張大雷，劉虎成，寇 巍，邵麗杰，王曉明，劉沛含

中小型沼氣工程撬式沼氣提純系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張大雷1,2，劉虎成1，寇 巍2※，邵麗杰2，王曉明2，劉沛含2

（1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110136； 2. 遼寧省能源研究所有限公司，營(yíng)口 115003）

根據(jù)中國(guó)中小型沼氣工程分布范圍廣、地區(qū)差異性大、統(tǒng)籌規(guī)劃難的現(xiàn)狀，考慮到中小型沼氣工程中出現(xiàn)的沼氣凈化提純效率低、凈化提純效果差、成本高等問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一套撬裝式集約型的沼氣提純凈化系統(tǒng)，分別從脫硫系統(tǒng)、脫碳系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面設(shè)計(jì)出適合于裝置制造的工藝方法。系統(tǒng)集成了干法脫硫、膜法脫碳和分子篩工藝，在進(jìn)氣量為500 Nm3/d、粗沼氣壓力為104 kPa的沼氣工程條件下，進(jìn)行了工程應(yīng)用試驗(yàn)。通過(guò)檢測(cè)，該裝置穩(wěn)定運(yùn)行35 min后，提純氣中CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到97.88%，CO2低于2.5%，H2S質(zhì)量濃度僅為16.7 mg/m3，CH4回收率為86.5%。設(shè)備運(yùn)行成本為0.09元/Nm3沼氣，且投資回收期僅為1.5 a。經(jīng)過(guò)對(duì)比，該裝置的提純指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)生物天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且具有移動(dòng)靈活、提純效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)該裝置的應(yīng)用研究表明，沼氣提純凈化可實(shí)現(xiàn)中小型沼氣工程生物天然氣的高值化利用，為中小型沼氣工程的發(fā)展拓寬途徑。

沼氣；純化；設(shè)計(jì)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)沼氣工程項(xiàng)目的大力支持，使得沼氣工程的數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]。根據(jù)日產(chǎn)沼氣量（）的不同，中國(guó)的沼氣工程可劃分為4類(lèi)：特大型（≥5 000 Nm3/d）、大型（5 000 Nm3/d>≥500Nm3/d）、中型（500 Nm3/d>≥150 Nm3/d）和小型（150 Nm3/d>≥5 Nm3/d）[2]。

目前，中國(guó)各種類(lèi)型的沼氣工程約有10萬(wàn)余處，其中大型沼氣工程0.6萬(wàn)余處，中型沼氣工程萬(wàn)余處，小型沼氣工程8萬(wàn)余處。大型以及特大型沼氣工程是未來(lái)工業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)，眾多科研機(jī)構(gòu)也對(duì)這2類(lèi)沼氣工程所產(chǎn)生沼氣的凈化提純做了諸多研究，提純技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，經(jīng)凈化提純后的沼氣可用于車(chē)載燃料或者并入天然氣管道網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其高值化利用[3]。中小型沼氣工程發(fā)酵原料來(lái)源為村鎮(zhèn)廢棄物和養(yǎng)殖場(chǎng)糞便，存在著區(qū)域分散、數(shù)量大、統(tǒng)籌規(guī)劃難、凈化提純成本高、效率低等問(wèn)題，所產(chǎn)生沼氣大多用于炊事、照明、發(fā)電等低值利用方式，距離高值化使用有較大差距[4-5]。因此，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技等領(lǐng)域的進(jìn)步，針對(duì)中小型沼氣工程凈化提純系統(tǒng)的研究與應(yīng)用需求十分迫切，具有一定市場(chǎng)潛力。

