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沼气脱硫预处理方案

26
2020年4月19日
文档仅供参考

90000m3/d厌氧沼气脱硫预处理及火炬

技 术 文 件

北京时代桃源环境科技有限公司
8月

目 录
1项目概况 3
1.1项目概况 3
1.2供货范围 3
1.3执行规范 5
2项目整体工艺描述 6
3.沼气净化系统技术描述 6
3.1 前置增压、过滤系统 6
3.2 生物脱硫系统 7
3.3干法脱硫系统 10
3.4 脱水工艺 10
3.5 增压工艺 11
3.6 精过滤工艺 12
3.7火炬系统 12
3.8电气及自控系统 13
4.主要设备一览表 14
5.运行费用 17
6.系统报价 17
1项目概况
1.1项目概况
本方案是提供并安装全新的、性能完善、低运行成本、使用寿命长、维修方便并经过调试能够投入生产运行的完整设备。本项目经过处理厨余垃圾发酵产生的沼气，经过前置增压过滤、生物脱硫系统、精脱硫（备用）、脱水、增压处理后综合利用。本方案的内容为沼气净化工程的成套设备。
表1-1 项目来气参数
参数
单 位
沼气进口参数
沼气出口参数
压力
KPa
1～10
10～20
温度
℃
15～37
≤35
沼气流量
Nm³/h
3750
3750
甲烷
%
58～60
58～60
氧气含量
%
0
变化量≤1%
CO2
%
35－42
——
相对湿度
%
不含游离水
不含游离水
H2S含量
ppmv
≤
≤150（发电）或10（CNG）
有机杂质

有
——
环境温度
℃
最低 10
设计寿命
年
15

1.2供货范围
本方案的供货范围为3750Nm3/h沼气生物脱硫项目的技术方案，供货范围的界定如下：
业主方把沼气管引入沼气净化区界响应位置内一米。我方将净化后沼气管道引出至沼气净化区界外一米。我方负责上述范围内的工艺设计、成套设备供货、运输、安装、调试及相关的监测、控制等，以及相关的质量保证及服务。
主电力电缆一个回路进我方主配电柜；业主方提供AC380V电源，并将电缆接至我方配电进线柜进线开关上端。我方负责全部低压供配电系统以及弱电控制设备的供货及安装，包括配电柜、现场操作箱、接线箱及与所供工艺设备有关的按钮附属电气设备元件；
业主方将水、汽等能源管线接到脱硫区相应位置内一米，脱硫区内的水、汽管线由我方负责；我方将废水（含凝结水排放）出脱硫区外1米。
以上界限内的所有管道、阀门以及其它附件、材料均由我方提供；管道系统包括所有供货范围内管线的仪表、阀门、法兰、垫片、螺栓、螺母、管道、管件及安装材料等；
本方案将单独建立子项控制室，经过工业以太网中央控制系统通讯。连接至中央控制系统的线缆及其敷设不属本方案范围。控制系统所有仪表及控制系统的供货、安装和调试等均在我方供货范围；
土建、防雷接地等由业主负责。
业主方提供施工临时用电源（接至净化区内1米），施工、调试期间的水、电、热等由业主方负责。
初次调试所需的营养液、接种物包含在本次方案范围内。
我方保证所供设备为全新的、先进的、成熟的、完整和安全可靠的，且设备符合性能要求，确保安全、可靠、经济的运行。若在安装和调试运行过程中发现缺项（属正常供货范围内），我方承诺无条件补齐。
1.3执行规范
本项目涉及沼气净化系统的设计、制造、安装、调试标准，采用现行使用的有关国家标准以及部颁标准，这些标准和规范至少包括（不限于）：
《制冷装置用压力容器》 JB/T4750-
《压力容器无损检测》 JB4730-94
《压力容器安全技术监察规程》 JB/T4750-
《低压开关设备和控制设备总则》 GB/T14048.1-
《制冷设备通用技术规范》 GB 9237-88
《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》 GB50274-98
《机械设备安装与验收规范》 JB23-96
《工业金属管道设计规范》 GB50316-
《工业金属管道工程施工及验收规范》 GB50235-97
《工业设备及管道绝热工程施工及验收规范》 GBJ126-89
《工业设备及管道绝热工程设计规范》 GB50264-97
《工业设备及管道绝热工程质量检验评定标准》 GB50185-93
《采暖通风和空气调节设计规范》 GBJ19-87
《供配电系统设计规范》 GB50052-95
《低压配电设计规范》 GB50054-95
《工业企业厂界噪声标准》 GB12348-90
《沼气工程技术规范》1-5 部分 NYT 1220.1-
以及相关行业的国家规范及行业标准
2项目整体工艺描述
厌氧发酵出来最大沼气量为3750m3/h，结合后期利用方式，兵分两路进行沼气脱硫和预处理；
两套系统同样配置，每套系统处理量1875m3/h，首先进入粗过滤、前置增压、生物脱硫塔、干法精脱硫（预留）、制冷脱水、后置增压、精过滤，净化后的沼气满足发电需求，此时沼气中的硫化氢含量从 ppm降至小于150ppm；
其中干法脱硫作为预留，当系统沼气利用方式为CNG时，增加或启动干法脱硫，使硫化氢含量从150ppm降至小于10ppm;
当系统产气量大于用气量或系统维护检修时，启动焚烧火炬；

