污泥厭氧消化沼氣安全系統(tǒng)的工藝設

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簡介： 本文以典型的污泥厭氧消化沼氣安全利用系統(tǒng)為例，著重從系統(tǒng)角度介紹了流程的設計、安全裝置的設置以及系統(tǒng)壓力的設定和控制。
關鍵字：沼氣利用 安全系統(tǒng) 工藝設計

　　污泥厭氧消化是一種使污泥達到穩(wěn)定狀態(tài)的非常有效的處理方法。污泥中的有機物在厭氧條件下，在產(chǎn)酸細菌和甲烷細菌的先后作用下，經(jīng)酸性消化階段和堿性消化階段分解為甲烷和二氧化碳為主要產(chǎn)物的消化氣（沼氣）。大中型污水處理廠對消化產(chǎn)生的沼氣進行回收利用，可以達到節(jié)約能源、降低運行成本的目的。
　　沼氣由55％～70％的甲烷、25％～40％的二氧化碳和1％～5％的氮硫化物和硫化氫組成。沼氣與空氣以1：5～14（體積比）混合時，如遇明火會引起爆炸。混合比超過此值時，是燃燒熱值約4500～6000千卡／米³的燃料?？諝庵姓託夂康竭_一定濃度會具有毒性。因此，沼氣是具有很高利用價值同時如果系統(tǒng)設計操作不當也有一定危險性的能源。
　　圖1、圖2所示是一典型的污水處理廠污泥厭氧消化沼氣利用系統(tǒng)的流程圖。

　　流程圖2所示為常規(guī)低壓系統(tǒng)。

1 沼氣系統(tǒng)工藝流程設計及安全裝置的設置

　　沼氣從消化池流入管道，首先經(jīng)過冷凝水去除罐和脫硫裝置，其目的是凈化沼氣。
1.1 沼氣凈化
1.1.1 冷凝水及雜質(zhì)的去除
　　沼氣是高濕度的混合氣。沼氣自消化池進入管道時，溫度逐漸降低，管道中會產(chǎn)生大量含雜質(zhì)的冷凝水。如果不從系統(tǒng)中除去，容易堵塞、破壞管道設備。