沼氣凈化工藝中，沼氣脫硫常用的方法有干法脫硫、濕法脫硫和生物法脫硫。Chul-u等[6]的研究表明9種常用脫硫吸附劑（IO、IH、IHS、AC、IAC、A2、NS10、5A、13X）中AC-A2-IHS所組成的多級(jí)吸附工藝對(duì)沼氣中硫的脫除效果最好，吸附容量達(dá)到92.9 mg/g，同時(shí)還可以去除部分硅氧烷D4、D5。許海朋等[7]研究了以排硫硫桿菌作為接種菌的活性炭填料生物滴濾塔對(duì)H2S的脫除能力，在固定進(jìn)氣H2S濃度1 520 mg/m3，停留時(shí)間>29 s時(shí)，沼氣中H2S去除率可以達(dá)到95%以上。沼氣提純脫碳的常用方法有吸收法，變壓吸附法、膜分離法以及深冷分離法。吸收法包含物理吸收法和化學(xué)吸收法，其中高壓水洗法是最典型的物理吸收法。Petronela等[8]對(duì)高壓水洗法提純沼氣的過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了高壓水洗過(guò)程中吸收壓力、閃蒸壓力、溫度以及氣液比對(duì)脫碳效果的影響。Cheng等[9]將純聚合膜進(jìn)行雜化試驗(yàn)，加入5%金屬有機(jī)骨架和共價(jià)有機(jī)骨架制成混合基質(zhì)膜，其CO2滲透性增強(qiáng)48%，CO2/CH4選擇性增強(qiáng)79%，使得膜分離法的分離效果更加明顯。Alonso-Vicario等[10]認(rèn)為5A分子篩、13X分子篩和斜發(fā)沸石三者中斜發(fā)沸石是變壓吸附法中的最佳吸附劑，因?yàn)槠洳粌H可以脫除CO2和H2S，而且其再生性能好，CO2吸收能力不隨再生次數(shù)的增加而發(fā)生明顯變化。晏水平等[11]將化學(xué)吸收法與膜分離法相結(jié)合，以疏水性聚丙烯中空纖維膜作為膜接觸器，研究了常壓下乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺對(duì)沼氣的分離性能，認(rèn)為三乙醇胺做吸收劑時(shí)CO2吸收效果最好。Guo等[12]則對(duì)一種新型脫碳方式進(jìn)行了研究，這種脫碳方式利用了藻類(lèi)植物的光合作用對(duì)CO2進(jìn)行吸收，研究表明，在試驗(yàn)條件下CO2去除率達(dá)到52%。

本研究針對(duì)中小型沼氣工程運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并構(gòu)建制造了一套撬裝式沼氣提純凈化裝置，結(jié)合日產(chǎn)氣量為500 Nm3/d、工作壓力為104 kPa的沼氣工程條件，開(kāi)展項(xiàng)目應(yīng)用試驗(yàn)分析，以了解該設(shè)備對(duì)中小型沼氣工程的適應(yīng)性與應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

粗沼氣：山東省壽光市某奶牛場(chǎng)；標(biāo)準(zhǔn)氣：遼寧省營(yíng)口市嘉禾特種氣體有限公司，組分如表1所示；氣相色譜儀：美國(guó)安捷倫氣相色譜儀（Aligent7820A）；集氣袋：阜陽(yáng)百潤(rùn)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；比長(zhǎng)式硫化氫氣體檢測(cè)管（0～152 mg/m3，76～1 520 mg/m3）：河南省輝縣市興煤儀器有限公司。

表1 標(biāo)準(zhǔn)氣體體積分?jǐn)?shù)梯度

1.2 方法與條件

通過(guò)氣相色譜對(duì)粗沼氣和提純后燃?xì)庵蠧H4和CO2的含量進(jìn)行定性與定量的分析；對(duì)于H2S的測(cè)量則采用比長(zhǎng)式硫化氫快速檢測(cè)管[13]。

所用氣相色譜的色譜柱為Porakap Q（80/100×6ft）填充柱；前進(jìn)樣口，進(jìn)樣量為0.4L，加熱器溫度為250 ℃，壓力為3.110 4 Pa；載氣為氮?dú)?，流速?0 mL/min；柱箱溫度為70 ℃，持續(xù)時(shí)間為5 min；后熱導(dǎo)池檢測(cè)器口，加熱器溫度為250 ℃，參比流量為30 mL/min，尾吹流量為5 mL/min。

