徐婷婷

(北京時(shí)代桃源環(huán)境科技有限公司，北京 100085)

預(yù)處理工藝在低濃度瓦斯發(fā)電項(xiàng)目中的選擇應(yīng)用

徐婷婷

(北京時(shí)代桃源環(huán)境科技有限公司，北京 100085)

本文針對(duì)低濃度瓦斯氣體預(yù)處理工藝提出了兩種技術(shù)路線，即電制冷脫水技術(shù)和吸收式脫水技術(shù)，并通過具體案例對(duì)兩種工藝的技術(shù)進(jìn)行了比選分析。結(jié)果表明，兩種處理工藝對(duì)氣源的改善效果相近，均能夠滿足發(fā)電機(jī)組對(duì)氣源品質(zhì)的要求，其中電制冷脫水技術(shù)更適用于初投資控制嚴(yán)格、輸送壓力不低于12～15kPa的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)；吸收式脫水技術(shù)則更適用于運(yùn)行費(fèi)用控制嚴(yán)格、前端輸送壓力低，安裝空間小的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)。

低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng) 吸收式脫水工藝 電制冷脫水工藝

1 未處理氣源對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的影響

1.1 增加了燃?xì)鈾C(jī)組的維護(hù)工作量

為了有效保護(hù)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部氣缸等運(yùn)動(dòng)部件不被固體粉塵雜質(zhì)卡澀，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組前一般自帶有精密過濾器，低濃瓦斯氣在進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前如未經(jīng)過處理則帶有大量的固體粉塵及液態(tài)水，造成濾網(wǎng)被水膜覆蓋，增加了進(jìn)氣阻力損失的同時(shí)導(dǎo)致機(jī)組頻繁停機(jī)更換濾網(wǎng)，極大的增加了燃?xì)鈾C(jī)組維護(hù)費(fèi)用。

液態(tài)水隨瓦斯氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)組后會(huì)隨著氣缸的周期性工作出現(xiàn)凝結(jié)及沉淀，這部分液態(tài)水長(zhǎng)期匯集在機(jī)組內(nèi)部將對(duì)中冷器、火花塞等部件造成嚴(yán)重的銹蝕，極大的縮短了設(shè)備使用壽命并影響工作效率，導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)中火花塞等配件更換頻繁，維護(hù)工作量大。

1.2 降低了燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電效率

液態(tài)水進(jìn)入發(fā)電機(jī)組后，一方面在降低燃?xì)庥行嶂档耐瑫r(shí)也會(huì)導(dǎo)致火花塞點(diǎn)火困難，惡化燃燒；另一方面混有大量水汽的燃料進(jìn)入氣缸內(nèi)壓縮做功時(shí)，燃料中的水分會(huì)迅速氣化占據(jù)氣缸的有效行程，導(dǎo)致氣缸無用做功增加，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率下降。同時(shí)，氣體中混有大量的液態(tài)水及粉塵也會(huì)對(duì)增壓器的潤(rùn)滑油系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，導(dǎo)致潤(rùn)滑油品質(zhì)惡化迅速，更換頻繁，降低燃?xì)獍l(fā)電效率。

2 處理氣源對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的改善效果

低濃度瓦斯氣的預(yù)處理工藝是通過有效的過濾、脫水等手段，將氣源品質(zhì)提升至滿足發(fā)電機(jī)組對(duì)進(jìn)氣的要求。為了驗(yàn)證氣源品質(zhì)的提升對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效果的影響，北京時(shí)代桃源環(huán)境科技有限公司聯(lián)合寧夏石嘴山瓦斯發(fā)電站對(duì)其原有的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了改造及運(yùn)行結(jié)果跟蹤。

寧夏石嘴山瓦斯發(fā)電站低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)于2007年11月投入試運(yùn)行，建設(shè)有8臺(tái)500kW低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，由于氣源品質(zhì)差，一直存在著機(jī)組停機(jī)維護(hù)頻繁，維護(hù)費(fèi)用高昂，發(fā)電效率低等問題。2010年3月，該電站對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了脫水改造，在每臺(tái)發(fā)電機(jī)組前段增設(shè)了一套氣體預(yù)處理裝置進(jìn)行脫水、除塵處理，經(jīng)過兩年多的運(yùn)行跟蹤，電站原有的問題得到了有效的改善。

