邱天然，沈志鹏，王晋琳，程 荣，石 磊，郑 祥*
（中国人民大学环境学院，北京100872)
摘要：针对我国主要的10万t污水处理厂100 m3／h的沼气，利用Matlab进行了二段膜法纯化系统的设计，并用运行生产能力指数法进行了技术经济分析。结果表明，100 m3／h的二段膜法沼气纯化系统总投资费用为84.9万元，年运行费用为34.8万元’单位处理能力投资为8500元／(m3.h)，单位沼气处理成本为0. 35元／m3。膜组件和压缩机费用为最主要的投资成本，压缩机电耗为最主要的运行成本。处理规模从100 m3／h提高到1 000 m3／h时膜系统的单位处理能力投资和单位处理成本均显著下降。操作压力增高，膜使用面积显著降低，但压缩机费用增大，功耗增加。
关键词：二段膜分离系统；沼气纯化；回流量；膜面积
中图分类号：TQ028.8 文章编号：0253 -4320(2016)06 -0157 -03
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 038
沼气高值化利用形式有沼气发电，以及将沼气纯化后替代管道天然气( SNG)和用作汽车燃料(CNG)。传统的气体分离技术包括水洗法、物理吸收法、化学吸收法、变压吸附法。膜分离法作为新型气体分离技术，与传统技术相比，具有设备简单、操作简单、占地面积小、绿色无污染、模块化等特点，因而受到了越来越多的关注。
本研究以日处理10万t污水的大、中型城市污水处理厂污泥厌氧消化沼气系统的产气为原料，产品气为SNG，对沼气处理量为100m3／h，进气甲烷体积分数为60%的膜法沼气纯化系统进行技术经济分析，从而为决策者提供参考。
1 膜法沼气纯化系统的经济分析
1.1膜法沼气纯化系统的构成
沼气高值化利用系统如图1，由预处理系统、膜处理系统和产气收集系统3个部分构成，预处理系统进行沼气脱硫后进入膜法沼气纯化系统，产气收集系统根据实际用途成为车用燃料或天然气管输，决定是否进一步压缩。
膜法沼气纯化系统如虚线框内部分，包括：①膜前预处理系统，以去除沼气所含水和油，防止其在膜表面冷凝对膜造成影响。由六级过滤（含压缩机前气液分离器、精密过滤器2只、超精密过滤器2只和活性炭吸附过滤器组成）和冷干机组成。②膜分离系统，进行沼气纯化，将沼气加压至工作压力，为达到产气标准，设有回流系统，二段膜组件渗余气进行回流，一段膜系统产气为生物甲烷（产品气），最终压缩进入储气罐进行储存或运输，根据需要注入管道或者作为车用燃料。二段膜组件渗透气为富含CO2尾气排放。
1.2膜法沼气纯化系统的设计
1.2.1 系统设计理论
本研究以朱葆琳等的气体膜分离活塞流模型，利用Matlab编程求解膜系统各段参数；利用生产能力指数法对不同规模的设备价格进行估算，当工艺路线相同，装置规模不同时，通过已知装置A的价格估算装置B的价格。
1.2.2 系统设计的技术经济参数
天邦国家膜技术工程中心有限责任公司是国内主要CO2/CH4膜制造商，其膜材料为聚酰亚胺，根据阮雪华等的测试数据，30℃时CH4渗透速率3.5 GPU[0.095 m3/(m2．h. M Pa)]，CO2渗透速率112 GPU[3.0 m3/(m2.h.MPa)]，为中空纤维膜组件。膜寿命为5年，年运行时间为8 000 h。
将膜法沼气纯化系统的操作压力设定为1.0 M Pa。产气甲烷体积分数为97%，以符合天然气管输和作为车用燃料的标准，并和商业公司膜分离系统产气甲烷体积分数接近。国家发改委公布的北京市天然气最高门站价格为2.7元／m3；电价为0. 90元／kWh；全部投资来自贷款，2015年5月11日1年期贷款基准利率为5.1%；膜分离系统占地面积按DMT公司Carborex的膜分离系统计算，单位处理量占地面积为0.1 m2/m3×2.5 m，即1m3沼气占地面积为0.1m2，其高度为2.5m。
1.2.3 气体膜分离系统的设计