標(biāo)準(zhǔn)氣出口與氣相色譜儀入口相連。注入標(biāo)準(zhǔn)氣體后，15 s后，啟動(dòng)氣相色譜儀。CO2的保留時(shí)間為2.154 min，CH4的保留時(shí)間為3.509 min。

比長(zhǎng)式硫化氫快速檢測(cè)管的基本工作原理是線(xiàn)性比色法，被測(cè)氣體在通過(guò)檢測(cè)管時(shí)與顯色指示膠發(fā)生反應(yīng)，形成變色層，變色層的長(zhǎng)度與濃度成正比測(cè)量的氣體。其使用方法為：切斷檢測(cè)管端部后，用短管將采樣管連接到標(biāo)有0的濃度刻度的檢測(cè)管上，使氣體在規(guī)定的時(shí)間均速通過(guò)檢測(cè)管。然后根據(jù)檢測(cè)管上端指示的數(shù)字直接讀取被測(cè)氣體中H2S的濃度。

2 撬式沼氣凈化提純工藝系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣中主要含有H2S、H2O、CH4、CO2，垃圾填埋場(chǎng)發(fā)酵所產(chǎn)生的沼氣中還可能會(huì)有O2、N2、NH3等氣體存在，不同生物質(zhì)發(fā)酵所產(chǎn)生的沼氣中各種氣體的組分會(huì)有差異。一般情況下，以畜禽糞污為原料進(jìn)行厭氧消化后沼氣中CH4、CO2的體積分?jǐn)?shù)為50%～70%、30%～50%[安銀敏, 2018 #3;安銀敏, 2018 #3]、H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)在304～3 040 mg/m3之間[14-16]。

本研究所用發(fā)酵原料是來(lái)自于山東省壽光市某奶牛場(chǎng)的新鮮牛糞，經(jīng)過(guò)檢測(cè)后的沼氣組分如表2所示。

表2 沼氣主要成分

由于H2S微溶于水，因此首先要將混合氣體中的水分去除，接著要去除硫化氫，以確保進(jìn)入脫碳系統(tǒng)的氣體只有甲烷和二氧化碳。本研究所設(shè)計(jì)裝置按照脫水-脫硫-脫碳的工藝流程進(jìn)行如圖1所示。以《車(chē)用壓縮天然氣（GB18047-2017）》標(biāo)準(zhǔn)和《天然氣（GB17820-2018）》標(biāo)準(zhǔn)為參考，經(jīng)過(guò)凈化提純后的生物天然氣中CH4體積分?jǐn)?shù)要達(dá)到97%以上，CO2低于3%，H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20 mg/m3，可用作車(chē)用燃料[17]或并入天然氣管道實(shí)現(xiàn)高值化利用[18]。

本設(shè)計(jì)工藝流程為沼氣經(jīng)氣水分離器、化學(xué)脫硫罐前置處理后，由風(fēng)機(jī)增壓送入二級(jí)脫碳系統(tǒng)脫碳，之后在凝水器中進(jìn)一步去除水分。所得到的生物天然氣一部分可用于滿(mǎn)足奶牛場(chǎng)的日常需求，另一部分并入天然氣管道或用作車(chē)用燃料。所設(shè)計(jì)的沼氣提純裝置工藝流程如圖1所示。

1.蝶閥 2.氣水分離器 3.化學(xué)脫硫罐一 4.化學(xué)脫硫罐二 5.壓縮機(jī) 6.壓力變送器 7.度盤(pán)式壓力表 8.膜脫碳系統(tǒng) 9.精脫碳系統(tǒng) 10.凝水器一 11.凝水器二 12.D50無(wú)縫鋼管

2.1 沼氣脫硫工藝研究

目前中國(guó)沼氣工程中采用的脫硫方法主要是生物脫硫和化學(xué)脫硫2種。不同的脫硫方法有各自的特點(diǎn)，生物法脫硫[19]是一種新興的脫硫方法，其工藝簡(jiǎn)單、能耗低、成本低、無(wú)二次污染，但菌種的選擇與培養(yǎng)較難。干法脫硫和濕法脫硫同屬于傳統(tǒng)的化學(xué)脫硫方式，也是現(xiàn)在沼氣脫硫的主要方法，相較于濕法脫硫，干法脫硫占地面積小、設(shè)備成本低、操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便。因此，干法脫硫在中小型沼氣凈化提純工程中更受歡迎，常見(jiàn)的干法脫硫劑有活性炭、沸石、分子篩、氧化鋅以及氧化鐵。

