CN102391898A

CN102391898A - 变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法

Info

Publication number: CN102391898A
Application number: CN2011102950132A
Authority: CN
Inventors: 黄福川; 卢朝霞; 李宏君; 谢云果; 杨茂立; 唐兴中; 粟满荣; 卢誉远; 蓝明新; 黄孝平; 莫宇飞; 童张法
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2012-03-28

Abstract

一种变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，脱水后的沼气利用吸附剂对二氧化碳在不同的分压下有不同的吸附容量、速度和吸附力、且在一定压力下对各组分有选择吸附的特性，加压吸附去除沼气中的二氧化碳及其它杂质气体组分，实现沼气的高品质利用；采取减压脱吸的办法，使被吸附的二氧化碳及杂质气体解吸，吸附剂得以再生，达到连续制取所需气体的目的。本发明的方法，可使沼气中甲烷的浓度高达98％以上，减压脱附并通过提纯将二氧化碳气体净化富集达98％以上，同时使吸附剂获得再生。本方法适合规模连续性生产，系统结构简单、连续，操作方便，节约能耗，具有广阔的技术应用前景。

Description

变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法

技术领域

本发明涉及一种沼气综合利用技术，尤其涉及一种应用变压吸附的方法分离和提纯沼气中二氧化碳的方法。

背景技术

能源是世界各国经济发展的战略资源，是社会生产力的核心和动力源泉。当前中国能源形势相当严峻：资源贫乏、结构失衡、需求剧增、缺口很大、能效不高和减排困难。据统计，中国2005年化石能源的剩余可采储总量是882亿吨标煤，若按2005年的19亿吨标煤开采量计，只够开采46年。据预测：2000-2020年间化石能源消费的年均增长率是4.3％～4.6％，年需求量将上升到30～32亿吨标煤，如无重大资源发现和不考虑进出口，中国的化石能源大约只够用30年。目前我国石油进口依赖度约为45％，预计到2050年将达75％左右，由此可见，我国石油资源相当紧缺，研究开发替代化石能源的生物质能源显得尤为迫切。沼气是一种性能优良的清洁燃料，不仅原料来源丰富、价廉，而且具有燃烧热效率高、成本低、绿色、低排放、可再生、较其它燃气抗爆性能好的特点，是一种优质可再生生物质能源。

沼气中通常含有60％左右的甲烷，40％左右的二氧化碳、硫化氢和水蒸汽等少量杂质气体。因此将沼气净化，提高沼气中甲烷的纯度以提高其热值、实现沼气的高品质利用是很有必要的；同时可通过提纯系统将沼气中的二氧化碳分离出收集、净化富集至98％以上可供工业使用。这对节约利用可再生的清洁生物质能源、降低碳排放和改善生态环境具有重要的现实意义。

目前，国内外工业上分离回收二氧化碳主要采用干法和湿法，其中湿法有溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法和变压吸附法；而干法就是变压吸附法(PSA)。溶剂吸收法主要适合处理气体中二氧化碳含量较低的气源，分离效果较好，通常可以得到99.99％的高纯度二氧化碳气体，但是投资费用大，能耗高，经济性较差。低温蒸馏法适合处理气体中二氧化碳含量较高的气源(其中二氧化碳含量大于60％)，但是该工艺设备投资大，能耗高，分离效果不佳，一般较少采用此方法；膜分离法的工艺过程简单，操作方便，技术先进，能耗低，经济性好，投资仅为溶剂吸收法的一半，但此法得到的二氧化碳纯度较低，不利于商品化。变压吸附法工艺过程简单，能耗低，且无较大腐蚀问题，当二氧化碳含量小于50％时，PSA技术比其它方法具有经济优势，但将PSA技术应用于沼气净化处理工艺中做到同时脱水、脱碳和脱硫目前国内外还未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用变压吸附技术高效分离沼气中的二氧化碳和其它杂质气体、同时制取高纯度二氧化碳、使沼气中的二氧化碳得以充分利用、达到降低碳排放的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明的工艺步骤是：

