吴建新　潘文智　杨兴华　李洪燕

【摘 要】简要介绍了沼气膜分离的基本原理，对集装箱式沼气提纯设备及提纯工艺流程进行了概述，分析总结了集装箱沼气提纯设备调试期间出现的进气瞬时流量低、压缩机排气压力达不到设计值、系统运行压力低等问题的现象、原因和处理措施。

【关键词】集装箱式设备；沼气提纯；调试

沼气的主要成份是50%-70%的CH4、30%-50%的CO2和少量的H2S、H2O、N2、H2、NH3和CO等气体。未经处理的普通沼气由于其中的CO2降低了沼气的能量密度和热值，限制了其利用范围。而经净化和提纯后的沼气CH4质量分数可达97%以上，几乎与天然气无异，被称为生物天然气，可输入管网或作车用燃料替代石化天然气[1-2]。沼气净化提纯主要是指对H2S、CO2等杂质的脱除，其中脱除CO2是主要的任务。根据分离净化原理的不同可分为：吸附法、膜分离法、低温分离法等[3]。

膜分离法原理是利用各气体组分在膜表面的吸附能力不同，溶解、扩散速率不同，在膜两侧分压差的推动下，大部分CO2等组分和少量的CH4透过膜壁进入渗透侧分离出去，大部分CH4在高压侧作为生物天然气输出。与传统分离方法相比，膜分离法具有分离效率高、体积小、能耗投资较低、管理方便等优点。

北京合力清源科技有限公司设计组装了一套膜法集装箱沼气提纯设备，用于将沼气提纯成为生物天然气，经调试后，取得了较好的效果，现将试车过程进行总结，与同行们探讨。

1 设备概况

集装箱式沼气提纯设备单体部件体积较小，所有部件均集成在一个20尺的标准集装箱内，高集成化，安装简单，占地面积小，后期维护保养方便。产品可移动，实现多个项目共用一套提纯设备，降低初始投资，提高项目经济性。

膜提纯设备运行主要工艺参数：额定处理量：100m3/h；气量调节范围0-100%；排气压力～1Mpa；NH3<10ppm；H2S<30 ppm；O2<3%；进气温度<40℃；产品气CH4含量≥97%。

经过脱硫、脱水的沼气经压缩机压缩后，首先通过一级过滤器-油水分离器进行除水、除油、除尘，然后进入冷冻干燥机降温进一步除水，接着进入二级过滤器去除饱和水、除油、除尘，经过活性炭除油器吸附油分子及氨、最后经过两级过滤器以除尘、除残油，得到净化的气体。净化后的气体进入膜分离系统进行分离纯化，分离出的二氧化碳通过管道汇集后排入大气，而制得的所需浓度的甲烷气为产品气即生物天然气，其中CO2≤3%，CH4≥97%，压力约为1.0MPa，可作为民用燃气或汽车燃料使用，工艺流程见图1。

2 调试过程中问题及处理措施

2.1 设备进气瞬时流量低

本套提纯设备设计处理原始沼气量为100m3/h，运行中发现进气的瞬时流量为35m3/h-75m3/h之间，达不到设计流量。

原因分析：调试地点位于某沼气发电厂院内，使用的沼气是从该发电厂双膜沼气柜中储存的沼气，通过支管道引到提纯设备进口，由于设备距离气柜较远，大约100m，管道较长，而且现有管道管径为DN40，仅为提纯设备进气口DN80的一半。可能由于输送量有限，造成瞬时流量低。还有一种可能是压缩机本身未达到设计要求。

处理措施：从进气压力为-9.7Kpa至-15.6Kpa数据看，压缩机有较强的吸力，进气管道管径小可能是造成流量不足的原因。为进一步验证可能性，将进气管道和提纯设备进气口断开，直接使用空气进行试验，发现压缩机能够达到设计流量，排除了压缩机设计问题。更改进气管道，使之与设备进气管道管径相符，进气瞬时流量达到设计值。

2.2 压缩机排气压力达不到设计值

压缩机额定排气压力为1.2Mpa，但运行过程中，压缩机排气压力处于0.6Mpa-0.9Mpa之间，由此造成一级膜组进气压力为0.47Mpa-0.67Mpa之间，产品气出口压力仅为0.41Mpa-0.59Mpa之间等一系列问题。

原因分析：调试初期，由于存在产品气达不到要求的可能，所以产品气管道后端没有连接任何储气容器，直接排到大气中，相当于整个提纯系统是一个开放的状态，造成压缩机排气压力低于设计值。

处理措施：调节压缩机的后部的手动球阀，通过控制球阀的开闭程度，来控制压缩机的排气量，同时，在产品气排气口临时安装球阀，用来控制气体流量，使供需达到近似平衡状态，经验证，压缩机排气压力达到1.2Mpa。

2.3 系统运行压力低

通过控制压缩机排气口手动球阀解决压缩机排气压力低的问题后，运行中发现在压缩机排气压力达到1.2Mpa的情况下，一级膜进气压力为0.78Mpa-0.85Mpa之间，一级膜出气（二级膜进气）压力在0.61Mpa-0.75Mpa之间，二级膜出气（产品气）压力0.59Mpa-0.74Mpa，低于设计值，造成系统整体运行压力低。

原因分析：在压缩机排气压力、产品气排放正常的情况下，出现系统压力运行压力低的状况，说明系统排气量过大，整个系统中未进行流量控制的有两条管线，一条是一级膜组的渗透气，主要是CO2和少量的CH4，直接排放到大气中。另一条是二级膜组的渗透气，由于其中存在较多的CH4，将这部分气体回流至压缩机前，经过增压后，再次经过膜组进行CH4和CO2的分离，增加了CH4的回收利用率。这两条管线不加以控制的话，会使压力流失较大，造成系统运行压力低。

处理措施：分别调节一级膜组和二级膜组的渗透气管线上的球阀，控制渗透气的量，系统压力达到设计值，瞬时进气流量、压缩机排气压力、一级膜进气压力、二级膜进气压力、成品压力风别为60m3/h、1.23Mpa、1.14Mpa、1.12Mpa和1.10Mpa，问题得到解决。

隨后连续运行8h，平均流量70m3/h，原始气Ch4平均含量65.7%，成品气压力1.09 Mpa，CH4平均含量97.8%。

3 总结

经过调试和运行实践证明，集装箱式沼气提纯设备运行稳定，处理效果好，为保证该系统的正常稳定运行，应注意以下几点：①满足安全距离前提下，集装箱式沼气提纯设备尽可能与气源接近，使用与设备进口管径相同的管道，以减少管道对气体的阻碍；②注意系统的密闭性，避免外界气体进入系统中；③操作人员要定时查看控制柜上的参数，并对其变化做一个日常记录，以备出现故障时进行分析；④按照说明书定期维护保养，保证气体品质。

【参考文献】

[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，郑恒受，等.中国“产业沼气”的开发及其应用前景[J].农业工程学报，2010，26（5）：1-6.

[3]郑戈，张全国.沼气提纯生物天然气技术研究进展[J].农业工程学报，2013，29（17）：1-8.

[责任编辑：田吉捷]