本研究選用Fe2O3作為脫硫劑對(duì)粗沼氣中的H2S進(jìn)行脫除，該Fe2O3采用新沉淀合成法以硫酸亞鐵和三乙胺為主要原料制備而成[20]，是一種可再生的高活性脫硫劑。氧化鐵干法脫硫是H2S與Fe2O3接觸反應(yīng)生成Fe2S3和FeS，將氣態(tài)H2S轉(zhuǎn)化為固態(tài)硫化物從而達(dá)到去除氣體中H2S的目的。脫硫劑的再生在空氣中即可進(jìn)行，F(xiàn)e2S3和FeS與空氣中的O2反應(yīng)生成Fe2O3和S[21]，脫硫與再生的化學(xué)反應(yīng)方程式如式（1）～式（4）所示：

脫硫：

Fe2O3+3H2S=Fe2S3+3H2O（1）

Fe2O3+3H2S=2FeS+S+3H2O（2）

再生：

2Fe2S3+3O2=2Fe2O3+6S（3）

4FeS+3O2=2Fe2O3+4S（4）

本研究所處理粗沼氣中H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為360.2 mg/m3，為保證處理速率與設(shè)備運(yùn)行連續(xù)性，本提純系統(tǒng)設(shè)計(jì)2臺(tái)干法化學(xué)脫硫罐并聯(lián)工作。如圖2所示，化學(xué)脫硫罐底部裝有Fe2O3填料，氣水分離后的粗沼氣從脫硫罐底部進(jìn)入，穿過(guò)填充多孔Fe2O3的填料層，脫硫后的沼氣從罐體上部離開(kāi)。在脫硫罐上部設(shè)有H2S分析傳感器，當(dāng)脫硫罐上部出口處H2S含量高于規(guī)定值時(shí)，應(yīng)對(duì)脫硫劑進(jìn)行再生。同時(shí)，當(dāng)脫硫劑中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于30%時(shí)，也需要對(duì)脫硫劑進(jìn)行再生或者更換新的脫硫劑。

圖2 化學(xué)脫硫罐

2.2 沼氣脫碳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

幾種常用的脫碳方法中，高壓水洗法需要消耗大量水資源，同時(shí)能耗較大，國(guó)內(nèi)示范工程中未見(jiàn)使用此種方法。以碳酸丙烯酯[22]、低溫甲醇、Selexol[23]、聚乙二醇二甲醚等有機(jī)溶劑為吸收劑的物理吸收法，因?yàn)镃O2在有機(jī)溶劑中的溶解度大于在水中的溶解度，因此，提純相同體積相同組分的沼氣，以有機(jī)溶劑作為吸收劑的物理吸收法的吸收劑使用量更少、能耗更低?；瘜W(xué)吸收法的吸收劑主要為堿性溶液和有機(jī)溶液，吸收機(jī)理為吸收液與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成碳酸化合物，再生時(shí)需要加入相應(yīng)的溶劑，成本和能耗均較高[24]。膜分離法經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，技術(shù)相對(duì)成熟，提純效率高，膜分離設(shè)備體積小，適合在撬式裝置中使用[25]。變壓吸附法反應(yīng)條件要求低，適用范圍廣[26]。深冷分離法裝置要求高、氣液分離難、能耗大，提純費(fèi)用高，大規(guī)模應(yīng)用還存在一定問(wèn)題[27]。

通過(guò)以上對(duì)提純效率和成本的綜合分析，本研究構(gòu)建了膜分離法和分子篩相結(jié)合的脫碳方式。膜分離法以中空纖維元件為接觸器，通過(guò)聚酰亞胺（PI）膜對(duì)脫硫沼氣進(jìn)行粗脫碳，膜脫碳系統(tǒng)如圖3所示。

