陳業鋼， 陳漫漫
(哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150090)

　　摘　要：針對厭氧生物處理過程中沼氣回收與利用的特點，總結了沼氣燃燒系統的設計要點，并提出了切實可行的設計方案。
　　關鍵詞：厭氧生物處理；沼氣燃燒系統；設計要點
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0065-02

1 沼氣系統的應用情況

　　國內城市污水廠污泥消化所產生的沼氣通過各種方式得到應用，如西安污水廠的污泥消化罐(直徑為20m、高為14.5m)共8座，利用沼氣生產CCl₄；深圳污水廠的污泥消化罐直徑為15m、總高為13.6m，引進廢氣燃燒塔、燃氣鍋爐等設備處理沼氣；遼寧的鞍山南部污水廠利用沼氣發電并網試運行，大連春柳河污水廠則將沼氣供給煤氣公司。
　　在實際工程中，沼氣的組成為：CH₄的體積分數為45%～80%，CO₂的體積分數為20%～45%，此外還有少量的H₂、H₂S、CO、N₂、O₂以及甲烷以外的其他碳氫化合物，其組成由于厭氧消化的工藝和機理不同而有較大的差別。
　　在味精、抗生素、糖蜜酒精等生產廢水中含有較高濃度的硫酸鹽，在酸化反應階段往往有大量硫酸鹽還原菌參與生物反應，最終使其厭氧消化后的沼氣中含有較高濃度的H2S，此時沼氣系統的設計一方面要注意沼氣燃燒系統防腐(因濕態時較低含量的H₂S就有很強的腐蝕性)，另一方面因沼氣燃燒后有相當部分的硫化物逸出，故要充分考慮其對周圍環境的影響。

2　沼氣燃燒系統設計

　　沼氣燃燒系統包括沼氣的輸送、脫硫、燃燒器以及燃燒器的控制，在每一步驟的設計中都要充分注重安全性，避免產生漏氣、水堵、負壓、靜電、信號失控等問題。沼氣燃燒系統流程為：反應器沼氣出口→水封罐→氣水分離器→脫硫罐→緩沖罐→阻火器→沼氣燃燒器。
2.1 水封罐
　　 厭氧反應器一般在中溫(30～35℃)或常溫(20～25℃)下運行，因沼氣中水蒸氣含量較高，故在管道中流動時隨著溫度的逐漸降低不斷有冷凝水析出，這就要求輸氣管道除以一定的坡度敷設外，還要在低處設置水封和排水孔。水封罐的設計要有觀察孔、排水管和加水管，以便能調節水封高度。水封如果設于室外，應有防凍措施(可采取加熱、充裝防凍液或連續供水等方法)。沼氣中的H₂S含量高時應采取防腐措施。
2.2 氣水分離器
　　某些設計系統中安裝氣水分離器以降低沼氣濕度，減少對管道及設備的腐蝕，并防止凝結水對氣路的阻塞。在氣水分離器中加裝冷凝聚結填料以使氣流和冷凝水處在不同的通道^［1］，同時起到凝水和沉淀作用，它也可和水封罐結合應用。
2.3 脫硫罐
　　為了消除硫化氫的影響，沼氣在進入燃燒器之前要進行脫硫，可采用干法脫硫、濕法脫硫和生物脫硫。干法是將氧化鐵屑和木屑拌合制成脫硫劑，以濕態(含水量為40%左右)填充于脫硫裝置內，當沼氣通過時H₂S與Fe₂O₃發生氧化還原反應而達到脫硫目的；濕法是用水或堿液(堿的質量分數為2%～3%，堿液可再生)洗滌沼氣，堿洗后的廢液可采用催化法脫硫，另外鄂海利等采用鐵鹽接觸氧化法脫除H₂S也取得了較好的效果［2］；生物脫硫 是在脫硫罐內的填料上培養能降解H₂S及其他臭味物質的微生物以達到脫硫目的，通過設在填料上部的穿孔管定時噴灑水分及微生物生長所需的養分，沼氣的空塔速率一般控制在100～200m³/(m²·h)^［3］。
2.4 緩沖罐
　　在工業廢水處理中，厭氧反應器的運行受到多方面因素的影響，而反應器的運行狀況直接關系到沼氣產生的穩定性。在有條件的情況下，宜在厭氧反應器和沼氣燃燒器之間設沼氣緩沖罐 以增加燃燒系統的穩定性。緩沖罐容積可按日產氣量的5%設計，可采用低壓濕式氣體貯罐，貯罐的浮罩導向裝置、重力平衡調節裝置應有較好的設計安裝質量，緩沖罐應設置安全閥。近來，有的工程采用以彈性密封橡膠頂蓋來代替浮罩的沼氣貯柜，在使用上更為方便，其工作方式是通過密封橡膠頂蓋高度的變化(設有高度監測裝置)來調節貯罐的容積。?
2.5 阻火器
　　阻火器的作用是防止因明火沿沼氣管道流竄而引起貯氣柜、集氣室及其他重要附屬設施的爆炸。阻火器分干式和濕式兩種，濕式阻火器相當于一個水封罐，水封高度根據系統沼氣壓力而定，一般為300～500mm；干式阻火器是通過金屬網的快速散熱使溫度降至燃點以下使火熄滅。此外，還有一種熱閥板式阻火器，當明火燒臨時，熱閥板即遇熱升起截斷氣路。?
2.6 沼氣燃燒器
　　 沼氣燃燒器是燃燒系統的核心設備，要求有較高的安全性和控制靈敏度。表1是有代表性的幾種燃燒器的概況，具體應用時需根據設備供應情況對設計系統進行適當調整。

