CN102585953A

CN102585953A - 高效变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法

Info

Publication number: CN102585953A
Application number: CN2012100611311A
Authority: CN
Inventors: 卢朝霞; 黄福川; 莫宇飞; 梁景; 周龙昌; 赵钟兴; 李宏君; 杨茂立; 谢云果; 田宗义; 粟满荣; 唐兴中; 蓝明新
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2012-07-18

Abstract

一种变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法，工艺步骤是沼气经气、水分离器除去游离水后、再经复合分子筛精脱水，沼气经压缩后进入缓冲罐，最后匀速地从吸附塔底部进入变压吸附系统，进行变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳。本发明的方法将复合分子筛精脱水系统和变压吸附技术结合应用于沼气变压吸附系统中脱碳、脱硫，不仅解决了沼气中的硫化氢造成设备严重腐蚀问题，而且还非常有效地提高了分离净化效果，获得高纯度、高热值的甲烷和高纯度的二氧化碳。本方法为实现沼气的工业化、产业化、集成化、规模化的发展提供了一种新的模式。

Description

高效变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法

技术领域

本发明涉及沼气净化综合利用、尤其是一种高效变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法。

背景技术

能源是世界各国经济发展的战略资源，不可或缺。但据国际权威机构预测，全球石油剩余可采储量加上储量增长潜量为2297亿吨，只可用39年，加上待发现资源量共3574亿吨，可用53年；全球天然气剩余可采储量加上储量增长潜量为2225亿吨，可用47年，加上待发现资源量共33696亿吨，只可用63年！当前中国能源形势同样严峻：资源贫乏、结构失衡、需求剧增、以煤为主大量排放温室气体、油气资源极缺且依赖国外、能效低下和减排困难。中国人均煤炭、石油和天然气储量分别为世界平均水平的56.3％、7.7％和7.1％。据预测：2000-2020年间我国化石能源消费的年均增长率将是4.3％～4.6％，年需求量将上升到30～32亿吨标煤。据2011年08月12日中国企业报报道，我国原油表观消费量为1.91亿吨，对外依存度达55.2％，为世界第一。随着全球化石资源渐趋枯竭，我国以化石为主的能源之路必然越走越艰难，研究开发替代化石能源的清洁生物质能源，显得尤为迫切。

有关资料报道：一个25MW装机容量的生物质发电厂年消耗20万吨秸秆，可替代8.7万吨标煤的燃煤，减排18万吨CO₂。我国每年有约7亿多万吨作物秸秆，其中有1亿多吨被白白烧掉，严重污染环境。这些被烧掉的秸秆可以供给500个25MW的小型电站使用，年替代4350万吨标煤和减排9000万吨CO₂，相当于一个“三峡”。可见，可再生、清洁的能源对化石能源的替代已是当今时代发展之大势，是历史的必然。

目前，美欧等国的生物燃料成本已降到相当于每桶石油50～70美元的水平，生物质发电、颗粒燃料、工业沼气等清洁能源和低碳经济商业化运行已十多年，走在世界的前列。20世纪70年代的石油危机与糖价下跌沉重地打击了巴西经济，巴西启动了“全国实施发展燃料乙醇生产计划”，推行添加乙醇的“爱国汽油”，2008年乙醇产量达到1900万吨，替代了50％的汽油，这一比例正在快速提高；乙醇汽油及相关产业总产值已达到巴西国民生产总值的8％，超过信息技术产业。美国也已将生物燃料扩展到整个清洁能源，并提升到“向清洁能源经济转型”的国家战略高度，2007年通过了以生物燃料为主要内容的《能源自主与安全法案》，计划生物乙醇和生物柴油将由2008年的2700万吨增加到2022年的1.08亿吨，2030年将替代30％的化石运输燃料。2006年瑞典的生物能源已能满足当前瑞典25％的能源需求，替代化石能源的生物能源生产已成为瑞典农业生产的重要组成部分，为农民创造越来越多的就业机会和商业效益。2020年瑞典将成为世界上第一个不依赖石油的国家。

沼气是一种优质可再生生物质能源，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。沼气中通常含有55％～70％甲烷、28％～44％二氧化碳、以及0.034％、约1.8～3g/m³的硫化氢和少量水蒸汽等杂质气体。因此，通过沼气净化，提高甲烷含量和热值、实现沼气的高品质利用非常必要；同时，将沼气中的二氧化碳分离、净化、富集使二氧化碳浓度达到98％以上供工业使用、同样有着重要的经济效益和社会效益。

