沼气燃烧系统的设计

陈业钢， 陈漫漫
(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090)

　　摘　要：针对厌氧生物处理过程中沼气回收与利用的特点，总结了沼气燃烧系统的设计要点，并提出了切实可行的设计方案。
　　关键词：厌氧生物处理；沼气燃烧系统；设计要点
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)07-0065-02

1 沼气系统的应用情况

　　国内城市污水厂污泥消化所产生的沼气通过各种方式得到应用，如西安污水厂的污泥消化罐(直径为20m、高为14.5m)共8座，利用沼气生产CCl₄；深圳污水厂的污泥消化罐直径为15m、总高为13.6m，引进废气燃烧塔、燃气锅炉等设备处理沼气；辽宁的鞍山南部污水厂利用沼气发电并网试运行，大连春柳河污水厂则将沼气供给煤气公司。
　　在实际工程中，沼气的组成为：CH₄的体积分数为45%～80%，CO₂的体积分数为20%～45%，此外还有少量的H₂、H₂S、CO、N₂、O₂以及甲烷以外的其他碳氢化合物，其组成由于厌氧消化的工艺和机理不同而有较大的差别。
　　在味精、抗生素、糖蜜酒精等生产废水中含有较高浓度的硫酸盐，在酸化反应阶段往往有大量硫酸盐还原菌参与生物反应，最终使其厌氧消化后的沼气中含有较高浓度的H2S，此时沼气系统的设计一方面要注意沼气燃烧系统防腐(因湿态时较低含量的H₂S就有很强的腐蚀性)，另一方面因沼气燃烧后有相当部分的硫化物逸出，故要充分考虑其对周围环境的影响。

2　沼气燃烧系统设计

　　沼气燃烧系统包括沼气的输送、脱硫、燃烧器以及燃烧器的控制，在每一步骤的设计中都要充分注重安全性，避免产生漏气、水堵、负压、静电、信号失控等问题。沼气燃烧系统流程为：反应器沼气出口→水封罐→气水分离器→脱硫罐→缓冲罐→阻火器→沼气燃烧器。
2.1 水封罐
　　 厌氧反应器一般在中温(30～35℃)或常温(20～25℃)下运行，因沼气中水蒸气含量较高，故在管道中流动时随着温度的逐渐降低不断有冷凝水析出，这就要求输气管道除以一定的坡度敷设外，还要在低处设置水封和排水孔。水封罐的设计要有观察孔、排水管和加水管，以便能调节水封高度。水封如果设于室外，应有防冻措施(可采取加热、充装防冻液或连续供水等方法)。沼气中的H₂S含量高时应采取防腐措施。
2.2 气水分离器
　　某些设计系统中安装气水分离器以降低沼气湿度，减少对管道及设备的腐蚀，并防止凝结水对气路的阻塞。在气水分离器中加装冷凝聚结填料以使气流和冷凝水处在不同的通道^［1］，同时起到凝水和沉淀作用，它也可和水封罐结合应用。
2.3 脱硫罐
　　为了消除硫化氢的影响，沼气在进入燃烧器之前要进行脱硫，可采用干法脱硫、湿法脱硫和生物脱硫。干法是将氧化铁屑和木屑拌合制成脱硫剂，以湿态(含水量为40%左右)填充于脱硫装置内，当沼气通过时H₂S与Fe₂O₃发生氧化还原反应而达到脱硫目的；湿法是用水或碱液(碱的质量分数为2%～3%，碱液可再生)洗涤沼气，碱洗后的废液可采用催化法脱硫，另外鄂海利等采用铁盐接触氧化法脱除H₂S也取得了较好的效果［2］；生物脱硫 是在脱硫罐内的填料上培养能降解H₂S及其他臭味物质的微生物以达到脱硫目的，通过设在填料上部的穿孔管定时喷洒水分及微生物生长所需的养分，沼气的空塔速率一般控制在100～200m³/(m²·h)^［3］。
2.4 缓冲罐
　　在工业废水处理中，厌氧反应器的运行受到多方面因素的影响，而反应器的运行状况直接关系到沼气产生的稳定性。在有条件的情况下，宜在厌氧反应器和沼气燃烧器之间设沼气缓冲罐 以增加燃烧系统的稳定性。缓冲罐容积可按日产气量的5%设计，可采用低压湿式气体贮罐，贮罐的浮罩导向装置、重力平衡调节装置应有较好的设计安装质量，缓冲罐应设置安全阀。近来，有的工程采用以弹性密封橡胶顶盖来代替浮罩的沼气贮柜，在使用上更为方便，其工作方式是通过密封橡胶顶盖高度的变化(设有高度监测装置)来调节贮罐的容积。?
2.5 阻火器
　　阻火器的作用是防止因明火沿沼气管道流窜而引起贮气柜、集气室及其他重要附属设施的爆炸。阻火器分干式和湿式两种，湿式阻火器相当于一个水封罐，水封高度根据系统沼气压力而定，一般为300～500mm；干式阻火器是通过金属网的快速散热使温度降至燃点以下使火熄灭。此外，还有一种热阀板式阻火器，当明火烧临时，热阀板即遇热升起截断气路。?
2.6 沼气燃烧器
　　 沼气燃烧器是燃烧系统的核心设备，要求有较高的安全性和控制灵敏度。表1是有代表性的几种燃烧器的概况，具体应用时需根据设备供应情况对设计系统进行适当调整。