工艺流程
3.沼气净化系统技术描述
由于两套系统配置项目，以下只描述单套系统。
3.1前置增压、过滤系统
为了保护加压风机及防止厌氧沼气携带粉尘、有机物、液态水、油脂等进入生物脱硫系统，必须采用过滤器对沼气进行过滤处理。过滤器为大过滤面积设计，具有脱除部分液态水、较大颗粒物的作用，脱水过滤器滤芯采用不锈钢材质制作。项目设置了前置过滤器1台，过滤器的处理流量为1875Nm3/h，过滤精度为50μm。过滤器前后端安装了压差表，当压差大于2kPa时，建议更换滤芯。
过滤后的沼气进入增压风机进行升压，增压风机设计流量为1875 Nm3/h，升压能力为10kPa，适配22kw电机，1台，考虑旁路。
3.2生物脱硫系统
3.2.1生物脱硫工艺原理
脱硫塔为气液逆向接触的填料吸收塔。含硫沼气从填料塔底部进入与从塔顶进入的碱性循环水（贫液）在脱硫塔填料表面充分接触，硫化氢等硫化物与碱液发生化学反应，从而达到脱硫的目的，脱硫效果达到99%以上。反应后的循环水（富液）经脱硫塔底部进入到再生池。富液中的含硫化合物在再生池中经脱硫菌和氧气的作用下转变为单质硫，完成贫液再生。再生池产生的单质硫混浊液进入沉淀池沉淀，最终经过定期排放排出生物脱硫系统进行回收利用。

