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垃圾填埋沼气提纯净化制车用压缩天然气技术方案

30
2020年4月19日
文档仅供参考

辽宁省XX市MSW卫生填埋场

垃圾填埋沼气提纯净化制车用压缩天然气技术方案

中国水业集团新中水投资有限公司
年 12 月 18日

目录

1 技术条件
1.1 原料气参数
1.2 工艺设计参数
1.3 产品气要求
1.4 产品方案

2 技术工艺流程
2.1 工艺流程简述
2.2 物料平衡表
2.3 流程图

3 设备数据表

4 公共设施要求

5 技术经济指标
5.1 运行能耗估算
5.2 劳动定员
5.3 投资估算
5.4 建设周期
5.5 总图

1 技术条件

1.1原料气参数
本项目的填埋沼气组份取自于广东省深圳市龙岗区某垃圾填埋场填埋沼气与该场渗透液处理过程中的沼气，为混合原料气作为参考。因XXXXXXX垃圾场正在建设中，计划于 底启用，暂时引用，待填埋一区封场钻井集气后再取样检测成分，再行修改确定。其它类似项目请谨慎使用。
表1-1 原料气组份
序号
组份名称
单位
数值
备注
1
甲烷
%
57.3
间隔15天三次取样平均值（下同）
2
二氧化碳
%
37.6

3
氧气
%
0.5

4
氮气
%
4.4

5
一氧化碳
%
0.07

6
硫化氢
mg/m3
152

7
有机卤代物
mg/m3
46

8
六甲基二硅氧烷
mg/m3
1.3

9
六甲基环三硅氧烷
mg/m3
0.2

10
八甲基三硅氧烷
mg/m3
0.1

11
八甲基环四硅氧烷
mg/m3
3.3

12
十甲基四硅氧烷
mg/m3
0.4

13
十甲基环五硅氧烷
mg/m3
0.6

14
十二甲基五硅氧烷
mg/m3
0.2

15
十二甲基环六硅氧烷
mg/m3
-
低于检出线
16
总硅氧烷
mg/m3
6.1

17
温度
℃
常温

18
水分

饱和

1.2 工艺设计参数
表1-2 工艺参数
序号
组份名称
单位
设计范围
设计值
备注
1
甲烷
%
55，上偏差5，下偏差10
55，上偏差5，下偏差10

2
二氧化碳
%
35，上偏差5，下偏差5
35，上偏差5，下偏差5

3
氧气
%
0.5-1
0.5-1

4
氮气
%
5，上下偏差各5
5，上下偏差各5

5
一氧化碳
%
0.1-1
0.1-1

6
硫化氢
mg/m3
0-5000
0-5000

7
有机卤代物
mg/m3
0-500
0-500

8
六甲基二硅氧烷
mg/m3
0-300
0-300

9
六甲基环三硅氧烷
mg/m3
0-100
0-100

10
八甲基三硅氧烷
mg/m3
0-100
0-100

11
八甲基环四硅氧烷
mg/m3
0-200
0-200

12
十甲基四硅氧烷
mg/m3
0-100
0-100

13
十甲基环五硅氧烷
mg/m3
0-100
0-100

14
十二甲基五硅氧烷
mg/m3
0-100
0-100

15
十二甲基环六硅氧烷
mg/m3
0-50
0-50

16
总硅氧烷
mg/m3
0-1050
0-1050

17
水露点
℃
最高压力下，不高于-13℃，气温低于-8℃时，露点低于气温5℃
最高压力下，不高于-13℃，气温低于-8℃时，露点低于气温5℃

1.3产品气要求
产品气指标见表1-3
表1-3 产品气指标
序号
项目
单位
指标数值
备注
1
流量
Nm/m3
～20628
实际气量随原料气中甲烷含量的变化而变化

Nm/m3
～859.5

2
甲烷浓度
%
96

3
二氧化碳浓度
%
1.27
满足GB18047- 《《车用压缩天然气》》标准
4
氧气
%
≤0.13
满足GB18047- 《《车用压缩天然气》》标准
5
氮气
%
≤2

6
一氧化碳
%
≤0.01

7
硫化氢
mg/m3
≤0.5
满足GB18047- 《《车用压缩天然气》》标准
8
有机卤代物
mg/m3
-
本表中“-”表示低于检出线（下同）
9
六甲基二硅氧烷
mg/m3
-

