孙刚云 陈建波

摘 要：目前，我国所面临的环境和能源压力比较大，对一系列可再生资源的开发和应用，从而代替天然气、石油、煤炭等化石燃料是世界将来解决能源危机的一种关键方式。沼气这种能源是绿色能源，沼气发电技术是取得绿色能源和治理环境污染最为实用和经济的方式，纵观我国沼气发电技术能力、产量潜力、政策导向，以及市场需要，沼气发电产业有着巨大的发展空间。并且，沼气发电工程是系统化的，工程中气体的净化处理和输送已经影响到了发电工程的成败。本文从沼气的脱硫、脱水、加压、储存以及安全输送等方面详细分析了工艺流程中的每个单元环节。沼气净化、输送工程处理效果的好坏和能否正常运转，直接影响着沼气发电工程的成败，在沼气发电系统工程中起着举足轻重的作用。

关键词：沼气发电；净化处理；安全输送

1 沼气发电的现状及意义

1.1 沼气发电的基本概况

沼气是一种很好的清洁可再生能源，在生物质的再生应用中，所排出的CO2跟生物质再生的过程中吸收的CO2实现碳平衡，有着零排出CO2的功能，以及十分广阔的发展前景。

沼气发电属于优化应用沼气工程的一种主要方式。在出台《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》以及《可再生能源法》的影响下，沼气发电引起了人们的普遍重视，当今的沼气发电趋势是迅速增长的。在招商引资当中，政府部门也高度重视沼气发电，可以说，沼气发电利国利民，受到越来越多的人关注。

1.2 沼气发电的意义

我国能源结构以煤为主，煤炭所占的比重近70%，造成了严重的大气污染。沼气发电基本不增加温室气体。2.5万千瓦运营沼气发电机组，跟相同功率的火电机组进行比较，每年能够减少大概10万吨的二氧化碳排放量。火电厂二氧化硫的大量排放，导致酸沉降与酸雨。沼气含硫量是煤炭的大概10%，“此硫非彼硫”，如此的沼气发电还能够使二氧化硫等有害的气体量的排出大大地降低。除此之外，传统意义上的火电厂在燃烧煤炭之后会出现大概30%的煤渣；生物质直燃发电产灰率只是大概2%，灰粉有着丰富的钾元素，在进行加工之后能够制作成为高效的肥料。为此，空气里来空气里去属于沼气发电的原料，剩下的回到土中，基本不形成污染。

沼气的主要原料是生物质，养殖场、食品厂、酿酒企业、污水处理厂、垃圾处理厂等企业均有大量的沼气资源可以利用。我国有着十分丰富的生物质能源，农作物秸秆的量超出了7.2亿t，其中的6.04亿t能够充当能源。我国在引进、消化、吸收外国发达技术的基础上，嫁接规模化、集约化、商品化的管理，根据我国的发展现状，在注重稳定和健康发展的前提条件下，在缓解电力供应紧张与节约不可再生资源等环节上都有着十分关键的作用。沼气发电不仅仅使有害气体与温室气体的排出量降低，还有利于建设和谐社会。

2 沼气发电的工艺流程

沼气发电是一个系统工程，它包括沼气生产、沼气净化与储存、沼气发电及上网等多项单元技术的优化组合。

3 沼气的净化处理及安全输送

3.1 沼气的净化处理

沼气由厌氧消化罐到达管道的过程中，温度逐步地降低，一部分含有杂质的冷凝水出现于管道当中，倘若不能够由系统当中除去，会破坏和堵塞管道设施。并且，沼气中H2S气体溶水会使氢硫酸形成，进而使管道设施毁坏与腐蚀。净化沼气重点是储存和加压沼气以及去除冷凝水与脱硫。

3.1.1 沼气脱硫方案

基本原理：沼气，即有机物通过厌氧分解产生的混合气体。其主要化学成分为CH4和CO2，还含有微量H2、N2、NH3和H2S气体。畜禽场沼气工程沼气CH4含量一般在55-65%之间，CO2含量一般为35-40%。沼气中值得注意的是H2S气体，因为H2S气体不仅溶于水汽中产生能腐蚀管道或设备的氢硫酸，而且还是一种有毒气体。H2S气体有二个来源，一是由蛋白质水解后发生脱硫化氢脱氨基反应生成，二是由污泥中的硫酸盐中的SO42-发生还原反应生成。当污水或污泥中含有大量粪便时，由于蛋白质大大增加，沼气中的H2S气体含量有时会高达1.0%。

