新能源科技沼气提纯项目.doc

1.1.3.2项目投资的必要性及建设意义 1992年瑞典建立的Laholm沼气厂是瑞典首例将生物甲烷并入天然气管网的工厂。到2011年底，我国民用沼气池达到3400多万口，污水处理厂、食品加工厂、酒厂等大中型沼气工程达2500多处，年产沼气总计超过180亿m，对比我国2011年天然气用量1120亿m，这部分能源相当可观。目前，大量的沼气利用还是以低品位的热利用为主，随着集中式沼气工程不断发展，沼气提纯和发电等能量利用率更高，能量输出更多。沼气的主要利用方式有：直接民用取暖、照明和炊事等直接燃烧产生蒸汽，用于工业供热内燃机发电上网经净化提纯后并入天然气管网或用作车用燃料等。在我国农村，沼气工程由于规模小、技术落后，基本以直接燃烧供暖、炊事等低端利用方式为主；而一般的大型污水处理厂和垃圾填埋厂等产生的沼气，一般就地燃烧供热或直接火炬燃烧。沼气供应具有非常强的区域性，输送距离有限，实际利用效率较低；另外沼气发电工程需额外负担昂贵的上网费用，再加上发电输出效率较低，因此，我国一般的沼气发电项目都很难单独盈利。沼气通过提纯制取天然气，不仅能增加燃烧的热值，还能减轻环境污染，是一种较好的沼气利用方式。各种方式的能量利用情况比较如图1.1.3-1所示。由图1.1.3-1可知，沼气提纯净化能量损失最小，且得到的可输送能量最多。相比其他几种沼气利用方式，将沼气提纯后作为燃气或者汽车燃料等可实现沼气的高效利用，是最有前景的一种利用方式。 图1.1.3-1 沼气能量的利用情况天然气主要成分为甲烷，是一种无色、无味、无腐蚀性气体，它是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，比重轻于空气，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易聚积成爆炸性气体，安全性较高。采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，因而能大大改善环境污染问题；天然气作为一种洁净环保的优质能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，从根本上改善环境质量。将沼气通过提纯制取的天然气与未经处理的沼气相比有以下几个方面的优点：沼气中甲烷含量为45%60%，而通过提纯制取的天然气甲烷含量在97%以上，因此天然气燃烧起来火力要强，能源利用率高；沼气中含有硫化氢气体，直接用于燃烧会产生二氧化硫，排放后对环境造成较严重的污染，而天然气基本上不含有硫化氢，属于清洁燃料；沼气中二氧化碳含量在40%左右，二氧化碳的存在有灭火阻燃的作用，在燃烧时会降低燃烧热的利用率、降低火焰温度、降低燃烧室的容积利用率，导致燃烧放热过程的成本增加。沼气回收提纯后完全可以达到天然气的标准，甚至可以达到并超过车载天然气的标准，可以缓解能源危机，通过脱硫脱碳可以减少大气的污染，减少废气的排放。为了缓解国内天然气供应不足，我国LNG进口量正在不断增加。2011年我国进口了天然气约合280亿m，相当于2011年全国天然气总消费量的近21.5%。随着中亚天然气管道、西气东输二线西段的投产运营以及我国液化天然气项目的加速发展，预计未来我国天然气进口量将有较大幅度的增长。随着居民生活水平提高，对清洁能源需求增加，中国天然气需求将继续旺盛。未来中国将形成国产气为主，进口气为辅的多气源资源保障体系，国内天然气供应将呈现西气东输、北气南下、就近供应以及海气登陆四大格局。到2020年，我国天然气市场需求有望达到2000亿m，占整个能源构成的10%。