集裝箱式沼氣提純設備調試研究

吳建新　潘文智　楊興華　李洪燕

【摘 要】簡要介紹了沼氣膜分離的基本原理，對集裝箱式沼氣提純設備及提純工藝流程進行了概述，分析總結了集裝箱沼氣提純設備調試期間出現的進氣瞬時流量低、壓縮機排氣壓力達不到設計值、系統運行壓力低等問題的現象、原因和處理措施。

【關鍵詞】集裝箱式設備；沼氣提純；調試

沼氣的主要成份是50%-70%的CH4、30%-50%的CO2和少量的H2S、H2O、N2、H2、NH3和CO等氣體。未經處理的普通沼氣由于其中的CO2降低了沼氣的能量密度和熱值，限制了其利用范圍。而經凈化和提純后的沼氣CH4質量分數可達97%以上，幾乎與天然氣無異，被稱為生物天然氣，可輸入管網或作車用燃料替代石化天然氣[1-2]。沼氣凈化提純主要是指對H2S、CO2等雜質的脫除，其中脫除CO2是主要的任務。根據分離凈化原理的不同可分為：吸附法、膜分離法、低溫分離法等[3]。

膜分離法原理是利用各氣體組分在膜表面的吸附能力不同，溶解、擴散速率不同，在膜兩側分壓差的推動下，大部分CO2等組分和少量的CH4透過膜壁進入滲透側分離出去，大部分CH4在高壓側作為生物天然氣輸出。與傳統分離方法相比，膜分離法具有分離效率高、體積小、能耗投資較低、管理方便等優點。

北京合力清源科技有限公司設計組裝了一套膜法集裝箱沼氣提純設備，用于將沼氣提純成為生物天然氣，經調試后，取得了較好的效果，現將試車過程進行總結，與同行們探討。

1 設備概況

集裝箱式沼氣提純設備單體部件體積較小，所有部件均集成在一個20尺的標準集裝箱內，高集成化，安裝簡單，占地面積小，后期維護保養方便。產品可移動，實現多個項目共用一套提純設備，降低初始投資，提高項目經濟性。

膜提純設備運行主要工藝參數：額定處理量：100m3/h；氣量調節范圍0-100%；排氣壓力～1Mpa；NH3<10ppm；H2S<30 ppm；O2<3%；進氣溫度<40℃；產品氣CH4含量≥97%。

經過脫硫、脫水的沼氣經壓縮機壓縮后，首先通過一級過濾器-油水分離器進行除水、除油、除塵，然后進入冷凍干燥機降溫進一步除水，接著進入二級過濾器去除飽和水、除油、除塵，經過活性炭除油器吸附油分子及氨、最后經過兩級過濾器以除塵、除殘油，得到凈化的氣體。凈化后的氣體進入膜分離系統進行分離純化，分離出的二氧化碳通過管道匯集后排入大氣，而制得的所需濃度的甲烷氣為產品氣即生物天然氣，其中CO2≤3%，CH4≥97%，壓力約為1.0MPa，可作為民用燃氣或汽車燃料使用，工藝流程見圖1。

2 調試過程中問題及處理措施

2.1 設備進氣瞬時流量低

本套提純設備設計處理原始沼氣量為100m3/h，運行中發現進氣的瞬時流量為35m3/h-75m3/h之間，達不到設計流量。

原因分析：調試地點位于某沼氣發電廠院內，使用的沼氣是從該發電廠雙膜沼氣柜中儲存的沼氣，通過支管道引到提純設備進口，由于設備距離氣柜較遠，大約100m，管道較長，而且現有管道管徑為DN40，僅為提純設備進氣口DN80的一半。可能由于輸送量有限，造成瞬時流量低。還有一種可能是壓縮機本身未達到設計要求。

