CN102772989A - 一种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置和方法，包括等离子体反应器，所述的等离子体反应器上设有进气口、出气口、接地极和高压放电极，高压放电极连有高压电源。所述基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的方法，步骤如下：将含氧气的沼气通过等离子体反应器的进气口导入等离子体反应器；在放电等离子体的高能电子和活性自由基作用下，沼气中的甲烷与氧气发生氧化反应，形成二氧化碳和水，从而实现沼气的氧气脱除；脱除氧气后的沼气从等离子体反应器的出气口排出。本发明有益的效果在于：1利用放电等离子体脱除沼气中的氧气可以降低能耗，减少反应器内积碳；2相比其它脱氧技术，该法工艺简单、操作方便，经处理后的沼气为后续净化和压缩生产车用燃气提供了安全保障。
Description
技术领域
本发明涉及沼气提纯净化技术领域，特别是一种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置和方法。
背景技术
沼气生物气是一种具有较高热值的可燃气体，主要通过有机质厌氧发酵产生，其主要成分为甲烷、二氧化碳和少量的氮气、氢气、氧气、硫化氢等气体，甲烷含量约为50-70%，二氧化碳含量约为30-40%。目前，沼气利用方式主要包括四种：1直接燃烧，民用取暖、照明和炊事等；2直接燃烧产生蒸汽，用于工业供热；3内燃机发电上网；4经净化提纯后用作车用燃气等。
在上述沼气利用方式中，沼气提纯净化能量损失最小，且得到的可输送能量最多，产生的经济效益最大；相比其它几种利用方式，将沼气提纯后作为汽车燃气可实现沼气的高效利用，是最有前景的一种利用方式。沼气提纯净化为车用燃气主要包括五个步骤：沼气脱氧、脱硫、脱二氧化碳、干燥和压缩，其中脱氧尤为重要，如氧气不加以脱除，在压缩和输送过程中，可能会造成爆炸事故，存在安全隐患，通常要求车用燃气中氧气体积百分含量低于0.5%。
现有脱氧专利技术主要包括催化脱氧和非催化脱氧两大类，其中非催化脱氧又可分为变压吸附、膜分离等。中国专利CN101219919A所述方法中采用Pd催化剂加氢脱氧，过程中增加了氢气的消耗，使运行费用增大；中国专利CN101104825B所述的方法是沼气中的氧气和甲烷在高温的条件下500℃左右，通过催化剂作用发生氧化反应实现氧气的脱除，由于原料气需要预热，能耗较大；中国专利CN101648843A和CN101028579A分别采用变压吸附法和膜分离法脱氧，但二者在脱氧的过程，均有氧气富集的过程，存在安全隐患，两者更适合于非可燃混合气中的氧气分离，对沼气中氧气的脱除是不适宜的。
放电等离子体技术已在大气污染控制领域广泛应用，可在常温常压下脱除废气中的有害成分，包括NOXCN1162209C、SO2CN102240500A和VOCsCN102151464A等，至今未见用于沼气中的氧气脱除。
发明内容
本发明的目的正是要解决上述脱氧技术存在的不足，提供一种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置和方法，是一种能耗低、工艺简单、常温常压条件下的沼气中氧气脱除方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置，包括等离子体反应器，所述等离子体反应器上设有进气口、出气口、接地极和高压放电极，高压放电极连有高压电源。
作为优选，所述的高压电源为工频高压电源、高频高压电源或高压脉冲电源。
作为优选，所述的等离子体反应器内放电形式为介质阻挡放电、辉光放电或电晕放电。
作为优选，所述的等离子体反应器结构为线-筒式、线-板式和填充式。
作为优选，所述的等离子体反应器采用填充式反应器结构，填充介质的轴向二端设置有聚四氟多孔支撑板，填充介质的径向外侧设置有阻挡介质，填充介质为石英玻璃球或活性氧化铝球，接地极设置在阻挡介质的外侧。
这种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置的脱除氧气方法，步骤如下：
1、将含氧气的沼气通过等离子体反应器的进气口导入等离子体反应器；
2、调节高压电源，使得等离子体反应器内开始气体放电，在放电等离子体的高能电子和活性自由基作用下，沼气中的甲烷与氧气发生氧化反应，形成二氧化碳和水，从而实现沼气的氧气脱除；
3、脱除氧气后的沼气从等离子体反应器的出气口排出，进入后续沼气净化工段。
作为优选，所述的等离子体反应器内的放电能量密度在50J/L到500J/L之间。
作为优选，所述的等离子体反应器内沼气的停留时间在0.1秒到10秒之间。
本发明有益的效果是：1利用放电等离子体脱除沼气中的氧气可以降低能耗，减少反应器内积碳；2相比其它脱氧技术，该法工艺简单、操作方便，经处理后的沼气为后续净化和压缩生产车用燃气提供了安全保障。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2沼气等离子体脱氧前后的气相色谱图；
