CN103170218B - 沼气净化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了沼气净化方法及系统。其中，沼气净化方法包括：在超重力分离装置中，分别利用改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，捕获所述沼气中的二氧化碳和硫化氢，以便获得经过净化的生物天然气（其中CH₄含量不低于95%）、富含CO₂和H₂S的改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液和含有亲水性离子液体的吸收液；以及在常压、60-80摄氏度的条件下，使改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生回用改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液；在常温和低压的条件下，使含有亲水性离子液体的吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生回用含有亲水性离子液体的吸收剂。利用该方法可以显著提高沼气净化度和热值、降低吸收剂用量以及提高净化效率。

Description

沼气净化方法及系统

技术领域

本发明涉及化工领域。具体而言，本发明涉及沼气净化方法及系统。

背景技术

现阶段，针对沼气提纯净化，主要有变压吸附法、溶剂吸收法、深冷分离法、膜分离法和微生物转化法等。深冷分离、水或低温甲醇洗、变压吸附和溶剂吸收等技术在传统煤制气、合成气和烟气精制方面广泛工业化应用，然而基于传统工艺设备（低温、塔器）、和分离介质（吸附剂、吸收剂等），存在提纯能耗大、运行成本高和二次污染严重等缺陷，而新型膜分离和微生物转化技术受诸多技术瓶颈所限，尚处于试验阶段，未获稳定化、大规模商业化使用。

就化学吸收-解吸再生法气体净化技术而言，传统工艺路线围绕煤制气、合成气、烟道气等富含CO₂的气源，升温加压工况下基于（改良）热钾碱液、加压（活化）有机醇胺溶液等吸收剂采用塔设备（板式塔或填料塔）吸收-解吸循环操作完成对CO₂、H₂S等的脱除，存在吸收-解吸过程操作温度高（80-120摄氏度）、吸收剂消耗大、二次污染严重、净化升压能耗高和设备庞大等缺点；同时，生物有机质厌氧消化发生的沼气具有常温常压、含CO₂、H₂S和H₂O等特点，若直接将热钾碱法、有机醇胺法等传统工艺用于沼气净化提纯，则难以实现高效、快速净化沼气。

其次，现有离子液体复配吸收剂制备工艺复杂，吸收剂需求量高，未获得满足台架中试需要量之离子液体，因此现有工艺还不能达到采用离子液体复配溶液吸收剂净化提纯沼气的中试规模。

由此，对沼气的净化处理工艺还有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种沼气净化方法以及系统，该方法及系统具有显著提高沼气净化度和H₂S与CO₂脱除率，缩短停留时间、降低吸收剂用量、节约提纯净化能耗、减小设备体积和提高生产效率等优点。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种沼气净化方法，该方法包括：在超重力分离装置中，分别利用改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，捕获所述沼气中的二氧化碳和硫化氢，以便获得经过净化的沼气、改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液和含有亲水性离子液体吸收液；以及在常压、60-80摄氏度的条件下，解吸操作使所述改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生所述改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液；在常温和低压的条件下，解吸操作使所述含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生所述含有亲水性离子液体的吸收剂。

根据本发明的实施例，利用上述方法可以显著提高沼气净化度和H₂S与CO₂脱除率。并且吸收剂的解吸附在常压、60-80摄氏度或者常温和低压的条件下即可进行，显著节省了能耗。

另外，根据本发明上述实施例的沼气净化方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述改良热钾碱溶液包含：10-50%重量份的无水K₂CO₃；1-10%重量份的NaBO₂·4H₂O；0.1-1%重量份的NaVO₃·2H₂O；以及其余量为水，所述活化醇胺溶液包含：1-5%重量份的N-甲基二乙醇胺；1-15%重量份的二乙醇胺；以及其余量为水，所述含有亲水性离子液体的吸收剂包含：30-60%重量份的[NH₂-C₃mim]Br其余量为水。由此通过采用上述吸收剂，尤其采用了含有亲水性离子液体的吸收剂，可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的实施例，所述沼气是由生物有机质厌氧发酵产生的。由此可以进一步提高沼气的纯度，以便为后期沼气的净化节省能耗。