生物脱硫工艺流程简图
本项目生物脱硫主要发生的反应是：
填料塔内：H2S + 2NaOH → Na2S + 2H2O
再生池内：2Na2S + O2 + 2H2O → 2S + 4NaOH
这两步对沼气脱硫系统都非常重要。第一步反应为脱硫过程，H2S等硫化物经过第一步反应得到去除；第二步反应为再生过程，如果没有第二步反应，循环水就不能再生，造成系统脱硫能力下降，无法满足沼气脱硫的需求。
3.2.2各工艺系统介绍
3.2.2.1脱硫塔与循环水系统
从洗涤塔出来的沼气进入生物脱硫塔。
生物脱硫塔主体由玻璃钢制造。塔内有防腐格栅及支撑梁，可承受填料的重量。
现场安装由甲方完成。要求脱硫塔外层有聚胺脂或毡类保温层，保温外面再有彩钢板保护层，彩钢板保护层外再刷UV防护漆。
系统采用碱性溶液来脱除沼气中H2S。为了降低碱液的用量，脱硫系统采用循环水再生设计，设有生物再生池。碱性循环水由循环泵送到脱硫塔上部喷淋，在重力的作用下流经塔内填料表面，增加循环水的停留时间，充分吸收沼气中的H2S，然后从脱硫塔底部回流到再生池，再生后进入下一次循环。
脱硫塔上下设有压力表，指示脱硫塔压损变化。
3.2.2.2再生系统
从脱硫塔重力流入再生池中。在再生池底部设有曝气装置。提供循环水再生所需适当的氧气。曝气系统设有在线计量检测装置，控制曝气风机的流量，严格控制溶解氧的含量。
在适宜的温度、溶解氧、营养及pH等环境下，脱硫菌将循环水中的硫化物氧化成单质硫，再生池与沉淀池有连通管路，单质硫随管路进入沉淀池。沉淀后的循环水经对流泵打入再生池。沉淀池底部有排污口，可将沉淀下来的硫泥排至集水井。硫泥是批次出料，每天排一~二次。
生物脱硫菌的生长和脱硫过程需要适宜的温度，项目采用热水加热的方式为生物脱硫菌提供适宜的温度环境。再生池内安装温度传感器，经PLC自动控制再生池中水的温度。加热热水来自厌氧发酵加热系统的尾水，进水温度为51℃，直通式。流量不超过0.5t/h。在夏季时，热水会少用或者不用（用自来水补水），冬季时，热水直通。
3.2.2.3营养液及碱液系统
微生物生长需要一定的营养元素，营养物质添加系统可自动将营养液加到再生池，加药量由计量泵进行精确控制。本方案营养液系统设置1套加药计量泵。
虽然反应条件严格控制，但再生池的反应过程仍有2~3%左右的单质硫被氧化成硫酸、亚硫酸等，使系统循环水的PH值下降，必须经过添加一定量的碱液来维持系统的最佳PH范围。本技术方案的碱液添加系统可根据循环水PH值的变化自动增加碱液进行调整，使溶液的PH值稳定在最佳反应区间。碱液添加由计量泵控制。
3.2.2.4废水排及补水系统
定期的硫泥排放会导致循环水量减少，每次随着硫泥排出的水约5t左右。循环水的减少能够经过自动补水的方式来保持再生池、沉淀池的水位平衡，以达到系统自动补水的目的。

