面向发电机组的餐厨垃圾厌氧沼气处理工艺应用

面向发电机组的餐厨垃圾厌氧沼气处理工艺应用
面向发电机组的餐厨垃圾厌氧沼气处理工艺应用
摘要：随着城市化的发展，生活垃圾分类处理成为了日益重要的课题。

餐厨垃圾作为生活
垃圾中有机物含量最高也最难处理的一类，对其进行无害化和资源化利用，是城市生活垃圾分类处理中重要的一环。

目前国际上比较先进的处理办法是将餐厨垃圾厌氧发酵后产生沼气用于发电。

由于厌氧产生的沼气与一般燃气发电机组对进气的要求差异比较大，只有对沼气采取合适的工艺进行处理，才能保障机组顺畅运行并提高发电效率。

关键词：餐厨垃圾，厌氧发酵，沼气发电，沼气处理，燃气发电机组，焚烧火炬，沼气储气柜
Food Waste Anaerobic Methane Pretreatment System For Gas Engine
Abstract: As the city develops, the classification of living waste becomes a more and more
important subject for the government. And food waste is one of the hardest kinds which contain high organics. To make the food waste harmless even a kind of resource, is an important joint to deal with the living waste. Anaerobic and generation is one of the most advanced methods to deal with the food waste in the world now. But there is an obvious difference between the anaerobic methane and the requirements of the gas engine. Only if the anaerobic methane has been treated well, the gas engine can run smoothly and the efficiency can be higher.
Keywords: Food waste, Anaerobic methane, Electricity generation from biogas, Biogas pretreatment, Gas engine, Flare system, Gas tank
1、国内餐厨垃圾处理现状与问题
餐厨垃圾是指家庭、学校、机关公共食堂以及餐饮行业的食物废料以及废物残余，是城市生活垃圾的主要组成部分，在城市垃圾中所占的比例北京37%，天津54%，上海59%，深圳57%，广州57%等，与其他生活垃圾相比，餐厨垃圾具有含水量、有机物含量、油脂含量以及营养元素含量高的特点，具有很大的资源化价值。

（本节数据来源于《国内外餐厨垃圾处理状况概述》王向会等《环境卫生工程》第13卷第2期）
由于饮食文化和聚餐习惯，在中国餐厨垃圾的总量非常巨大。

据统计，全国城市餐厨垃圾每天产生量不低于30万吨，每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。

随着餐饮业零售额以每年近21%的速度增长，餐厨垃圾总量还在不断的增长。

(本节数据来源于环卫科技网，/doc/8787c352f01dc281e53af067.html
/html/china/201002/13638.html)
由于餐厨垃圾营养丰富，我国传统是将其作为生猪饲料，但是，出于病原菌污染和食品安全方面考虑，目前已经通过立法，禁止用餐厨垃圾直接饲养动物。

如此一来，如此数量巨大的高有机物含量的餐厨垃圾，该何去何从。

目前，大部分餐厨垃圾都是与其它生活垃圾混放，由环卫工人收集至垃圾站暂存后，运输至专门的垃圾处理厂进行填埋或焚烧。

但这种混合填埋或焚烧的处理方法，带来了一系列新的问题。

餐厨垃圾如果和一般垃圾混合进行填埋处理，由于餐厨垃圾的高含水率和高有机物含量，不仅增加了填埋场渗滤液对地下水和土壤的污染，同时也极易造成苍蝇老鼠等大量滋生严重破坏生态环境。

而且如此高有机物含量的餐厨垃圾白白填埋处理，更是对资源的极大浪费。

而如果和一般垃圾混合进行焚烧，高含水量的餐厨垃圾，会导致垃圾热值低、焚烧不充分、效果差等问题，甚至造成整个垃圾焚烧项目难以运转。

随着环保压力与日俱增，对城市生活垃圾进行分类处理，实现垃圾减量化、无害化和资源化的处理目标，成为了解决城市垃圾问题的
重要方案。

而餐厨垃圾作为生活垃圾中最独特而又最大量的一类，对其的处理办法正日益成为相关部门和企业关注的热点。

目前国内外对餐厨垃圾进行专门处理的主要技术有：（1）机械破碎法，（2）脱水处理法，（3）真空油炸法，（4）好氧堆肥法，（5）厌氧消化法，（6）生物发酵制氢，（7）固态发酵法，（8）蚯蚓堆肥法，（9）提取生物降解塑料等。