虽然CH4和CO2为无色无味无毒的气体，但由于少量的H2S气体的存在，沼气略有臭味并具有毒性。沼气的热值常在20-23 MJ/m3之间，具体数值取决于其中CH4气体的含量。一般来说，沼气的热值高于城市煤气而低于天然气。

厌氧消化罐刚产出的沼气这种混合性的气体含有饱和水蒸气，除了含有惰性气体CO2以及气体燃料CH4之外，还含有悬浮颗粒杂质与H2S。H2S有着比较强的腐蚀性与毒性。大量的杂质与H2S会使发电机组的寿命受到影响。为此，新生的沼气不适宜直接性地燃烧，还要求脱硫和分离气水，最后的时候向沼气发电机组输送。

目前，我国的沼气工程的脱硫方式基本上都应用干法氧化铁。在常温条件下，把沼气向脱硫剂床层通过，这样活性氧化铁与沼气中的H2S进行接触，使三硫化二铁生成，空气当中的氧与含硫化物脱硫剂接触，在存在水的情况下，铁的硫化物向单质硫与氧化铁转化。如此的脱硫再生能够实施多次的循环，一直到氧化铁脱硫剂的绝大多数孔隙被其它杂质与硫覆盖失去活性。脱硫反应方程式为：

脱硫反应：Fe2O3·H2O + 3H2S → Fe2S3·H2O + 3H2O +63 kJ

再生反应：Fe2S3·H2O + 1.5O2 → Fe2O3·H2O + 3S +609 kJ

再生之后的氧化铁能够不间断地将沼气当中的H2S脱除。以上的两个反应式都是放热反应，然而，脱硫反应快于再生反应。为了使硫化铁完全地向氧化铁再生，工程常常分开这两种过程。

一般的脱硫塔的形式如图所示。由底部进入沼气，向脱硫吸附剂层后通过之后，由顶部离开。根据沼气量在大小，常用的脱硫塔一般为二只以上并联同时使用，维修或更换脱硫剂时可单只使用。

3.1.2 沼气脱水处理方案

沼气进脱硫塔前，必须脱除其中的液态水，防止液态水在塔内积累。

基本原理：当含有水分的沼气流通过旋风捕滴气水分离器的进气管进入气水分离罐体时，利用旋风分离技术使气水在分离罐内分离，分离出来的气体仍然含有一定的水雾，气体进入罐体内筒，内筒装有能改变气体流动方向的介质（介质孔隙率86%，介质通气截面积是进气管道截面积的3倍），当气体通过多层面介质时，在雾沫惯性的基础上，科学利用了雾沫与介质相互碰撞的原理，介质表面上的雾沫在扩散和重力基础上，使雾沫逐渐形成较大的液滴，直到液滴重力越过气体的上升与液体表面张力的合力时，液体就从介质上分离下来，使除水率达到99%以上，进一步分离了气体中残留的水雾，通过输气管进入输送管道，分离出来的水分则在罐底积蓄起来，当水位达到一定的高度时，由疏水阀将水输出，水位下降后，疏水阀关闭，使罐内的水保持一定的水位。如此循环动作，旋风捕滴气水分离器一直处于恒定的水位状态，气水达到充分分离。为防止沼气粉尘对介质的堵塞，分离器设有水清洗系统，当分离器进输气口压降达到1kpa时，开动水清洗系统清洗介质，污水通过输渣口输出，保持介质的畅通，使气体流量保持恒定。分离器还装有防爆装置，确保了设备的安全。

3.1.3 沼气加压设备方案

沼气发动机对进气压力的要求为5～20kPa，而厌氧消化罐产生的沼气压力一般为不大于2kPa，故应配置罗茨鼓风机，对沼气进行增压后进沼气发动机。

基本原理：转子是它的主要工作元件。在转轴不同安装位置的影响下，划分为立式与卧式的罗茨鼓风机。卧式的两个转子中心线在相同的水平面上，并且是垂直流向的气流，立式的两个转子中心线在相同的垂直面上，并且是水平流向的气流。工作的过程中耦合转子以相等的速度进行反向的旋转，在转子分向侧，因为气室容积是从小到大发生变化，这一侧的低压区就形成，从而便于进气。在转子合向侧，气室的容积使从小到大发生变化，这一侧的高压区形成，方便气体的压送。气体由低压区输送到高压区，那么凭借转子任何一端把气体由低压区向高压区扫入。转轴转一次，气体会被压送四次。为此，其转速与流量是正比例关系，并且不会受到高压区压力改变的制约。

