沼气的储存
大中型沼气工程一般采用低压湿式储气柜,少数用干式储气柜或橡胶储气袋来储存沼气｡大中型沼气工程,由于厌氧消化装置工作状态的波动
大中型沼气工程一般采用低压湿式储气柜,少数用干式储气柜或橡胶储气袋来储存沼气｡大中型沼气工程,由于厌氧消化装置工作状态的波动及进料量和浓度的变化,单位时间沼气的产量也有所变化｡当沼气作为生活用能进行集中供气时,由于沼气的生产是连续的,而沼气的使用是间歇的,为了合理､有效的平衡产气与用气,通常采用储气的方法来解决｡
目前,国内虽然已建大､中型沼气工程2000多处,但日产量绝大多数在5000m3以下,最大的沼气工程如南阳酒精厂日产沼气达30000m3;而许多禽畜粪便处理厂的日产气量仅500m3左右｡因此,除个别工程外,大部分供给民用的沼气的储气容积按日产气量的50%～60%计算;民用及烧锅炉或发电各占一半时,按产气量的40%考虑;若全供给工业使用时应根据用气特点､用气曲线来确定｡
一､低压湿式储气柜
低压湿式储气柜属可变容积金属柜,它主要由水槽､钟罩､塔节以及升降导向装置所组成｡当沼气输入气柜内储存时,放在水槽内的钟罩和塔节依次 (按直径由小到大)升高;当沼气从气柜内导出时,塔节和钟罩又依次 (按直径由大到小)降落到水槽中｡钟罩和塔节､内侧塔节与外侧塔节之间,利用水封将柜内沼气与大气隔绝｡因此,随塔节升降,沼气的储存容积和压力是变化着的｡
(一)湿式储气柜虽有结构简单､容易施工､运行密封可靠的特点,但也存在缺点
1、在北方地区冬季,水槽要采取保温措施;
2、水槽､钟罩和塔节､导轨等常年与水接触,必须定期进行防腐处理;
3、水槽对储存沼气来说为无效体积｡
(二)根据导轨形式的不同,湿式储气柜可分为三种
1、螺旋导轨气柜
螺旋形导轨焊在钟罩或塔节的外壁上,导轮设在下一节塔节和水槽上,钟罩和塔节呈螺旋式上升和下降｡这种结构一般用在多节大型储气柜上,其优点是没有外导架,因此用钢材较少,施工高度仅相当于水槽高度｡缺点是抗倾覆性能不如有外导架的气柜,而且对导轨制造､安装精度要求高,加工较为困难｡
2、外导架直升式气柜
导轮设在钟罩和每个塔节上,而直导轨与上部固定框架连接｡这种结构一般用在单节或两节的中小型气柜上｡其优点是外导架加强了储气柜的刚性,抗倾覆性好,导轨制作安装容易｡缺点是外导架比较高,施工时高空作业和吊装工作量较大,钢耗比同容积的螺旋导轨气柜略高｡
3、无外导架直升式气柜
直导轨焊接在钟罩或塔节的外壁上,导轮在下层塔节和水槽上｡这种气柜结构简单,导轨制作容易,钢材消耗小于有外导架直升式,但它的抗倾覆性能最低,一般仅用于小的单节气柜上｡
为适应农村的施工条件和冬季防冻的要求,除了传统的全钢地上储气柜外,还常采用混凝土水槽半地下储气柜｡对半地下气柜的水槽施工要求较高,不能出现渗漏,但节省钢材,减少了防腐工作量及费用,并且冬季水池具有较好的保温性能｡
二､低压干式储气柜
低压干式储气柜是由圆柱形外筒､沿外筒内面上下活动的活塞和密封装置以及底板､立柱､顶板组成｡例如密封帘式干储气柜,在外筒的下端与活塞边缘之间,贴有可挠性特殊合成树脂膜,该密封膜随活塞上下滑动而卷起或放下,沼气储存在活塞以下部分,并随着活塞的上下移动而增减其储气量,它不像湿式储气柜那样有水槽,因此,可以大大地减少基础荷重｡在气柜底板及侧板全高1/3的下半部要求气密,而侧板全高2/3的上半部分及柜顶不要求密封,从而可以设置洞口以便工作人员进入活塞上部进行检查和维修｡
但是,干式储气柜的最大问题是,对气体的密封问题,即如何防止在固定的外筒与上下活动的活塞之间滑动部分间隙的漏气问题｡目前最常采用的密封方法有两种｡
(一)稀油密封
