新能源科技沼氣提純項(xiàng)目

1、1.1.3.2項(xiàng)目投資的必要性及建設(shè)意義 1992年瑞典建立的Laholm沼氣廠是瑞典首例將生物甲烷并入天然氣管網(wǎng)的工廠。到2011年底，我國民用沼氣池達(dá)到3400多萬口，污水處理廠、食品加工廠、酒廠等大中型沼氣工程達(dá)2500多處，年產(chǎn)沼氣總計(jì)超過180億m，對(duì)比我國2011年天然氣用量1120億m，這部分能源相當(dāng)可觀。目前，大量的沼氣利用還是以低品位的熱利用為主，隨著集中式沼氣工程不斷發(fā)展，沼氣提純和發(fā)電等能量利用率更高，能量輸出更多。沼氣的主要利用方式有：直接民用取暖、照明和炊事等直接燃燒產(chǎn)生蒸汽，用于工業(yè)供熱內(nèi)燃機(jī)發(fā)電上網(wǎng)經(jīng)凈化提純后并入天然氣管網(wǎng)或用作車用燃料等。在我國農(nóng)村，沼氣工程由

2、于規(guī)模小、技術(shù)落后，基本以直接燃燒供暖、炊事等低端利用方式為主；而一般的大型污水處理廠和垃圾填埋廠等產(chǎn)生的沼氣，一般就地燃燒供熱或直接火炬燃燒。沼氣供應(yīng)具有非常強(qiáng)的區(qū)域性，輸送距離有限，實(shí)際利用效率較低；另外沼氣發(fā)電工程需額外負(fù)擔(dān)昂貴的上網(wǎng)費(fèi)用，再加上發(fā)電輸出效率較低，因此，我國一般的沼氣發(fā)電項(xiàng)目都很難單獨(dú)盈利。沼氣通過提純制取天然氣，不僅能增加燃燒的熱值，還能減輕環(huán)境污染，是一種較好的沼氣利用方式。各種方式的能量利用情況比較如圖1.1.3-1所示。由圖1.1.3-1可知，沼氣提純凈化能量損失最小，且得到的可輸送能量最多。相比其他幾種沼氣利用方式，將沼氣提純后作為燃?xì)饣蛘咂嚾剂系瓤蓪?shí)現(xiàn)沼氣的

3、高效利用，是最有前景的一種利用方式。 圖1.1.3-1 沼氣能量的利用情況天然氣主要成分為甲烷，是一種無色、無味、無腐蝕性氣體，它是較為安全的燃?xì)庵唬缓谎趸?，比重輕于空氣，一旦泄漏，立即會(huì)向上擴(kuò)散，不易聚積成爆炸性氣體，安全性較高。采用天然氣作為能源，可減少煤和石油的用量，因而能大大改善環(huán)境污染問題；天然氣作為一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應(yīng)，從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。將沼氣通過提純制取的天然氣與未經(jīng)處理的沼氣相比有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：沼氣中甲烷含量為45%60%，而通過

4、提純制取的天然氣甲烷含量在97%以上，因此天然氣燃燒起來火力要強(qiáng)，能源利用率高；沼氣中含有硫化氫氣體，直接用于燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化硫，排放后對(duì)環(huán)境造成較嚴(yán)重的污染，而天然氣基本上不含有硫化氫，屬于清潔燃料；沼氣中二氧化碳含量在40%左右，二氧化碳的存在有滅火阻燃的作用，在燃燒時(shí)會(huì)降低燃燒熱的利用率、降低火焰溫度、降低燃燒室的容積利用率，導(dǎo)致燃燒放熱過程的成本增加。沼氣回收提純后完全可以達(dá)到天然氣的標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以達(dá)到并超過車載天然氣的標(biāo)準(zhǔn)，可以緩解能源危機(jī)，通過脫硫脫碳可以減少大氣的污染，減少廢氣的排放。為了緩解國內(nèi)天然氣供應(yīng)不足，我國LNG進(jìn)口量正在不斷增加。2011年我國進(jìn)口了天然氣約合280億

5、m，相當(dāng)于2011年全國天然氣總消費(fèi)量的近21.5%。隨著中亞天然氣管道、西氣東輸二線西段的投產(chǎn)運(yùn)營以及我國液化天然氣項(xiàng)目的加速發(fā)展，預(yù)計(jì)未來我國天然氣進(jìn)口量將有較大幅度的增長。隨著居民生活水平提高，對(duì)清潔能源需求增加，中國天然氣需求將繼續(xù)旺盛。未來中國將形成國產(chǎn)氣為主，進(jìn)口氣為輔的多氣源資源保障體系，國內(nèi)天然氣供應(yīng)將呈現(xiàn)西氣東輸、北氣南下、就近供應(yīng)以及海氣登陸四大格局。到2020年，我國天然氣市場需求有望達(dá)到2000億m，占整個(gè)能源構(gòu)成的10%。天然氣工業(yè)發(fā)展前景廣闊。綜合來說，在當(dāng)前節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)下，由于天然氣的碳排放低于煤炭和石油，是替代煤炭和石油類高碳排放能源的較理想的過渡性能源，