處理措施：從進氣壓力為-9.7Kpa至-15.6Kpa數據看，壓縮機有較強的吸力，進氣管道管徑小可能是造成流量不足的原因。為進一步驗證可能性，將進氣管道和提純設備進氣口斷開，直接使用空氣進行試驗，發現壓縮機能夠達到設計流量，排除了壓縮機設計問題。更改進氣管道，使之與設備進氣管道管徑相符，進氣瞬時流量達到設計值。

2.2 壓縮機排氣壓力達不到設計值

壓縮機額定排氣壓力為1.2Mpa，但運行過程中，壓縮機排氣壓力處于0.6Mpa-0.9Mpa之間，由此造成一級膜組進氣壓力為0.47Mpa-0.67Mpa之間，產品氣出口壓力僅為0.41Mpa-0.59Mpa之間等一系列問題。

原因分析：調試初期，由于存在產品氣達不到要求的可能，所以產品氣管道后端沒有連接任何儲氣容器，直接排到大氣中，相當于整個提純系統是一個開放的狀態，造成壓縮機排氣壓力低于設計值。

處理措施：調節壓縮機的后部的手動球閥，通過控制球閥的開閉程度，來控制壓縮機的排氣量，同時，在產品氣排氣口臨時安裝球閥，用來控制氣體流量，使供需達到近似平衡狀態，經驗證，壓縮機排氣壓力達到1.2Mpa。

2.3 系統運行壓力低

通過控制壓縮機排氣口手動球閥解決壓縮機排氣壓力低的問題后，運行中發現在壓縮機排氣壓力達到1.2Mpa的情況下，一級膜進氣壓力為0.78Mpa-0.85Mpa之間，一級膜出氣（二級膜進氣）壓力在0.61Mpa-0.75Mpa之間，二級膜出氣（產品氣）壓力0.59Mpa-0.74Mpa，低于設計值，造成系統整體運行壓力低。

原因分析：在壓縮機排氣壓力、產品氣排放正常的情況下，出現系統壓力運行壓力低的狀況，說明系統排氣量過大，整個系統中未進行流量控制的有兩條管線，一條是一級膜組的滲透氣，主要是CO2和少量的CH4，直接排放到大氣中。另一條是二級膜組的滲透氣，由于其中存在較多的CH4，將這部分氣體回流至壓縮機前，經過增壓后，再次經過膜組進行CH4和CO2的分離，增加了CH4的回收利用率。這兩條管線不加以控制的話，會使壓力流失較大，造成系統運行壓力低。

處理措施：分別調節一級膜組和二級膜組的滲透氣管線上的球閥，控制滲透氣的量，系統壓力達到設計值，瞬時進氣流量、壓縮機排氣壓力、一級膜進氣壓力、二級膜進氣壓力、成品壓力風別為60m3/h、1.23Mpa、1.14Mpa、1.12Mpa和1.10Mpa，問題得到解決。

隨后連續運行8h，平均流量70m3/h，原始氣Ch4平均含量65.7%，成品氣壓力1.09 Mpa，CH4平均含量97.8%。

3 總結

經過調試和運行實踐證明，集裝箱式沼氣提純設備運行穩定，處理效果好，為保證該系統的正常穩定運行，應注意以下幾點：①滿足安全距離前提下，集裝箱式沼氣提純設備盡可能與氣源接近，使用與設備進口管徑相同的管道，以減少管道對氣體的阻礙；②注意系統的密閉性，避免外界氣體進入系統中；③操作人員要定時查看控制柜上的參數，并對其變化做一個日常記錄，以備出現故障時進行分析；④按照說明書定期維護保養，保證氣體品質。

【參考文獻】

[1]Bauer F，Hulteberg C，Persson T，et al.Biogas upgrading-review of commercial technologies[R].SGC Report 2013：270.Malmo：Swedish Gas Technology Centre， 2013.

[2]程序，梁近光，鄭恒受，等.中國“產業沼氣”的開發及其應用前景[J].農業工程學報，2010，26（5）：1-6.

[3]鄭戈，張全國.沼氣提純生物天然氣技術研究進展[J].農業工程學報，2013，29（17）：1-8.

[責任編輯：田吉捷]