　　沼氣管道最靠近消化池的位置，沼氣溫降值最大，產(chǎn)生的冷凝水最多，在此點設置了冷凝水去除罐。在沼氣系統(tǒng)中，管線一般都設計為1％左右或更大的坡度，低點設置冷凝水去除罐。較長的管線特別考慮一定的距離設置了一個去除罐。另外，在重要設備如沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機、廢氣燃燒器、脫硫塔等設備沼氣管線人口，在干式氣柜的進口和濕式氣柜的進出口處都設置冷凝水去除罐。有時在某些設備如沼氣壓縮機出口處還需要設置高壓水去除罐。
　　正常運行時，操作人員每天檢查時，都會發(fā)現(xiàn)一些去除器（特別是靠近消化池的）有大量的冷凝水排出。當構筑物和設備檢修時，還可以向冷凝水去除器中注水，作為水封罐。
1.1.2 硫化氫的去除
　　城市污水產(chǎn)生的污泥中溫消化產(chǎn)生的沼氣中含有0.005～0.01％的H₂S，以糞便為原料消化產(chǎn)生的沼氣中H₂S約占總體積的0.5～1.0％。一般沼氣利用設備要求沼氣中H₂S的含量低于0009％，所以，城市污水產(chǎn)生的污泥為原料產(chǎn)生的沼氣利用時，可以不設脫硫裝置，但是，以糞便為原料的消化沼氣利用系統(tǒng)必須設置脫硫裝置。
1.2 沼氣安全利用
　　沼氣凈化后進入貯氣柜，貯氣柜對整個系統(tǒng)具有氣量調(diào)蓄和穩(wěn)壓的作用。
1.2.1 火焰消除及爆炸防護
　　在貯氣柜進口管線上設置了消焰器，此外，在所有沼氣系統(tǒng)與外界連通部位（如：與真空壓力安全閥、機械排氣閥連接安裝。）以及沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機等設備的進出口處、廢氣燃燒器沼氣管進口處都安裝了消焰器。消焰器內(nèi)部填充了金屬填料，當火焰通過消焰器填料間縫隙時，熱量被吸收，氣體溫度降低到燃點以下，達到消焰目的。沼氣與空氣一定的混合比和遭遇明火是沼氣爆炸或燃燒兩個條件。消焰器的設置有效地防止了外部火焰進入沼氣系統(tǒng)及火焰在管路中傳播，進而防止了系統(tǒng)產(chǎn)生爆炸。從消化池流出的沼氣中常帶有泡沫和浮渣等雜質(zhì)，容易堵塞填料，阻礙氣體通過，增加管路阻力。處理廠操作人員可以測量記錄沼氣通過不同部位消焰器的壓力變化以確定檢查清洗填料的周期，實際運行中經(jīng)常會由于消焰器清洗不及時出現(xiàn)的系統(tǒng)壓力波動和運行問題。設計時，在消焰器的前后一般設置閥門以便維護。
1.2.2 沼氣利用
　　凈化后的沼氣從貯氣柜進入后續(xù)沼氣利用系統(tǒng)，一般有三個分支：
　?。?）沼氣攪拌系統(tǒng)
　　沼氣由沼氣壓縮機送回消化池用以對消化污泥進行攪拌。
　　（2）沼氣利用系統(tǒng)
　　沼氣利用系統(tǒng)一般有：使用沼氣鍋爐直接為消化池或其他建筑物提供熱能；使用沼氣發(fā)電機發(fā)電提供電能處理廠內(nèi)部使用，余熱還可為消化池或其他建筑物提供熱能；使用沼氣發(fā)動機提供直接帶動處理廠的某些設備，余熱還可為消化池或其他建筑物提供熱能；直接作為可燃氣體供給。
　　（3）廢氣燃燒系統(tǒng)
　　當沼氣利用設備不能完全消耗消化池產(chǎn)生的沼氣時，為防止沼氣量不斷增加致使系統(tǒng)壓力超出正常范圍，多余的沼氣將被廢氣燃燒器燒掉。
1.2.3 壓力安全防護裝置 沼氣利用系統(tǒng)是一個壓力系統(tǒng)，如果沼氣收集和使用不平衡，系統(tǒng)壓力可能升高超過允許值；污泥或沼氣從消化池或氣柜過快地排出可能引起構筑物內(nèi)部的真空狀態(tài)；為防止系統(tǒng)超壓或處于真空狀態(tài)對構筑物和設備可能造成的破壞性影響，保證系統(tǒng)的操作壓力，使沼氣不會經(jīng)常排放到空氣中，在消化池和氣柜頂部都設置了真空壓力安全閥。
　　因為真空壓力安全閥安裝在沼氣系統(tǒng)與外界大氣連通的部位，需要與消焰器同安，以避免外部的火焰進入沼氣系統(tǒng)。在真空壓力安全閥和消焰器與消化池連接處設置了常開的閥門，便于檢修設備。
　　不同位置的壓力安全閥的設定應在系統(tǒng)工作壓力的基本值上根據(jù)各構筑物間的管路損失設定相應值。操作人員同樣需要定期清理超壓排氣口和真空進氣口的密封面。
　　在沼氣壓縮機和脫硫裝置的人口處安裝了負壓防止閥，防止閥門前部系統(tǒng)沼氣量不夠的情況下，后部使用系統(tǒng)依然繼續(xù)抽吸氣體。

