沼气的利用系统

 (1）一般用途

沼气无色，热值为21~25MJ/m³，主要成分为CH₄（约占55%~75%）和CO₂（约占25%~40%) 。另外还含有微量 H₂、N₂、NH₃和 H₂S。其中 H₂S不仅溶于水产生氢硫酸腐蚀设备管道，同时还是一种有毒气体。H2S的来源有两个：一是蛋白质水解后发生脱硫化氢脱氨基反应，生成H2S；二是污泥中的硫酸盐发生还原反应，生成 H2S。H2S的含量一般为0.005%~0.08%，当污水或污泥中含有大量粪便时，由于蛋白质大量增加，沼气中H2S的含量有时会高达1.0%。沼气的综合利用途径很广。CH4可制造CCI4；加氨及氧可合成氢氰酸，再经醇化和酯化，可合成有机玻璃树脂；经氧化可制取甲醛及甲醇。沼气中的CO2可用于生产纯碱或干冰。但到目前为止，沼气的主要利用途径还是在水处理厂内，包括沼气发电、驱动鼓风机或水泵，以及直接采用沼气锅炉进行污泥加热等。烧茶炉或做饭，每人每日约需1.5m3沼气，烧锅炉时1m3沼气可替代1kg煤，作汽车燃料用时，1m3沼气相当于0.7L汽油。

(2）沼气净化

沼气净化主要包括脱硫、除湿和过滤。

脱硫是去除沼气中的H2S，有干法和湿法两类。干法脱硫是在脱硫塔内装填多层吸收材料，将H2S吸收并脱去。有多种吸收材料，处理厂常用氧化铁。吸收材料应定期更换，更换周期取决于沼气中H2S的含量。沼气通过填料层的速度宜在0.6m/min以下，接触时间大于2min。干法脱硫占地面积小，维护管理简单，但脱硫率一般较低。当要求较高的脱硫率时，应考虑采用湿法脱硫。

湿法脱硫采用液体吸收剂，吸收剂由吸收塔顶向下喷淋，沼气自塔底送入，在塔板或填料上逆流接触，沼气中的H2S被吸收。常用的吸收剂有2%~3％的Na2CO3溶液、稀NaOH溶液等。用过的废液应考虑处理或再生回用。湿法脱硫的优点是脱硫效率较高，一般在90％以上；但运转管理较复杂，占地面积较干法大。

沼气中带有大量水分，处于饱和状态。沼气含湿会产生以下不良影响：

①水分与沼气中的H2S作用产生氢硫酸，从而腐蚀设备和管道；

②水分凝聚在检查阀、安全阀、流量计、调节器等设备的膜片和隔膜上，影响其准确性；

③水分能增大管路的气流阻力；

④水分能降低沼气的热值。

因此，沼气输配系统中应采取除湿措施。

沼气除湿方式一般是在管道低点设凝水器。其工作原理是沼气出消化池后，随着沼气温度的降低，其中的水蒸气凝结成水流，沿管底流入凝水器排走。因此沼气管道总体上应保持0.5%~1.0％的坡度。另外，沼气的流速不可太大，否则会由于挟带水蒸气而降低除湿效果。国内经验是沼气流速不能大于7m/s，国外经验是不能大于3.7m/s。由于沼气刚离开消化池时温降最大，凝出的水分最多，因而第一道除湿装置应尽量靠近消化池，以便将形成的冷凝水尽快排走，降低对管路的腐蚀程度。

冷凝水应定期及时排出，否则可能增大管路阻力，影响整个沼气利用系统工作的稳定性。冷凝水的排放量与排放次数可以计算得出，也可以在管路上设压力计，压力增大时说明应排放。

有些地区夏季的温度较高，不利于冷凝水的形成，可采用冷却型凝水器，即在凝水器及其附近的管道上设冷水予以冷却，以利于水蒸气的凝结。

沼气中常携带一些杂质，尤其在消化池运行初期或消化状态不稳定时杂质较多，因此进入内燃机前一般应采取过滤措施。滤网可设在沼气管路上，一些发动机在设备内部也设有滤网，应定期清洗。