为了最大资源化利用餐厨垃圾，国内最新的餐厨垃圾处理方法是采取以上一项或几项技术，对餐厨垃圾进行综合处理。

2、国内第一个餐厨垃圾厌氧沼气发电项目
作为国内餐厨垃圾问题最为严重的城市之一，重庆市一直为如何处理大量的高油脂高有机物含量的餐厨垃圾所困扰。

在政府领导和相关技术专家的推动下，重庆环卫集团于2009年在国内最先开始建设餐厨垃圾厌氧发酵热电联产项目。

本项目总投资2.7亿元，位于重庆市黑石子垃圾处理厂。

采用先进的“厌氧消化、热电联产”工艺，日处理餐厨垃圾能达到500吨。

同时配套建设包括专用运输车和专用收集桶的收运系统。

本项目采用的工艺流程如下：
图表1 餐厨垃圾处置工艺流程图
本项目投产后，能将餐厨垃圾中的油脂加工成生物燃料，其余部分经厌氧消化后产生沼气用于发电，沼渣沼液加工成有机肥。

预计年产生沼气1400万立方，发电3300万度，生产有机肥料1.2万吨，减排二氧化碳11万吨。

3、餐厨垃圾厌氧沼气处理的必要性
从以上餐厨垃圾处置工艺流程图可看出，沼气处理是位于厌氧发酵和发电机组之间的一个环节。

对整个餐厨项目来说，这只是一个占投资总额不到5%的小环节，但却是必不可少的一环，对厌氧发酵后端的热电联产有着重要的意义。

餐厨垃圾厌氧沼气主要成分是甲烷与二氧化碳，但同时也存在H2S、H2O等对燃气发动机组平稳运行有影响的物质。

厌氧沼气具体
成分和参数参考下表。

图表2 餐厨垃圾厌氧沼气主要成分及特性
北京高安屯、广州兴丰等几个生活垃圾填埋场的实际项目数据对比，再考虑到餐厨垃圾的组份特性，笔者认为本表数据基本符合国内餐厨垃圾厌氧沼气的理论组份。

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以上表格所列的沼气成分中，对后端发电机组影响比较大的有：
a、水蒸气的危害
厌氧沼气含有大量的水份，而水对发动机的影响主要表现为：
发动机点火困难；
降低燃烧室温度，降低内燃机的效率；
水蒸气将增大内燃机尾气排气量，从而降低了内燃机效率；
由于水蒸气等无功气体的存在，增压耗功增大，降低内燃机的效率；
降低燃烧室温度，导致了二噁英等剧毒物质生成的可能性大幅度上升，严重污
染环境；
水蒸气与其他酸性物质的化合产生中间产物，对机组机本身产生腐蚀，缩短设
备的使用寿命，降低装置的可靠性。

由于发动机内部中冷器的存在，过高的水蒸气含量可能会导致气体露点过高，
水蒸气会在发动机内部凝结、积水，造成设备故障，降低设备寿命和可用率。

b、硫化物的危害
硫化氢是无色、有臭鸡蛋气味的毒性气体。

硫化氢及其燃烧生成的产物二氧化硫有毒性，危害人体，同时硫化氢对钢材可引起氢脆和硫化物应力腐蚀，对润滑油的性能也会产生一定的影响。

硫化氢的燃烧反应式如下：
2H2S+O2—2S+2H2O, 2H2S+3O2—2SO2+2H2O
在厌氧沼气中，硫化氢是一种易燃易爆、并具有强烈恶臭的污染物质，即使被人体少量吸入，也会产生强烈不适。

