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沼气生产工艺流程
餐厨垃圾 水冲猪粪 秸秆、水 干清猪粪 蔬菜残余 预处理 预处理 预处理 发酵罐 固体进料系统 出料池 快速混合系统 进料泵 厌氧消化罐 出料泵 沼气净化设备 流量计 提升泵 回流 膜式储气柜 沼气压缩机
固液分离机 变压吸附系统 沼渣 沼液 沼气压缩机
沼渣堆放棚 沼渣 2#缓冲池 高压储气系统 天然气罐车
沼液储罐 CNG加气站 混料池 进料泵 换热器 锅炉加热 1#缓冲池 沼液贮存池 有机肥加工车间 产品外运 图7-1 工艺流程简图
二、工艺流程简述
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厌氧消化的主要粪源为项目所在地周边的养殖场的猪粪、秸秆、餐厨垃圾和园区及周边的蔬菜残余，猪粪有干清猪粪和水冲猪粪。干清猪粪、秸秆和蔬菜残余这三种原料采用固体进料系统进料，水冲猪粪和餐厨垃圾采用液体进料系统进料。
秸秆经过X-Ripper破碎机破碎后，通过铲车输送至预混池中，预混池中装有潜水搅拌机，可将破碎的秸秆和水充分混匀（TS为7.5%），混匀后的物料采用螺杆进料泵泵送至生物预处理发酵罐，生物预处理后的秸秆溢流至出料池后用螺杆泵泵送至快速混合系统。
蔬菜残余经X-Ripper破碎机破碎后，用铲车输送至固体进料系统，干清猪粪也被加到固体进料系统中，然后通过无轴螺旋输送机输送至快速混合系统，从厌氧反应器泵出的出料也被输送到快速混合系统。经预处理的秸秆、破碎的蔬菜残余、猪粪、工艺水和反应罐的出料在快速混合系统中混合并最终被输送到厌氧反应罐中。
水冲猪粪、破碎后的餐厨垃圾在混料池中混合均匀后经螺杆泵泵入厌氧反应罐中。
厌氧反应罐内设中轴搅拌装置，罐内物料呈全混状态，在适宜的碱度、温度条件下确保厌氧反应充分进行。厌氧反应产生的沼气经净化系统净化后部分供居民用气，其余部分经由净化提纯、高压储气柜储存后运送至加气站；消化罐内出来的残渣由螺杆泵输送至换热器经热交换后流入缓冲池，再由污泥泵输送入卧螺式离心分离机进行固液分离，分离后的沼渣沼液作为有机肥厂的原料，根据市场需求生产有机肥。出于安全因素的考虑，需要在变压吸附系统前设置一个沼气火炬。
设置换热器回收出料热量，进行余热利用，减少外加热量，进而减少能源消耗。设置燃煤锅炉以补充余热回收热量的不足，在厌氧消化罐内设置加热盘管，维持厌氧反应稳定运行的温度。 1、预处理工艺
秸秆单独收集，收集后先进行粉碎，然后采用生物预处理。 蔬菜残余单独收集，收集后进行破碎。
猪粪经过格栅，去除石块、塑料等大的无机物质。
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干清猪粪、经过预处理的秸秆和蔬菜残余均被输送至快速混合系统，并在快速混合系统内充分混匀，然后泵入厌氧消化罐内。在此实现匀浆，以保障后续处理构筑物正常运行。
餐厨垃圾在原料进入反应器之前需要进行适当的预处理。本项目在预处理过程中采用粗破碎的方式进行预处理。
餐厨垃圾、水冲猪粪在预混池中混合均匀，然后泵入厌氧消化罐内。 2、厌氧消化工艺
厌氧消化工艺包括进料单元、厌氧消化单元、沼气净化及贮存单元等。 （1）进料方式
经过破碎的秸秆在预混池和稀释水混合均匀后经螺杆泵输送至生物预处理发酵罐，经过生物预处理后的原料溢流至出料池，然后泵送至快速混合系统。猪粪和经预处理的蔬菜残余暂时储存在固体进料槽中，称重后由螺旋输送器输送至快速混合系统。猪粪、经预处理的蔬菜残余、秸秆和回流的发酵罐出料在快速混合系统中混合，然后输送至厌氧消化单元。
餐厨垃圾、水冲猪粪在液体进料系统中通过螺杆泵泵入厌氧消化单元。 （2）厌氧反应器选择
本工程采用完全混合厌氧反应器（CSTR），见图7-2。完全混合厌氧反应器适用于畜禽粪污发酵工艺。它在沼气发酵罐内采用搅拌和加温技术，这是沼气发酵工艺中的一项重要技术突破。搅拌和加热，使沼气发酵速率大大提高，完全混合式厌氧反应器也被称为高速沼气发酵罐。其特点是：固体浓度高，可使畜禽粪便污水全部进行沼气发酵处理。优点是处理量大，产沼气量多，便于管理，易启动，运行费用低。一般适宜于以产沼气为主，有使用液态有机肥
图7-2 CSTR反应器示意图
（水肥）习惯的地区。由于这种工艺适宜处理含悬浮物高的畜禽粪污和有机废弃