6、戰(zhàn)略意義日益突出。從國家對(duì)新能源規(guī)劃情況看，規(guī)劃中將煤炭能源占比由70%降低到63%，降低了7個(gè)百分點(diǎn)，而天然氣的規(guī)劃占比增長了4.4個(gè)百分點(diǎn)，絕對(duì)百分?jǐn)?shù)來說是目前3.9%的一倍多，而相對(duì)來說將占據(jù)由從煤炭能源轉(zhuǎn)化而來的62.9%的份額?？梢哉f，天然氣將成為我國工業(yè)化中后期的重點(diǎn)應(yīng)用能源之一。4.1.1回收綜合利用工藝選擇的理由沼氣中成分較多較雜，有一些氣體夾雜在沼氣中在應(yīng)用過程中對(duì)工藝、設(shè)備、環(huán)境都將造成一定的影響，如硫化氫、二氧化碳等。沼氣中的硫化氫是一種可燃性無色氣體，常溫下為無色有臭雞蛋氣味的氣體，有劇毒，密度比空氣大，溶于水后的水溶液為氫硫酸，氫硫酸對(duì)鋼鐵有較大的腐蝕作用，對(duì)與之接觸

7、的輸送管道和使用機(jī)械的使用壽命具有較大影響。而且硫化氫在燃燒過程中產(chǎn)生二氧化硫?qū)θ说纳眢w和環(huán)境的危害較大，因此沼氣在使用過程中應(yīng)除去硫化氫；沼氣中的二氧化碳是一種無色無味氣體，溶于水形成碳酸，對(duì)金屬有腐蝕作用。二氧化碳有滅火阻燃作用，常用作滅火劑，在以燃燒放熱或以燃燒做功為目的的系統(tǒng)中，二氧化碳的存在通常會(huì)降低燃燒熱的利用率、降低火焰溫度、降低氣缸容積利用率，導(dǎo)致放熱或做功過程中成本增加。因此在這類氣體的使用過程中，只有將二氧化碳降低到較低的含量，才能達(dá)到使用要求，提高設(shè)備效率，降低使用要求，因此在沼氣提純中須進(jìn)行脫碳處理。通過對(duì)沼氣的脫硫脫碳處理后，沼氣的使用價(jià)值能在原有基礎(chǔ)上提高20%左右

8、，可給企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。4.1.2脫硫工藝技術(shù)方案的比較和選擇4.1.2.1國內(nèi)外技術(shù)概況目前，國內(nèi)外處理沼氣脫硫的方法很多，依其弱酸性和強(qiáng)還原性而進(jìn)行脫硫可分為干法和濕法。干法是利用硫化氫的還原性和可燃性，以固體氧化劑或吸附劑來脫硫或直接燃燒，其中包括克勞斯法、氧化鐵法、活性炭法和卡太蘇耳弗法等。濕法按其所用的不同脫硫劑分為液體吸收法和吸收氧化法兩類。液體吸收法中有利用堿性溶液的化學(xué)吸收法和利用有機(jī)溶劑的物理吸收法，以及物理化學(xué)吸收法。吸收氧化法主要利用各種氧化劑、催化劑進(jìn)行脫硫。4.1.2.2工藝技術(shù)方案的比較1、 濕法脫硫濕法脫硫可以歸納分為物理吸收法、化學(xué)吸收法和氧化法

9、三種。采用碳酸鈉、氨水和醇胺溶液等吸收硫化氫的為化學(xué)吸收法；用冷甲醇吸收硫化氫的為物理吸收法；采用堿性溶液為吸收劑，并加入載氧體為催化劑，吸收硫化氫，并將其氧化成單質(zhì)硫的方法為氧化法，此法采用溶液吸收，且具有氧化再生的特點(diǎn)，故此脫硫方法也稱為濕式氧化法。以上三種脫硫的方法中，物理吸收法和化學(xué)吸收法存在硫化氫再處理問題。目前濕式氧化法技術(shù)成熟可靠，脫硫效率可達(dá)99.5以上。國內(nèi)濕式氧化法主要以改良ADA法、栲膠法、PDS法等為代表。（1）改良ADA法：又稱改良蒽醌二磺酸法，是成熟的氧化脫硫法，脫硫率可達(dá)99.5%以上。其主要反應(yīng)如下：脫硫塔中的反應(yīng)：以PH=8.59.2的稀堿液吸收硫化氫生成硫氫