对滑动部分的间隙充满液体进行密封,同时从上部补给通过间隙流下的液体量｡早期采用煤焦油作为密封液,目前,密封油广泛采用润滑油系统的矿物油｡密封油是循环使用｡该种密封方法属于20世纪80年代技术,但目前在储存大容量的燃气上仍在使用｡
(二)柔膜密封
在外筒部下端与活塞边缘之间贴有可挠性的特殊合成树脂膜,膜随活塞上下滑动而卷起或放下达到密封的目的｡
1、构造
气柜底板及侧板全高1/3的下半部要求气密,侧板其余2/3的上半部及顶不要求气密,因此可以任意设置洞口,以便工作人员进入活塞上部,这对检查及管理颇为有利｡侧板气密部分的上端与活塞挡板及活塞之间,用特制的密封帘组成如下图所示的构造｡
图表缺失
活塞外周装有一波纹板,它的作用可以补偿活塞在运转中由于密封设备的位置改变所引起的在圆周方向长度的变化,同时还承受内部燃气的压力｡
当储气柜的燃气为零时,活塞全部落在底板上,T挡板则停在周围略高的台上,当沼气从侧板下部进入柜内达到一定的压力值后,活塞首先上升,然后带动T挡板同时上升至最高点｡而此时密封帘随着活塞及T挡板的位置作卷上或卷下变形,在变形运动的全部过程中没有摩擦｡活塞与T挡板的运动依靠密封帘及平衡装置与侧板间的充分空隙而可以自动地调向中心,因此活塞的升降运动非常圆滑,也很少倾斜｡由于加重块系放在活塞上部,故可以增加储气压力,一般为6kPa｡
2、密封帘
密封帘的作用是密封气体,它是储气柜的心脏,密封帘应具备的条件有:
- 对腐蚀及老化应具有耐久性;
- 对储存的气体应具有不透性;
- 对动作中所引起的应力应具有充分的强度;
- 应具有很好的弹性,可防止运动变形所引起的损伤;
- 应具有广泛的使用温度范围｡
目前采用的密封帘多为尼龙车胎作底层,外敷氯丁合成橡胶或腈基丁二烯橡胶等材料｡氯丁橡胶对一般工业用气体具有很好的耐腐蚀性｡另外,由于密封帘在气柜中不断地卷上卷下反复变形,因此,要求它具有较好的机械性能｡如①在伸长后应有能回复原状的性能;②能克服折坏现象;③应具有耐压缩性｡根据上述各点要求,密封帘在机械性上应取较大的安全系数,以防止产生裂缝､褶纹､折坏,并且在储气柜内要有适当的环状间隙｡
3、活塞调平装置
该装置是由活塞径向对称而引出的钢绳,通过滑轮连接到同一配重块上,如下图所示：
图表缺失
当这两个径向对称点发生倾斜时,与高点连接的钢绳就松弛,与低点连接的钢绳就拉紧,这样由配重所产生的重力就全作用在与低点连接的钢绳上,该重力把低点向上提,使活塞保持水平｡该调平装置有三套,可保证活塞在各方向的水平度｡同时,当活塞旋转时,也能自动将其调回原位置｡
4、活塞挡板
它是一筒形钢结构组合架,与侧板形成空间,与橡胶密封膜连成一个密封体｡在活塞挡板上下装有限位导轮,以限制径向偏移｡活动挡板顶面构成一个环形走台,通过侧板上的门,可到顶部走台进行维修检查｡
(三)低压单膜/双膜气柜
单膜/双膜系列
气柜由内膜､外膜和底膜三部分组成,内膜和底膜形成封闭空间储存沼气,外膜和内膜则通入空气,控制压力和保持外形等作用｡储气器的压力通常在0～5kPa，如下图：
图表缺失
采用进口材料,具有技术先进､抗风载､耐 H2S､耐紫外线､阻燃､自洁等优点,可解决防腐难､冬季防冻问题｡如采用进口织物作为气柜材质,产品使用寿命可达15～20年,而采用国产材质气柜成本相对较低,产品使用寿命6年以上｡
- 单膜气柜由抗紫外线的双面涂覆PVDF涂层的外膜材料制作,特点是单层结构,保温效果好于钢结构,但差于双层膜结构｡
- 双膜气柜采用双层构造,内层膜采用沼气专用膜,外层采用抗老化的外膜材料,同时可以起到保持外形和保证恒定工作压力的作用。
低压干式气柜比湿式气柜具有占地面积省,基础建设投资可节省30%,生产､安装周期可缩短近三分之一等特点｡
