粒固體粉塵及部分液態(tài)水，再進(jìn)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(jìn)入二次回?zé)釗Q熱器與高溫瓦斯氣進(jìn)行回?zé)嵘郎兀行Ы档屯咚箽獾某隹谙鄬穸龋瑵M足發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)，常規(guī)設(shè)計以1MW裝機(jī)容量為1個單元，結(jié)構(gòu)緊湊，可放置于兩臺燃?xì)鈾C(jī)組之間的閑置區(qū)域，風(fēng)冷式冷水機(jī)組可集中放置于發(fā)電機(jī)組廠房外的安全區(qū)域內(nèi)。該方案的主要優(yōu)點是工藝成熟，處理效果好；主要的缺點是系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生一定的電耗，對于發(fā)電機(jī)組年發(fā)電總量的改善效果有限，此外，由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有冷凝換熱與回?zé)峁に嚕瑢?dǎo)致系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(tài)吸收劑對氣體中攜帶的液態(tài)水、固體粉塵及部分氣態(tài)水進(jìn)行吸收式脫除，該工藝在空氣除濕領(lǐng)域具有非常成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。經(jīng)過細(xì)水霧輸送過來的瓦斯氣首先進(jìn)入除塵脫水器，脫除大顆粒固體粉塵及攜帶的部分液態(tài)水后，從吸收塔底部進(jìn)入，在塔內(nèi)與噴淋吸收液發(fā)生逆流接觸，從而將氣體中攜帶的氣態(tài)水分子轉(zhuǎn)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(dá)到滿足發(fā)電機(jī)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(jìn)入再生系統(tǒng)，在再生熱空氣的作用下實現(xiàn)水分子的轉(zhuǎn)移，恢復(fù)活性，循環(huán)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(gòu)成，采用吸收塔與發(fā)電機(jī)組一對一配置，再生單元共用的設(shè)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(fā)電機(jī)組旁的閑置空間，對于改造項目可將原發(fā)電機(jī)組前的重力脫水器替換為吸收塔，安裝方便；再生系統(tǒng)為整體撬裝結(jié)構(gòu)，可放置于發(fā)電機(jī)組廠房外的閑置空地處。該方案的主要優(yōu)點是：系統(tǒng)內(nèi)耗電設(shè)備少，運行能耗極低，約為電制冷的1/6，同時系統(tǒng)運行過程中氣側(cè)阻力損失極小，可控制在1～1.5kPa以下，更為適合目前國內(nèi)低濃度瓦斯低壓輸送的現(xiàn)狀；主要缺點是該工藝在低濃瓦斯利用領(lǐng)域?qū)儆谳^新技術(shù)，在運行案例較少。

4 兩種工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

為了進(jìn)一步對比分析兩種預(yù)處理工藝在低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，本文針對山西某瓦斯抽放泵站的低濃度瓦斯發(fā)電站做了方案對比分析。該發(fā)電站可利用低濃度混合瓦斯氣量為15000Nm3/h，總裝機(jī)功率7.5MW，為了提高機(jī)組運行效率，擬對低濃度瓦斯氣進(jìn)行預(yù)處理，兩種工藝的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性對比分別如表1、2所示。

表1 兩種工藝的技術(shù)性對比

表2 兩種工藝的經(jīng)濟(jì)性對比

續(xù)表

由表1、表2分析可知，電制冷脫水工藝技術(shù)成熟，處理效果穩(wěn)定，但是由于系統(tǒng)內(nèi)冷凝換熱器與回?zé)崞鞯墓に嚰s束，系統(tǒng)內(nèi)阻力損失較大，對于前端瓦斯氣輸送壓力較低或發(fā)電機(jī)組對進(jìn)氣壓力要求較高的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)不宜采用此方法；吸收式脫水工藝屬于新興技術(shù)，處理效果穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)阻力損失極低，能夠適應(yīng)目前國內(nèi)低濃度瓦斯輸送壓力低的現(xiàn)狀，雖然其設(shè)備初投資相比較同等處理規(guī)模的電制冷工藝較高，但是通過對運行費用的節(jié)省，兩年內(nèi)可回收設(shè)備投資差價，從長遠(yuǎn)運行的角度考慮，低濃度瓦斯發(fā)電站氣體預(yù)處理系統(tǒng)宜采用吸收式脫水工藝。

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

[2] SY/T0076-93, 天然氣脫水設(shè)計規(guī)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(zé)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(yù)處理工藝設(shè)計及售前支持工作。