沼气气中的硫化物与发动机组的润滑油系统接触，导致润滑油乳化，增加机组磨损，降低设备使用寿命。

设备润滑不畅，导致机组震动加大，严重威胁人员及设备的安全；
硫化物在氧化作用下，产生二氧化硫，排放后与大气中的水蒸气作用，是形成酸雨的主要来源，将严重污染大气；
另一方面，亚硫酸（H2SO3?SO2＋H2O）在低温条件下（发动机排气管尾部）对设备具有强烈的腐蚀性，严重影响设备的可靠性和使用寿命。

c、固体杂质的危害
厌氧发酵罐中的固体颗粒物质也可能随着气流进入燃气管道，这些颗粒物是发动机明确限制的杂质，它主要影响在于：
堵塞管路，流通不畅，加大压损，增加运行费用；
增大机械磨损，降低设备使用寿命。

本餐厨项目中沼气处理的必要性，在于除了要消除沼气中以上a,b,c所描述的对发电机组有害的因素外，还需要根据发电机组的进气要求提供匹配的气体参数，如压力、温度等。

同时为了最大化的保护环境，在发电机组部分停机维护的时候，沼气处理环节还需要将多余的沼气进行焚烧处理，以减少CO2的排放。

4、面向发电机组的厌氧沼气处理工艺
通过详细比较前端厌氧沼气成分、参数和燃气发电机组的进气要求的差异，本项目对厌氧沼气采取了以下处理工艺：
图表三沼气处理工艺框图
机组
a、脱硫
以硫化氢为主的硫化物的去除主要有物理、化学以及生物三种方式。

其中物理方法主要指物理吸附方式脱硫，这种方式操作简便，但
往往需要占地较大的设备，而且吸附剂需要再生。

化学方式指以化学反应的方式将硫固化下来，目前有干法及湿法，其差别主要是反应物的物理形态是固体还是液体的差别。

生物法脱硫是目前比较新兴的一种方式，其主要原理是在反应罐中培养出合适的菌种，这些菌种以硫化物为养料，将其中的硫固定下来。

本项目中需要在厌氧发酵罐工艺投产后，根据实际测量的硫含量选取合适的脱硫方案进行脱硫。

目前先在项目现场预留了脱硫工艺的位置，等具体脱硫方案确定后再进行建设。

b、气柜稳压
为了稳定从厌氧消化罐出来的沼气压力，并在一定程度上平衡罐内沼气产生和发电机组的沼气消耗速率之间的差异，本项目设置了一个双膜气柜，容积1000m3,工作压力
2.5KPa,气柜耐压20KPa。

采用耐腐蚀的环保专用进口膜，具有防腐、抗老化、抗微生物
及紫外线等功能，并且防火级别达到B1级，膜的抗拉强度大于5000N/5cm。

同时气柜还具有容积显示功能，可以随时了解气体容积，掌握使用状况，并设点报警停机信号。

c、流量/压力调节
由于发动机均对进气压力及温度提出较高的要求，压力的波动会影响发动机的配气系统，过高或者过低的压力都有可能引起发动机跳机，所以必须设置相应的压力平衡机构，以适应发动机的进气要求。

厌氧沼气压力为0～5.0kPa，考虑安全性和经济性，出口压力在满足发电机要求的情况下要尽可能的小，这样可以保证安全、降低电机功率，节省运行成本。

本项目中发电机组要求进口压力达到10.0～35KPa。

通过对沼气处理系统出口压力信号进行跟踪，利用PLC自动调节变频器控制风机转速，保证出口压力适应发电机组的需求并维持稳定。

因为采用变频技术，可以实现在20～100%负荷范围内根据发电机组耗气量自动进行流量调节。

d、冷凝除湿
发电机组要求在10～50℃范围内，进口燃气的相对湿度需小于70%。

因为厌氧沼气为饱和湿度，系统必须有除水工艺。

本项目采用成熟的电制冷技术。

由制冷机组产生的冷媒水进入冷凝器，将温度为外界进来的沼气（≤ 55℃）降低到10～20℃，通过风机加压升温然后在沼气提纯系统出口的沼气温度30～40℃，其相对湿度小于70%。