3.3干法脱硫系统
设计采用干法脱硫工艺作为精脱硫的方式，餐厨厌氧沼气经过生物脱硫后硫化氢浓度从5000PPm降到150PPm，当系统后端利用为提纯方式时，启动干法脱硫系统。经过干法脱硫方式将硫化氢浓度降至10PPm。干法脱硫工艺采用高效成型脱硫剂塔式结构，待处理的沼气从脱硫塔底部进入，与脱硫剂充分均匀接触，将内部携带的气态硫化氢有效转化为固态硫化物，附着于脱硫剂多孔结构内，从而达到从气体中脱硫的目的。
该工艺的有效化学反应如下：
Fe2O3·H2O+H2S → Fe2O3+H2O
Fe2S3·H2O+O2 → Fe2O3·H2O+S
脱硫塔内部采用优化流道设计，确保气体在塔内的流通速度满足脱硫活性最优化要求，空塔线速度介于0.1～0.3m/s，保证气体与脱硫剂充分接触，脱硫彻底，满足工艺需求。塔体内结构设计合理，气体在内部流通时阻力损失控制在3KPa以内。
3.4脱水工艺
制冷脱水系统的技术描述如下：
1) 制冷机组为风冷式闭式冷却循环。
2) 制冷机组室外露天放置。
3) 制冷机组为一体化设计、撬块式安装。配置冷水箱做为蓄冷器。
4) 冷水机组采用知名品牌，可根据冷媒液回水温度自动控制机组启停，最大限度地节省能源。
5) 在冷却系统中加装蓄能水箱，介质为20%的乙二酵溶液，设计冰点是零下15℃当冷却水温度达到设定值时，制冷压缩机停止工作，为了保护制冷压缩机，一般制冷压缩机再次启动需要5分钟左右，此时，蓄能水箱将冷量持续提供给换热器，在保证沼气得以冷却的同时，也使制冷压缩机得到保护，避免制冷压缩机频繁启停。
6) 冷水机组保证环境温度在-38℃以上能正常启动。
7) 机组配置风冷器与制冷机串联，当环境温度低时以节省能源，当环境温度低于-10℃，冷水机组将不工作，只要使循环水泵处于运行状态，可利用冬季自然冷源对沼气实现降温除湿。
8) 换热器管程采用不锈钢304制作。换热器内部设置高效汽液分离装置，有效分离凝结水。
9) 换热器底部带有排水阀，接至业主的排水系统。排水压力为0kPa，最大排水量约15kg/h。
3.5增压工艺
脱硫后的沼气进入一组增压风机，经增压过滤后进入后端使用，增压风机设计流量为1875Nm3/h。考虑到换热器、过滤器、管道等的压力损失，通往发电机组的风机升压能力为30kPa，适配55kw电机。风机2台，一用一备。
1) 因为离心风机的噪音较大，而且高速旋转时，叶轮如果和壳体发生摩擦，容易产生火花，增加了不安全性。因此，在升压15~20kPa时，投标选择罗茨风机。
2) 风机为皮带传动，配逆止阀，不锈钢金属软连接，自然通风冷却。
3) 每台增压风机各配一套变频控制柜，控制方式为恒压变频变压器为ABB品牌。
4) 配套防爆电机等级exd Ⅱ BT3，防护等级IP44。
3.6精过滤工艺
设置精密过滤装置，过滤器为微压差、大过滤面积设计，过滤精度3μm，有效拦截细微杂质，满足燃气机组对气体品质要求，提高燃气利用效率。
过滤器壳体为碳钢防腐。过滤器滤芯为pp材质。在过滤器的进出口设置了压差计量装置。当过滤器的压差大于一定值时，业主可对过滤器滤芯进行更换。
过滤器的处理能力为1875Nm3/h，共2台，一用一备。
3.7火炬系统
火炬系统采用落地封闭式焚烧火炬的形式，运行时外部不见明火。整个单元包括排风扇、电源开关等均采取防爆措施，凡是与气体接触的材料均采用SS304材料或采取相应的防腐措施，系统入口设有阻火器以及火焰监测仪。
