知识科普 | 探析造纸厂沼气回收发电项目的环境影响

发布时间：2023-06-13 16:12:55

1 沼气的概念及成分沼气是活性微生物在厌氧、适宜的生长温度、pH 值等的条件下，对有机物质进行发酵分解所产生的一种可燃烧气体，密

1 沼气的概念及成分

沼气是活性微生物在厌氧、适宜的生长温度、pH 值等的条件下，对有机物质进行发酵分解所产生的一种可燃烧气体，密度约为空气的 55%，难溶于水。

沼气属于二次可再生能源，其组成成分及特性与天然气相似，当空气中含有 8.6%～20.8%（按体积计）的沼气时，就会与空气混合形成易爆气体"。沼气主要由 50%～80% 甲烷（CH₄）、20%～45% 二氧化碳（CO₂）、0.0%～10% 的氢气（H₂）与 0.01%～0.07% 硫化氢（H₂S）等气体组成。由于沼气中含有少量 H₂S，所以略带臭鸡蛋味。

2 沼气回收发电的工艺流程

造纸厂在纸浆造纸的生产加工过程中有大量的废水产生，该废水中的COD、BOD 浓度较高，可生化程度较大，大多数利用厌氧＋好氧生化处理工艺联合治理。在对造纸废水进行厌氧处理时会有沼气产生，目前大多数造纸厂直接采用火炬燃烧的模式来处置生产废水治理过程中产生的沼气，没有得到资源化利用。

由于废水厌氧处理过程中产生的沼气可以收集预处理后直接回收用于燃烧发电或者供热，1m³ 沼气完全燃烧后，能产生相当于 0.7kg 无烟煤提供的热量，综合利用后可减少厂内的能源消耗，节约成本。

某造纸厂废水厌氧处理产生的沼气回收发电工艺说明：

（1）废水治理设施中的厌氧塔在厌氧处理过程中产生的沼气经加压风机加压推进气液分离器中干燥气体，减少沼气从厌氧塔中所带出的水分，该过程有干燥冷凝水产生；

（2）干燥后的沼气进入脱硫塔中进行湿式催化氧化脱硫去除沼气中少量的 H₂S，减轻 H₂S 在燃烧过程中产生的 SO₂ 该过程中有脱硫废水产生；

（3）预处理去 H₂S 后的沼气暂存在沼气柜中，使用时进入沼气发电机燃烧发电。

3 环境影响分析及防治措施

3.1 水环境的影响分析及防治措施

由于沼气从厌氧塔中加压逸出时会有少量游离水带出，在脱硫前需要进行气液分离将其中的少量游离水分离干燥，气体干燥过程中游离水蒸气聚积起来冷凝成水，经收集后转移至厂区内污水处理设施中进行统一处理，无需新建废水处理设施，不会增加项目内废水产生量及排放量。在沼气湿法脱硫工序中产生的废水主要为含盐废水，其主要成分有碳酸钠、碳酸氢钠、硫代硫酸钠等，可经沉淀后循环使用，不外排，不会对周边环境造成影响。

3.2 大气环境的影响分析及防治措施

本案例中的造纸厂废水厌氧处理过程中产生的沼气主要用于燃烧发电，供应厂区内人们生产生活使用。造纸厂内设有 2 台 500kW 燃沼气发电机，沼气燃烧过程中会产生燃烧废气，其主要污染物为 SO₂、NO₂ 和烟尘。由于沼气属于清洁能源，其组成成分类似于天然气，故其污染物的产生浓度较低，可以经由排气筒引至高空直接排放，排放浓度达到《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）表2中以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组特别排放限值，不会对周围环境造成明显影响。

4 气体浓度监测系统的应用

4.1 沼气浓度监测系统

国内很多废水厌氧处理的沼气，CH₄ 含量在 50-60% 之间，CO₂ 含量 0-50% 之间，其它气体为微量的硫化氢、一氧化碳、氢气、氧气和氮气。

在沼气生成过程中。沼气中杂质含量如 Si、HS 等应控制在一定的范围内，沼气的温度为 10~60℃，压力为 0~5kpa，具体见沼气的气质要求，一般禽畜粪厌氧处理的沼气都能满足发电的气质要求，污水处理沼气需要脱硫等处理，垃圾填埋沼气需要脱水等处理。沼气发酵过程中，发酵液的 pH 值调节对沼气池的智能化管理具有重要意义，同时还需要测量发酵罐的温度和液位以及沼气压力。