天然气工业发展前景广阔。综合来说，在当前节能减排的严峻形势下，由于天然气的碳排放低于煤炭和石油，是替代煤炭和石油类高碳排放能源的较理想的过渡性能源，战略意义日益突出。从国家对新能源规划情况看，规划中将煤炭能源占比由70%降低到63%，降低了7个百分点，而天然气的规划占比增长了4.4个百分点，绝对百分数来说是目前3.9%的一倍多，而相对来说将占据由从煤炭能源转化而来的62.9%的份额。可以说，天然气将成为我国工业化中后期的重点应用能源之一。4.1.1回收综合利用工艺选择的理由沼气中成分较多较杂，有一些气体夹杂在沼气中在应用过程中对工艺、设备、环境都将造成一定的影响，如硫化氢、二氧化碳等。沼气中的硫化氢是一种可燃性无色气体，常温下为无色有臭鸡蛋气味的气体，有剧毒，密度比空气大，溶于水后的水溶液为氢硫酸，氢硫酸对钢铁有较大的腐蚀作用，对与之接触的输送管道和使用机械的使用寿命具有较大影响。而且硫化氢在燃烧过程中产生二氧化硫对人的身体和环境的危害较大，因此沼气在使用过程中应除去硫化氢；沼气中的二氧化碳是一种无色无味气体，溶于水形成碳酸，对金属有腐蚀作用。二氧化碳有灭火阻燃作用，常用作灭火剂，在以燃烧放热或以燃烧做功为目的的系统中，二氧化碳的存在通常会降低燃烧热的利用率、降低火焰温度、降低气缸容积利用率，导致放热或做功过程中成本增加。因此在这类气体的使用过程中，只有将二氧化碳降低到较低的含量，才能达到使用要求，提高设备效率，降低使用要求，因此在沼气提纯中须进行脱碳处理。通过对沼气的脱硫脱碳处理后，沼气的使用价值能在原有基础上提高20%左右，可给企业带来很好的经济效益和社会效益。4.1.2脱硫工艺技术方案的比较和选择4.1.2.1国内外技术概况目前，国内外处理沼气脱硫的方法很多，依其弱酸性和强还原性而进行脱硫可分为干法和湿法。干法是利用硫化氢的还原性和可燃性，以固体氧化剂或吸附剂来脱硫或直接燃烧，其中包括克劳斯法、氧化铁法、活性炭法和卡太苏耳弗法等。湿法按其所用的不同脱硫剂分为液体吸收法和吸收氧化法两类。液体吸收法中有利用碱性溶液的化学吸收法和利用有机溶剂的物理吸收法，以及物理化学吸收法。吸收氧化法主要利用各种氧化剂、催化剂进行脱硫。4.1.2.2工艺技术方案的比较1、 湿法脱硫湿法脱硫可以归纳分为物理吸收法、化学吸收法和氧化法三种。采用碳酸钠、氨水和醇胺溶液等吸收硫化氢的为化学吸收法；用冷甲醇吸收硫化氢的为物理吸收法；采用碱性溶液为吸收剂，并加入载氧体为催化剂，吸收硫化氢，并将其氧化成单质硫的方法为氧化法，此法采用溶液吸收，且具有氧化再生的特点，故此脱硫方法也称为湿式氧化法。以上三种脱硫的方法中，物理吸收法和化学吸收法存在硫化氢再处理问题。目前湿式氧化法技术成熟可靠，脱硫效率可达99.5以上。国内湿式氧化法主要以改良ADA法、栲胶法、PDS法等为代表。（1）改良ADA法：又称改良蒽醌二磺酸法，是成熟的氧化脱硫法，脱硫率可达99.5%以上。其主要反应如下：脱硫塔中的反应：以PH=8.59.2的稀碱液吸收硫化氢生成硫氢化物。Na2CO3+H2SNaHS+NaHCO3硫氢化物与偏钒酸钠反应生成元素硫：2NaHS+4NaVO3+H2ONa2V4O9+4NaOH+2S氧化态ADA氧化焦性偏钒酸钠生成偏钒酸钠：Na2V4O9+2ADA（氧化态）+2NaOH+H2O4NaVO3+2ADA（还原态）再生过程中的反应：还原态ADA被空气中的氧氧化成氧化态，然后溶液用泵送入吸收塔循环使用。2ADA（还原态）+O22ADA（氧化态）+2H2O改良ADA溶液组分中，碳酸钠（Na2CO3）作吸收剂，ADA为析硫的载氧体，偏钒酸盐为ADA析硫过程的催化剂。 