根据要求，火炬系统的额定处理量为3750Nm3/h。火炬入口由前置增压系统精脱硫出口母管连接。
最终火炬系统达到以下性能：
编号
项目
单位
数值
1
火炬设计焚烧能力
Nm3/h
3750
2
火炬最小稳定焚烧能力
Nm3/h
300
3
火炬最大焚烧能力
Nm3/h
3750
4
点火成功率
%
≥98
5
火炬系统本体电耗
kW
<13kW
6
燃烧气体停留时间
S
≥0.6
7
火炬外型尺寸
M
Ф2.5×12
8
火炬燃尽率
%
≥99
3.8电气及自控系统
电气自控装置用于给设备供电及系统的自动运行控制。自控装置一般包括PLC系统及各种仪表，就地仪表也可给PLC系统的程序设计提供依据。本项目自控程度可达到自动运行、故障报警等控制要求。考虑到项目的整体性与经济性，生物脱硫与沼气除湿增压系统电控系统合并。
3.8.1 配电系统
1) 项目配电系统基于单回路供电设计。本项目范围仅限于低压配电。用户负责将AC380V电源接至我方进线柜的上端头。
2) 该系统总装机功率为210kW，考虑裕量，建议配电220kW，AC380V；
3) 配电系统由进线柜、断路器、配电柜、变频器（ABB）、UPS等组成。
4) 低压电力电缆采用ZR-YJV-1KV 铜芯，变频器出线电缆采用ZR-YJV22-1KV 铜芯；控制回路采用ZR-RVV电缆；信号回路电缆采用ZR-KVVP铜芯电缆；电缆干线在电缆桥架敷设，支线穿镀锌管。
5) 室内配电柜为GGD型，柜体钢板厚度不小于2mm，优质冷扎钢板经先进的冲压开孔工艺，全部结构除以内六角螺钉装配成型外，实现无螺母化装配。母排外部加有绝缘并标明相色。
6) 所有低压电气元件采用ABB或西门子品牌，上位机组态软件采用捷控，PLC控制柜内加装山特UPS电源，采用研华工业光纤交换机。电线电缆采用符合国家标准的品牌电缆。
7）室外仪表、配电设备、线缆接头防护等级IP67
8）动力部分主要电器元件采用ABB、西门子等进口名牌品牌。变频器采用ABB。
3.8.2自控系统
我方控制系统采用 PLC控制，所有元件适应 PLC检测控制的要求。控制系统具有数据采集、在线检测、报警和自动停机等功能。
a) 生物脱硫系统能够采用就地控制方式。
b) 实现运行参数的在线监测；
c) 当运行参数超限时，视需要分别产生报警或停机信号；
d) 根据运行参数的变化，实时调整设备的运行状态；
e) 记录数据，并生成用户所需的日报表、月报表、实时趋势和历史趋势；
f) 具备现场手动操作，系统急停装置，声光报警功能；
g) 具备启动系统自检功能；
h) 具备用户管理权限，操作等级区分
i) 提供的控制系统具备依据授权修改系统参数的功能，并能监控其它设备相关参数，具体工作参数由双方协商确定。并提供终身维护升级。
系统装置运行监测、显示和控制点如下：
l 系统的启动、停止开关；复位、控制开关
l 风机、水泵启动、停止开关
l 沼气流量（含瞬时流量和累积流量）
l 空气流量
l 甲烷含量，氧气含量
4.主要设备一览表
序号
名称
规格与参数
单位
数量
品牌
一
前置过滤增压系统
1
前置过滤器
SS304壳体，SS304滤芯，20um，1875Nm3/h
套
2
时代桃源
2
手动阀
对夹蝶阀，DN300，阀板SS304
套
2
无锡高商
3
前置增压风机
Q=1875Nm3/h，P=10kPa
套
2