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物，具有其他高效沼气发酵工艺无可比拟的优点，现在欧洲等沼气工程发达地区广泛采用。选择完全混合厌氧反应器（CSTR）有利于节省投资；较长的水力停留时间也有利于混合粪污充分分解与消化，沼气的产量相对稳定，并且更有利于项目的顺利实施与运行管理。 （3）厌氧消化罐配置
每座厌氧反应器内设置中轴搅拌器，使进料均匀分布并充分与厌氧微生物接触，并使厌氧消化罐内料液温度均匀，有利于提高产气率。
罐内设加热盘管，维持厌氧反应所需的稳定的温度环境。
反应器底部设出料系统，通过凸轮转子泵打入换热器后进入出料缓冲池。 （4）保温与增温
厌氧消化反应过程受温度影响很大。温度主要通过对厌氧微生物细胞内某些酶的活性而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率。根据微生物生长的温度范围，厌氧微生物可分为嗜冷、嗜温、嗜热微生物，相应地，厌氧消化按温度可分为常温、中温、高温发酵。本项目厌氧处理单元设计为中温，温度对发酵产气率的影响如图7-3所示。其最佳温度范围为35~38℃，且发酵温度每升高10℃，厌氧反应速率约增加1倍。为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，必须对系统实施增温和整体保温措施。 a. 保温
系统整体保温包括管道、阀 门保温和厌氧消化罐体的保温。对厌氧消化罐采用岩棉进行强化保温。 b. 增温
增温热源主要来源于两个方面，一是通过泥泥换热器回收厌氧发酵罐出料的热能，以减少外加热源；二是来源于燃煤锅
炉，以补充回收热量的不足，保障整个发酵系统在持续稳定的温度条件下运行。 3、沼液沼渣处理工艺
图7-3 温度对厌氧中温发酵产气率的影响 学习 资料 整理 分享
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出料经过固液分离后，沼渣沼液均作为有机肥厂的原料。本项目采用现代高新技术与传统常规农业技术相结合；沼渣沼液固体废弃物资源开发利用与农业环境保护相结合；自有技术创新与技术设备配套输出相结合；将有机化学—无机化学—生物学—工程机械学—生态学等多学科融为一体的综合技术路线。经固液分离之后产生的沼渣和沼液，经科学的工艺方法处理生产有机肥。 4、沼气净化与贮存工艺 （1）沼气净化工艺
厌氧发酵罐刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有CH4和CO2外，还含有H2S和悬浮的颗粒状杂质。H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。过量的H2S和杂质会危及后续设备的寿命，因此需进行脱硫、脱水等净化处理。
为保护后续处理设备，沼气中H2S气体含量需低于15mg/m3，因此沼气的脱硫净化处理是必须的。
本工程拟采用湿法脱硫法对沼气进行脱硫处理。
由于沼气中的硫化氢含量较高，采用络合铁法双塔并联脱硫工艺。沼气分别从前后串联的一级填料吸收塔、二级填料吸收塔的下部进入，与自上而下的脱硫液在两段填料区内逆流接触，硫化氢被脱硫液所吸收，脱硫后的沼气经除雾器后由出气管供给预处理装置。
脱硫液为含有络合铁催化剂的碱液，吸收了硫化氢的脱硫液从填料吸收塔底流入富液罐，再经富液泵加压打入再生塔中，与自吸进入喷射器的空气充分混合，经反应后进入再生塔，在再生塔内进一步氧化再生，再生后的贫液从再生塔上部溢流进入贫液槽，由贫液泵升压送入吸收塔循环吸收。
再生塔内析出的元素硫悬浮与再生塔顶部的环形塔内，并溢流进入泡沫槽，在泡沫槽，含硫泡沫经离心机过滤，分离出单质硫，过滤后的清液由回流泵打回到贫液槽循环使用。 （2）沼气储存工艺
如图7-4和图7-5所示。膜式储气柜由外膜、内膜、底膜和混凝土基础组成，内膜与底膜围成的内腔用于贮存沼气，外膜和内膜之间气密。外层膜充气为球体形状。贮气柜设防爆鼓风机，风机可自动调节气体的进/出量，以保持气柜内气压稳定。内外膜和底膜均采用优质膜材，由HF熔接工序熔接而成，材料经表面
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特殊处理加高强度聚酯纤维和丙烯酸脂清漆。贮气柜可抗紫外线、防泄漏，不与沼气发生反应或受影响，抗拉伸强度强，适用温度为-30~70 ℃。
