20 000 m3（標）/d沼氣變壓吸附法制天然氣（CNG）工藝技術

劉建波，鄧明志，郝 偉，龐 輝

（1.綿陽市鑫科源環保科技有限公司；2.綿陽東江環保科技有限公司，四川綿陽 621000；3.成都天成碳一化工有限公司，四川成都 610045；4. 綿陽瑞特爾科技有限公司，四川綿陽 6210003）

1 沼氣的性質與用途

沼氣是有機物質（如秸稈、雜草、人畜糞便、垃圾、污泥、工業有機廢水等）在厭氧環境和一定條件下，經過種類繁多、數量巨大、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，是一個生物化學過程。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、氮氣、氧氣、氫氣和一氧化碳等氣體占總體積的5%左右[1，2]。

隨著技術的進步，以及國家在節能減排政策層面的鼓勵，越來越多的沼氣提純后作車用燃氣（CNG），通過鍋爐、發電[2]（熱電聯產）等被利用起來。

目前，沼氣發電難以上網，一般僅自用；用于燃料電池或凈化廢水技術尚不成熟；用作化工原料則由于一般沼氣產量較小，不具備一定的規模效應。隨著全國能源緊張和石油價格的高位運行，全球包括中國的燃氣價格也在飛漲，其中CNG 價格已達4~5元/m3，因此，利用沼氣生產代用天然氣（SNG）或車用燃氣（CNG），將具有更好的經濟效益和社會效益。

2 沼氣凈化技術

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，需分別進行脫除。其中主要雜質為CO2，由于含量較高，其存在量越多則氣體熱值越低，根據我國天然氣標準GB 17820—2018《天然氣》中二類天然氣技術指標要求：須將CO2脫除至4.0%以下；總硫≤100 mg/m3，H2S ≤20 mg/m3；由于沼氣通過是在厭氧環境下產生的，O2含量一般不會超標，但需注意CNG 標準中要求凈化后O2含量不得高于0.5%；為防止結冰堵塞管道，在生產CNG 和LNG 時，還需對其中的水進行深度脫除；其他微量的N2、H2等在不影響天然氣標準要求的熱值時，可不予脫除。

2.1 脫硫

沼氣中含有的少量硫會對環境造成污染，對設備、管道、儀表等產生腐蝕，故無論是直接用于燃燒或沼氣發電，都必須對沼氣進行必要的脫硫處理。

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

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

2.2 脫碳

目前工業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]。三種工藝均對原料氣的壓力有一定要求，即脫碳前需先對沼氣進行加壓。經脫碳操作后，三種工藝排放的CO2都接近常壓。對于沼氣制CNG 裝置，原料沼氣升壓越高，則用于壓縮CO2所浪費的功耗越大。

沼氣脫碳是沼氣凈化制CNG 的關鍵工序，針對20 000 m3（標）/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，脫除沼氣中的CO2氣體[2]。

2.3 脫水

水的存在會與H2S、CO2等反應，引起壓縮機、氣體貯罐和發動機的腐蝕；在管道中積累；高壓情況下冷凝或結冰。因此，沼氣如用于生產CNG，除需進行常規的脫硫、脫碳外，還需對沼氣中的H2O進行深度脫除，使產品CNG 的常壓露點達到-60℃。針對20 000 m3（標）/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）/d沼氣制CNG工藝方案

以20 000 m3（標）/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

3.1 20 000 m3（標）/d沼氣PSA制CNG裝置

3.1.1 工藝流程

原料沼氣經風機（視原料壓力設置）增壓后輸送至干法脫硫系統。脫硫系統擬采用兩臺脫硫塔，可并聯或串聯使用。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脫碳系統亦有一定的脫硫功能，在壓縮機可承受范圍及PSA 尾氣達標排放的前提下，前端脫硫塔脫硫精度可適當放寬。

脫硫后沼氣通過沼氣壓縮機加壓至約0.6 MPa 后，進入PSA 脫碳系統[4]。

變壓吸附脫碳擬采用6-2-3/V 流程。即6臺吸附器，2塔同時進料，3次均壓，抽真空解吸工藝。整個操作過程都是在環境溫度下進行，各吸附器交替循環操作，每個吸附器在一次循環中都必須經過：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的凈化氣，即脫碳后產品天然氣，經CNG 壓縮機加壓至25 MPa，然后經脫水裝置深度脫水后即產品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 主要工藝設備

裝置主要非標設備14臺，主要材質為碳鋼，含少量不銹鋼，總重約26 t。定型設備6臺/套，其中沼氣鼓風機視原料氣壓力大小選擇與否。所有設備均可在國內采購、加工，如表2所示。

表2 主要工藝設備表

3.2 投資估算

20 000 m3（標）/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）/d沼氣變壓吸附制CNG裝置投資估算

4 結論

以20 000 m3（標）/d 沼氣為例，采用變壓吸附法制天然氣，產品各項質量指標均優于GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》標準，且生產成本低廉，經濟效益好，具有很強的市場競爭優勢。建議國家相關部門，簡化沼氣CNG 加氣站審批流程，方便更多的沼氣CNG 進入民用市場，緩減目前加氣站供氣不足的狀態，為沼氣的有效利用提供便利，實現較好的經濟效益和社會效益。