(四)低压储气袋
为了满足储气袋的安全使用,常在气袋外围建有圆筒形钢外壳,它对气袋主要起保护罩作用,而没有严格的密封要求｡较典型的是利浦气柜,如下图所示：
图表缺失
气袋材质可采用进口塑胶,在-30℃仍可使用,由于气袋壁厚的不同,其使用寿命也各异,这种储气袋与湿式气柜相比虽防腐费及工程造价较低,但因储气压力低,必须采用燃气排送机,增加了日常的耗电,为此,有的地方采用定时供气｡
三､高压干式储气柜
高压干式储气系统主要由缓冲罐､压缩机､高压干式储气柜､调压箱等设备组成｡发酵装置产生的沼气经过净化后,先储存在缓冲罐内,当缓冲罐内沼气达到一定量后,压缩机启动,将沼气打入高压储柜中,储气柜内的高压沼气经过调压箱调压后,进入输配管网,向居民供气｡系统中缓冲罐类似于小的湿式储气柜,起到将产生的沼气暂时储存,以解决压缩机流量与发酵装置产生沼气量不匹配的问题,其容积根据发酵装置产气量而定,一般情况下可以20～30min升降一次为宜｡压缩机应采用防爆电源,以保证系统的安全运行,所选择压缩机的流量应大于发酵装置产气量的最大值,但不宜超过太多,以免造成浪费,在北方应建压缩机房,以确保压缩机在寒冷条件下能够正常工作｡高压干式储气柜应选择有相关资质厂家生产的产品,并在当地安检进行备案,高压气柜内的压力一般为0.8MPa｡
高压干式储气系统虽然有工艺复杂､施工要求高､需要运行维护等缺点,但与湿式低压储气柜比较,具有以下优点:
- 由于采用高压储气,出气压力可以通过调压箱调节,因此可以实现远距离送气,提高了输送能力｡
- 减少了占地面积｡
- 可以为中压输送沼气创造条件,因此可以降低管网的建造成本,当输送距离较远时,优势更为明显｡
- 在北方冬季,无需进行保温｡
四､湿式储气柜的防冻
低压湿式储气柜的防冻措施可分为蒸汽加热､热水加热､电加热及加隔离层等方式｡
1、蒸汽加热方式
具有构造简单､设备费用低､加热效率高以及可以使水封内的水循环良好等优点｡一般蒸汽加热的做法是,在水槽平台上靠内侧安装环形蒸汽管,从水槽壁边在蒸汽引入口处接出立管,可将其附在储气罐的外导架上｡环管内蒸汽由引射器射入水内,引射器的数量按需要热量计算｡在布置引射器时,要使蒸汽沿四周以同一方向射入水内,以使水流动成为连续的｡在沼气站内一般装有蒸汽锅炉,可以利用其蒸汽进行加热｡
2、热水加热方式
对于小型储气罐,一般用重力式循环热水加热｡也就是靠冷水与热水的密度不同来进行加热｡对于较大型湿式储气罐,将水槽内的水用泵抽出,通过热交换器再送回到水槽内｡采用泵循环加热最好利用自动控制,在一定的水温时,泵可以自动启动和关闭｡
3、隔离层防冻方式
可以采用聚丙烯制成的小球或聚氨酯废料,撒在水槽的水面上,形成一层柔性绝缘毯覆盖着水面,借以保持水的热量不放散到大气中去｡
五､湿式储气柜的腐蚀与防腐
低压湿式储气柜由于钢钟罩或塔节在运行中频繁的浸入和升出水槽,钟罩､塔节表层受大气环境和水槽中含有溶解于水的硫化氢及二氧化碳等介质的侵蚀,加上目前防腐涂料性能及施工质量的影响,其腐蚀速度较单一介质的腐蚀快1/3左右,并使涂料漆膜很快出现老化现象,少则1～2年,多则3～5年,就得进行重新涂刷｡
为了防止腐蚀性分子接触柜体基质,必须使用高内聚不透性的涂料,这种涂料应能抵抗摩擦､撞击及微生物､水､酸对柜体金属表面的侵蚀｡为了长久使用,漆膜还必须具有很强的黏合性,以防老化脱落｡而近年来一些单位采用的氯磺化聚乙烯涂料和BMY聚氨酯防水涂料具有上述性能｡这两种涂料按一次使用,单位面积用量虽然造价较高,但以使用年限､年维修费用,却远远低于其它防腐涂料,经济效益是明显的｡而且BMY聚氨酯涂料可以在气柜不停产条件下涂刷,对正常供气没有影响｡