根据本发明的实施例，在所述超重力分离装置中，操作温度为10～50摄氏度，操作压力为0.01～0.18MPa，超重力场因子为20～70。由此可以在达到净化沼气的同时节省能耗，并且可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的实施例，在所述超重量分离装置中，操作温度为10～35摄氏度，操作压力为0.05～0.18MPa，气液比为4～12，气象停留时间为10～150秒，液相停留时间为3～6分钟。由此可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的实施例，在常温和0.5-0.95的真空度下，使所述亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生所述含有亲水性离子液体的吸收剂。由此可以进一步提高吸收剂的再生效率，以便进一步提高吸收剂的再利用。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种用于沼气净化的系统，该系统包括：超重力分离装置，所述超重力分离装置用于分别利用改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，捕获所述沼气中的二氧化碳和硫化氢，以便获得经过净化的沼气、改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液和含有亲水性离子液体吸收液；以及解吸装置，所述解吸装置与所述超重力分离装置相连，并且用于在常压、60-80摄氏度的条件下，使所述改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生所述改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液，以及在常温和低压的条件下，使所述含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生所述含有亲水性离子液体的吸收剂。利用上述系统可以进一步提高沼气的净化效率，提高沼气的净化度以及降低了吸收剂的用量，为生产节省了大量能耗。

另外，根据本发明上述实施例的沼气净化的系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，上述系统进一步包括沼气供给装置，所述沼气供给装置与所述超重力分离装置相连，用于向所述超重力分离装置中供给待处理的沼气，其中，所述超重力分离装置包括：原料气瓶，所述原料气瓶内容纳有待处理的沼气；氢氮压缩机，所述氢氮压缩机与所述原料气瓶相连，用于对所述待处理的沼气进行加压；缓冲部件，所述缓冲部件分别与所述原料气瓶和超重力分离装置相连。由此可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的实施例，所述改良热钾碱溶液包含：10-50%重量份的无水K₂CO₃；1-10%重量份的NaBO₂·4H₂O；0.1-1%重量份的NaVO₃·2H₂O；以及其余量为水，所述活化醇胺溶液包含：1-5%重量份的N-甲基二乙醇胺；1-15%重量份的二乙醇胺；以及其余量为水，所述含有亲水性离子液体的吸收剂包含：30-60%重量份的[NH₂-C₃mim]Br其余量为水。由此通过采用上述吸收剂，尤其采用了含有亲水性离子液体的吸收剂，可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的实施例，上述系统进一步包括吸收剂供给装置，所述吸收剂供给装置与所述超重力分离装置相连，用于为所述超重力分离装置供给吸收剂，其中，所述吸收剂供给装置包括：吸收剂储槽，所述吸收剂储槽中设置有吸收剂；耐腐蚀蠕动泵，所述耐腐蚀蠕动泵分别与所述吸收剂储槽和所述超重力分离装置相连。由此可以为超重力分离装置提供吸收剂，以便进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的实施例，所述解吸装置为两段式填料再生塔。由此利用两段式填料再生塔可以进一步提高吸收剂的解吸效率以及解吸程度。

根据本发明的实施例，上述系统进一步包括氧化装置，所述氧化装置与所述解吸装置相连，用于对所述解析装置产生的硫化氢进行氧化，以获得单质硫。由此可以在净化沼气的同时制备单质硫，以便进一步提高对沼气资源的高值化利用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的沼气净化系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的沼气净化系统的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的沼气净化的系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种沼气净化方法，该方法包括：首先，在超重力分离装置中，分别利用改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，捕获所述沼气中的二氧化碳和硫化氢，以便获得经过净化的沼气、改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液和含有亲水性离子液体吸收液。

根据本发明的具体实施例，发明人意外发现，通过将传统的吸收剂进行改良并同时采用本发明实施例的超重力分离装置可以显著提高沼气的净化效率。根据本发明的具体实施例，用于净化沼气的吸收剂分别为改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，根据本发明的具体实施例，所述改良热钾碱溶液包含：10-50%重量份的无水K₂CO₃；1-10%重量份的NaBO₂·4H₂O；0.1-1%重量份的NaVO₃·2H₂O；以及其余量为水，所述活化醇胺溶液包含：1-5%重量份的N-甲基二乙醇胺；1-15%重量份的二乙醇胺；以及其余量为水，所述含有亲水性离子液体的吸收剂包含：30-60%重量份的[NH₂-C₃mim]Br其余量为水。由此通过采用上述吸收剂，尤其采用了含有亲水性离子液体的吸收剂，可以进一步提高沼气的净化效率。根据本发明的具体实施例，上述吸收剂的组分是发明人通过辛苦劳动获得的，由其含有亲水性离子液体的吸收剂配方是经过响应面分析法优化后得到的。根据本发明的具体实施例，可以将传统的水性吸收剂中添加活性组分，由此可以显著提高该吸收剂吸收沼气中二氧化碳和硫化氢的性能，以便进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明实施例的改良热钾碱液吸收剂，基于优选方案添加少量NaBO₂·4H₂O和微量NaVO₃·2H₂O对其在室温下捕获CO₂和H₂S性能有显著提高，起到催化剂和抗腐蚀功效；根据本发明实施例的活化醇胺液吸收剂，通过多元醇胺优化复配，在室温下对CO₂和H₂S与吸收剂化学结合起到协同促进作用，能显著提高二者吸收率。