1.氣體入口 2.端蓋 3.滲透氣出口 4.罐體 5.膜頭 6.滲余氣出口 7.聚酰亞胺膜

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 脫硫劑填裝量與更換周期的確定

參考大中型沼氣工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[28]，每個(gè)脫硫罐中Fe2O3脫硫劑的裝填質(zhì)量應(yīng)不小于下式計(jì)算結(jié)果：

式中為每小時(shí)1 000 m3沼氣所需脫硫劑的容積，m3；C為粗沼氣中H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；為脫硫劑中活性氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；為脫硫劑密度，t/m3；為每小時(shí)1 000 m3沼氣所需脫硫劑的質(zhì)量，t。

脫硫劑的更換周期由沼氣含硫量、氣體流量、工作時(shí)間等條件決定，其大致更換周期可由下式計(jì)算得出[29]：

式中為脫硫劑堆積密度，mg/m3；為脫硫劑的穿透硫容，%；inout為脫硫裝置進(jìn)、出口氣體中的硫化氫含量，mg/m3；1為氣體流量，m3/d，為脫硫劑的計(jì)算更換周期，d。

本研究所設(shè)計(jì)沼氣處理量為500 Nm3/d，粗沼氣中H2S含量為360.2 mg/m3，所選用脫硫劑氧化鐵含量為58%，密度為0.7 kg/L，穿透硫容為33.6%。依上述公式計(jì)算出脫硫劑的用量應(yīng)>0.293 t，計(jì)算更換周期為92 d。綜合考慮，脫硫劑使用300 kg，平均分裝于2個(gè)脫硫罐中，每隔3個(gè)月進(jìn)行一次再生。

精脫碳系統(tǒng)中分子篩用量的確定與脫硫劑用量的計(jì)算方式相同，經(jīng)計(jì)算得，分子篩的用量為240 kg，平均裝與兩罐中，更換周期為6個(gè)月。

3.2 膜面積及膜接觸器特性參數(shù)的確定

對(duì)膜面積的確定，常通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中為氣體滲透速率，cm3/(cm2?s?Pa)；Δ為壓差，0.13kPa；為膜表面積，m2。

本研究所設(shè)計(jì)脫碳系統(tǒng)處理量為500 Nm3/d。聚酰亞胺膜氣體滲透速率為1.28×10-7cm3/(cm2?s?Pa)，壓差為100 kPa，計(jì)算得膜面積為45.6 m2，實(shí)際選用聚酰亞胺膜面積為50 m2，其余聚酰亞胺膜及其膜接觸器的特性參數(shù)如表3所示。

表3 聚酰亞胺膜及膜接觸器特性參數(shù)

3.3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在工程中常用控制系統(tǒng)有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）和分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）[30-31]。DCS控制系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)、可靠性高、控制功能齊全，價(jià)格較為昂貴，適合對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC控制系統(tǒng)操作靈活方便，可實(shí)現(xiàn)人工與自動(dòng)模式相互切換，在石油化工領(lǐng)域運(yùn)用較多。

本研究選用德國(guó)西門(mén)子S7-300系列PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)各部件的運(yùn)行狀態(tài)，還可以調(diào)節(jié)設(shè)備中閥門(mén)以對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的溫度、壓力等進(jìn)行控制。

硬件控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，氣體組分分析儀、硫化氫分析傳感儀等將設(shè)備中的氣體組分、壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)控制柜發(fā)出指令，調(diào)節(jié)蝶閥、風(fēng)機(jī)等使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)以及修正數(shù)據(jù)在顯示器中顯示以方便工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖4 PLC硬件控制結(jié)構(gòu)

3.4 配套管路計(jì)算

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣中會(huì)有一部分水存在，水分含量過(guò)高既會(huì)溶解硫化氫腐蝕設(shè)備，也會(huì)影響干法脫硫塔的正常工作，同時(shí)還會(huì)降低沼氣的熱值，因此沼氣在進(jìn)入脫硫裝置前，要先經(jīng)過(guò)氣水分離器對(duì)水分進(jìn)行脫除。在脫硫罐中，F(xiàn)2O3與H2S反應(yīng)吸收H2S的過(guò)程中會(huì)有少量水分生成，為保證生物天然氣中水分含量合格，在脫碳后加裝凝水器除去脫硫罐中產(chǎn)生的水分。

