预处理工艺在低浓度瓦斯发电项目中的选择应用

徐婷婷

(北京时代桃源环境科技有限公司，北京 100085)

预处理工艺在低浓度瓦斯发电项目中的选择应用

徐婷婷

(北京时代桃源环境科技有限公司，北京 100085)

本文针对低浓度瓦斯气体预处理工艺提出了两种技术路线，即电制冷脱水技术和吸收式脱水技术，并通过具体案例对两种工艺的技术进行了比选分析。结果表明，两种处理工艺对气源的改善效果相近，均能够满足发电机组对气源品质的要求，其中电制冷脱水技术更适用于初投资控制严格、输送压力不低于12～15kPa的低浓度瓦斯发电系统；吸收式脱水技术则更适用于运行费用控制严格、前端输送压力低，安装空间小的低浓度瓦斯发电系统。

低浓度瓦斯预处理系统 吸收式脱水工艺 电制冷脱水工艺

1 未处理气源对低浓度瓦斯发电机组的影响

1.1 增加了燃气机组的维护工作量

为了有效保护发电机组内部气缸等运动部件不被固体粉尘杂质卡涩，燃气发电机组前一般自带有精密过滤器，低浓瓦斯气在进入发电机组前如未经过处理则带有大量的固体粉尘及液态水，造成滤网被水膜覆盖，增加了进气阻力损失的同时导致机组频繁停机更换滤网，极大的增加了燃气机组维护费用。

液态水随瓦斯气进入发电机组后会随着气缸的周期性工作出现凝结及沉淀，这部分液态水长期汇集在机组内部将对中冷器、火花塞等部件造成严重的锈蚀，极大的缩短了设备使用寿命并影响工作效率，导致机组内中火花塞等配件更换频繁，维护工作量大。

1.2 降低了燃气机组的发电效率

液态水进入发电机组后，一方面在降低燃气有效热值的同时也会导致火花塞点火困难，恶化燃烧；另一方面混有大量水汽的燃料进入气缸内压缩做功时，燃料中的水分会迅速气化占据气缸的有效行程，导致气缸无用做功增加，发电机组运行效率下降。同时，气体中混有大量的液态水及粉尘也会对增压器的润滑油系统造成严重污染，导致润滑油品质恶化迅速，更换频繁，降低燃气发电效率。

2 处理气源对低浓度瓦斯发电机组的改善效果

低浓度瓦斯气的预处理工艺是通过有效的过滤、脱水等手段，将气源品质提升至满足发电机组对进气的要求。为了验证气源品质的提升对低浓度瓦斯发电机组运行效果的影响，北京时代桃源环境科技有限公司联合宁夏石嘴山瓦斯发电站对其原有的低浓度瓦斯发电系统进行了改造及运行结果跟踪。

宁夏石嘴山瓦斯发电站低浓度瓦斯发电系统于2007年11月投入试运行，建设有8台500kW低浓度瓦斯发电机组，由于气源品质差，一直存在着机组停机维护频繁，维护费用高昂，发电效率低等问题。2010年3月，该电站对低浓度瓦斯发电系统进行了脱水改造，在每台发电机组前段增设了一套气体预处理装置进行脱水、除尘处理，经过两年多的运行跟踪，电站原有的问题得到了有效的改善。

2.1 燃气机组维护工作量大幅度减少

经过两年的跟踪运行，结果表明增加预处理工艺后燃气发电机组的年持续运行时间由原来的平均5000小时，延长至现在的平均6000小时；润滑油的更换周期也由改造前的750小时，延长至目前的1500小时。因为燃气品质的提升，机组内液态水积聚情况得到好转，减缓了内部中冷器、火花塞、缸套等部件的锈蚀，有效降低了机组停机维护的频率。

2.2 年发电总量得到显著提升

气源品质改善以后，燃气热值更为稳定，机组点火成功率提高，因此运行效率得到了明显的提升，由改造前的76%提升至改造后的84%，再加之单台发电机组年运行时间的有效延长，使得整个低浓瓦斯发电系统的年发电总量有了显著的提高，由改造前的1529万kWh增加至1934万kWh，提升幅度高达27.3%(此处已经扣除了系统改造新增年耗电量81.6万kWh)。

3 低浓度瓦斯预处理系统的工艺方案

3.1 电制冷脱水工艺方案

该方案的主要工艺是采用风冷式冷水机组为低浓度瓦斯气提供冷源，通过一次换热器的凝结脱水作用及二次换热器的升温降湿作用，来达到降低气体相对湿度的目的。经过细水雾输送的低浓度瓦斯气进入预处理单元后首先进入除尘过滤器，滤除大颗粒固体粉尘及部分液态水，再进入一级换热器冷凝脱水，将瓦斯气的露点温度控制在15～20℃后，进入二次回热换热器与高温瓦斯气进行回热升温，有效降低瓦斯气的出口相对湿度，满足发电机组对一般瓦斯气相对湿度≤80%的要求。该方案的工艺流程如图1所示。