10、化物。Na2CO3+H2SNaHS+NaHCO3硫氫化物與偏釩酸鈉反應(yīng)生成元素硫：2NaHS+4NaVO3+H2ONa2V4O9+4NaOH+2S氧化態(tài)ADA氧化焦性偏釩酸鈉生成偏釩酸鈉：Na2V4O9+2ADA（氧化態(tài)）+2NaOH+H2O4NaVO3+2ADA（還原態(tài)）再生過程中的反應(yīng)：還原態(tài)ADA被空氣中的氧氧化成氧化態(tài)，然后溶液用泵送入吸收塔循環(huán)使用。2ADA（還原態(tài)）+O22ADA（氧化態(tài)）+2H2O改良ADA溶液組分中，碳酸鈉（Na2CO3）作吸收劑，ADA為析硫的載氧體，偏釩酸鹽為ADA析硫過程的催化劑。 改良ADA法是技術(shù)成熟、過程規(guī)范程度高、溶液性能穩(wěn)定、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好的脫

11、硫方法。該方法還具有硫磺回收率高，回收的硫磺純度高，溶液對(duì)人和生物無毒害作用，對(duì)碳鋼無腐蝕作用的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是易發(fā)生硫磺堵塞脫硫塔內(nèi)填料。（2）栲膠法：栲膠是聚酚類（丹寧）物質(zhì)，可代替ADA作載氧體，價(jià)格低廉。此法的吸收效果與ADA相近，且具有不容易堵塞脫硫塔填料、栲膠資源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是配制脫硫液和往系統(tǒng)中補(bǔ)加栲膠時(shí)都要經(jīng)過加熱溶化制備過程。（3）PDS法：PDS是酞菁磺酸鹽系化合物的混合物，它具有較高的催化活性。PDS脫硫與其它各種濕式氧化法脫硫具有相同的生產(chǎn)工藝，因此由ADA法或栲膠法改為PDS脫硫不需要更改原有工藝，只是以PDS代替脫硫液中得ADA或栲膠即可。 PDS的催

12、化活性好，用量少，消耗低。溶液再生時(shí)產(chǎn)生硫泡沫的硫晶體粒子大，易于分離，故脫硫液中的懸浮硫含量較低。該法不僅脫除無機(jī)硫，對(duì)有機(jī)硫也有很好的脫除效果。PDS對(duì)人體無毒害作用，脫硫液對(duì)設(shè)備基本無腐蝕。由于脫硫液中PDS含量特低，且容易被硫泡沫帶走損失掉，若集中加入，將導(dǎo)致PDS未參加反應(yīng)就被泡沫帶出系統(tǒng)，且損失多，所以須采用24小時(shí)連續(xù)滴加的方式加入。 另外最新的脫硫劑主要代表有SY-7和888，它們是針對(duì)PDS的缺點(diǎn)而改進(jìn)的催化劑，也具有催化活性好，用量少，消耗低的特點(diǎn)。2、干法脫硫 干法脫硫是采用固體吸收劑或吸附劑來脫除硫化氫或有機(jī)硫的方法。干法脫硫具有流程短，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，氣體凈化度高，操作

13、平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。但此法通常使用固定層反應(yīng)器，需要定期更換脫硫劑，不能連續(xù)。由于受脫硫劑硫容量（單位質(zhì)量脫硫劑能脫除硫的最大數(shù)量）的限制，干法脫硫一般用于含硫量較低的情況。干法脫硫的方法很多，目前使用的主要有以氧化鐵法、活性炭法、氧化鋅法和有機(jī)硫（COS、CS2）水解法等。濕法碳酸鈉的優(yōu)點(diǎn)是能夠耐受氣體氣量和硫化氫含量沖擊，干法氧化鐵脫硫的優(yōu)點(diǎn)是脫硫精度高。氣體先經(jīng)過濕法脫硫初步粗脫硫，將沼氣中的大部分硫化氫去除。剩余小部分未被濕法脫硫吸收的硫化氫，被干法脫硫的氧化鐵脫硫劑吸收，經(jīng)過濕法脫硫和干法脫硫相結(jié)合的脫硫后硫化氫含量8mg/Nm3。濕法碳酸鈉脫硫采用脫硫液循環(huán)再生工藝，無污染性廢水排出，且濕