10
六甲基环三硅氧烷
mg/m3
-

11
八甲基三硅氧烷
mg/m3
-

12
八甲基环四硅氧烷
mg/m3
-

13
十甲基四硅氧烷
mg/m3
-

14
十甲基环五硅氧烷
mg/m3
-

15
十二甲基五硅氧烷
mg/m3
-

16
十二甲基环六硅氧烷
mg/m3
-

17
总硅氧烷
mg/m3
-

18
水露点
℃
常压-34.1
满足GB18047- 《《车用压缩天然气》》标准
19
温度
℃
环境温度
101.325KPa, 20℃

1.4 产品方案

原料气经管道输送至本方案设备的入口，经过本系统的脱除硅氧烷装置——→第一台压缩机的一级压缩后脱除有机卤代物与硫化氢装置——→二级压缩后脱碳脱氮脱水装置——→第二台压缩机的一，二，三级压缩气缸逐级增压至22MPa得到产品压缩天然气。

2 技术工艺流程

2.1 工艺流程简述
来自集气气柜的原料沼气首先进入本系统的入口连接法兰。启动空气压缩机，待空压机气压满足各控制气动阀门的工作压力停止。检查各控制气动阀门工作是否灵活正常。如果异常，系统将会报警及显示异常部位，请排除。否则系统将启动自动保护程序。启动第一台沼气压缩机，观察沼气压缩机的冷却，润滑等仪表是否正常以及报警和显示异常原因，请排查消除，否则系统启动自动保护程序。前面一切正常后手动调节入口阀门开启角度，观察流量计计量数值，调节到改装置的设计处理量并对原料气进行计量，计量数据存储于流量计和系统数据库两处。原料气经过一级过滤器，粗步过滤原料气中的水分，粗颗粒杂质，硅氧烷化合物，本过滤器采用了特需的填料和结构构造，能够有效过滤5um以上的杂质，大部分水分及硅氧烷，填料能够拿出处理后重复使用。初滤后进入精滤器，精滤器内设置精过滤芯与超过滤芯，进一步可靠去除一部分水分，杂质，硅氧烷。本精过滤芯与超过滤芯必须定期更换，无法循环使用（正常运行一般情况下3个月更换一次）。精滤后的气体进入本系统的第一台压缩机的一级压缩气缸，增压至 0.3MPa 后经过油水分离器除去气体中的油水杂质，然后进入脱硫处理装置——本系统脱硫采用A,B两个干法脱硫塔，塔内装填一定量的本公司改进型的活性炭，与沼气中的硫化氢在一定的湿度，温度，氧含量，压力等条件下发生氧化反应，生产单质硫（俗称硫磺）。原料沼气先由A塔塔底进入活性炭吸附床层吸附硫化氢气体，使之氧化生成单质硫微粒存留于活性炭微孔中达到去除原料气中的硫化氢。在使用诺干时间后（视沼气中硫化氢含量的高低，一般3——5个月）活性炭失效，此时原料沼气由A塔切换到B塔，不需停机连续运行。A塔内的活性炭则人工排出，以125——375摄氏度的蒸汽或热空气对吸附饱和的活性炭进行加热，溶解活性炭微孔中的单质硫，以液态形式从活性炭中分离开来，经水冷却后得到单质硫（硫磺），可作为化工原料出售。活性炭则活化再生恢复性能重复使用。忽略磨耗不计，运行成本几乎为0。既经济又环保。故本系统脱硫装置AB两塔循环使用完成不间断的去除沼气中的硫化氢气体工作任务。在本阶段同时脱除有机卤代物。
脱硫气以0.25-0.3MPa的压力进入第一台沼气压缩机的第二压缩气缸内压缩，增压至0.8MPa压力，流经冷却器冷却，经缓冲罐缓冲凝析出部分水，再经过滤器过滤，从脱碳系统A塔塔底进入A塔分子筛床层，A塔底部和顶部的阀门都处于开启状态；净化后气体从A塔塔顶流出。B塔塔底和塔顶的阀门，均压阀门，真空再生阀门都处于关闭状态。由于吸附塔经过精密的计算，保持了脱硫气在塔内的流速及流场的分布规律，从而保证了脱硫气中二氧化碳气体的可靠吸附；经过一段时间的吸附后，随着塔内温度的升高，塔内气体流场的规律变化等因素的影响，分子筛吸附饱和，CO2气体随同CH4气体一起进入后端流程导致CO2气体含量超标而不合格；此时系统自动关闭A塔的塔底和塔顶的阀门，同时开启B塔塔底和塔顶阀门及A塔塔顶的泄压阀门，脱硫气从B塔塔底进入B塔的分子筛床层吸附CO2气体，净化后气体从B塔塔顶流出。A塔塔内0.8MPa压力经泄压阀向外界泄压到常压后自动关闭；同时开启A塔的真空阀门，真空机组启动工作抽取吸附于分子筛微孔中的CO2气体。抽取完成后，真空机组停止工作，A塔真空阀门自动关闭，位于A,B两塔中间的均压阀门自动开启，B塔塔顶的一部分合格气进入A塔使A塔带有一定压力从而为下一个循环做好缓冲准备；B塔经过一段时间的吸附后饱和，净化气不在合格，系统自动切换回A塔吸附。由此周而复始往复循环的交替工作，完成CO2气体去除任务。本方案抽取后的CO2气体纯度达到98.3%，能够收集再利用，本装置为直接排放大气中。
本方案脱碳系统的分子筛采用国产上海嘉定分子筛，经本公司与分子筛厂家在原来的基础上改变配方优化，专利所有权属两家共同。分子筛经过一段时间的使用后，性能将会降低，（一般在6个月左右，具体视原料气的影响而有些差距）此时应停机2-4小时，把A,B塔内的分子筛放出来，新的（或活化后的）分子筛重新装填塔内重复使用。分子筛装回后，启动真空机组抽取进入系统内的空气，不需要购买N2置换。失效或性能降低的放出来的分子筛经400——450摄氏度温度翻炒去除杂质，从而得以活化恢复原有性能重复使用，运行成本极低，忽略磨耗不计，几乎为0成本，既经济又环保；且价格便宜，容易获得。
0.75-0.8MPa压力的脱碳气经过滤器过滤后进入本系统的第二台沼气压缩机第一压缩段的气缸内压缩，本级压缩段分两个气缸，一级气缸由入口0.75-0.8MPa增压至1.6MPa,经冷却后进入二级气缸增压至3.2MPa压力再次冷却进入分离器（本压缩段由于压力较高，温度较高，故采用有油润滑。后面相同）分离润滑油油雾及产生的机械磨粒。第一压缩阶段后3.2MPa压力的脱碳气进入第二压缩段的一级气缸再压缩至6.4MPa压力，冷却后进入二级气缸再次压缩至12MPa压力，再次冷却除去油雾及机械杂质。第二压缩段12MPa压力的脱碳气进入第二台压缩机的第三压缩段一级气缸继续增压16MPa压力，再次冷却进入二级压缩气缸增压到22MPa,冷却除去油雾和机械杂质得到产品压缩天然气CNG。加臭后用专用CNG软管输送至CNG长管拖车外运。