(1)沼气经气水分离器除去游离水；

(2)把脱水后的沼气经压缩提压至0.5～1.5MPa；

(3)经步骤2所得沼气进入缓冲罐后，从吸附塔底进入吸附塔的吸附剂床层，沼气中的二氧化碳及其它少量的杂质气体被复合吸附剂吸附下来，而净化气的甲烷将经过吸附塔出口排出；当被吸附杂质物流的前沿接近吸附剂床层出口时，关闭吸附塔的原料气进口和出口气阀，使吸附塔停止吸附；接着依次打开程控阀KV-3A和KV-4A，进行二～三次稳定相同速度和稳定相同压力下降，将吸附剂中吸附的二氧化碳解吸出来；

(4)经过稳定相同的压力下降后，吸附床还有一定的压力，一部分顺放气回收，另一部分放空。

(5)被分离的二氧化碳由真空泵抽出，纯度大于98.5％，同时也使吸附剂得到完全再生。抽真空后，再用稳定相同压力气体对床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。

所处理的沼气为脱除水分之后的沼气，其中甲烷含量约为60％～70％，二氧化碳和其它杂质气体含量约为30％～40％。

变压吸附所用的吸附剂为复合吸附剂，其中各组分的质量百分数分别为：颗粒状氧化铁或氧化钙10％～25％、硅胶45％～75％，活性炭15％～30％；

复合吸附剂在吸附塔内的堆放方式：根据沼气中二氧化碳、硫化氢和水蒸汽的浓度变化选择以下两种方式；a当二氧化碳的浓度≤30％、硫化氢≤1％和水蒸汽≤1％时，复合吸附剂间隔分层堆放；b当二氧化碳的浓度＞30％、硫化氢＞1％和水蒸汽＞1％时，复合吸附剂按先脱水、脱硫再分离二氧化碳的顺序堆放：活性炭在最下面、颗粒状氧化铁或氧化钙在中间、硅胶在上面。

根据沼气产量大小设置四～八个吸附塔，循环地变动所组合的各个吸附塔压力，实现连续生产高纯度高热值的沼气和高净化度二氧化碳气体。

变压吸附的操作温度25℃～45℃，吸附压力0.5MPa～1.5MPa，循环时间4～8分钟，原料沼气流量100m³/h～500m³/h。

本发明的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，采取加压吸附的方法，分离沼气中二氧化碳气体及其它杂质组分气体，使沼气中甲烷的浓度可达98％以上，实现沼气的高品质利用；同时，采取减压脱附并通过脱水提纯系统将二氧化碳气体净化富集达98％以上，供工业使用，与此同时也使吸附剂获得再生。本方法适合较大规模连续性生产，系统结构简单、连续，操作方便，节约能耗，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明采用变压吸附分离沼气中的二氧化碳、水蒸汽和硫化氢及制取高纯度二氧化碳的方法的工艺流程图，其中：

1——气水分离器 2——压缩机 3——缓冲罐

4——吸附塔(A～H) 5——提纯真空泵 6——CO₂缓冲罐

7——鼓风机 8——冷却器 9——CO₂气水分离器

10——CO₂缓冲罐

具体实施方式

本发明利用吸附塔中的复合吸附剂对二氧化碳在不同的分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力、且在一定压力下，对被分离的气体混合物沼气的各组分有选择吸附的特性，采用加压吸附去除沼气中的二氧化碳及其它杂质气体组分，提高沼气中甲烷的浓度，从而提高其热值，实现沼气的高品质利用。同时采取减压脱吸的办法，使得被吸附剂吸附的二氧化碳及其它杂质气体解吸出来，使吸附剂得以再生，达到连续生产的目的。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：

