沼气脱水之我见
发布时间:2013-08-21 09:03:00 字体: 点击:

一  现状
目前,大中型沼气工程对原料的处理基本采用中温发酵,其产沼气的温度在30℃左右。沼气站所采用的脱水装置多为重力脱水,这种脱水装置一般应在沼气高压下以较高流速切线进入,气体因旋转产生的离心力,使水滴凝聚并沉积在分离器的底部且与气流隔离,冷凝水通过电子控制式排放阀排出。在目前的沼气发酵工艺流程中,产气压力一般只有3千帕左右,在这种压力下进入脱水装置,沼气流速较低,所以脱水效率不会很高; 另一种流程是将新产生的沼气送入湿式缓冲罐,待其灌满后,压缩机启动将沼气加压至0.8兆帕打入高压钢制气柜,由于压力增高会将沼气中的饱和水蒸气压缩成水滴,如不及时排除则聚集在后续的管道及阀门处。目前,这两种不同压力的脱水工艺及所用的装置因无标准衡量,难以满足沼气脱水金钻娱乐怎么样要求。
含水沼气采用中、高压输送时,特别是在北方冬季,在供给居民使用前必须经过调压或稳压。而当调压箱内无电采暖时,沼气中的水蒸汽易冷凝成水滴结冰,致使调压设备失灵或堵塞管道中断供气。另外,沼气中的硫化氢及二氧化碳极易溶于水而形成酸性溶液,其溶解度随着温度的降低而增大。当金属管道内壁与硫化氢水溶液接触时会引起电化学反应导致金属腐蚀。
目前,对沼气输送管道中产生的冷凝水,大部分采取直接排放到阀门井内的方式处理。虽然水量不多,但这种含有硫化氢的冷凝水长期排入地下,将造成局部地下水二次污染。
二  沼气干燥的必要性
沼气中的水蒸气是造成沼气输配系统堵塞的主要原因之一,表现为以下几个方面。
1. 中温沼气在输送过程中,因温度降低,过剩的水分即以液体状态在输气管中析出。为了将水除去,需要在管线的最低点装设凝水缸,并要定期将冷凝水从凝水缸中排除。后续管理一旦跟不上,就会影响管道的正常运行。
2. 输气管道如敷设在冻土层中,一旦输气管内结冰,很难确定结冰处,清除管道冰塞的作业需要消耗时间、人力与物力。
3. 未净化的沼气将引起金属管道、设备腐蚀的加重,增压与升温更会加速腐蚀,从而提高运行成本,而且冷凝液的排出还易造成二次污染。
4. 对于高压供气的沼气工程,沼气经过调压器减压节流装置时,由于压力和温度的降低,往往容易造成水化物堵塞调压器出口或管道,从而影响正常供气。
为了避免上述问题出现,必须在沼气站内预先将冷凝水全部脱除,使沼气干燥至整个输送路程均不生成液态水的程度。此外,沼气脱水干燥还具有增大沼气热值、降低输送动力消耗、提高管道输送量等优点。
三  不同用途对沼气中水含量的要求
1. 沼气用于民用时,根据《城镇燃气设计规范》(GB50028-2006)要求,在脱水装置出口的压力下,水露点比输送条件下最低环境温度低5℃。
2. 沼气用于发电时,参照《沼气电站金钻娱乐怎么样规范》(NYT1704-2009)中对沼气中水的要求是无液体成分,湿度小于等于80%。
3. 当沼气提纯后作为车用压缩天然气使用时,按《车用压缩天然气》(GB18047-2000)对燃气中水含量的要求是在汽车驾驶的特定地理区域内,在最高操作压力下,水露点不应高于-13℃;当最低气温低于-8℃,水露点应比最低气温低5℃。
四  沼气脱水方法的选择
沼气脱水的工业方法可采用冷冻法、吸附法、化学反应等方法进行。具体采用何种方法,应根据沼气的气质情况、用气要求、脱水要求以及经济状况比较后确定。
1. 用于通过管道向居民集中供气的沼气应选择冷冻法脱水,此工艺流程简单、成本低、无污染、处理量大。
2. 用于提纯压缩后送入加气站的燃气,根据车用天然气脱水要求,宜采用分子筛吸附脱水法。此法既可以在提纯压缩前,也可以提纯压缩后脱水,视压缩机的性能选择前脱水还是后脱水。在压缩机前脱水时,宜采用“活性氧化铝-分子筛”或“硅胶-分子筛”两级脱水装置;在压缩机后或压缩机中段脱水时,宜采用分子筛一级脱水装置。
北京、西安、上海等地以及国外大部分地区的CNG加气站采用压缩机前脱水方式,防止CNG在减压膨胀降温过程中供气系统出现冰堵。此方式的优点:一是保护压缩机的汽缸等部位不受腐蚀;二是压缩机机组中无需设置冷凝水导出系统;三是由于操作压力较低,对容器制造工艺要求低。缺点是由于脱水量大,脱水设备体积较大,所需再生能耗较大。