2.2 物料平衡表

2-1 物料平衡表（按1500Nm/h计算）

气体组份
原料气
产品气
排放气

%

Nm3

%

Nm3

%

Nm3
甲烷
57.3

859.5
99.2

852.624
0.8

6.876
二氧化碳
37.6

564
1.27
7.1628
98.73
556.8372
氧气
0.5

7.5
≤0.13

≤0.00975
≥99.87

≥7.49025
氮气
4.4

66
≤2

≤1.32
≥98

≥64.68
一氧化碳
0.07

1.05
0.01

≤0.000105
≥99.99

≥1.049895
硫化氢

152mg/m3

≤0.5 mg/m3

≥151.5mg/m3
有机卤代物

46mg/m3

≥0 mg/m3

≤46 mg/m3
六甲基二硅氧烷
1.3mg/m3
≥0mg/m3
≤1.3mg/m3
六甲基环三硅氧烷
0.2mg/m3
≥0mg/m3
≤0.2mg/m3
八甲基三硅氧烷
0.1mg/m3
≥0mg/m3
≤0.1mg/m3
八甲基环四硅氧烷
3.3mg/m3
≥0mg/m3
≤3.3mg/m3
十甲基四硅氧烷
0.4mg/m3
≥0mg/m3
≤0.4mg/m3
十甲基环五硅氧烷
0.6mg/m3
≥0mg/m3
≤0.6mg/m3
十二甲基五硅氧烷
0.2mg/m3
≥0mg/m3
≤0.2mg/m3
十二甲基环六硅氧烷
-mg/m3
≥-mg/m3
≤-mg/m3
总硅氧烷
6.1mg/m3
≥0mg/m3
≤6.1mg/m3
注：排放气经过高空排放管到大气中