綜合考慮抗腐蝕性、密封性、抗壓性等因素，主管道選用無(wú)縫鋼管。管徑確定公式[32]：

式為管道中氣體流速，m/s。

本設(shè)備所設(shè)計(jì)的處理量為500 Nm3/d，氣體流速為3 m/s，因此主管徑計(jì)算：

=500 Nm3/d=0.005 79 Nm3/s

圓整后去主管徑直徑為50 mm。

3.5 總體布置及設(shè)備實(shí)體

總體布置及設(shè)備實(shí)體按上述流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)備平面布置圖、3D效果圖以及設(shè)備實(shí)體圖如圖5所示。氣水分離器直徑為400 mm，高度為843 mm；化學(xué)脫硫罐、精脫碳罐直徑為600 mm，高度為1 364 mm；中空纖維膜系數(shù)為7 mm，長(zhǎng)度為750 mm；冷凝器直徑為300 mm，高度為540 mm。膜脫碳系統(tǒng)采用法國(guó)液化空氣集團(tuán)的聚酰亞胺膜，其余部件自制，外殼采用一級(jí)防爆材料。

4 提純?cè)O(shè)備性能分析及經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 設(shè)備性能分析

本研究所研發(fā)的設(shè)備在壽光某奶牛場(chǎng)搭建了1套凈化提純一體化設(shè)備示范工程（圖6）。該示范工程產(chǎn)氣量為500 Nm3/d，沼氣池出口粗沼氣壓力為104 kPa。

對(duì)每組待測(cè)沼氣進(jìn)行3次測(cè)定并取平均值，依計(jì)算結(jié)果繪制如圖7所示。由圖7可知，該系統(tǒng)在開(kāi)始運(yùn)行10 min之內(nèi)CH4和CO2的濃度變化不大，同時(shí)在其氣象色譜圖保留時(shí)間2.512 min處出現(xiàn)一個(gè)不屬于CH4和CO2的峰，通過(guò)對(duì)比空氣在相同色譜條件下的保留時(shí)間將其定性為空氣殘余?？烧J(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行10 min內(nèi)為空氣排出、系統(tǒng)預(yù)熱階段，粗沼氣尚未被提純。在系統(tǒng)運(yùn)行10～35 min時(shí)間段內(nèi)，提純氣中CH4濃度逐漸升高，CO2濃度逐漸下降，此階段為系統(tǒng)穩(wěn)定階段，即系統(tǒng)內(nèi)部壓力、溫度緩慢朝著最佳條件攀升，最終達(dá)到系統(tǒng)的最佳使用條件。系統(tǒng)在運(yùn)行35 min后，提純氣中CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到97.5%以上并且保持穩(wěn)定，認(rèn)為此時(shí)為穩(wěn)定運(yùn)行階段。通過(guò)比長(zhǎng)式硫化氫快速檢測(cè)管，測(cè)得粗沼氣中H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為360.2 mg/m3，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的提純氣中僅為16.7 mg/m3，脫硫率達(dá)到95.4%。

對(duì)于沼氣凈化提純系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)，除了出口CH4、CO2以及H2S的摩爾百分含量外，CH4的回收率也是一項(xiàng)重要指標(biāo)，其計(jì)算如式（10）所示：

式中K為甲烷回收率，%；Qin、Qout分別為粗沼氣和提純氣的體積流量，Nm3/h；分別為粗沼氣和提純氣中CH4的摩爾百分含量，%。

本研究所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行后，系統(tǒng)出口處提純氣的體積流量為257 Nm3/d，提純氣中甲烷含量為97.88%，計(jì)算可得CH4的回收率為86.5%。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)備從設(shè)計(jì)到投入使用再到最后的報(bào)廢，所包含的成本主要有設(shè)備成本和運(yùn)行成本2部分，其中設(shè)備成本體現(xiàn)為設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，為一次性投資，運(yùn)行成本有材料消耗和設(shè)備耗電2部分構(gòu)成。本設(shè)備所涉及的材料消耗有氧化鐵脫硫劑以及13X分子篩的更換，連續(xù)運(yùn)行180 d的系統(tǒng)具體成本如表4所示。