(3）沼气输配系统的安全

沼气输配系统的安全包括压力控制与防火两方面。

压力是沼气利用系统正常稳定运行的重要参数，一是要保证压力稳定；二是要将压力控制在合适的范围内。低压湿式气柜除储存沼气以外，另外一个重要作用就是保持系统的压力恒定，使压力不随沼气产量的改变而变化。适当调整气柜浮盖的配重块，可将沼气系统的工作压力控制在合适的范围内，常为（3~4)x10³Pa

由于气流在管道内受到阻力的影响，消化池气相的实际工作压力要高于气柜的压力。若相差太大，即使气柜工作压力正常，也会使消化池处于超压状态。后者应采取设风机抽取或增大管道直径等措施，降低消化池气相的压力。

储气柜的运行维护中应注意三点。

①时刻保证压力安全阀处于良好工作状态。如果气柜的进气量大于出气量，浮盖升至高位时压力安全阀不能及时打开泄压，则由于压力超载而损坏气柜。中压球罐常用的工作压力一般为0.4~0.6MPa。

②应保证气柜内水封冬季不结冰，否则将影响浮盖的正常升降或造成沼气的泄漏。

③应注意外力对浮盖的影响，并及时采取有效措施。例如，风力较大时，将影响浮盖的正常升降，严重时会损坏气柜。风力特别大时，可在气柜迎风面设移动式风障。遇雪天应及时清除浮蛋上的积雪，以免影响气柜的正常工作压力；如果积雪长时间不清，则有可能朝阳部分先融化，造成浮盖压力不均匀，影响其正常升降。另外，当消化系统停止运行时，应将气柜内气体完全放空，严禁气柜载满气体搁置，否则温度升高将会导致气体膨胀而损坏设备。

沼气系统内无论是超压还是负压，都将影响系统的正常运行，或对系统造成某些破坏，产生危险，因此常在系统内的某些部位设压力安全阀和负压防止阀。例如消化池顶部以及气柜浮盖上设有压力安全阀和负压防止阀，实际运行中应对它定期检查，使这些安全装置时刻保持良好，如有可能，应定期送专业单位标定。

沼气与一定比例的空气混合，遇明火或达到燃点之后即开始燃烧。如果沼气系统存在负压，负压防止阀将开启，将使部分空气进入沼气系统，空气与沼气组成的混合气体通过输配系统到达锅炉、发动机和燃烧器等燃烧点后，将在沼气管道内产生回火。严重时会导致沼气泄漏并产生爆炸。爆炸区如图9-4所示。

因此应在锅炉、发动机和燃烧器之前的沼气管路上设阻火装置。常用的阻火装置有三类：铝网阻火器、水封阻火罐和砾石阻火箱。铝网阻火器的原理是用铝丝网迅速吸收和消耗热量，使正在燃烧的气体的温度降至其燃点以下，将火焰熄灭。当沼气内混入的空气较少时，在阻火器与燃烧点之间的管道内会很快将空气耗尽，火焰自动熄灭。但当沼气内混合的空气较多时，火焰会将单层铝网熔化，继续向前燃烧。因此，一些新型的阻火器由多层铝丝网组成，这些丝网一旦熔化，会形成一个封堵，将火焰完全封住。多层丝网阻火器的缺点是阻力大，并且熔化后使系统完全停止工作。阻火器的金属丝网应定期清洗或更换，以降低管道阻力和提高吸热速率。阻火器安装时应尽量靠近燃烧点，以缩短回火距离，一般要求离燃烧点不超过9m。

