沼氣系統節能改造技術探討

（銀川保綠特生物技術有限公司，銀川 750001）

餐廚廢水厭氧反應后，會產生大量的沼氣，沼氣系統的凈化提純工藝非常重要，目前大多會通過脫水、脫硫等方法進行處理，脫水工藝一般有冷凝法（節流膨脹冷卻脫水法、加壓后冷卻法）、吸附干燥法、吸收法等[1]，脫硫工藝一般有生物脫硫、干法脫硫、濕法脫硫等[2]。在實際應用中，無論是沼氣中的水，還是脫硫劑與沼氣中的硫化氫反應產生的水，都對干法脫硫的影響較大，必須及時將水從沼氣中去除，降低沼氣含水量，減少對后系統的影響。

1 項目概述

某公司餐廚廢棄物產生的污水經過預處理后，其污水具有高CODcr、高溫等特性，該水經過中溫厭氧反應后，產生的沼氣可以作為熱源，用于鍋爐燃燒。該污水是由蛋白質等物質轉化反應而產生的，污水中的含硫量較高，經中溫厭氧反應后，沼氣中含有大量的硫化氫、二氧化碳和水汽等。

沼氣系統簡易流程如下：

厭氧反應器（中溫厭氧反應）→儲氣柜→沼氣凝水器[2]→沼氣風機→脫硫罐（干法）→鍋爐

2 運行存在的問題

2.1 脫硫劑運行周期縮短

厭氧反應器屬于中溫厭氧設備，罐內反應溫度一般為35～38℃，所以當產生的沼氣溫度與罐內溫度相近時，生產運行才安全可靠，但是從2018年4月開始發現沼氣儲氣柜內的水霧較大，脫硫罐內的脫硫劑運行周期由之前的6 個月變為3 個月。

2.2 鍋爐運行不穩定

鍋爐日常運行在點火過程中經常出現不宜點燃的情況，由之前的連續運行，變為現在平均一個月停火2～3 次。

2.3 火炬系統的冷凝液變多

火炬系統排水周期由原來的1 次/d 變為1 次/2 h，而且排出的凝液量急劇變大，由原來的30 L/d增加為400 L/d 左右。

2.4 脫硫劑板結嚴重，清理難度大

因為前端工藝采用干法脫硫，脫硫劑為氧化鐵，由于水汽較大，導致脫硫劑板結，失效較快。

2.5 沼氣風機檢修頻次增加

由于水汽的原因，導致沼氣風機檢修頻次增加，消音器、管道腐蝕加快，由之前的一年檢修一次變為3 個月檢修一次。由于加大了鍋爐檢修頻次，也導致鍋爐火管、省煤器、減溫器腐蝕加快。

2.6 鍋爐煙筒出氣濃度不穩定

2018年4月起，鍋爐煙筒出口氣體檢測不穩定，經常有接近超標的風險，氣體檢測二氧化硫濃度24 h 平均值為42 mg/m3，按照相關標準濃度限值為50 mg/m3[3]。

3 存在問題分析

3.1 處理量變化

隨著社會的發展，餐廚廢棄物處理量由2017年的160 t/d 增加到2018年的260 t/d，2017年之前沼氣量為10 000 m3/d，2018年增加到16 000 m3/d，為了應對急劇增加的處理量，公司在2018年10月新增2 臺脫硫罐（單臺裝填6 t 脫硫劑），考慮到阻力問題，將原2 臺脫硫罐（單臺裝填3 t 脫硫劑）停運。

新脫硫罐開始運行的前3 個月內，鍋爐煙筒出口氣體檢測二氧化硫24 h 平均濃度30 mg/m3左右，但后來鍋爐煙筒出口出氣濃度又接近超標限值。

3.2 改造前濃度監測

濃度監測如表1～4所示。

表1 2017年4月份水分及硫化氫濃度監測表Tab.1 Monitoring list of moisture and hydrogen sulfide concentration in April 2017 mg/m3

表2 2017年4月份二氧化硫濃度濃度監測表Tab.2 Monitoring list of sulfur dioxide concentration in April 2017 mg/m3

表3 2018年4月份水分及硫化氫濃度監測表Tab.3 Monitoring list of moisture and hydrogen sulfide concentration in April 2018 mg/m3

表4 2018年4月份二氧化硫濃度濃度監測表Tab.4 Monitoring list of sulfur dioxide concentration in April 2018 mg/m3

3.3 濃度監測表數據分析

通過對2017年和2018年相同月份檢測數據的分析，2017年儲氣柜入口和沼氣凝水器出口硫化氫降幅比例在0.4%～3.6%之間，2018年在0.5%～1.5%之間；2017年儲氣柜入口和沼氣凝水器出口水分降幅比例在33.1%～34.6%之間，2018年在0.16%～2.5%之間；2017 與2018年脫硫罐出口水分增幅比例為1.87～2.7 倍，2017 與2018年脫硫罐出口硫化氫增幅比例為1.09～1.4 倍。