2 沼氣系統(tǒng)壓力的設計及構筑物、設備間的連鎖控制

　　沼氣系統(tǒng)的硬件實施完成后，接下來需要完成系統(tǒng)安全操作的軟件部分，即系統(tǒng)整體壓力的設定及各構筑物、設備之間的連鎖控制。
2.1 系統(tǒng)工作壓力的設定
　　整個沼氣系統(tǒng)工作壓力的設定需要綜合考慮以下幾個因素：
　?、?沼氣系統(tǒng)保證在正壓情況下運行。
　?、?貯氣柜自重情況下的靜壓。
　?、?計算出從消化池至貯氣柜最終到沼氣利用設備的管路損失，保證正常工況下，氣體至沼氣利用設備增壓機或廢氣燃燒器人口處壓力滿足設備要求。
　?、?消化池中氣相壓力盡可能低，使沼氣能夠最大量地從污泥中釋放出來。
　　綜合上面的限定可以得到消化池正常工作壓力，系統(tǒng)中其余各點的壓力根據(jù)不同的管路損失可以分別計算出。運行時，一般通過改變貯氣柜頂部的配重來設定和調(diào)節(jié)消化池的工作壓力 （即系統(tǒng)壓力）。
2.2 構筑物及設備自身系統(tǒng)的壓力保護
　　消化池、貯氣柜、沼氣壓縮機及各種沼氣利用設備在系統(tǒng)工作壓力下正常運行，在此值的基礎上壓力會有波動，但各設備及構筑物自身系統(tǒng)的控制及安全裝置保證了某一設備及構筑物處的壓力變化不會影響整個系統(tǒng)。
　　① 沼氣壓縮機將沼氣送入消化池進行污泥攪拌。沼氣壓縮機自身系統(tǒng)應具有保護功能。進氣壓力低到一定設定值時報警，繼續(xù)降低時，停機；出氣壓力高過一定設定值時報警，繼續(xù)升高時，停機。壓縮機自身系統(tǒng)的這些設置可以避免在系統(tǒng)壓力低于正常值時過分抽吸沼氣造成負壓，或使后部系統(tǒng)壓力超過允許值。
　?、?沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機、沼氣發(fā)動機等設備進氣端也有相同的保護設置。
　?、?消化池、貯氣柜頂部安裝了真空壓力安全閥，防止過高壓力破壞構筑物的氣密性及負壓可能對結構造成的毀壞。
　　④ 高壓系統(tǒng)中使用的球罐頂部同樣需要安裝過壓排氣閥。
2.3 系統(tǒng)中設備、構筑物之間的連鎖控制
　　沼氣系統(tǒng)中構筑物及設備之間有管線連通，使之不是彼此孤立而是可以連鎖控制的。
　　低壓系統(tǒng)的總氣量體現(xiàn)在貯氣柜高度值變化上，貯氣柜對整個系統(tǒng)具有氣量調(diào)蓄和穩(wěn)壓的作用，系統(tǒng)內(nèi)部可以互相補氣以平衡壓力。同時，貯氣柜的高度值被傳送到中控室，既便于監(jiān)視，又使系統(tǒng)中各設備開?？梢愿鶕?jù)貯氣柜高度進行如下連鎖控制：
　?、?貯氣柜高度在總高度5％～90％之間為正常運行區(qū)域。
　?、?貯氣柜高度低于5％時，停止沼氣壓縮機，停止沼氣使用設備如鍋爐、發(fā)電機、發(fā)動機。如果系統(tǒng)控制出現(xiàn)故障，壓力降低到真空安全閥的設定值時，真空安全閥動作，防止負壓可能對結構造成的毀壞。
　?、?貯氣柜高度高于90％時，啟動廢氣燃燒器。由于廢氣燃燒器的使用，貯氣柜高度將開始降低，當貯氣柜高度低于90％（可根據(jù)工程具體情況設定）時，停止廢氣燃燒器。
　?、?如果廢氣燃燒器出現(xiàn)故障，貯氣柜高度繼續(xù)升高到93％時，如果氣柜頂部設有機械排氣閥時，打開排氣閥排氣。即機械排氣閥動作設定值可為貯氣柜高度的93％。
　　⑤ 如果機械排氣閥排氣量不足，貯氣柜高度機械升高至95％時，中控室顯示信號報警。
　　⑥ 如貯氣柜高度依然繼續(xù)升高到頂點時，系統(tǒng)壓力開始升高，到達壓力安全閥的設定開啟值時，消化池和貯氣柜頂部的壓力安全閥開啟以保護構筑物免受毀壞。應該注意到壓力安全閥的動作壓力值必須低于貯氣柜氣密性保護的最高壓力值。
　　沼氣系統(tǒng)各構筑物和設備之間通過連鎖控制，真正聯(lián)合成一整體系統(tǒng)，更進一步確保了系統(tǒng)的正常運行。

參考文獻
［1］《給水排水設計手冊》第5冊－城市排水，中國建筑工業(yè)出版社
［2］金儒霖主編，《污泥處置》，中國建筑工業(yè)出版社
［3］申丘澈，名取真合著，吳自邁譯，《污水污泥處置》，中國建筑工業(yè)出版社
［4］楊振沂譯，《厭氣消化設備設計手冊》，中國市政工程西南設計院，香港藝高工程有限公司