2.1 燃?xì)鈾C(jī)組維護(hù)工作量大幅度減少

經(jīng)過兩年的跟蹤運(yùn)行，結(jié)果表明增加預(yù)處理工藝后燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的年持續(xù)運(yùn)行時(shí)間由原來的平均5000小時(shí)，延長(zhǎng)至現(xiàn)在的平均6000小時(shí)；潤(rùn)滑油的更換周期也由改造前的750小時(shí)，延長(zhǎng)至目前的1500小時(shí)。因?yàn)槿細(xì)馄焚|(zhì)的提升，機(jī)組內(nèi)液態(tài)水積聚情況得到好轉(zhuǎn)，減緩了內(nèi)部中冷器、火花塞、缸套等部件的銹蝕，有效降低了機(jī)組停機(jī)維護(hù)的頻率。

2.2 年發(fā)電總量得到顯著提升

氣源品質(zhì)改善以后，燃?xì)鉄嶂蹈鼮榉€(wěn)定，機(jī)組點(diǎn)火成功率提高，因此運(yùn)行效率得到了明顯的提升，由改造前的76%提升至改造后的84%，再加之單臺(tái)發(fā)電機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間的有效延長(zhǎng)，使得整個(gè)低濃瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電總量有了顯著的提高，由改造前的1529萬kWh增加至1934萬kWh，提升幅度高達(dá)27.3%(此處已經(jīng)扣除了系統(tǒng)改造新增年耗電量81.6萬kWh)。

3 低濃度瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)的工藝方案

3.1 電制冷脫水工藝方案

該方案的主要工藝是采用風(fēng)冷式冷水機(jī)組為低濃度瓦斯氣提供冷源，通過一次換熱器的凝結(jié)脫水作用及二次換熱器的升溫降濕作用，來達(dá)到降低氣體相對(duì)濕度的目的。經(jīng)過細(xì)水霧輸送的低濃度瓦斯氣進(jìn)入預(yù)處理單元后首先進(jìn)入除塵過濾器，濾除大顆粒固體粉塵及部分液態(tài)水，再進(jìn)入一級(jí)換熱器冷凝脫水，將瓦斯氣的露點(diǎn)溫度控制在15～20℃后，進(jìn)入二次回?zé)釗Q熱器與高溫瓦斯氣進(jìn)行回?zé)嵘郎?，有效降低瓦斯氣的出口相?duì)濕度，滿足發(fā)電機(jī)組對(duì)一般瓦斯氣相對(duì)濕度≤80%的要求。該方案的工藝流程如圖1所示。

圖1 電制冷脫水工藝方案工藝流程圖

低濃度瓦斯氣電制冷脫水單元采用集裝箱或整體撬裝結(jié)構(gòu)，常規(guī)設(shè)計(jì)以1MW裝機(jī)容量為1個(gè)單元，結(jié)構(gòu)緊湊，可放置于兩臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組之間的閑置區(qū)域，風(fēng)冷式冷水機(jī)組可集中放置于發(fā)電機(jī)組廠房外的安全區(qū)域內(nèi)。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，處理效果好；主要的缺點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一定的電耗，對(duì)于發(fā)電機(jī)組年發(fā)電總量的改善效果有限，此外，由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有冷凝換熱與回?zé)峁に?，?dǎo)致系統(tǒng)阻力損失較大，約為3～4kPa，對(duì)于前端氣體輸送壓力低于12kPa的低濃瓦斯發(fā)電系統(tǒng)并不十分適合，適用范圍有限。

3.2 吸收式脫水工藝方案

圖2 吸收式脫水工藝方案流程圖

該方案的主要工藝是采用液態(tài)吸收劑對(duì)氣體中攜帶的液態(tài)水、固體粉塵及部分氣態(tài)水進(jìn)行吸收式脫除，該工藝在空氣除濕領(lǐng)域具有非常成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過細(xì)水霧輸送過來的瓦斯氣首先進(jìn)入除塵脫水器，脫除大顆粒固體粉塵及攜帶的部分液態(tài)水后，從吸收塔底部進(jìn)入，在塔內(nèi)與噴淋吸收液發(fā)生逆流接觸，從而將氣體中攜帶的氣態(tài)水分子轉(zhuǎn)移到吸收液中，同時(shí)通過重力及過濾原理去除部分大顆粒固體粉塵，使氣體從塔頂出去以后達(dá)到滿足發(fā)電機(jī)組對(duì)氣體相對(duì)濕度≤80%的要求。吸收劑與氣體充分接觸后逐漸趨于飽和，飽和的吸收劑在溶液泵的作用下進(jìn)入再生系統(tǒng)，在再生熱空氣的作用下實(shí)現(xiàn)水分子的轉(zhuǎn)移，恢復(fù)活性，循環(huán)利用。該方案的工藝流程圖如圖2所示。