表4 運(yùn)行成本明細(xì)

由表4可知，本設(shè)備運(yùn)行成本為0.09元/Nm3沼氣，設(shè)備耗電占比為55.6%，其余運(yùn)行成本為材料的日常更換。該設(shè)備一次性投資為240 000元，設(shè)計(jì)使用壽命為10 a，平均每天可用500 m3沼氣提純出257 m3生物天然氣。若將該生物天然氣全部并入天然氣管道售賣(mài)，按照并網(wǎng)價(jià)格1.8元/m3計(jì)算，大約1.5 a可收回設(shè)備成本，后續(xù)每年約可獲得168 000元的利潤(rùn)。

5 結(jié)論與討論

本研究設(shè)計(jì)了并制造了一款撬裝式中小型沼氣工程凈化提純系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)該裝置的應(yīng)用測(cè)試，取得以下結(jié)論：

1）以Fe2O3為脫硫劑的干法脫硫在中小型沼氣工程脫硫中取得良好的效果，提純氣中H2S的含量?jī)H為16.7 mg/m3，脫硫率為95.4%，而且Fe2O3的來(lái)源廣泛、再生方便，是一種適合中小型沼氣工程脫硫的的脫硫劑。

2）膜法與變壓吸附法相結(jié)合進(jìn)行沼氣脫碳是一種新的嘗試，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，粗沼氣經(jīng)本設(shè)備凈化提純后，提純氣中CH4體積分?jǐn)?shù)在97.5%以上，CO2的殘留量在2%左右，CH4的回收率達(dá)到86.5%。經(jīng)本設(shè)備凈化提純后提純氣中CH4、CO2以及H2S的含量均可滿(mǎn)足《車(chē)用壓縮天氣》和《天然氣》的要求。

3）設(shè)備運(yùn)行成本為0.09元/Nm3沼氣，將脫硫脫碳所得的生物天然氣全部用于并網(wǎng)售賣(mài)，則投資回收期為1.5 a，后續(xù)可為養(yǎng)殖場(chǎng)拓展收入來(lái)源。

4）相較于傳統(tǒng)凈化提純?cè)O(shè)備，本設(shè)備采用了撬裝式設(shè)計(jì)和PLC控制系統(tǒng)，不僅占地面積小，靈活性好，而且自動(dòng)化程度高，大大降低了操作人員的的工作強(qiáng)度。

在此次性能測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)本設(shè)備有一些需要改進(jìn)的地方：脫硫罐均設(shè)計(jì)為2罐并聯(lián)使用，在更換脫硫劑時(shí)需關(guān)停設(shè)備進(jìn)行更換，且2罐流量分配不好控制，導(dǎo)致更換時(shí)間不同步，不能連續(xù)運(yùn)行。后續(xù)應(yīng)對(duì)脫硫罐進(jìn)行調(diào)整，在脫硫罐入口前加裝流量控制閥，控制2臺(tái)并聯(lián)的脫硫罐一臺(tái)脫硫，一臺(tái)備用，在脫硫劑再生或者更換時(shí)交替使用。脫碳罐的設(shè)計(jì)也存在此問(wèn)題，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行相同改進(jìn)；管路設(shè)計(jì)時(shí)管路中流速偏低，管道橫截面積較大。同時(shí)，所有管路無(wú)需均采用不銹鋼材料，脫硫罐出口后的管路采用碳鋼材料即可，可以減少設(shè)備成本;本文所設(shè)計(jì)的裝置可根據(jù)不同原料氣、不同處理量在設(shè)備制作時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足不同沼氣工程對(duì)沼氣凈化純?cè)O(shè)備的要求，但調(diào)整后設(shè)備的穩(wěn)定性仍需要進(jìn)一步深入改進(jìn)分析，設(shè)備對(duì)不同種類(lèi)沼氣工程的適應(yīng)性和穩(wěn)定性特點(diǎn)仍有待于研究。聚酰亞胺膜與13X分子篩結(jié)合脫碳的效果優(yōu)于單一模式的脫碳效果，但其組合不一定是最優(yōu)組合，對(duì)于組合脫碳的研究有待進(jìn)一步深入。