但是，沼气中的少量硫化氢(H₂S)是酸性腐蚀气体，在空气中或在潮湿环境条件下，对管道、燃烧设备和计量仪表等具有强烈的腐蚀作用；当有过量空气时，硫化氢(H₂S)可以燃烧生成二氧化硫(SO₂)，对大气环境造成污染。因此，若应用常规的变压吸附的方法分离和净化提纯沼气及二氧化碳的方法来对处理沼气，虽可以脱除沼气中的大部分水和碳，但无法脱除沼气中的硫，导致设备产生严重的硫化氢腐蚀和分离效果差等问题。在已有技术中，也有过在变压吸附前先进行精脱硫再分离回收二氧化碳的报道，但因精脱硫和变压吸附分别归属于两个工序，不仅程序繁琐，也增加了生产成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种既能分离和净化沼气及二氧化碳、同时又能减少硫化氢的腐蚀和提高分离效果的高效变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明的工艺步骤如图1所示：

(1)沼气经气、水分离器除去游离水；

(2)脱去游离水后的沼气再经复合分子筛精脱水，进行深度精脱水干燥；

(3)经深度精脱水干燥的沼气经压缩后进入缓冲罐；

(4)由缓冲罐出来的沼气，匀速地从吸附塔底部进入变压吸附系统，进行变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳。

深度精脱水干燥使用的复合分子筛是以3A沸石为主的组合干燥吸附剂，其成分为质量比为3A分子筛45％-85％和13X分子筛55％-15％。

深度精脱水干燥使沼气中的水含量降低到3.1mg/kg-10.9mg/kg。

深度精脱水干燥的沼气经压缩至0.5～1.5MPa后进入缓冲罐。

经变压吸附系统后获得的沼气含硫量为5.2mg/kg-10.3mg/kg。

本发明的方法将复合分子筛精脱水系统和变压吸附技术结合应用于沼气变压吸附系统中脱碳、脱硫，不仅解决了沼气中的硫化氢造成设备严重腐蚀问题，而且还非常有效地提高了分离净化效果，实现绿色、节能、高效、低碳、减排、安全、稳定地获得高纯度、高热值的甲烷和高纯度的二氧化碳。本发明的方法为实现沼气的工业化、产业化、集成化、规模化的发展提供了一种新的模式。

附图说明

图1是本发明高效变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法流程图。

其中：

1-气、水分离器 2-分子筛深度精脱水系统 3-压力、流量传感器

4-变频压缩机 5——缓冲罐 6-变压吸附系统

具体实施方式

由于沼气中含有少量硫化氢(H₂S)酸性腐蚀性气体，在和水分的共同作用下，加速金属管道、阀门及流量计的腐蚀。同时，沼气中的硫化氢燃烧后生成二氧化硫，与水蒸气结合成亚硫酸，不仅会对燃烧设备的低温部位金属表面产生腐蚀，而且造成对大气环境的污染。当有过量空气时，H₂S可以燃烧生成SO₃，在有水蒸汽的环境中，就生成硫酸，具有强烈腐蚀性。在不同浓度下，硫酸的露点在90℃～160℃之间。金属接触这类硫酸就会产生腐蚀。另外，也会导致润滑油变质，影响润滑效果，从而加速机器的磨损和损坏。为消除和减少硫化氢的污染和腐蚀性，本申请提供一种应用组合分子筛精脱水系统、对沼气进行预先精脱水的工艺方法，先用气、水分离器除去游离水后，再应用复合分子筛深度精脱水系统，对沼气进行深度精脱水干燥，然后利用变频变压吸附技术，分离二氧化碳和其它杂质气体，同时净化沼气中的二氧化碳，从而达到分离和净化沼气及二氧化碳目的，实现沼气的高品质综合利用。

本发明的技术方案是在申请人的另外两个专利申请《变压吸附分离和提纯沼气中二氧化碳的方法》(中国专利申请号201110295013.2)和《变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法》(中国专利申请号为201110385290.2)的基础上，提出沼气经气、水分离器除去游离水后，增加复合分子筛深度精脱水工艺系统，对沼气进行深度精脱水干燥，尽可能地去除沼气中的水分，减少硫化氢的污染和腐蚀性，进一步完善该变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳的工艺流程，也进一步提高能源效率的利用，达到更进一步节能、减排和低碳的目的。

本发明的技术方案流程是：

1.经气、水分离器脱去沼气中的游离水；

2.将脱除了游离水的沼气经复合分子筛深度精脱水工艺系统，对沼气进行深度精脱水干燥；

3.已深度精脱水干燥后的沼气再经由传感器控制的变频沼气压缩机压缩，进入缓冲罐；

4.从缓冲罐出来的干燥沼气，匀速地从变压吸附系统的吸附塔底部进入变压吸附塔进行变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳，实现绿色、节能、高效、安全、减排、低碳、稳定制取所需气体。