六､储气柜的布置原则
1、储气柜除设在沼气站内,还可设置在居民小区附近｡其优点是沼气从发酵装置经脱硫后,利用本身的压力自行送至气柜,不需消耗动力;又因在输送途中没有用户,所以可采用较小的管径输气,因气柜出口沼气的压力具有2～3.5kPa,足以克服送至用户管道的阻力损失｡由于储气柜靠近用户,所以管线长度短,各用户的灶前压力比较稳定,使灶具能在良好的工况下工作,具有较高的热效率｡
对于供气规模很小的沼气集中供应站,可将储气柜布置在沼气站内,以利于统一管理｡但对供气规模较大的沼气集中供应站,如采用这种方案,势必造成气柜距用户的管路较长,管径加大,有可能在用气高峰时,管道末端用户出现压力较低､供气不足的现象｡
2、从钢耗及一次投资来看,大容积气柜比小容积要低;但从保证供气的可靠性上看,最好设有两个气柜,以便维修与保养｡目前,因受工程投资的限制,多数工程只能先建一个｡
3、储气柜与周围建筑物应有一定的安全防火距离
① 湿式储气柜之间防火间距,应等于或大于相邻较大柜的半径;
② 干式或卧式储气柜之间的防火距离,应大于相邻较大柜(罐)直径的2/3;
③ 储气柜与其它建筑､构筑物的防火间距应不小于下表中的规定;
图表缺失
④ 对容积小于20m3的储气柜与站内厂房的防火间距不限;
⑤ 罐区周围应有消防通道,罐区应留有扩建的面积｡
七､储气柜的运行与维护
1、气柜的置换
储气柜在启用前必须进行置换｡置换方法分为以沼气直接进行和用惰性气体间接置换两大类｡对于容积小于500m3的气柜,可以沼气直接进行置换,但柜内混合气体必然经过从达到爆炸下限到超过爆炸上限的过程｡在这一置换过程中,存在着发生爆炸的危险性,因此,必须杜绝火源｡对于容积大于500m3的气柜,应尽量采用惰性气体间接置换的方法,它不会产生爆炸和污染,是一种安全可靠的方法｡
惰性气体有氮气､二氧化碳等,而烟气的组分主要是氮气和二氧化碳,是比较经济的置换介质｡还应注意到密度大的惰性气体适于置换密度小的燃气,密度小的惰性气体适于置换密度较大的燃气这一原理｡置换方法应按有关操作规程进行,切实注意安全｡
2、气柜的运行管理
- 控制好湿式气柜钟罩的升降位置｡在计算气柜最高储量时,应考虑到由于气温上升而引起的气体膨胀;而在最低储量时,勿使钟罩贴至水槽底部,以防止气温降低,造成柜内负压使罩顶塌陷｡因而需对其升降位置留有安全余地,在设计制造时应考虑最高､最低限位器｡最好选用仪表装置控制或指示其最高､最低操作限位｡
- 防止水封中的水结冰,在冬季水温应保持+5℃,一般酒厂可利用高温发酵液,或在水封池表面铺层聚氨酯泡沫塑料碎块;有条件的北方地区也可喷入锅炉蒸气或使水循环防冻｡
- 防止漏气,经常检查水槽和水封中的水位高度,防止沼气因水封高度不足而泄漏｡定期对柜体表面进行检查和涂刷油漆,以防钟罩钢板腐蚀而穿孔漏气｡
- 防止火灾,在气柜外应建围墙,站内严禁火种｡气柜上应安装避雷针,其接地电阻应小于10Ω｡
- 对低压干式气柜首次充气时控制活塞上升速度在5m/min,使活塞挡板达到最高位置,并使密封膜处于正常位置上,这对今后无论活塞处在任何位置,橡胶膜均能做到正常工作｡
- 对低压干式柜当第一次升高活塞挡板时,一定达到最高位置,并使密封膜处于正常位置上,这对今后无论活塞处在任何位置,橡胶膜均能做到正常工作｡
- 经常检查并清理调平配重钢丝绳滑道上的异物,检查活塞配重是否平衡,检查调平配重钢丝与活塞连接是否牢固,避免活塞倾斜｡
- 气柜运行中应保证最大进气量小于紧急放散装置的排气量,并保证各放散阀工作正常,以免活塞冲顶｡
另外,在有台风侵袭的地区建造储气柜,尽量采用半地下,以降低柜的高度｡