4
气动对夹蝶阀
对夹蝶阀，DN125，阀板SS304
台
2
无锡高商
5
前置增压撬体

台
2
时代桃源
二
生物脱硫系统
1
脱硫塔本体
Ø2.5m*15m，FRP
套
2
时代桃源
2
脱硫系统滤料
鲍尔环，PP
套
2
时代桃源
3
压力表
0~10kPa，防腐
个
4
时代桃源
4
顶部喷淋系统
FRP
套
2
时代桃源
5
防腐栅板
FRP
m2
2
时代桃源
6
再分布器
FRP
套
2
时代桃源
7
循环水泵
90m3/h、H=30m、N=11kW
台
4
时代桃源
8
变频器
11kW
台
4
时代桃源
9
曝气风机
120m3/h、P=50kPa、N=4kW
台
4
时代桃源
10
变频器
4kW
台
4
时代桃源
11
橡胶模曝气管
ABS工程塑料管道、三元乙丙等
个
2
时代桃源
12
再生池
Φ6.6m*4m，PE、钢质加强
个
2
米顿罗或同等
13
硫泥泵
Q=5m3/h、H=10m、N=1kW
台
2
时代桃源
14
电加热
25kW
套
2
ABB
15
贫液回流泵
Q=20m3/h、H=15m、N=2.2kW、变频电机
台
2
时代桃源
16
变频器
2.2kW
台
2
时代桃源
17
营养水箱
V=1m3，PE
个
2
时代桃源
18
搅拌器
n=82转，N=0.55kW，SS316
台
2
时代桃源
19
加药计量泵
9L/h，P=12bar， 0.25kW
套
2
时代桃源
20
NaOH水箱
V=1m3，PE
个
2
时代桃源
21
搅拌器
n=82转，N=0.55kW，SS316
台
2
时代桃源
22
NaOH计量泵
50L/h，P=10bar，0.2kW
台
2
时代桃源
23
废水集水井及废水泵坑
混凝土结构，防腐处理
个
2
时代桃源
24
平衡水箱
PE、0.5m3、防腐，带液位报警
个
2
时代桃源
25
压力传感器
0~20kPa、-10~10kPa
台
4
罗斯蒙特
26
沼气流量计
0~ m3/h
套
2
Floword
27
空气流量计
0~200m3/h
套
2
Floword
28
温度传感器
0~100℃，防爆，4~20mA输出
台
2
E+H
29
甲烷浓度仪
0~100%，防爆，4~20mA输出
套
2
Ados
30
H2S浓度仪
0~5000ppmv，手持式
套
2
克诺尔
31·
在线PH计
监控再生池PH
套
2
时代桃源
32
在溶解氧测定仪
4~20mA输出，控制曝气量
套
2
罗斯蒙特
七
干法脱硫
1
脱硫罐
Ø1.8m*3.2m，FRP
个
4
时代桃源
2
吸附剂
氧化铁精脱硫剂
套
4
时代桃源
八
制冷脱水
1
制冷机组
AC-50(D), 风冷，制冷功率140kw.输入功率50KW
2
套
安格斯
2
换热器
换热管材质为SS304，壳程材质为碳钢，换热功率132kW
2
台
时代桃源
3
温度传感器
SS316
2
个
E+H
4
截至阀
DN65，SS304
8
个
时代桃源
5
压力表
SS316
2
个
布莱迪
6
温度表
SS316
2
个
布莱迪
九
增压系统
1
罗茨风机
Q=3500Nm3/h，P=30kPa，
4
台
台湾环鑫
2
电机
55kw，4级，防爆
4
台
锡安达
3
变频器
55kw，恒转矩
4
台
ABB
4
手动阀
对夹蝶阀，阀板SS304
2
套
无锡高商
5
气动对夹蝶阀
对夹蝶阀，阀板SS304
2
套
无锡高商
6
阻火器
壳体CS\芯体304
2
个
上海易鼎
7
压力传感器
SS316
4
套
罗斯蒙特
8
温度传感器
防爆、防腐
4
套
E+H
9
甲烷浓度仪
0~100%，防爆，在线，4~20mA输出
2
套
Ados
10
流量传感器
V锥
2
套
Floword
11
湿度传感器
防爆、防腐
2
套
昆仑海岸
12
温度表
SS316，0～100℃
8
套
布莱迪
13
压力表
SS316
8
套
布莱迪
十
过滤装置
1
精密过滤器
过滤精度：3μm，处理能力：1875Nm³/h
4
套
时代桃源
2
压差表
过滤器压差
4
套
Dwyer
十一
火炬
1
火炬塔体及点火系统
Φ2500*1 ，碳钢防腐
1
套
时代桃源
2
气动调节蝶阀
对夹蝶阀，DN300，阀板SS304
1
个
无锡高商
3
手动阀
对夹蝶阀，DN300，阀板SS304
1
个
无锡高商
4
阻火器
壳体CS\芯体304
1
个
上海易鼎
5
压力表
SS316
2
套
布莱迪
十四
控制系统
1
控制软件
气体预处理控制系统v1.0
生物脱硫控制软件V1.0
1
套
时代桃源
2
进线变频柜
800×800×2200
3
台
时代桃源
3
控制柜
800×800×2200，S7-300
1
台
时代桃源
4
触摸显示器
17''
1
套
研华
5
现场控制箱
防爆箱
3
套
时代桃源
5.运行费用
全年按照333天，8000h负荷运行；
耗电采用厂用电，单价按照1.0元/度计算；
补水按照5元/吨计算。
根据处理量3750m3/h计算：折合年运行总费用约148万，折算到每1m³沼气的处理费用约4.98分。
6.系统报价
品目号
报价产品名称
制造商名称及产地
数量/规格
单价(万元)
合价(万元)
1
前置过滤增压系统
Fairyland/China
2套/1875m3/h
35
70
2
生物脱硫系统
Fairyland/China
2套/1875m3/h
185
370
3
干法脱硫系统
Fairyland/China
2套/1875m3/h
45
90
4
脱水增压精过滤系统
Fairyland/China
2套/1875m3/h
150
300
5
火炬系统
Fairyland/China
1套/3750m3/h
80
80
二
合计（含运输安装调试税费等）
910