沼气系统节能改造技术探讨

2021-05-19

化工与医药工程 2021年2期

（银川保绿特生物技术有限公司，银川 750001）

餐厨废水厌氧反应后，会产生大量的沼气，沼气系统的净化提纯工艺非常重要，目前大多会通过脱水、脱硫等方法进行处理，脱水工艺一般有冷凝法（节流膨胀冷却脱水法、加压后冷却法）、吸附干燥法、吸收法等[1]，脱硫工艺一般有生物脱硫、干法脱硫、湿法脱硫等[2]。在实际应用中，无论是沼气中的水，还是脱硫剂与沼气中的硫化氢反应产生的水，都对干法脱硫的影响较大，必须及时将水从沼气中去除，降低沼气含水量，减少对后系统的影响。

1 项目概述

某公司餐厨废弃物产生的污水经过预处理后，其污水具有高CODcr、高温等特性，该水经过中温厌氧反应后，产生的沼气可以作为热源，用于锅炉燃烧。该污水是由蛋白质等物质转化反应而产生的，污水中的含硫量较高，经中温厌氧反应后，沼气中含有大量的硫化氢、二氧化碳和水汽等。

沼气系统简易流程如下：

厌氧反应器（中温厌氧反应）→储气柜→沼气凝水器[2]→沼气风机→脱硫罐（干法）→锅炉

2 运行存在的问题

2.1 脱硫剂运行周期缩短

厌氧反应器属于中温厌氧设备，罐内反应温度一般为35～38℃，所以当产生的沼气温度与罐内温度相近时，生产运行才安全可靠，但是从2018年4月开始发现沼气储气柜内的水雾较大，脱硫罐内的脱硫剂运行周期由之前的6 个月变为3 个月。

2.2 锅炉运行不稳定

锅炉日常运行在点火过程中经常出现不宜点燃的情况，由之前的连续运行，变为现在平均一个月停火2～3 次。

2.3 火炬系统的冷凝液变多

火炬系统排水周期由原来的1 次/d 变为1 次/2 h，而且排出的凝液量急剧变大，由原来的30 L/d增加为400 L/d 左右。

2.4 脱硫剂板结严重，清理难度大

因为前端工艺采用干法脱硫，脱硫剂为氧化铁，由于水汽较大，导致脱硫剂板结，失效较快。

2.5 沼气风机检修频次增加

由于水汽的原因，导致沼气风机检修频次增加，消音器、管道腐蚀加快，由之前的一年检修一次变为3 个月检修一次。由于加大了锅炉检修频次，也导致锅炉火管、省煤器、减温器腐蚀加快。

2.6 锅炉烟筒出气浓度不稳定

2018年4月起，锅炉烟筒出口气体检测不稳定，经常有接近超标的风险，气体检测二氧化硫浓度24 h 平均值为42 mg/m3，按照相关标准浓度限值为50 mg/m3[3]。

3 存在问题分析

3.1 处理量变化

随着社会的发展，餐厨废弃物处理量由2017年的160 t/d 增加到2018年的260 t/d，2017年之前沼气量为10 000 m3/d，2018年增加到16 000 m3/d，为了应对急剧增加的处理量，公司在2018年10月新增2 台脱硫罐（单台装填6 t 脱硫剂），考虑到阻力问题，将原2 台脱硫罐（单台装填3 t 脱硫剂）停运。

新脱硫罐开始运行的前3 个月内，锅炉烟筒出口气体检测二氧化硫24 h 平均浓度30 mg/m3左右，但后来锅炉烟筒出口出气浓度又接近超标限值。

3.2 改造前浓度监测

浓度监测如表1～4所示。

表1 2017年4月份水分及硫化氢浓度监测表Tab.1 Monitoring list of moisture and hydrogen sulfide concentration in April 2017 mg/m3

表2 2017年4月份二氧化硫浓度浓度监测表Tab.2 Monitoring list of sulfur dioxide concentration in April 2017 mg/m3

表3 2018年4月份水分及硫化氢浓度监测表Tab.3 Monitoring list of moisture and hydrogen sulfide concentration in April 2018 mg/m3

表4 2018年4月份二氧化硫浓度浓度监测表Tab.4 Monitoring list of sulfur dioxide concentration in April 2018 mg/m3

3.3 浓度监测表数据分析

通过对2017年和2018年相同月份检测数据的分析，2017年储气柜入口和沼气凝水器出口硫化氢降幅比例在0.4%～3.6%之间，2018年在0.5%～1.5%之间；2017年储气柜入口和沼气凝水器出口水分降幅比例在33.1%～34.6%之间，2018年在0.16%～2.5%之间；2017 与2018年脱硫罐出口水分增幅比例为1.87～2.7 倍，2017 与2018年脱硫罐出口硫化氢增幅比例为1.09～1.4 倍。

