20 000 m3（标）/d沼气变压吸附法制天然气（CNG）工艺技术

刘建波，邓明志，郝 伟，庞 辉

（1.绵阳市鑫科源环保科技有限公司；2.绵阳东江环保科技有限公司，四川绵阳 621000；3.成都天成碳一化工有限公司，四川成都 610045；4. 绵阳瑞特尔科技有限公司，四川绵阳 6210003）

1 沼气的性质与用途

沼气是有机物质（如秸秆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥、工业有机废水等）在厌氧环境和一定条件下，经过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类厌氧微生物的分解代谢，最后形成以CH4和CO2为主的混合气体，是一个生物化学过程。沼气的主要成分是甲烷（CH4），通常占总体积的50%~70%；其次是二氧化碳，占总体积的25%~40%；硫化氢、氮气、氧气、氢气和一氧化碳等气体占总体积的5%左右[1，2]。

随着技术的进步，以及国家在节能减排政策层面的鼓励，越来越多的沼气提纯后作车用燃气（CNG），通过锅炉、发电[2]（热电联产）等被利用起来。

目前，沼气发电难以上网，一般仅自用；用于燃料电池或净化废水技术尚不成熟；用作化工原料则由于一般沼气产量较小，不具备一定的规模效应。随着全国能源紧张和石油价格的高位运行，全球包括中国的燃气价格也在飞涨，其中CNG 价格已达4~5元/m3，因此，利用沼气生产代用天然气（SNG）或车用燃气（CNG），将具有更好的经济效益和社会效益。

2 沼气净化技术

沼气制CNG，从利用方向上分析，除CH4外的其他组分均为有害组成或杂质，需分别进行脱除。其中主要杂质为CO2，由于含量较高，其存在量越多则气体热值越低，根据我国天然气标准GB 17820—2018《天然气》中二类天然气技术指标要求：须将CO2脱除至4.0%以下；总硫≤100 mg/m3，H2S ≤20 mg/m3；由于沼气通过是在厌氧环境下产生的，O2含量一般不会超标，但需注意CNG 标准中要求净化后O2含量不得高于0.5%；为防止结冰堵塞管道，在生产CNG 和LNG 时，还需对其中的水进行深度脱除；其他微量的N2、H2等在不影响天然气标准要求的热值时，可不予脱除。

2.1 脱硫

沼气中含有的少量硫会对环境造成污染，对设备、管道、仪表等产生腐蚀，故无论是直接用于燃烧或沼气发电，都必须对沼气进行必要的脱硫处理。

沼气中硫的存在形式主要为H2S，脱除方法很多，目前工业上常用的脱硫方法有湿法脱硫和干法脱硫两大类。

针对20 000 m3（标）/d 及其以下沼气脱硫装置，推荐采用干法脱硫技术[3]，两脱硫塔串并联相结合对沼气进行脱硫净化。

2.2 脱碳

目前工业上常用的沼气脱碳工艺主要有：高压水洗法、膜分离法和变压吸附法[4]。三种工艺均对原料气的压力有一定要求，即脱碳前需先对沼气进行加压。经脱碳操作后，三种工艺排放的CO2都接近常压。对于沼气制CNG 装置，原料沼气升压越高，则用于压缩CO2所浪费的功耗越大。

沼气脱碳是沼气净化制CNG 的关键工序，针对20 000 m3（标）/d 及其以下沼气脱碳装置，本文推荐采用变压吸附脱碳技术，脱除沼气中的CO2气体[2]。

2.3 脱水

水的存在会与H2S、CO2等反应，引起压缩机、气体贮罐和发动机的腐蚀；在管道中积累；高压情况下冷凝或结冰。因此，沼气如用于生产CNG，除需进行常规的脱硫、脱碳外，还需对沼气中的H2O进行深度脱除，使产品CNG 的常压露点达到-60℃。针对20 000 m3（标）/d 及其以下沼气脱碳装置，CNG脱水通常采用变温吸附。

3 20 000 m3（标）/d沼气制CNG工艺方案

以20 000 m3（标）/d 沼气制CNG 装置为例，拟定的沼气组成，如表1所示。

表1 拟定的原料沼气指标

3.1 20 000 m3（标）/d沼气PSA制CNG装置

3.1.1 工艺流程

原料沼气经风机（视原料压力设置）增压后输送至干法脱硫系统。脱硫系统拟采用两台脱硫塔，可并联或串联使用。脱硫塔装填常温氧化铁脱硫剂，可控制脱硫塔出口H2S 含量<10×10-6。另外，后序PSA脱碳系统亦有一定的脱硫功能，在压缩机可承受范围及PSA 尾气达标排放的前提下，前端脱硫塔脱硫精度可适当放宽。

脱硫后沼气通过沼气压缩机加压至约0.6 MPa 后，进入PSA 脱碳系统[4]。

变压吸附脱碳拟采用6-2-3/V 流程。即6台吸附器，2塔同时进料，3次均压，抽真空解吸工艺。整个操作过程都是在环境温度下进行，各吸附器交替循环操作，每个吸附器在一次循环中都必须经过：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）、终充（FR）等步骤。在脱碳吸附器出口端获得除去杂质的净化气，即脱碳后产品天然气，经CNG 压缩机加压至25 MPa，然后经脱水装置深度脱水后即产品CNG。逆放及抽真空步骤排出的解吸气，其主要成分为CO2，可经收集后用于制取液体CO2，或高空排放，如图1所示。

图1 工艺流程图

3.1.2 主要工艺设备

装置主要非标设备14台，主要材质为碳钢，含少量不锈钢，总重约26 t。定型设备6台/套，其中沼气鼓风机视原料气压力大小选择与否。所有设备均可在国内采购、加工，如表2所示。

表2 主要工艺设备表

3.2 投资估算

20 000 m3（标）/d 沼气变压吸附制CNG 装置投资估算，如表3所示。

表3 20 000 m3（标）/d沼气变压吸附制CNG装置投资估算

4 结论

以20 000 m3（标）/d 沼气为例，采用变压吸附法制天然气，产品各项质量指标均优于GB 18047—2017《车用压缩天然气》标准，且生产成本低廉，经济效益好，具有很强的市场竞争优势。建议国家相关部门，简化沼气CNG 加气站审批流程，方便更多的沼气CNG 进入民用市场，缓减目前加气站供气不足的状态，为沼气的有效利用提供便利，实现较好的经济效益和社会效益。