如图1所示，将从沼气池出来的含甲烷约为60％左右、含二氧化碳和其它杂质气体约为40％左右的混合气体通过气水分离器1除去游离水，脱水后的沼气主要成分是甲烷和二氧化碳及其它少量的杂质气体。沼气经脱水后再经压缩机2的压缩提压至0.5～1.5MPa，此时脱水加压后的沼气温度为常温25℃～45℃左右，再进入缓冲罐3，然后匀速从吸附塔底部经原料气进口KV-1A进入吸附塔A的吸附剂床层，在吸附剂选择的条件下，沼气中的二氧化碳及其它少量的杂质气体被吸附剂吸附下来，而净化气甲烷将经过出口气阀KV-2A排出。当被吸附杂质物流前沿接近吸附剂床层出口气阀KV-2A时，关闭吸附塔A的原料气进口气阀KV-1A和出口气阀KV-2A，使其停止吸附。接着依次打开程控阀KV-3A和KV-4A进行二～三次稳定相同速度和稳定相同压力下降过程，其目的是将吸附剂吸附的二氧化碳解吸出来，同时增加床层死空间的二氧化碳的浓度。稳定相同压力下降后，吸附床还有一定的压力，一部分顺放气经程控阀KV-6H回收，另一部分顺吸附塔KV-5H的出气口放空。当吸附床的压力为常压时，可用纯度为98.5％的以上产品二氧化碳去置换，以达到提纯二氧化碳的目的。产品二氧化碳由真空泵5抽出，纯度大于98.5％，同时吸附剂得到完全再生。抽真空后，再用均压气和产品气二氧化碳对床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。

Claims

1.一种变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，其特征是本发明的工艺步骤是：

(1)沼气经气水分离器除去游离水；

(2)把脱水后的沼气经压缩提压至0.5～1.5MPa；

(3)经步骤2所得沼气进入缓冲罐后，从吸附塔底进入吸附塔的吸附剂床层，沼气中的二氧化碳及其它少量的杂质气体被复合吸附剂吸附下来，而净化气中的甲烷将经过吸附塔出口排出；当被吸附杂质物流的前沿接近吸附剂床层出口时，关闭吸附塔的原料气进口和出口气阀，使吸附塔停止吸附；接着依次打开程控阀KV-3A和KV-4A，进行二～三次稳定相同速度和稳定相同压力下降过程，将复合吸附剂中吸附的二氧化碳解吸出来；

(4)均降后，吸附床还有一定的压力，一部分顺放气回收，另一部分放空；

(5)产品二氧化碳由真空泵抽出，纯度大于98.5％，同时吸附剂得到完全再生；抽真空后，再用均压气对床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。

2.如权利要求1所述的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，其特征是所处理的沼气为脱除水分之后的沼气，其中甲烷含量约为60％～70％，二氧化碳和其它杂质气体含量约为30％～40％。

3.如权利要求1所述的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，其特征是变压吸附所用的吸附剂为复合吸附剂，其中各组分的质量百分数分别为：颗粒状氧化铁或氧化钙10％～25％、硅胶45％～75％，活性炭15％～30％。

4.如权利要求3所述的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，其特征是复合吸附剂在吸附塔内的堆放方式：根据沼气中二氧化碳、硫化氢和水蒸汽的浓度变化选择以下两种方式；a当二氧化碳的浓度≤30％、硫化氢≤1％和水蒸汽≤1％时，复合吸附剂间隔分层堆放；b当二氧化碳的浓度＞30％、硫化氢＞1％和水蒸汽＞1％时，复合吸附剂按先脱水、脱硫再分离二氧化碳的顺序堆放：活性炭在最下面、颗粒状氧化铁或氧化钙在中间、硅胶在上面。

5.如权利要求1所述的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，其特征是根据沼气产量大小设置四～八个吸附塔，循环地变动所组合的各个吸附塔压力，实现连续生产高纯度高热值的沼气和高净化度二氧化碳气体。

6.如权利要求1所述的变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法，其特征是变压吸附的操作温度25℃～45℃，吸附压力0.5MPa～1.5MPa，循环时间4～8分钟，原料沼气流量100m³/h～500m³/h。