通过比较，发现各设备工段间沼气中的硫化氢浓度变化并不大，水分含量增加较快，水分比例增幅较大。

3.4 现场验证

根据以上数据分析，检查了沼气凝水器，发现沼气凝水器中积水量增加，但能及时将水排出，新增脱硫罐内的脱硫剂仍然板结严重，且在脱硫罐底部排口排出的水量较大。

虽然干法脱硫中氧化铁和硫化氢反应会产生少量水，但影响不至于如此之大，所以沼气中的游离水脱出不及时，使脱硫剂板结加速，造成脱硫剂失效较快，缩短脱硫剂使用寿命。

4 解决方案

4.1 工艺改造

原脱硫罐为碳钢材质，内部环氧煤沥青防腐，立式筒体，筒体直径1.5 m，高4 m，下部设置有多孔板，主要起支撑和布气作用，多孔板上铺设有两层20 目的不锈钢丝网，罐体上部有除沫丝网（可拆卸），顶部有投料孔，中间有检修孔（兼做卸料口），底部有排水导淋，直筒段容积为4 m3，内装有3 t柱状颗粒脱硫剂，填料装填高径比为3，脱硫剂已经板结。根据该脱硫罐结构和防腐情况，利用沼气气水分离器和填料接触式脱水原理，产沼气压力为3 kPa，沼气出气管径为DN 150 mm，按照实际产气量15 000 m3/d 核算，出气管流速约为9.83 m/s，将此脱硫罐改为气水分离器，满足沼气气水分离器的设计要求[4]，该脱硫罐最初设想为利用已经板结的脱硫剂作为“填料”进行脱水，启用该脱硫罐，但发现有堵塞及气体偏流情况，后来组织人员将脱硫罐清空，清理出来的脱硫剂进行晾晒、筛分后，重新回填，回填量为原来的一半，进行试用，试用期间通过底部排水导淋的排水量检测和现场操作，脱水效果不佳，经分析为脱硫剂与沼气的接触面太小，空隙率较低。随后将该脱硫剂全部清掏干净，选择聚丙烯材质DN25鲍尔环填料[5]，该填料具有通量大、阻力小、分离效率高、耐腐蚀、不易破损、质量小、装卸方便等特点，在旧脱硫罐内加装等体积塑料材质的鲍尔环，将旧脱硫罐串联在新脱硫罐前，使旧脱硫罐成为装有填料的气水分离器，起到脱水作用。

改造后的沼气系统简易流程如下：

厌氧反应器（中温厌氧反应）→储气柜→沼气凝水器→沼气风机→旧脱硫罐（改为装有填料的气水分离器）→脱硫罐（干法脱硫）→锅炉

4.2 改造后浓度监测

浓度监测数据如表5～6所示。

表5 2019年4月份水分及硫化氢浓度监测表Tab.5 Monitoring list of moisture and hydrogen sulfide concentration in April 2019 mg/m3

表6 2019年4月份二氧化硫浓度监测表Tab.6 Monitoring list of sulfur dioxide concentration in April 2019 mg/m3

4.3 改造后变化

通过运行情况分析，相比于改造前，改造后的设备维修频次明显下降，锅炉熄火次数下降，脱硫剂运行周期延长，尤其是锅炉烟筒的排气浓度远低于标准限值。

5 经济效益

经济效益费用说明如下：

5.1 药剂费

脱硫罐脱硫剂运行周期由之前的3 个月变为9 个月，两台脱硫罐中的脱硫剂交替使用，单台装填量为6 t，2 800 元/t，一年少采购3 次，年节约6×3×2 800=50 400 元/年。

表7 年节约费用Tab.7 Annual savings 元

5.2 人工费

减少脱硫剂清理频次，每次需要5 人清理3 天，工资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，节约人工费2 790×3=8 370 元/年。

5.3 检修费

沼气风机检修频次减少，消音器、管道腐蚀减缓，由之前的3 个月检修一次，至今已经一年尚未检修，每次检修基本属于更换，消音器单台3 000 元，年减少更换费3×3 000=9 000 元，节约锅炉火管专业清理每次30 000 元，省煤器清理维修费5 000 元、减温器清理维修费5 000 元，共计节约费用9 000+30 000+5 000+5 000=49 000 元/年。

以上总计年节约费用50 400+8 370+49 000=107 770 元。