四川、重庆等地多数加气站脱水方式为压缩机后脱水。此方式优点是干燥器设备体积小、再生气量少、干燥后气体露点低(≤-60℃)等。由于燃气通过压缩所形成的冷凝水排出量约占总脱水量的70%~80%,故采用压缩机后脱水所需用的设备体积小,脱水剂量小,再生能耗相应也低。缺点是由于脱水压力高达25兆帕,对容器制造工艺要求高,需设置可靠的冷凝水导出系统,增加了系统复杂性。另外,进入压缩机的燃气未经干燥,对压缩机会造成一定的腐蚀,影响压缩机的使用寿命。
3. 用于发电的沼气,应采用冷却分离法脱水。此方法可防止凝结水在管道内大量聚集,致使发电机组的可用率和发电功率大幅度下降。
五 对脱水系统的要求
1. 确定脱水装置的容积
    以北方一处日产500立方米沼气的工程为例,冬季最低气温-20℃,气温与地下温差按10℃考虑,即地下温度为-10℃。
  (1) 当采用重力脱水时,计算其日需脱水量,查表不同温度下饱和水蒸气压力Pb(mmH2O)和含水量(kg/nm3干气)。
    沼气从30℃降至20℃时,每标准立方米干沼气的含水量为0.0162千克,对于日产500立方米沼气的工程而言,则每日产生8.1(0.0162×500)千克的水。根据设定的排水周期确定脱水装置容积。
    设定进入未埋在冰冻线以下的地下管道的沼气温度为20℃,冬季地下管道最低温度为-10℃,在此温差下每立方米干气将产生0.0169(0.0189-0.0021)千克水,对日产500立方米沼气的工程而言,则每天产生8.45千克水,根据所选用的凝水缸大小确定排水周期。
  (2) 当采用冷却分离法脱水时,可将30℃的沼气直接降至-10℃,日产500立方米沼气的工程每日的冷凝水将为16.5(0.033×500)千克,即每小时产生0.6875千克水,根据每日沼气产量及冬季最低气温的含湿量,选用冷凝分离装置的型号。
2. 脱水装置的设置位置
   (1)对高压燃气
    ① 当选用的压缩机在运行中,其机体限制冷凝水的生成量,且燃气的压力能克服脱水系统的阻力时,应将脱水装置设置在压缩机前。一般进口压缩机在运行中不允许有冷凝水产生。
    ② 当选用的压缩机在运行中,其机体不限制冷凝水的生成量,并附有可靠的冷凝水导出措施时,可将脱水装置设置在压缩机后。
压缩机后脱水时,燃气应先经过间冷、气液分离和除油,以脱除游离的水分和油分。
   (2)对低压燃气
    ① 当采用生物脱硫时,脱水装置应设在脱硫装置后。
    ② 当采用氧化铁脱硫时,脱水装置应分别设置在脱硫塔前和后。脱硫前脱水的目的是保证沼气含有一定湿度,有利于脱硫剂对水分的要求,防止水分过多造成脱硫剂的软化甚至成泥。脱硫塔后设置脱水装置是因为脱硫过程是升温过程,特别当水分过剩时,随着沼气温度的降低将会形成凝结水。
    3. 冷凝分离原理
冷却冷凝分离燃气中水分的方法,是利用压力变化引起温度变动,使水蒸气从气相中冷凝分离。这种方法经济简单,但应控制燃气在降压后其压力仍高于输送压力,同时不能将干燃气的露点降到0℃以下,防止冷凝水结冰;至于低压沼气,须加压后再冷却。由于供气压力低于净化压力,所以仅用冷却分离就能基本上达到充分脱水的要求。
    净化气在8kg/cm2(784.5kPa)压力下冷却,脱水温度在6℃~8℃之间,而常压供气露点却一般低于-18.5℃,管道中的净化气温度基本上不会低于该露点温度,因而就不会出现冷凝水。
4. 日常维护管理
   (1)站内的脱水装置
对不具备自动排水功能的脱水装置,应根据所选用的脱水装置使用说明书按期进行人工排水;对冷却分离机组中的制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等基本部件的维护,主要包括检查漏氟、结霜、排水器堵塞或损坏,适时清洗冷凝器等。
   (2)地埋管道上的凝水缸
定期排放凝水缸中的积水,排放时防止燃气空放。检查凝水缸护罩、排水装置,不得有泄漏、腐蚀和堵塞的现象及妨碍排水作业的堆积物。凝水缸排出的污水应收集处理,不得随地排放。(张榕林)