设定二段气回流组分与进气组分相同，操作压力为1.0 M Pa时，产气CH。体积分数为97. 0%，尾气CH4体积分数为40.0%时，对应的进气CH4体积分数为93.1%，单位膜面积处理量为1.41m3／(m2．h)，膜面积为48.5m2，切割比（渗透气量／进气量）为0. 408 。
对于一段膜分离，进气组分CH4为60%，进气量为100m3／h，操作压力为1.0 M Pa，产气CH4体积分数为93.1%时，单位膜面积处理量为1. 30m3／(m2．h)，膜面积为75.7m2，此时尾气CH4体积分数为12. 0%，切割比为0.107。
由此得物料衡算结果如表1，此时CH4回收率为91. 2%，回流量为6.6m3／h，总膜面积124.2 m2．产气量为56.4 m3/h。
2结果与讨论
2.1膜法沼气纯化系统的费用分析
2.1.1 总投资费用
建筑工程费用：整套装置可以安装在1个撬装箱体，箱体内配置防爆照明灯、自动排风系统、可燃气体报警仪。占地面积为10m2，高2.5 m，选用6m标准集装箱，集装箱加装钢制标准门，喷漆，造价7. 33万元，由天津隆电公司提供。
设备购置及安装费用：膜法沼气纯化系统所需设备如表2。
总投资费用：二段膜分离系统的膜法沼气纯化的总投资费用为84. 88万元，约8 500元／(m3．h)，对二段膜分离系统的投资总费用来说，压缩机和膜组件费用分别占投资总费用的23.3%和21. 9%。
2.1.2总运行费用
膜法沼气纯化厂的运行费用如表4。
由此可得膜法沼气纯化厂的年运行成本约为34.8万元，折合0.43元／m3沼气或0. 77元/m3生物甲烷，若不计折旧，为0. 35元／m3或0. 62元／m3生物甲烷，运行费用中，电费占年运行费用的38. 7%。
2.1.3 经济效益
假定系统产气作为天然气进行管道运输，年收益为121.8万元，年净收益为87.0万元。二段气体膜分离系统的投资回收期（静态）为：84. 9/87.0=0. 88，约为11.7个月。
2.2影响投资与运行费用的相关因素研究
2.2.1 处理规模对投资与运行费用的影响
处理规模增大，在膜系统不变的情况下，将使得投资与运行费用进一步减小。从图2看出随着处理规模的增大，单位处理能力投资额从8 500元/(m3．h)下降到4 700元／(m3．h)，而单位沼气处理成本从0.35 J/m3下降到0. 24元/m3。
2.2.2操作压力对投资和运行费用的影响
操作压力的增大对投资与运行费用的影响主要体现在，对装置材料以及设备的耐压能力要求有所提高，压缩机的功耗增加，以及膜面积减小。当操作压力不超过1.6 M Pa时，所使用的膜前处理设备和管道材料等的耐压性能均为1.6 M Pa；但当压力超过1.5 M Pa时，需要使用三级压缩机，其价格增高幅度较大。
当产气CH4体积分数不变的情况下，操作压力从0.8 M Pa提高到2.0 M Pa时，回流量和产气量随操作压力的变化如图3，由于产气CH4体积分数不变，因此甲烷收益率与产气量相关，从90.9%增至91.9%，随着操作压力的增大而进一步趋于平缓，但回流量随着操作压力的增大从8.7 m3/h减小至2.4 m3／h。总膜面积和一段膜面积相差亦减小，如图4，说明在操作压力较低时，二段与单级膜分离系统相比更有优势，随着操作压力增大，该二段膜分离
过程逐渐与单级膜分离过程接近。
当操作压力提高至1.5MPa，膜分离系统投资成本为84. 25万元，年运行成本为36.07万元，年净收益为86.4万元，与1.0MPa时的膜分离系统相当。
3结论
膜法分离沼气纯化系统中最主要的投资费用为膜组件和压缩机购置费用，最重要的运行费用为电费。
100 m3/h的膜法沼气纯化系统总投资费用为84.9万元，年运行费用为34.8万元，单位处理能力投资为8 500元／( m3．h)，单位沼气处理成本为0. 35元/m3，产气甲烷体积分数为97%，产气量为56.4 m3/h，甲烷回收率为91. 2%。
处理规模的提高能够有效降低膜系统的投资与运行费用。操作压力和膜性能也是影响膜系统投资与运行费用的重要因素。操作压力增高，膜使用面积显著降低，但压缩机费用增大，功耗增加。