水封阻火是沼气经过水层而阻火。水封高度一般应控制在50~100mm范围内。

1. 沼气利用系统

   沼气在处理厂内的利用途径主要是作动力燃料，通过沼气发动机和沼气锅炉加以利用。沼气发动机有两种具体的利用形式：①驱动发电机发电，供给厂内使用或送入电网；

   ②直接驱动鼓风机或污水泵，以节省能源。这两种形式各有利弊，前者较后者运行灵活。当用沼气直接驱动鼓风机或水泵时，发动机一般应采用双燃料或备份电动机驱动的鼓风机组。另外，两种形式的机械效率不同。沼气发动机的机械效率一般在20%~30%，发电机﹣电动机组的机械效率一般约为75%，因而采用沼气发电系统时，其总的机械效率约为15%~23%，即沼气中的能量只有15%~23％转化成了机械能。当采用发动机直接驱动鼓风机或水泵时，其总机械效率为20%~30%。对于沼气发动机来说，沼气中的能量除20%~30％转化成了机械能以外，还有30%~35％以热量的形式转化到冷却水中，30%~35％以热量的形式随气带走。另有10％为机体本身热损耗和振动能耗。综上所述，沼气中能量的60%~70％转化成了热量。实际中，常将这部分热量继续回收，作为消化池加热的热源。一般来说，通过有效的热交换，冷却水中热量的90％以上、废烟中热量的60%~70％可被回收用于污泥加热，两者共计47%~55%，即沼气中能量的47%~55％被回收用于污泥加热。可见，沼气中能量的实际利用效率67%~85%。

   沼气锅炉的主要用途是加热消化池污泥，可采用热水锅炉，也可采用蒸汽锅炉，主要取决于消化池的加热方式。沼气锅炉的热效率较高，一般在90％以上，即能把沼气中能量的90%转化为热水或蒸汽中的热能对污泥进行加热。、

   沼气燃烧器的燃气量一般应为消化系统的最大产气量，以保证在不利用沼气时，将产生的所有沼气都燃烧掉。废气燃烧器的种类有多种，通常采用自动点火混合式燃烧器。实际运行中应控制进入每台燃烧器的沼气流速不小于火焰的传播速度，否则火焰将熄灭。沼气燃烧产生的火焰传播速度一般为0.65~0.70m/s。

   图9-5所示为一典型的沼气利用系统，主要由沼气发动机、沼气管道、湿式气柜、废气燃烧器等部分组成。三种利用沼气发动机的余热加热消化池的流程如图9-6所示。

(5）沼气利用系统的运行管理

沼气中的H2S是一有毒气体，其致毒剂量为：当浓度达到2000mg/L时，可立即致人死亡；当浓度为600~1000mg/L时，在30min内会致人死亡；

当浓度为500~700mg/L时，暴露30~60min会致人重残；当浓度为50~100mg/L时，暴露60min以上会致人残疾。

安全运行应注意以下几个方面：定期检查沼气管路系统及设备的严密性，如发现泄漏，应迅速停气修复。检修过的管路或储存设备，重新使用时必须进行气密性试验，合格后方可使用，沼气管路上部不应设建筑物或堆放障碍物，不能通行重型卡车。沼气储存设备因故需放空时，应间断释放，严禁将储存的沼气一次性排入大气。放空时应或热源（如烟囱）。认真选择天气，在可能产生雷雨或闪电的天气严禁放空。另外，放空时应注意下风向有无明火沼气系统内所有可能的泄漏点均应设置在线报警装置，并定期检查其可靠性，防止误报。沼气系统区域内一律禁止明火，严禁吸烟，严禁铁器工具撞击或电气焊操作。所有电气装置一律应采用防爆型，操作间内均应铺设橡胶地板，入内必须穿胶鞋。沼气系统区域内应按规定设置消防器材并保证随时可用。操作间内需配防毒面具。沼气系统区域周围一般应设防护栏，建立出入检查制度，严禁打火机等物品带入。

沼气系统区域的所有厂房均应符合国家规定的甲级防爆要求，例如是否有泄漏天窗、门窗与墙的比例、非承重墙与承重墙的比例、等均应符合防爆要求，否则应予以改造