膜式储气柜安装方便容易、费时少，一般只需要数天。沼气进/出气管和冷凝排水管于混凝土基础施工时预埋，气柜安装时首先将其通过特殊的密封技术与底膜密封，底膜固定在混凝土基础上，之后依次安装内膜、外膜、密封圈，密封圈用预埋螺栓或化学螺栓固定在混凝土基础上，即完成气柜安装。 5、加热装置 （1）螺旋板换热器
由两张平行的金属板卷制成两个螺旋形通道，冷热流体之间通过螺旋板壁进行换热的换热器。螺旋板换热器有可拆的和不可拆的两种型式。
螺旋板换热器的特点是：①传热效能好。弯曲的螺旋通道和定距柱，有利于增强流体的湍流状态，通道内流体阻力小，可提高设计流速，有助于提高传热系数；②有自清洗作用。单通道内的流体通过通道内杂质沉积处时，流速会相对提高，容易把杂质冲掉；③不可拆式结构的密封性能好，适用于剧毒、易燃、易爆或贵重流体的换热；④相邻通道内的流体呈纯逆流方式流动，可得到最大的对数平均温差，有利于小温差传热，适用于回收低温位热能；⑤结构较紧凑单位设备体积内的传热面积可达150m2/m；⑥由于螺旋通道本身的弹性自由膨胀，温差应力小；⑦价格低廉。能否选用螺旋板换热器的关键是堵塞问题，尽管它有自清洗作用，但由于设计或操作不当也会发生堵塞，这时即使用可拆式结构，采用水、气或蒸汽吹洗，操作方便效果好。螺旋板换热器最大的缺点是检修困难，如发生
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图7-4 双膜干式气柜外观
图7-5 膜式储气柜结构原理
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内圈螺旋板破裂，便会使整台设备报废。
本项目采用的换热器设计采用物料平均温度为5~15℃换热至24~28℃，设备如图7-6所示。
图7-6 换热器
（2）燃煤锅炉
燃煤锅炉产生热量用于厌氧发酵罐的增温。本工程拟选用燃煤热水锅炉两台，以保障厌氧发酵反应在稳定的中温条件下进行。 6、沼气提纯压缩工艺
PSA工作原理是通过选择合适的吸附剂，利用吸附剂对混合气体组分选择性吸附的性质以及对吸附组分的吸附量随压力增加而增高，压力降低吸附组分又能解吸出来的特性达到将多组分气体分离提纯的目的。其工艺流程简述如下：
来自界区外压力为常压，温度为常温的原料气利用压缩机升压至0.3MPa，经过缓冲罐平衡压力和分离液态水后，自吸附塔底部进入预先设定好控制时序的PSA甲烷提纯装置，原料气中的高沸点组分（CO2）被吸附剂吸附，不容易吸附的低沸点组分（CH4）作为产品气从吸附塔顶部送出。
吸附在吸附剂中的高沸点杂质组分，采用降压/抽空的方式解吸，即通过一次均压降低压力后解析一部分。为保障吸附剂能够再生彻底，在逆放过程结束后，采用抽真空的方式进一步降低杂质分压压力，在抽空过程结束后，吸附剂的再生即完成。
吸附剂再生完成后，吸附塔压力约为－0.08MPa。为了保证吸附效果和稳定系统压力，必须对吸附塔进行充压使其达到规定的吸附压力；在升压的同时回收
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其它吸附塔内部空间的有效组分（CH4），吸附塔之间采用两两对应的方式进行压力均衡。然后再使用产品气将吸附塔压力升至吸附压力，这时吸附塔的吸附准备工作完成，即可进入下一个循环。通过上述过程实现了甲烷提纯装置的连续、稳定、安全运转。
工艺流程见图7-9。
图7-7PSA工艺流程图
项目技术特点
（1）厌氧反应系统TS浓度达到10.79%，可有效减少沼液产生量和能源消耗；
（2）秸秆经过的生物预处理过程，实现最大沼气产量，同时可以减小主发酵的容积，节约投资；
（3）混合物料协同发酵，协调营养配比，提高系统产气量；
（4）厌氧反应器采用耐腐蚀、高硬度的热喷涂板拼装罐，以及混合效果好、运行成本低的中轴搅拌器；
（5）通过采用泥泥换热器回收厌氧发酵出料中的热量，可有效减少外加热源的消耗量，进而降低运行成本；
（6）采用保温增温系统减少热量损失； （7）采用经济有效的湿法脱硫技术；
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（8）生产高效的固态、液态有机肥； （9）采用高效和人性化的远程监控系统。
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