表1　沼气燃烧器概况 生产公司名称 型号 设备类型 设备组成 主体材质 安装高度 价格 Roediger(德国) FAVAENW40 火炬(Flare) 自动点火装置、引火 火苗点火装置、阻焰器、控制器、电磁阀 不锈钢 3.98m 23290德国马克(运 输费、包装费、关税另计) VAREC(美国) 239A 燃烧器(Burner) 240HOA点火系统233系列 冷 凝水及沉淀装置217系列压力计及红外流动指示仪5810系列真空阀及火焰安全装置 不锈钢或铝合金 3.0m 15000美元(运输费、包装费、关税另计) TAESUNG(韩国) WGB100 燃烧器(Burner) 点火装置、燃烧送风扇 、压力调节风扇、压力开关、燃烧炉主体及烟囱 不锈钢 1.5m 　

　　以239A型为例，沼气燃烧器用碳钢制造，火种环用耐热铸铁制造，火种气喷嘴用不锈钢制造。燃烧器的外罩上有火焰观察口、点火口和检查口，燃烧器配备火种气管。沼气燃烧器的工作方式：通过压力传感器监测厌氧反应罐或沼气贮罐的压力，当达到预定的压力后，先由点火系统自动在燃烧器上形成火种火苗(如火种火苗熄灭则系统会自动重新点火，如重新点燃未成功则系统会停车并告警)；火苗点燃后，沼气进入燃烧器开始燃烧，转动风门以调节沼气空气比使沼气火焰和火种火苗达到最稳定；当罐内压力低于预定压力后，压力传感器给出信号以控制熄灭火种火苗并关闭沼气管路。?
　　沼气燃烧器的安装位置须按照建筑设计防火规范GBJ16—87(1997年版)的要求设计，与沼气贮罐或厌氧反应罐的距离应大于25m，沼气贮罐与二级建筑物的防火间距为12m。

3 结语

　　一个完善的沼气燃烧系统的设计要充分考虑安全性、环境影响、控制和运行管理的可行性，并根据工程的实际情况和安装条件来选择沼气燃烧器的类型及控制程度等。

参考文献：

　　［1］Robert A Corbitt.Standard handbook of environmental engineering［M］.Washington DC:McGraw-Hill Inc,1990.
　　［2］ 鄂海利，周定.电化学间接氧化法处理H₂S气体的研究［J］.化工环保，2001,21(1):6-10.
　　［3］ 黄兵.生物膜填料塔净化低浓度硫化氢恶臭气体研究［J］.环境科学与技术，1999,22(4)：18-22.

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　　收稿日期：2001-11-29