吳建新　潘文智　楊興華　李洪燕

【摘 要】簡要介紹了沼氣膜分離的基本原理，對集裝箱式沼氣提純設(shè)備及提純工藝流程進行了概述，分析總結(jié)了集裝箱沼氣提純設(shè)備調(diào)試期間出現(xiàn)的進氣瞬時流量低、壓縮機排氣壓力達不到設(shè)計值、系統(tǒng)運行壓力低等問題的現(xiàn)象、原因和處理措施。

【關(guān)鍵詞】集裝箱式設(shè)備；沼氣提純；調(diào)試

沼氣的主要成份是50%-70%的CH4、30%-50%的CO2和少量的H2S、H2O、N2、H2、NH3和CO等氣體。未經(jīng)處理的普通沼氣由于其中的CO2降低了沼氣的能量密度和熱值，限制了其利用范圍。而經(jīng)凈化和提純后的沼氣CH4質(zhì)量分數(shù)可達97%以上，幾乎與天然氣無異，被稱為生物天然氣，可輸入管網(wǎng)或作車用燃料替代石化天然氣[1-2]。沼氣凈化提純主要是指對H2S、CO2等雜質(zhì)的脫除，其中脫除CO2是主要的任務(wù)。根據(jù)分離凈化原理的不同可分為：吸附法、膜分離法、低溫分離法等[3]。

膜分離法原理是利用各氣體組分在膜表面的吸附能力不同，溶解、擴散速率不同，在膜兩側(cè)分壓差的推動下，大部分CO2等組分和少量的CH4透過膜壁進入滲透側(cè)分離出去，大部分CH4在高壓側(cè)作為生物天然氣輸出。與傳統(tǒng)分離方法相比，膜分離法具有分離效率高、體積小、能耗投資較低、管理方便等優(yōu)點。

北京合力清源科技有限公司設(shè)計組裝了一套膜法集裝箱沼氣提純設(shè)備，用于將沼氣提純成為生物天然氣，經(jīng)調(diào)試后，取得了較好的效果，現(xiàn)將試車過程進行總結(jié)，與同行們探討。

1 設(shè)備概況

集裝箱式沼氣提純設(shè)備單體部件體積較小，所有部件均集成在一個20尺的標準集裝箱內(nèi)，高集成化，安裝簡單，占地面積小，后期維護保養(yǎng)方便。產(chǎn)品可移動，實現(xiàn)多個項目共用一套提純設(shè)備，降低初始投資，提高項目經(jīng)濟性。

膜提純設(shè)備運行主要工藝參數(shù)：額定處理量：100m3/h；氣量調(diào)節(jié)范圍0-100%；排氣壓力～1Mpa；NH3<10ppm；H2S<30 ppm；O2<3%；進氣溫度<40℃；產(chǎn)品氣CH4含量≥97%。

經(jīng)過脫硫、脫水的沼氣經(jīng)壓縮機壓縮后，首先通過一級過濾器-油水分離器進行除水、除油、除塵，然后進入冷凍干燥機降溫進一步除水，接著進入二級過濾器去除飽和水、除油、除塵，經(jīng)過活性炭除油器吸附油分子及氨、最后經(jīng)過兩級過濾器以除塵、除殘油，得到凈化的氣體。凈化后的氣體進入膜分離系統(tǒng)進行分離純化，分離出的二氧化碳通過管道匯集后排入大氣，而制得的所需濃度的甲烷氣為產(chǎn)品氣即生物天然氣，其中CO2≤3%，CH4≥97%，壓力約為1.0MPa，可作為民用燃氣或汽車燃料使用，工藝流程見圖1。

2 調(diào)試過程中問題及處理措施

2.1 設(shè)備進氣瞬時流量低

本套提純設(shè)備設(shè)計處理原始沼氣量為100m3/h，運行中發(fā)現(xiàn)進氣的瞬時流量為35m3/h-75m3/h之間，達不到設(shè)計流量。

原因分析：調(diào)試地點位于某沼氣發(fā)電廠院內(nèi)，使用的沼氣是從該發(fā)電廠雙膜沼氣柜中儲存的沼氣，通過支管道引到提純設(shè)備進口，由于設(shè)備距離氣柜較遠，大約100m，管道較長，而且現(xiàn)有管道管徑為DN40，僅為提純設(shè)備進氣口DN80的一半。可能由于輸送量有限，造成瞬時流量低。還有一種可能是壓縮機本身未達到設(shè)計要求。