改良ADA法是技术成熟、过程规范程度高、溶液性能稳定、技术经济指标较好的脱硫方法。该方法还具有硫磺回收率高，回收的硫磺纯度高，溶液对人和生物无毒害作用，对碳钢无腐蚀作用的优点。其缺点是易发生硫磺堵塞脱硫塔内填料。（2）栲胶法：栲胶是聚酚类（丹宁）物质，可代替ADA作载氧体，价格低廉。此法的吸收效果与ADA相近，且具有不容易堵塞脱硫塔填料、栲胶资源丰富、价格便宜等优点。其缺点是配制脱硫液和往系统中补加栲胶时都要经过加热溶化制备过程。（3）PDS法：PDS是酞菁磺酸盐系化合物的混合物，它具有较高的催化活性。PDS脱硫与其它各种湿式氧化法脱硫具有相同的生产工艺，因此由ADA法或栲胶法改为PDS脱硫不需要更改原有工艺，只是以PDS代替脱硫液中得ADA或栲胶即可。 PDS的催化活性好，用量少，消耗低。溶液再生时产生硫泡沫的硫晶体粒子大，易于分离，故脱硫液中的悬浮硫含量较低。该法不仅脱除无机硫，对有机硫也有很好的脱除效果。PDS对人体无毒害作用，脱硫液对设备基本无腐蚀。由于脱硫液中PDS含量特低，且容易被硫泡沫带走损失掉，若集中加入，将导致PDS未参加反应就被泡沫带出系统，且损失多，所以须采用24小时连续滴加的方式加入。 另外最新的脱硫剂主要代表有SY-7和888，它们是针对PDS的缺点而改进的催化剂，也具有催化活性好，用量少，消耗低的特点。2、干法脱硫 干法脱硫是采用固体吸收剂或吸附剂来脱除硫化氢或有机硫的方法。干法脱硫具有流程短，设备结构简单，气体净化度高，操作平稳的优点。但此法通常使用固定层反应器，需要定期更换脱硫剂，不能连续。由于受脱硫剂硫容量（单位质量脱硫剂能脱除硫的最大数量）的限制，干法脱硫一般用于含硫量较低的情况。干法脱硫的方法很多，目前使用的主要有以氧化铁法、活性炭法、氧化锌法和有机硫（COS、CS2）水解法等。湿法碳酸钠的优点是能够耐受气体气量和硫化氢含量冲击，干法氧化铁脱硫的优点是脱硫精度高。气体先经过湿法脱硫初步粗脱硫，将沼气中的大部分硫化氢去除。剩余小部分未被湿法脱硫吸收的硫化氢，被干法脱硫的氧化铁脱硫剂吸收，经过湿法脱硫和干法脱硫相结合的脱硫后硫化氢含量8mg/Nm3。湿法碳酸钠脱硫采用脱硫液循环再生工艺，无污染性废水排出，且湿法脱硫过滤出来的硫沫和干法脱硫吸收硫化氢后的脱硫剂可收集起来，出售给硫酸厂。工艺采用的化工原料和设备，均无毒、无害，操作方便，无安全隐患。相比较氢氧化钠脱硫和纯干法脱硫具有脱硫效率高、运行成本低等优点。该工艺沿用以往煤气脱硫成熟的栲胶脱硫的基础上，经过多次更新换代，已达到国际同行业先进水平。湿法碳酸钠脱硫效率稳定，干法脱硫的脱硫精度高，采用干湿结合的脱硫方法充分利用两种脱硫方法的优点，在脱硫精度和运行成本上达到最优化。4.1.3脱碳工艺技术方案的比较和选择4.1.3.1国内外技术概况沼气是多种气体的混合物，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，脱二氧化碳是整个沼气提纯的核心技术，直接关系到成品气的指标、收率及运行成本。在沼气脱除二氧化碳方面，瑞士、瑞典、爱尔兰、德国、法国、加拿大和澳大利亚等在这方面做了大量的研究，取得了杰出的成就，目前在欧美国家实际生产常采用的脱碳技术主要有变压吸附（PSA）、压力水洗、化学吸收、物理吸收、膜分离和低温分离等。其中，使用最为普遍的是变压吸附（PSA）、压力水洗、化学吸收三种方法。根据欧洲各国2008年生产资料，采用变压吸附工艺的沼气脱碳处理厂占33%，采用水洗工艺的占32%，采用吸收法的占16%。我国在沼气回收综合利用技术方面刚刚起步，目前已经开发出的主要是变压吸附技术和压力水洗法，化学吸收法研究刚刚起步。