低濃度瓦斯吸收式脫水單元主要由吸收塔和再生裝置構(gòu)成，采用吸收塔與發(fā)電機(jī)組一對(duì)一配置，再生單元共用的設(shè)計(jì)理念。吸收塔體直徑控制在1～1.5m左右，對(duì)于新建項(xiàng)目可放置于發(fā)電機(jī)組旁的閑置空間，對(duì)于改造項(xiàng)目可將原發(fā)電機(jī)組前的重力脫水器替換為吸收塔，安裝方便；再生系統(tǒng)為整體撬裝結(jié)構(gòu)，可放置于發(fā)電機(jī)組廠房外的閑置空地處。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)內(nèi)耗電設(shè)備少，運(yùn)行能耗極低，約為電制冷的1/6，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過程中氣側(cè)阻力損失極小，可控制在1～1.5kPa以下，更為適合目前國(guó)內(nèi)低濃度瓦斯低壓輸送的現(xiàn)狀；主要缺點(diǎn)是該工藝在低濃瓦斯利用領(lǐng)域?qū)儆谳^新技術(shù)，在運(yùn)行案例較少。

4 兩種工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

為了進(jìn)一步對(duì)比分析兩種預(yù)處理工藝在低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，本文針對(duì)山西某瓦斯抽放泵站的低濃度瓦斯發(fā)電站做了方案對(duì)比分析。該發(fā)電站可利用低濃度混合瓦斯氣量為15000Nm3/h，總裝機(jī)功率7.5MW，為了提高機(jī)組運(yùn)行效率，擬對(duì)低濃度瓦斯氣進(jìn)行預(yù)處理，兩種工藝的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分別如表1、2所示。

表1 兩種工藝的技術(shù)性對(duì)比

表2 兩種工藝的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

續(xù)表

由表1、表2分析可知，電制冷脫水工藝技術(shù)成熟，處理效果穩(wěn)定，但是由于系統(tǒng)內(nèi)冷凝換熱器與回?zé)崞鞯墓に嚰s束，系統(tǒng)內(nèi)阻力損失較大，對(duì)于前端瓦斯氣輸送壓力較低或發(fā)電機(jī)組對(duì)進(jìn)氣壓力要求較高的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)不宜采用此方法；吸收式脫水工藝屬于新興技術(shù)，處理效果穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)阻力損失極低，能夠適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)低濃度瓦斯輸送壓力低的現(xiàn)狀，雖然其設(shè)備初投資相比較同等處理規(guī)模的電制冷工藝較高，但是通過對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省，兩年內(nèi)可回收設(shè)備投資差價(jià)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行的角度考慮，低濃度瓦斯發(fā)電站氣體預(yù)處理系統(tǒng)宜采用吸收式脫水工藝。

[1] 顧潔. 液體除濕設(shè)備性能的分析與研究[D]. 西安建筑科技大學(xué)，2004

[2] SY/T0076-93, 天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范

[3] ROE S, REISMAN J, ST RAIT R, et al. Emerging Techno loges for the Management and Utilization of Landfill Gas [R]. Washing to n: U. S. Environment al Protection n Agency Office of Research and Development, 1998.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Selective Application of Pretreatment Process in Low-concentration Gas Power Generation Project

XU Tingting

(Beijing Fairyland Environmental Technology Co., Ltd., Beijing 100085)

This paper puts forwards two technical routes aiming at low concentration gas pretreatment, i.e. electrical refrigeration dewatering process and absorption dewatering process, and compares and analyzes the factors of two processes. Results show the effect of two processes on gas source improvement are similar, and the two processes can both meet requirements of generator units for gas quality. The electrical refrigeration dewatering process is more suitable for low concentration gas power generation system with strict initial investment control and transmission pressure no lower than 12～15kPa; while the absorption dewatering process is more suitable for low concentration gas power generation system with strict operation cost control, low front-end transmission pressure and small installation space.

Low-concentration gas pretreatment system; absorption dewatering process; electrical refrigeration dewatering process

徐婷婷，女，碩士研究生，主要從事瓦斯氣、沼氣、填埋氣等氣體的預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)及售前支持工作。