污水厂的生物处理设备中有厌氧反应器，污水经过厌氧反应器后产生了沼气，沼气分析仪采样点就在厌氧反应器后的管道，可以测试出沼气中 CH₄、CO₂、O₂ 和 H₂S 的浓度，样气中主要含水和粉尘，需要经过预处理后，进入仪器检测，通过检测沼气中可燃气体中的浓度（主要是 CH₄ 浓度）和沼气的日产量来判断该沼气能否适用后续工艺。

对以上工艺现场的沼气成分监测，适合使用天禹智控的在线的沼气分析系统，该产品采用天禹自主研发的NDIR非分光红外技术和 ECD 长寿命电化学技术，可实时在线测量沼气中 CH₄、CO₂、H₂S、O₂ 的体积浓度，测量精度高、结构简单、操作方便、实用性好，通过天禹智控研发的数据处理自动化控制系统。实现沼气工程数据自动化管理。目前在国内外垃圾填埋、污水处理、厌氧发酵生产工艺和 CDM 计量等领域广泛应用。

4.2 有毒有害及易燃易爆气体检测系统

对于污水处理厂的有毒有害气体及易燃易爆气体，可采用气体检测报警仪加以检测。天禹智控的气体检测报警器有固定式和便携式，根据污水处理厂所产生的不同种类的气体，可以将便携式和固定式气体检测仪设备结合起来使用。

在工作人员进行格栅间、除砂间、二沉池等工艺段巡检作业、对处理池、设备、管道等清淤过程中设备维修作业时，选择便携式气体检测仪可有效预防事故的发生。在检查井、污水池、管网、沟槽等事故多发位置，建议安装固定式气体检测报警器实时监测。也可以将各种组合气体检测仪灵活搭配，满足不同场景的使用需求。可燃气体检测报警器、气体报警控制器、风机等，可组成一个实时监测、及时预警的气体监控系统。

5 沼气回收发电效率及环境效益分析

本案例中的造纸厂沼气回收发电项目主要对废水厌氧处理工艺配套沼气回收发电系统，对厌氧塔中产生的沼气进行简易干燥脱硫后输送到厂区内燃沼气发电机中进行燃烧发电，供应厂区内人们生产生活使用，减少企业的用电负荷，以达到资源化利用的目的，节约成本。厌氧塔处理生产废水的过程中沼气产生量是依据废水的处理水量以及废水处理前后需氧量（COD）浓度计算而来，在正常的厌氧工艺运行条件下，V沼气=0.538QSr（式中∶V沼气为沼气产量，m³/d；Q为进料流量，m³/d；Sr为去除的COD，kg/m³）。

根据本案例中的造纸厂提供数据，项目的废水进料量为∶5000m³/d；COD 的处理前浓度按 3150mg/L 计，处理后浓度按 900mg/L 计。

则V沼气=0.538×5000×（（3150-900）×10-3）=6052.5m³/d，取整为∶6053m³/d。
根据资料显示，每1m³沼气可发电约1.8kW·h，则项目每天发电的量为10895.4kW·h，即每年（以年工作330天计算）发电量约359.55万kW·h。故项目每年可节省企业市政用电约359.55万kW·h。沼气属于低碳清洁燃料，其温室气体排放因子远低于日常使用的化石燃料，且厂内废水厌氧处理工艺产生的沼气经湿法催化氧化脱硫后去除了硫化氢成分，减轻了在燃烧发电过程中产生 SO₂ 而造成大气污染。

6 结语

对造纸厂生产废水厌氧处理后沼气回收发电项目的环境影响评价分析，我们了解到沼气在燃烧发电过程中基本对水环境不会产生不良影响，对大气、声环境会产生少量的不良影响，但通过相应的环境治理措施后可达标排放，减轻对环境的污染。

废水厌氧处理工艺在生产生活中已得到广泛利用且运行稳定，在该治理过程中所产生的沼气属于可再生的清洁能源，建设单位将该部分的沼气收集以后经脱水、脱硫后可直接用于厂区内的能源供应，起到有效的节能减排效果。若将沼气回收综合利用推广到各行业的废水处理中，必可节省化石燃料的使用，降低 SO₂、氮氧化物的排放，缓解自然资源消耗的压力和减轻对自然环境的不良影响。