工艺流程简图

        设备效果图见下 （1.2＃）压缩机参图 

3. 设备数据及材料表
本项目一＃压缩机及脱硅氧烷单元、活性炭脱硫脱有机卤代物单元，PSA 脱碳脱水单元、仪表与PLC远程中央控制系统、循环冷却水及配电系统于同一底座上面。二＃压缩机单独成一撬装。本项目标定总功率为480KW,(其中1#压沼气缩机功率220KW,二号沼气压缩机功率160KW,压缩空气功率7.5KW,真空机组功率75KW,冷却水功率4KW,其它辅助功率10KW)总质量约42吨，一＃撬体积为：12米*3.2米*2.9米（长*宽*高）。二＃撬体积6米*3.2米*2.3米。所有电器设备一律作防爆处理，放散装置均设阻火器，防雷接地系统完整，均按照国家相关标准和规范、安全要求进行设计。
本方案需业主方配备750KW的沼气发电机或750KVA的市电电源，最低15米*10米的平整硬化地坪一块，如果条件许可，可增加一网络，方便本公司远程协助。

设备名称
型号规格
数量
重量
备注
钢结构底座
12米*3.2米*0.5米
1件
约3.5吨
见设计加工图
沼气压缩1#机
定制
1台
约12吨
设计图，说明书，产品合格证
沼气压缩2#机
定制
1台
约11吨
设计图，说明书，产品合格证
不锈钢防爆热式沼气流量计
DN 220
1件
约25KG
说明书，合格证
不锈钢防爆气动紧急切断阀
DN 220
1件
约50KG
说明书，合格证
旋风拉西填料过滤器，精过滤器
DN 600
2件
约280KG
设计图，合格证
缓冲罐
0.6M3
3件
约180KG/件
设计图，合格证
干法脱硫装置
DN 1200*
组件1套
约2.5吨
设计图，合格证
过滤器
DN 159
3件
约100KG/件
合格证
旋风拉西填料过滤器
DN 100
1件
约60KG
设计图，合格证
PSA脱碳装置
DN 1200*
组件1套
约5吨
设计图，合格证
防爆真空机站
定制
组件1套
约6吨
合格证
防爆电器柜
定制
组件1套
约500KG
合格证
防爆PLC中央远程控制柜
定制
组件1套
约450KG
合格证
防爆在线成分检测仪表
定制
2台
约80KG
合格证
防爆空气压缩机
0.325M3/min
1台
约200KG
合格证
防爆泄漏报警仪

2台
约2KG/台
合格证
仪表标气

若干

合格证

动力一览
1#沼气压缩机  ：主驱动电机  220KW
2#沼气压缩机： 主驱动电机 160KW
冷却水泵电机 4K W
气体冷却电机 10KW
空气压缩机:  7.5KW
真空机组  ：  前级泵     30KW
中间泵     12KW
主泵       22.5KW
其它辅助功率10KW
总标定动力功率：～480KW
注 ：1：建议业主方改为3台套处理36000Nm/d原料气，每台处理量为1 Nm/d, 高峰气量时三台同时运行，低谷气量时一开两备，灵活机动，满足各种不同的气量工况。
2：沼气发电机组建议业主方选用2台400KW，以满足不同的产气工况。

4共设施要求

4.1  电力系统
   电 压 等 级 ：  3 80 /2 2 0V    A C ±1 0%    三 相五线制   频 率 ： 5 0H z
        容 量 ： 750KVA  或750KW沼气发电机组一台
4.2            站场建设
4.2.1      站场选址参考GB50028-   城镇燃气设计规范。
4.2.2        进出垃圾场至本站场的道路需满足40呎集装箱拖车行驶及转弯半径要求。
4.2.3        本站场根据现场场地条件，设计本站场在位于*****前占用一块15米*25米空地一块。
4.2.4        本站场参照GB50028-   城镇燃气设计规范之 7  压缩天然气供应 建设基础设施。该15米*25米场地平整硬化，在该硬化场地上建设一15米*10米的钢结构敞开式净化制气厂房，安装本净化提纯装置及预留一长管拖车充装位置。剩余15米*10米平整硬化露天，作为待充装长管拖车停靠泊位。
4.2.5      本站场消防设施参照GB50028-  城镇燃气设计规范外尚应符合国家现行的有关标准的规定。