通過比較，發現各設備工段間沼氣中的硫化氫濃度變化并不大，水分含量增加較快，水分比例增幅較 大。

3.4 現場驗證

根據以上數據分析，檢查了沼氣凝水器，發現沼氣凝水器中積水量增加，但能及時將水排出，新增脫硫罐內的脫硫劑仍然板結嚴重，且在脫硫罐底部排口排出的水量較大。

雖然干法脫硫中氧化鐵和硫化氫反應會產生少量水，但影響不至于如此之大，所以沼氣中的游離水脫出不及時，使脫硫劑板結加速，造成脫硫劑失效較快，縮短脫硫劑使用壽命。

4 解決方案

4.1 工藝改造

原脫硫罐為碳鋼材質，內部環氧煤瀝青防腐，立式筒體，筒體直徑1.5 m，高4 m，下部設置有多孔板，主要起支撐和布氣作用，多孔板上鋪設有兩層20 目的不銹鋼絲網，罐體上部有除沫絲網（可拆卸），頂部有投料孔，中間有檢修孔（兼做卸料口），底部有排水導淋，直筒段容積為4 m3，內裝有3 t柱狀顆粒脫硫劑，填料裝填高徑比為3，脫硫劑已經板結。根據該脫硫罐結構和防腐情況，利用沼氣氣水分離器和填料接觸式脫水原理，產沼氣壓力為3 kPa，沼氣出氣管徑為DN 150 mm，按照實際產氣量15 000 m3/d 核算，出氣管流速約為9.83 m/s，將此脫硫罐改為氣水分離器，滿足沼氣氣水分離器的設計要求[4]，該脫硫罐最初設想為利用已經板結的脫硫劑作為“填料”進行脫水，啟用該脫硫罐，但發現有堵塞及氣體偏流情況，后來組織人員將脫硫罐清空，清理出來的脫硫劑進行晾曬、篩分后，重新回填，回填量為原來的一半，進行試用，試用期間通過底部排水導淋的排水量檢測和現場操作，脫水效果不佳，經分析為脫硫劑與沼氣的接觸面太小，空隙率較低。隨后將該脫硫劑全部清掏干凈，選擇聚丙烯材質DN25鮑爾環填料[5]，該填料具有通量大、阻力小、分離效率高、耐腐蝕、不易破損、質量小、裝卸方便等特點，在舊脫硫罐內加裝等體積塑料材質的鮑爾環，將舊脫硫罐串聯在新脫硫罐前，使舊脫硫罐成為裝有填料的氣水分離器，起到脫水作用。

改造后的沼氣系統簡易流程如下：

厭氧反應器（中溫厭氧反應）→儲氣柜→沼氣凝水器→沼氣風機→舊脫硫罐（改為裝有填料的氣水分離器）→脫硫罐（干法脫硫）→鍋爐

4.2 改造后濃度監測

濃度監測數據如表5～6所示。

表5 2019年4月份水分及硫化氫濃度監測表Tab.5 Monitoring list of moisture and hydrogen sulfide concentration in April 2019 mg/m3

表6 2019年4月份二氧化硫濃度監測表Tab.6 Monitoring list of sulfur dioxide concentration in April 2019 mg/m3

4.3 改造后變化

通過運行情況分析，相比于改造前，改造后的設備維修頻次明顯下降，鍋爐熄火次數下降，脫硫劑運行周期延長，尤其是鍋爐煙筒的排氣濃度遠低于標準限值。

5 經濟效益

經濟效益費用說明如下：

5.1 藥劑費

脫硫罐脫硫劑運行周期由之前的3 個月變為9 個月，兩臺脫硫罐中的脫硫劑交替使用，單臺裝填量為6 t，2 800 元/t，一年少采購3 次，年節約6×3×2 800=50 400 元/年。

表7 年節約費用Tab.7 Annual savings 元

5.2 人工費

減少脫硫劑清理頻次，每次需要5 人清理3 天，工資4 000 元/月/人（4 000÷21.5 ≈186 元/天/人），5×3×186=2 790 元/次，一年少清理3 次，節約人工費2 790×3=8 370 元/年。

5.3 檢修費

沼氣風機檢修頻次減少，消音器、管道腐蝕減緩，由之前的3 個月檢修一次，至今已經一年尚未檢修，每次檢修基本屬于更換，消音器單臺3 000 元，年減少更換費3×3 000=9 000 元，節約鍋爐火管專業清理每次30 000 元，省煤器清理維修費5 000 元、減溫器清理維修費5 000 元，共計節約費用9 000+30 000+5 000+5 000=49 000 元/年。

以上總計年節約費用50 400+8 370+49 000=107 770 元。

6 結束語

通過對沼氣系統的認真研究和分析，找到了系統存在的根本問題，解決了主要矛盾后，次要矛盾只是表象，通過技術改造，不但徹底解決了生產廢氣達標排放問題，降低了環保風險，而且還節約了生產成本，產生了較大的經濟效益，同時對保護環境也盡到了企業的社會責任。