冷凝器为管壳式换热器，沼气气体在冷凝器的压力损失小于2kPa。

在冷凝器后部，设有汽水分离器，可以将冷凝器产生的大部分液态水去除。

沼气在管道和设备中遇冷后会产生凝结水，因此在整个系统的管路和设备中都有汇集凝结水的可能，需要及时排除。

冷凝器和汽水分离器的凝结水排往厂区的排水系统。

e、过滤除尘
通常采用过滤的方式将颗粒物限制在一定的范围内。

为达到较好的去除效果，一般对气体中的颗粒物分级处理，设置不同精度的过滤器，逐级将颗粒物处理到系统最终的要求，这样不仅可以降低精密过滤的成本，也可以增加系统运行的可靠性。

本项目在系统入口采用除湿过滤器，对液态水进行初步的去除，同时除湿过滤器能够将50um以上的杂质过滤去除，从而达到保护后续设备的目的。

在系统出口采用精密过滤器，能够去除0.3um以上的杂质，从而达到保护发电机组对进气的要求。

过滤器为大面积、微压降设计。

过滤器前后设有压差计。

过滤器的设计压力损失为
＜1.0 kPa，当粉尘含量逐渐积累时，过滤器前后的压差将逐步加大。

当压差超过设定值时，为了降低运行的电耗，应及时清理过滤器滤芯。

f、火炬联调焚烧
为了提高环境效益，本项目设置封闭式沼气火炬来焚烧沼气量较
大或发动机组检（维）修时多余的沼气。

火炬焚烧沼气的原则为：首先满足发电机组的要求，其次是通往火炬，最后才是排往大气。

火炬系统由单独的变频罗茨风机供气，和沼气处理系统联动控制，可以保证项目可获得尽可能多的发电收入。

火炬设计负荷和最小稳定运行负荷的比值可以达到20：1，火炬燃烧器可以在3.0 kPa的低压下稳定运行，运行温度在500～1100℃，燃尽率大于95％。

火炬同时可以在线监测沼气流量、压力、温度、甲烷浓度、烟气温度等重要参数并记录。

综上所述，面向发电机组的厌氧沼气处理工艺的目的，是为了消除厌氧消化产气与燃气发电机组进气要求之间的差异，给燃气发电机组提供符合要求的气体品质，以保障机组的平稳运行。

5、结论
本文就重庆市餐厨垃圾项目中厌氧沼气处理这一环节进行了工艺分析和应用介绍。

由于厌氧产生的沼气与燃气发电机组对进气的要求差异比较大，只有对沼气采取合适的工艺进行处理，才能保障机组顺畅运行并提高发电效率。

随着中国城市化进程的发展，对餐厨垃圾进行专门收集与综合处理必将成为更多大中型城市的选择。

针对餐厨垃圾处置与利用工程的每一个环节进行精益求精的探索与总结，有利于我们更好的进行餐厨垃圾处理项目建设，以期获得更好的经济效益和环境效益。

参考文献：
[1]《国内餐厨垃圾处理将有国家标准》环卫科技网（/doc/8787c352f01dc281e53af067.html ）/doc/8787c352f01dc281e53af067.htm l /html/china/201002/13638.html
[2]《国内外餐厨垃圾处理状况概述》王向会等《环境卫生工程》第13卷第2期
[3]《我国沼气发动机的研究现状》陈勇、夏来庆中国沼气1998，
16
[4] 《餐厨垃圾综合处理工艺及应用研究》王梅西北大学
[5] 《吸附作用应用原理》赵振国化学工业出版社2005.9
[6] 《气体燃料对发电机组影响浅析》关磊清华大学。