注：如果选用单独1 Nm/d的处理量三台设备共同承担，站场建设另行设计规划

5 技术经济指标
5.1 运行能耗估算
电能消耗: 电价应各地区域不同而不同，这里以XXX市工业用电电价0.893元/KW/h计算:
0.32KW/h/Nm3 x0.893元/KW/h=0.28576元/Nm3
分子筛活化热能消耗：、按6个月活化一次计算：1 MJ÷6(个月)÷30（天）÷36000Nm3/d≈0.00185MJ/Nm3=1.85KJ/Nm3; 按沼气燃烧热值5200KJ/Nm3计算: 1.85KJ/Nm3÷5200KJ/Nm3≈0.00036Nm3 按原料沼气0.2元/Nm3计算: 0.00036Nm3×0.2元/Nm3=0.000072元/Nm3】 每天36000Nm3/d×0.000072元/Nm3=2.592元/d 每月 30天×2.592元/天=77.76元/月 （上面1 MJ为本公司多次分子筛活化数据）
活性炭再生热能消耗：（按3个月再生一次计算）接近分子筛活化消耗热能，每月按80元计算
润滑油消耗： 5g/h
一次水消耗：忽略不计（由于本系统采用闭式水循环强制风冷，几乎无消耗水）

5.2劳动定员
场站的劳动定员取决于运行管理的工作量及操作人员的水平，同时也可由有关劳动部门视具体情况而定。根据本项目自控设计水平和日常运行管理工作量，对于定员的编制建议见表 5-2：
表5-2 劳动定员

序号
岗位
定员
备注
1
管理
1

2
操作，维护
5
三班三运转，2人/班，交错编制，合理工作休息

合计
6

5.3  投资估算
本投资估算为垃圾填埋沼气精制天然气站区的建设投资，不包括:地基处理、提纯净化钢结构厂房、供变电、土地投资等费用。现分项描述如下：
5.3.1 投资收益估算：
XXX日处理500吨生活垃圾提纯天然气经济效益分析
项目收入：
500吨生活垃圾日产出甲烷含量在50%的沼气3.6万立方米，（每吨垃圾每小时产气2.5—4立方取平均值日产沼气量72立方）能够提纯出ＣＮＧ1.8万立方米 。每立方生物天然气售价：每标方ＣＮＧ最低门站价2元（用于民用做分布式能源站以便获取国家相应政策补助）

生物天然气年销售收入：18000立方×2元×365天 ＝1314万元
生物天然气年提纯成本：每方０.3572元×36000 立方× 365天＝469.3608万元，
生物天然气年纯收益： 844.6392万元

注：本方案二氧化碳未加以回收利用，如果需回收利用，可按下进行风险分析：
每立方沼气含有二氧化碳37%，增加一套制冷设备投资80万元。日产液态二氧化碳14.76吨，每吨门站价1000元（市场价1500元）：
液态二氧化碳年销售收入：14.76吨×1000元 × 365天=538.74万元，
液态二氧化碳年生产成本：
（每立方耗电0.5度，每天13320立方（37% × 3.6万立方× 0.4465元）液化成本5947.38元）
5947.38元×365天=217.0793万元
液化二氧化碳年纯收益：321.6607万元。

生物天然气与液态二氧化碳年收入合计：1166.2999万元

5.3.2 投资风险分析
根据同类项目经验，结合本项目实际情况（日填埋量500吨，填埋时间20年）及周边天然气市场的情况及国内外油价气加的波动，产品气由加气站或燃气公司自己来充装运输，按出站价2元/Nm3，足以满足应对国际原油30美元/桶价格的风险。但任何投资都存在风险：本项目仅为收集气量，随着季节气候等外界因素的影响，假若极端不利情况——收集气量为满负荷的60% 则：
生物天然气年纯收益：844.6392万元×60%=506.7835万元
液化二氧化碳年纯收益：321.6607万元×60%=192.9964万元

生物天然气与液态二氧化碳年收入合计：1166.2999万元
×60%=699.77994万元。投资回收期约2年。
5．3.3 投资资金

序号
分项名称
单位
金额
备注
1
设计及服务费
万元
32
含三次现场取样成分检测费
2
安装
万元
4.5
含现场卸车吊装，现场挪动费
3
行政及预备费
万元
58.5
含手续、办公用具
4
 设备售价
万元
660
含现场调试，道路运输
5
站场建设费
万元
380
含站场硬化，钢结构站场，消防设施等

合计
万元
1135
不含土地费用，电力设施建设费等
5.4 建设周期
1、本项目建设周期需90天（不含前期许可及筹备），其中现场培训人员5天。
2、本项目需业主方选派人员来我公司设备制造现在培训该设备的日常维护，保养 ，培训期一周（7天）
5.5 总图 （略）

中国水业集团新中水投资有限公司
12月18日