在沼气提纯民用方面的研究很少，一般的处理工艺和设备，都存在能耗高、提纯精度低、甲烷损失大、运行成本高等问题。4.1.3.2工艺技术方案的比较脱碳是沼气回收利用生产工艺中最主要的工序，常规脱碳有干法和湿法。干法有变压吸附法（PSA）、变温吸附法（TSA）；湿法分物理吸收法和化学吸收法，物理吸收法有高压水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯酯法（Fluor）等。化学吸收法中最典型的是醇胺法。1、变压吸附法（PSA）变压吸附脱碳工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对含二氧化碳源中杂质组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离提纯甲烷的目的。变压吸附的优点：操作简单，较少的操作人员；压力选择范围宽，动力消耗低；主要设备少，材料可用碳钢制造，所有设备均可国产化；因此投资少、维护费用低；甲烷收率90%以上。2、物理吸附脱碳工艺高压水洗法是利用二氧化碳和甲烷气体在水中的不同溶解能力而采取的一种工艺方案。在低温下，甲烷的溶解能力很差，二氧化碳相对较高，二氧化碳被吸收后，甲烷含量能达到97%以上，被吸收的二氧化碳通过曝气释放，释放到空气中。此法适合二氧化碳含量低的工艺气体的脱除。对二氧化碳含量30%以上的工艺气体脱出，所需压力高动力消耗高，此工艺不被采用。低温甲醇法是利用低温甲醇的优良特性除去CO2、H2S。此工艺甲烷收率高，大于97%，但低温操作对设备和管道要求高，为了收回冷量换热设备多，流程复杂，需冷冻设备。装置投资大，设备操作维修困难，此工艺不被采用。物理吸收法脱碳提纯较有竞争力的工艺是碳丙法（Fluor）和NHD法（Selexol）。两种方法工艺基本相同，主要是吸收剂不同。碳丙法和NHD法甲烷回收率均高于97%，吸收剂吸收CO2能力强、无毒、稳定性好，设备较少投资较低，但操作较为复杂，消耗动力高，辅助材料主要是电和循环水。3、化学吸收脱碳工艺由于CO2为酸性气体，故需选用呈碱性的化学吸收液，目前典型的化学吸收液为烷基醇胺。该工艺脱碳压力低，操作较简单，甲烷收率高于97%，CO2去除效果好，设备少。但该工艺主要设备为不锈钢，投资较高。另外虽然动力消耗低，只有物理吸收电耗的一半，但吸收剂再生需要蒸汽，电耗加蒸汽消耗成本较物理吸附高2030%。4、膜分离法气体膜的分离技术的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离的目的。由于气体分离效率受膜材料、气体组成、压差、分离系数以及温度等多种因素的影响，且对原料气的清洁度有一定要求，膜组件价格昂贵，因此气体膜分离法一般不单独使用，常和溶剂吸收、变压吸附、深冷分离、渗透蒸发等工艺联合使用。 对比以上几种脱碳方法，膜分离法中使用的膜需要经常更换，运行成本较高，而变压吸附剂和化学吸收剂可循环使用，因此，变压吸附法和化学吸收法较膜分离技术的实际应用更广。另外变压吸附法与化学吸收法相比，没有其他药剂的加入，对设备无腐蚀性，几乎无“三废”产生，不会造成新的环境污染，且常温下操作，可以省去加热或者冷却的能耗，降低运行成本。除此之外，采用变压吸附工艺的产品纯度高且可灵活调节：如变压吸附提纯废水处理产生的沼气，产品纯度达97%以上，并可根据工艺条件的变化在较大范围内随意调节产品甲烷的纯度。同时，采用变压吸附工艺提纯设施规模灵活，在较中、小规模的提纯项目上尤其有优势。而且整个工艺由计算机控制，操作方便，装置可以实现全自动操作。可见，变压吸附法是沼气提纯中的首选技术。