3.1.4 沼气储气柜的设计

基本原理：以一个生产沼气500m3/ h的工程为例，建议采用贮气柜容积为1000m3。

设计参数如下：水封式气柜：单座直径10m，总高度10m，建2座。钢结构。属可变容积的金属柜，它主要由水槽、钟罩、塔节以及升降导向装置所组成。当沼气输入气柜内贮存式，放在水槽内的钟罩和塔节依次（按直径由小到大）升高；当沼气从气柜内导出时，塔节和钟罩又依次（按直径由大到小）降落到水槽中。钟罩和塔节、内侧塔节于外侧塔节之间，利用水封将柜内沼气与大气隔绝。因此，随塔节升降，沼气的贮存容积和压力是变化着的。目前在国内比较普遍。

3.2 安全输送沼气

3.2.1 消除火焰以及防爆

空气和沼气在碰到明火与相应混合比的影响下，会导致沼气的燃烧或者是爆炸。设计阻火器能够避免火焰在管路当中的传播以及外部火焰到达沼气系统，从而确保了系统的安全。

阻火器原理。阻火器阻火原理基于两种作用：传热作用 ；器壁效应。

（1）传热作用。燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一定的温度，即着火点。低于着火点，燃烧就会停止。依照这一原理，只要将燃烧物质的温度降到其着火点以下，就可以阻止火焰的蔓延。当火焰通过阻火器的许多细小通道之后将变成若干细小的火焰。设计阻火器内部的阻火元件时，尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积，强化传热，使火焰温度降到着火点以下，从而阻止火焰蔓延。

（2）器壁效应。燃烧于爆炸并不是分子间直接反应，而是受外来能量的激发，分子键遭到破坏，产生活化分子，活化分子又分裂为寿命短但却很活泼的自由基，自由基与其它分子相撞，生成新的产物，同时也产生新的自由基在继续与其它分子发生反应。当燃烧的可燃气通过阻火器的狭窄通道时，自由基与通道壁的碰撞几率增大，参加反应的自由基减小。当阻火器的通道窄到一定程度时，自由基与通道壁的碰撞占主导地位，由于自由基数量急剧减少，反应不能继续进行，也即燃烧反应不能通过阻火器继续传播。

3.2.2 压力安全防护

沼气利用系统是一个压力系统，如果沼气收集和使用不平衡，系统压力可能升高超过允许值或沼气从沼气池或气柜过快地排出可能引起管道内部的真空状态。

（1）防止超压的紧急释放装置。系统中产生的气体会使系统压力升高。防止系统超压可以使用废气燃烧器将沼气烧掉，如果还不能阻止系统压力继续上升，为防止系统超压对构筑物和设备可能造成的破坏性影响，在沼气池或气柜顶部设置了真空压力安全阀。同时，在污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出而可能引起构筑物内部的真空状态的时候，真空压力安全阀还会动作使空气进入构筑物，起到最终防护的作用。因为真空压力安全阀安装在沼气系统与外界大气连通的部位，也需要与消焰器同步安装，以避免外部的火源进入沼气系统。

（2）负压状态下的保护措施。在沼气压缩机和脱硫装置的入口处安装了截止阀，防止阀门前部系统沼气量不够的情况下，后部沼气利用系统依然继续抽吸气体。

4 结论

沼气发电这项技术是获取绿色能源与治理环境污染最为实用与经济的方式，纵观我国沼气发电技术能力、产量强力、政策导向，以及市场需要，沼气发电产业会有所突破。然而，沼气发电系统工程中的气体的净化处理和输送已经影响到了发电工程的成败，直接产生的沼气内大量含水、含硫，进入发动机的气缸后一方面腐蚀火花塞，另一方面导致发动机点火不良，使发动机工作不均匀，尤其是在冷机起动或低负荷状态下导致发动机工作不太稳定。空气和沼气在碰到明火与相应混合比的影响下，会导致沼气的燃烧或者是爆炸。设计阻火器能够避免火焰在管路当中的传播以及外部火焰到达沼气系统，从而确保了系统的安全。总之，沼气净化、输送工程处理效果的好坏和能否正常运转，直接影响着沼气发电工程的成败，在沼气发电系统工程中起着举足轻重的作用。