图1 电制冷脱水工艺方案工艺流程图

低浓度瓦斯气电制冷脱水单元采用集装箱或整体撬装结构，常规设计以1MW装机容量为1个单元，结构紧凑，可放置于两台燃气机组之间的闲置区域，风冷式冷水机组可集中放置于发电机组厂房外的安全区域内。该方案的主要优点是工艺成熟，处理效果好；主要的缺点是系统运行过程中会产生一定的电耗，对于发电机组年发电总量的改善效果有限，此外，由于系统内设置有冷凝换热与回热工艺，导致系统阻力损失较大，约为3～4kPa，对于前端气体输送压力低于12kPa的低浓瓦斯发电系统并不十分适合，适用范围有限。

3.2 吸收式脱水工艺方案

图2 吸收式脱水工艺方案流程图

该方案的主要工艺是采用液态吸收剂对气体中携带的液态水、固体粉尘及部分气态水进行吸收式脱除，该工艺在空气除湿领域具有非常成熟的应用经验。经过细水雾输送过来的瓦斯气首先进入除尘脱水器，脱除大颗粒固体粉尘及携带的部分液态水后，从吸收塔底部进入，在塔内与喷淋吸收液发生逆流接触，从而将气体中携带的气态水分子转移到吸收液中，同时通过重力及过滤原理去除部分大颗粒固体粉尘，使气体从塔顶出去以后达到满足发电机组对气体相对湿度≤80%的要求。吸收剂与气体充分接触后逐渐趋于饱和，饱和的吸收剂在溶液泵的作用下进入再生系统，在再生热空气的作用下实现水分子的转移，恢复活性，循环利用。该方案的工艺流程图如图2所示。

低浓度瓦斯吸收式脱水单元主要由吸收塔和再生装置构成，采用吸收塔与发电机组一对一配置，再生单元共用的设计理念。吸收塔体直径控制在1～1.5m左右，对于新建项目可放置于发电机组旁的闲置空间，对于改造项目可将原发电机组前的重力脱水器替换为吸收塔，安装方便；再生系统为整体撬装结构，可放置于发电机组厂房外的闲置空地处。该方案的主要优点是：系统内耗电设备少，运行能耗极低，约为电制冷的1/6，同时系统运行过程中气侧阻力损失极小，可控制在1～1.5kPa以下，更为适合目前国内低浓度瓦斯低压输送的现状；主要缺点是该工艺在低浓瓦斯利用领域属于较新技术，在运行案例较少。

4 两种工艺的技术经济性比较

为了进一步对比分析两种预处理工艺在低浓度瓦斯发电系统中应用的技术经济性，本文针对山西某瓦斯抽放泵站的低浓度瓦斯发电站做了方案对比分析。该发电站可利用低浓度混合瓦斯气量为15000Nm3/h，总装机功率7.5MW，为了提高机组运行效率，拟对低浓度瓦斯气进行预处理，两种工艺的主要技术、经济性对比分别如表1、2所示。

表1 两种工艺的技术性对比

表2 两种工艺的经济性对比

续表

由表1、表2分析可知，电制冷脱水工艺技术成熟，处理效果稳定，但是由于系统内冷凝换热器与回热器的工艺约束，系统内阻力损失较大，对于前端瓦斯气输送压力较低或发电机组对进气压力要求较高的低浓度瓦斯发电系统不宜采用此方法；吸收式脱水工艺属于新兴技术，处理效果稳定，系统内阻力损失极低，能够适应目前国内低浓度瓦斯输送压力低的现状，虽然其设备初投资相比较同等处理规模的电制冷工艺较高，但是通过对运行费用的节省，两年内可回收设备投资差价，从长远运行的角度考虑，低浓度瓦斯发电站气体预处理系统宜采用吸收式脱水工艺。

[1] 顾洁. 液体除湿设备性能的分析与研究[D]. 西安建筑科技大学，2004

[2] SY/T0076-93, 天然气脱水设计规范

[3] ROE S, REISMAN J, ST RAIT R, et al. Emerging Techno loges for the Management and Utilization of Landfill Gas [R]. Washing to n: U. S. Environment al Protection n Agency Office of Research and Development, 1998.

(责任编辑 黄 岚)

Selective Application of Pretreatment Process in Low-concentration Gas Power Generation Project

XU Tingting

(Beijing Fairyland Environmental Technology Co., Ltd., Beijing 100085)

This paper puts forwards two technical routes aiming at low concentration gas pretreatment, i.e. electrical refrigeration dewatering process and absorption dewatering process, and compares and analyzes the factors of two processes. Results show the effect of two processes on gas source improvement are similar, and the two processes can both meet requirements of generator units for gas quality. The electrical refrigeration dewatering process is more suitable for low concentration gas power generation system with strict initial investment control and transmission pressure no lower than 12～15kPa; while the absorption dewatering process is more suitable for low concentration gas power generation system with strict operation cost control, low front-end transmission pressure and small installation space.

Low-concentration gas pretreatment system; absorption dewatering process; electrical refrigeration dewatering process

徐婷婷，女，硕士研究生，主要从事瓦斯气、沼气、填埋气等气体的预处理工艺设计及售前支持工作。