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Design and application of skid type biogas purification system for small- and medium- scale biogas projects

Zhang Dalei1,2, Liu Hucheng1, Kou Wei2※, Shao Lijie2, Wang Xiaoming2, Liu Peihan2

(1110136,;2.115003)

Small-and medium-scale biogas systems are widely distributed in China. Nevertheless, the overall strategic planning of biogas project is highly difficult, due mainly to the large difference in geographic regions. According to the different daily production of biogas (), biogas projects in China can be divided into four categories: extremely large (>5 000 Nm3/d), large (5 000 Nm3/d>>500 Nm3/d), medium (500 Nm3/d>>150 Nm3/d), and small (150 Nm3/d>>5 Nm3/d). At present, there are more than 100 000 biogas projects of various types in China, among which there are more than 66 000 large-scale biogas projects, more than 10 000 medium-sized biogas projects, and more than 80 000 small-scale biogas projects. Many previous studies focused on biogas purification on the large and super large biogas engineering, serving as the future development trend of industrialization. Purified biogas after purification can be used for vehicle fuel or incorporated into the natural gas pipeline network, thereby to achieve its high value usage. The fermentation of raw materials in small-and medium-sized biogas projects are usually from village wastes and manure from farms. There are still problems in the small-and medium-scale biogas system, such as regional dispersion, large quantity, difficulty in the overall planning, high purification cost, and low efficiency. The generated biogas is mostly used in low-value utilization ways, such as cooking, lighting, and power generation, far beyond the high-value utilization. Therefore, it is very urgent to extend the potential application of purification system in the small and medium-sized biogas projects. In this study, a set of skid-mounted integrated biogas purification system was designed, aiming to improve the efficiency, performance, and cost-saving systems in small- and medium-sized biogas projects. Technical methods were designed suitable for the manufacture system of desulfurization, decarburization, and control. Specifically, the dry desulfurization, membrane decarburization, and molecular sieve technology were integrated into the set of the system. An engineering application test was carried out, under the conditions of biogas intake capacity of 500 m3/d, and biogas pressure of 104 kPa. After 35 minutes of stable operation, the content of CH4in the purified biogas reached 97.88%, the content of CO2was lower than 2.5%, the content of H2S was as low as 11 mg/kg, and the recovery efficiency of CH4reached 86.5%. The operating cost of equipment was 0.09 yuan/Nm3biogas, and the payback period was only 1.5 a. In comparison, the purification performance of the apparatus met the requirements of biological natural gas standard of China, indicating the advantages of flexible movement, high purification efficiency, and low cost. To meet the needs of different engineering requirements for biogas purification equipment, the device can be designed, according to different material gas in different biogas producing scale. The stability of adjusted equipment was still needed to improve in the further, particularly on the equipment adaptability, and stability characteristics for the different types of biogas engineering. The application of this apparatus can realize the valorization of biogas, and further widen the fields for the development of small and medium-sized biogas projects.

biogas; purification; design; system design

張大雷，劉虎成，寇巍，等. 中小型沼氣工程撬式沼氣提純系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(23)：215-221.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.025 http://www.tcsae.org

Zhang Dalei, Liu Hucheng, Kou Wei, et al. Design and application of skid type biogas purification system for small- and medium- scale biogas projects[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 215-221. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.025 http://www.tcsae.org

2020-08-16

2020-11-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0800802）；遼寧省科學(xué)事業(yè)公益基金（20180051）

張大雷，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程領(lǐng)域研究。Email：daleizhang@163.com

寇巍，研究員，主要從事生物質(zhì)能源領(lǐng)域研究。Email：kouwei6@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.025

TK6

A

1002-6819(2020)-23-0215-07