14、法脫硫過濾出來的硫沫和干法脫硫吸收硫化氫后的脫硫劑可收集起來，出售給硫酸廠。工藝采用的化工原料和設(shè)備，均無毒、無害，操作方便，無安全隱患。相比較氫氧化鈉脫硫和純干法脫硫具有脫硫效率高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。該工藝沿用以往煤氣脫硫成熟的栲膠脫硫的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次更新?lián)Q代，已達(dá)到國際同行業(yè)先進(jìn)水平。濕法碳酸鈉脫硫效率穩(wěn)定，干法脫硫的脫硫精度高，采用干濕結(jié)合的脫硫方法充分利用兩種脫硫方法的優(yōu)點(diǎn)，在脫硫精度和運(yùn)行成本上達(dá)到最優(yōu)化。4.1.3脫碳工藝技術(shù)方案的比較和選擇4.1.3.1國內(nèi)外技術(shù)概況沼氣是多種氣體的混合物，主要含有甲烷和二氧化碳，一般甲烷占45%60%，二氧化碳占30%左右。因此，脫二氧化碳是

15、整個(gè)沼氣提純的核心技術(shù)，直接關(guān)系到成品氣的指標(biāo)、收率及運(yùn)行成本。在沼氣脫除二氧化碳方面，瑞士、瑞典、愛爾蘭、德國、法國、加拿大和澳大利亞等在這方面做了大量的研究，取得了杰出的成就，目前在歐美國家實(shí)際生產(chǎn)常采用的脫碳技術(shù)主要有變壓吸附（PSA）、壓力水洗、化學(xué)吸收、物理吸收、膜分離和低溫分離等。其中，使用最為普遍的是變壓吸附（PSA）、壓力水洗、化學(xué)吸收三種方法。根據(jù)歐洲各國2008年生產(chǎn)資料，采用變壓吸附工藝的沼氣脫碳處理廠占33%，采用水洗工藝的占32%，采用吸收法的占16%。我國在沼氣回收綜合利用技術(shù)方面剛剛起步，目前已經(jīng)開發(fā)出的主要是變壓吸附技術(shù)和壓力水洗法，化學(xué)吸收法研究剛剛起步。在沼

16、氣提純民用方面的研究很少，一般的處理工藝和設(shè)備，都存在能耗高、提純精度低、甲烷損失大、運(yùn)行成本高等問題。4.1.3.2工藝技術(shù)方案的比較脫碳是沼氣回收利用生產(chǎn)工藝中最主要的工序，常規(guī)脫碳有干法和濕法。干法有變壓吸附法（PSA）、變溫吸附法（TSA）；濕法分物理吸收法和化學(xué)吸收法，物理吸收法有高壓水洗法、低溫甲醇法、碳酸丙烯酯法（Fluor）等?；瘜W(xué)吸收法中最典型的是醇胺法。1、變壓吸附法（PSA）變壓吸附脫碳工藝過程之所以得以實(shí)現(xiàn)是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個(gè)性質(zhì)：一是對(duì)不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑

17、的第一個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)含二氧化碳源中雜質(zhì)組分的優(yōu)先吸附而使其它組分得以提純；利用吸附劑的第二個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離提純甲烷的目的。變壓吸附的優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，較少的操作人員；壓力選擇范圍寬，動(dòng)力消耗低；主要設(shè)備少，材料可用碳鋼制造，所有設(shè)備均可國產(chǎn)化；因此投資少、維護(hù)費(fèi)用低；甲烷收率90%以上。2、物理吸附脫碳工藝高壓水洗法是利用二氧化碳和甲烷氣體在水中的不同溶解能力而采取的一種工藝方案。在低溫下，甲烷的溶解能力很差，二氧化碳相對(duì)較高，二氧化碳被吸收后，甲烷含量能達(dá)到97%以上，被吸收的二氧化碳通過曝氣釋放，釋

18、放到空氣中。此法適合二氧化碳含量低的工藝氣體的脫除。對(duì)二氧化碳含量30%以上的工藝氣體脫出，所需壓力高動(dòng)力消耗高，此工藝不被采用。低溫甲醇法是利用低溫甲醇的優(yōu)良特性除去CO2、H2S。此工藝甲烷收率高，大于97%，但低溫操作對(duì)設(shè)備和管道要求高，為了收回冷量換熱設(shè)備多，流程復(fù)雜，需冷凍設(shè)備。裝置投資大，設(shè)備操作維修困難，此工藝不被采用。物理吸收法脫碳提純較有競爭力的工藝是碳丙法（Fluor）和NHD法（Selexol）。兩種方法工藝基本相同，主要是吸收劑不同。碳丙法和NHD法甲烷回收率均高于97%，吸收劑吸收CO2能力強(qiáng)、無毒、穩(wěn)定性好，設(shè)備較少投資較低，但操作較為復(fù)雜，消耗動(dòng)力高，輔助材料主要是電和循環(huán)水。3、化學(xué)吸收脫碳工藝由于CO2為酸性氣體，故需選用呈堿性的化學(xué)吸收液，目前典型的化學(xué)吸收液為烷基醇胺。該工藝脫碳?jí)毫Φ?，操作較簡單，甲