附图标记说明：1-1进气口，1-2阻挡介质，1-3接地极，1-4填充介质，1-5聚四氟多孔支撑板，1-6高压放电极，1-7出气口，2高压电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1如图1所示，采用的等离子体反应器1为填充式反应器结构，放电形式采用介质阻挡放电，所述的等离子体反应器1包括进气口1-1，阻挡介质（石英玻璃管）1-2，接地极（不锈钢丝网）1-3，填充介质（石英玻璃球）1-4，聚四氟多孔支撑板1-5，高压放电极（不锈钢棒）1-6和出气口1-7；所述高压放电极1-6连有高压电源2（采用高频高压电源）。所述聚四氟多孔支撑板1-5用作阻挡介质石英玻璃管1-2内支撑高压放电极1-6的目的，同时也起到等离子体反应器1内气体分布的作用。具体结构参数：石英玻璃管内径为35mm，壁厚为2.5mm，长度270mm；石英玻璃管内填有直径2mm的石英玻璃球。分析检测仪器：利用配有TCD检测器、TDX-01碳分子筛柱和5A分子筛色谱柱的GC9790分析原料气和等离子体放电气体产物。
将配好的模拟沼气通过进气口1-1导入到等离子体反应器，调节高压电源2，使得模拟沼气在等离子体反应器1内正常放电。在放电等离子体的作用下，模拟沼气中的氧气与甲烷反应，生成二氧化碳和水，从而实现沼气中的氧气的脱除。
工艺参数及放电参数：放电频率8.1kHz，放电长度80mm，电极间距7.5mm，气体温度为室温，电源输入电压变化范围50V-130V，原料气中O2浓度5%，CO2浓度30%，CH4浓度65%，进气流量300ml/min，实验结果如表1和图2所示。
表1
从图1可以看出，经放电等离子体处理后，模拟沼气中的氧气明显脱除。
从上表1可以看出，随着输入电压放电能量密度的逐渐增大，氧气脱除效率逐渐增大，当电源输入电压增大到70V能量密度为321J/L时，沼气中氧气脱除效率可达到91.1%，此时模拟沼气中氧气体积百分含量已达到了车用燃气标准，继续加大输入电压，模拟沼气中氧气含量可进一步降低，但能耗增大；与此同时，加大输入电压，增加能量密度，甲烷除与氧气发生氧化反应，还与二氧化碳发生重整反应生成一氧化碳和氢气，消耗甲烷，因而选择放电能量密度321J/L为适宜电参数，选择性脱除沼气中氧气。采用中国专利CN101104825B所述的高温催化脱氧方法，原料气需要预热，如按反应温度500℃计算，每升沼气预热需要约1500焦耳热能，相当于能量密度1500J/L，远远大于等离子体脱氧所需能量，因而采用等离子体脱氧能大大降低能耗。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置，包括等离子体反应器，其特征是：所述等离子体反应器上设有进气口（1-1）、出气口（1-7）、接地极（1-3）和高压放电极（1-6），高压放电极（1-6）连有高压电源（2）。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置，其特征是：所述的高压电源（2）为工频高压电源、高频高压电源或高压脉冲电源。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置，其特征是：所述的等离子体反应器内放电形式为介质阻挡放电、辉光放电或电晕放电。
4.根据权利要求1所述的基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置，其特征是：所述的等离子体反应器结构为线-筒式、线-板式和填充式。
5.根据权利要求4所述的基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置，其特征是：所述的等离子体反应器采用填充式反应器结构，填充介质（1-4）的轴向二端设置有聚四氟多孔支撑板（1-5），填充介质（1-4）的径向外侧设置有阻挡介质（1-2），填充介质为石英玻璃球或活性氧化铝球，接地极（1-3）设置在阻挡介质（1-2）的外侧。
6.一种采用权利要求1所述基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的装置的脱除氧气方法，其特征在于：步骤如下：
（1）、将含氧气的沼气通过等离子体反应器的进气口（1-1）导入等离子体反应器；
（2）、调节高压电源（2），使得等离子体反应器内开始气体放电，在放电等离子体的高能电子和活性自由基作用下，沼气中的甲烷与氧气发生氧化反应，形成二氧化碳和水，从而实现沼气的氧气脱除；
（3）、脱除氧气后的沼气从等离子体反应器的出气口（1-7）排出，进入后续沼气净化工段。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的方法，其特征在于：
所述的等离子体反应器内的放电能量密度在50J/L到500J/L之间。
8.根据权利要求6所述的基于等离子体反应器的从沼气中脱除氧气的方法，其特征在于：
所述的等离子体反应器内沼气的停留时间在0.1秒到10秒之间。
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