深度精脱水干燥使用的复合分子筛是以3A沸石为主的组合干燥吸附剂，其成分为质量比为3A分子筛45％-85％和13X分子筛55％-15％。使沼气中的水含量降低到3.1mg/kg-10.9mg/kg。脱水干燥的沼气经压缩至0.5～1.5MPa后进入缓冲罐。

经变压吸附系统后获得的沼气含硫量为5.2mg/kg-10.3mg/kg。

实施例1

将从沼气池出来的含甲烷63％、含二氧化碳为33％、压力为0.05MPa～0.10Mpa、处理量为100Nm³/h的沼气经气、水分离器1除去游离水后，再经质量比为3A分子筛65％和13X分子筛35％的组合分子筛精脱水工艺系统2，对沼气进行深度精脱水干燥，使沼气中的水含量降低到小于8.2mg/kg，再经变频沼气压缩机4压缩至0.8MPa，(进入变频沼气压缩机前，通过压力调节阀调至0.1MPa左右)变频沼气压缩机4由检测沼气流量和压力的传感器3控制，自动调节流量和压力，使之与干燥后的沼气压力和流量1.69m³/min相匹配，变频沼气压缩机的进气温度20.5℃，排气压力0.8MPa，排气温度35℃，再进入缓冲罐5，然后匀速地从吸附塔底部进入变压吸附系统6，进行变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳。最后，得到沼气的净化度为98.7％，其中硫化氢的含量7.3mg/kg和二氧化碳的纯度为99.5％。

实施例2：

将从沼气池出来的含甲烷61％、含二氧化碳为34％、压力为0.12MPa～0.21Mpa、处理量为500Nm³/h的沼气通过气、水分离器1除去游离水，再经质量比为3A分子筛85％和13X分子筛15％的组合分子筛精脱水工艺系统2，对沼气进行深度精脱水干燥，使沼气中的水含量降低到小于10.9mg/kg，再经变频沼气压缩机4压缩至排气压力1.2MPa，(进入变频沼气压缩机前，通过压力调节阀调至0.1MPa左右)，变频沼气压缩机由检测沼气流量和压力的传感器3控制自动调节其流量和压力，使之与干燥后的沼气压力和流量8.56m³/min相匹配，变频沼气压缩机的进气温度28.5℃，排气压力1.2MPa，温度41℃，再进入缓冲罐5，然后匀速地从吸附塔底部进入变压吸附系统6，进行变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳。最后，得到沼气的净化度为98.9％，其中硫化氢的含量10.3mg/kg和二氧化碳的纯度为99.4％。

实施例3：

将从沼气池出来的含甲烷65％、含二氧化碳为31％、压力为0.04MPa～0.08Mpa、处理量为50Nm³/h的沼气通过气、水分离器1除去游离水，再经质量比为3A分子筛45％和13X分子筛55％的组合分子筛精脱水工艺系统2，对沼气进行深度精脱水干燥，使沼气中的水含量降低到小于3.1mg/kg，再经变频沼气压缩机4的压缩至0.5MPa，(进入变频沼气压缩机前，通过压力调节阀调至0.1MPa左右)，变频沼气压缩机由检测沼气流量和压力的传感器3控制，自动调节其流量和压力，使之与干燥后的沼气压力和流量0.86m³/min相匹配，变频沼气压缩机的进气温度8.2℃，排气压力0.5MPaMPa，温度23℃，再进入缓冲罐5，然后匀速地从吸附塔底部进入变压吸附系统6，进行变压吸附分离、净化沼气和二氧化碳。最后，得到沼气的净化度为98.2％，其中硫化氢的含量5.2mg/kg和二氧化碳的纯度为98.6％。

Claims

1.一种变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法，其特征是工艺步骤是：

(1)沼气经气、水分离器除去游离水；

(3)经深度精脱水干燥的沼气经压缩后进入缓冲罐；

2.如权利要求1所述的变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法，其特征是深度精脱水干燥使用的复合分子筛是以3A沸石为主的组合干燥吸附剂，其成分是质量比为3A分子筛45％-85％和13X分子筛55％-15％。

3.如权利要求1所述的变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法，其特征是深度精脱水干燥使沼气中的水含量降低到3.1mg/kg-10.9mg/kg。

4.如权利要求1所述的变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法，其特征是深度精脱水干燥的沼气经压缩至0.5～1.5MPa后进入缓冲罐。

5.如权利要求1所述的变频变压吸附分离和提纯沼气及二氧化碳的方法，其特征是经变压吸附系统后获得的沼气含硫量为5.2mg/kg-10.3mg/kg。