表1　沼氣燃燒器概況 生產公司名稱 型號 設備類型 設備組成 主體材質 安裝高度 價格 Roediger(德國) FAVAENW40 火炬(Flare) 自動點火裝置、引火 火苗點火裝置、阻焰器、控制器、電磁閥 不銹鋼 3.98m 23290德國馬克(運 輸費、包裝費、關稅另計) VAREC(美國) 239A 燃燒器(Burner) 240HOA點火系統233系列 冷 凝水及沉淀裝置217系列壓力計及紅外流動指示儀5810系列真空閥及火焰安全裝置 不銹鋼或鋁合金 3.0m 15000美元(運輸費、包裝費、關稅另計) TAESUNG(韓國) WGB100 燃燒器(Burner) 點火裝置、燃燒送風扇 、壓力調節風扇、壓力開關、燃燒爐主體及煙囪 不銹鋼 1.5m 　

　　以239A型為例，沼氣燃燒器用碳鋼制造，火種環用耐熱鑄鐵制造，火種氣噴嘴用不銹鋼制造。燃燒器的外罩上有火焰觀察口、點火口和檢查口，燃燒器配備火種氣管。沼氣燃燒器的工作方式：通過壓力傳感器監測厭氧反應罐或沼氣貯罐的壓力，當達到預定的壓力后，先由點火系統自動在燃燒器上形成火種火苗(如火種火苗熄滅則系統會自動重新點火，如重新點燃未成功則系統會停車并告警)；火苗點燃后，沼氣進入燃燒器開始燃燒，轉動風門以調節沼氣空氣比使沼氣火焰和火種火苗達到最穩定；當罐內壓力低于預定壓力后，壓力傳感器給出信號以控制熄滅火種火苗并關閉沼氣管路。?
　　沼氣燃燒器的安裝位置須按照建筑設計防火規范GBJ16—87(1997年版)的要求設計，與沼氣貯罐或厭氧反應罐的距離應大于25m，沼氣貯罐與二級建筑物的防火間距為12m。

3 結語

　　一個完善的沼氣燃燒系統的設計要充分考慮安全性、環境影響、控制和運行管理的可行性，并根據工程的實際情況和安裝條件來選擇沼氣燃燒器的類型及控制程度等。

參考文獻：

　　［1］Robert A Corbitt.Standard handbook of environmental engineering［M］.Washington DC:McGraw-Hill Inc,1990.
　?。?］ 鄂海利，周定.電化學間接氧化法處理H₂S氣體的研究［J］.化工環保，2001,21(1):6-10.
　?。?］ 黃兵.生物膜填料塔凈化低濃度硫化氫惡臭氣體研究［J］.環境科學與技術，1999,22(4)：18-22.

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　　收稿日期：2001-11-29