處理措施：從進氣壓力為-9.7Kpa至-15.6Kpa數(shù)據(jù)看，壓縮機有較強的吸力，進氣管道管徑小可能是造成流量不足的原因。為進一步驗證可能性，將進氣管道和提純設(shè)備進氣口斷開，直接使用空氣進行試驗，發(fā)現(xiàn)壓縮機能夠達到設(shè)計流量，排除了壓縮機設(shè)計問題。更改進氣管道，使之與設(shè)備進氣管道管徑相符，進氣瞬時流量達到設(shè)計值。

2.2 壓縮機排氣壓力達不到設(shè)計值

壓縮機額定排氣壓力為1.2Mpa，但運行過程中，壓縮機排氣壓力處于0.6Mpa-0.9Mpa之間，由此造成一級膜組進氣壓力為0.47Mpa-0.67Mpa之間，產(chǎn)品氣出口壓力僅為0.41Mpa-0.59Mpa之間等一系列問題。

原因分析：調(diào)試初期，由于存在產(chǎn)品氣達不到要求的可能，所以產(chǎn)品氣管道后端沒有連接任何儲氣容器，直接排到大氣中，相當于整個提純系統(tǒng)是一個開放的狀態(tài)，造成壓縮機排氣壓力低于設(shè)計值。

處理措施：調(diào)節(jié)壓縮機的后部的手動球閥，通過控制球閥的開閉程度，來控制壓縮機的排氣量，同時，在產(chǎn)品氣排氣口臨時安裝球閥，用來控制氣體流量，使供需達到近似平衡狀態(tài)，經(jīng)驗證，壓縮機排氣壓力達到1.2Mpa。

2.3 系統(tǒng)運行壓力低

通過控制壓縮機排氣口手動球閥解決壓縮機排氣壓力低的問題后，運行中發(fā)現(xiàn)在壓縮機排氣壓力達到1.2Mpa的情況下，一級膜進氣壓力為0.78Mpa-0.85Mpa之間，一級膜出氣（二級膜進氣）壓力在0.61Mpa-0.75Mpa之間，二級膜出氣（產(chǎn)品氣）壓力0.59Mpa-0.74Mpa，低于設(shè)計值，造成系統(tǒng)整體運行壓力低。

原因分析：在壓縮機排氣壓力、產(chǎn)品氣排放正常的情況下，出現(xiàn)系統(tǒng)壓力運行壓力低的狀況，說明系統(tǒng)排氣量過大，整個系統(tǒng)中未進行流量控制的有兩條管線，一條是一級膜組的滲透氣，主要是CO2和少量的CH4，直接排放到大氣中。另一條是二級膜組的滲透氣，由于其中存在較多的CH4，將這部分氣體回流至壓縮機前，經(jīng)過增壓后，再次經(jīng)過膜組進行CH4和CO2的分離，增加了CH4的回收利用率。這兩條管線不加以控制的話，會使壓力流失較大，造成系統(tǒng)運行壓力低。

處理措施：分別調(diào)節(jié)一級膜組和二級膜組的滲透氣管線上的球閥，控制滲透氣的量，系統(tǒng)壓力達到設(shè)計值，瞬時進氣流量、壓縮機排氣壓力、一級膜進氣壓力、二級膜進氣壓力、成品壓力風別為60m3/h、1.23Mpa、1.14Mpa、1.12Mpa和1.10Mpa，問題得到解決。

隨后連續(xù)運行8h，平均流量70m3/h，原始氣Ch4平均含量65.7%，成品氣壓力1.09 Mpa，CH4平均含量97.8%。

3 總結(jié)

經(jīng)過調(diào)試和運行實踐證明，集裝箱式沼氣提純設(shè)備運行穩(wěn)定，處理效果好，為保證該系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，應注意以下幾點：①滿足安全距離前提下，集裝箱式沼氣提純設(shè)備盡可能與氣源接近，使用與設(shè)備進口管徑相同的管道，以減少管道對氣體的阻礙；②注意系統(tǒng)的密閉性，避免外界氣體進入系統(tǒng)中；③操作人員要定時查看控制柜上的參數(shù)，并對其變化做一個日常記錄，以備出現(xiàn)故障時進行分析；④按照說明書定期維護保養(yǎng)，保證氣體品質(zhì)。

【參考文獻】

[1]Bauer F，Hulteberg C，Persson T，et al.Biogas upgrading-review of commercial technologies[R].SGC Report 2013：270.Malmo：Swedish Gas Technology Centre， 2013.

[2]程序，梁近光，鄭恒受，等.中國“產(chǎn)業(yè)沼氣”的開發(fā)及其應用前景[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（5）：1-6.

[3]鄭戈，張全國.沼氣提純生物天然氣技術(shù)研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（17）：1-8.

[責任編輯：田吉捷]