根据本发明的实施例，“亲水性离子液体”是一种新型物质，数种功能化离子液体表现出很好的吸收能力。但目前其生产成本较高，本发明实施例采取目标亲水性离子液体与水复配得到很有亲水性离子液体的吸收剂，能够有效降低吸收剂成本，同时二者协同具有更强的捕获能力，提高流动性。并且含有亲水性离子液体的吸收剂在室温和中低压条件下能够实现CO₂和H₂S与离子化组分形成专性化学键合、与复配吸收剂氢键网络融为一体及发生强效物理结合，能够显著提高吸收率，根据本发明的实施例，上述改良热钾碱液吸收剂、活化醇胺液吸收剂以及含有亲水性离子液体的吸收剂是本发明的发明人经过艰苦劳动以及多次试验意外获得的，利用上述三种吸收剂能够显著提高对沼气的净化效率。

根据本发明的一个实施例，上述方法采用在超重力分离技术对沼气进行净化。超重力技术，High Gravity Technology，是一项强化“三传一反”化工过程的新型技术及设备，利用离心力强化传递与微观混合，实现高效多相反应与分离。该方法采用的超重力分离装置，基于转速可调的折流板式旋转床，形成一种连续稳定、人工调控的离心力场，以代替常规重力场。在超重力分离装置内，气液两相错流接触，相对速度大大提高，使相界面快速更新，并且大大提高了液泛速率，因此对沼气的净化效率倍数提高。

根据本发明的另一个实施例，上述方法采用的吸收剂分别为改良热钾碱溶液（10-50%重量份的无水K₂CO₃；1-10%重量份的NaBO₂·4H₂O；0.1-1%重量份的NaVO₃·2H₂O；以及其余量为水）、活化醇胺溶液（1-5%重量份的N-甲基二乙醇胺；1-15%重量份的二乙醇胺；以及其余量为水）和含有亲水性离子液体的吸收剂（30-60%重量份的[NH₂-C₃mim]Br其余量为水）。分别将改良热钾碱溶液、活化有机醇胺溶液和含有亲水性离子液体作为吸收剂，通过耐腐蚀蠕动泵升压后以恒定流率从超重力分离装置中心位置连续注入；厌氧消化产生的沼气通过常压缓冲罐-专属多级压缩机增压-加压储气罐，以恒定流率从超重力分离装置边缘切向连续流入；在适宜操作温度和压力下，基于折流板式旋转床高速旋转所产生的超重力强化效应，气-液两相以错流方式高效接触，CO₂与H₂S被上述吸收剂高效吸收转入液相，沼气被净化；改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液以及含有亲水性离子液体吸收液从超重力分离装置外缘连续流出。

根据本发明的具体实施例，上述待净化的沼气是由生物有机质厌氧发酵产生。其气量波动大，分布、分散性强，采用传统热钾碱法或者有机醇胺法对其净化具有一定难度。根据本发明的具体实施例，针对上述传统化学吸收剂在常压、室温下对CO₂、H₂S吸收饱和容量小、达到平衡时间长的缺陷，开发新型水基功能化离子液体吸收剂、添加了活性组分即得上述含有亲水性离子液体，在接近室温（10～40摄氏度）下高效吸收沼气中CO₂和H₂S，有效降低吸收剂成本、用量。根据本发明的具体实施例，通过对传统工艺技术进行改进，具体改变了水性吸收剂配方，另外采用超重力场强化等手段能够对气量波动大，分布、分散性强的沼气进行净化，并且净化效果明显。

根据本发明的具体实施例，将上述超重力分离装置中的操作温度控制为10～50摄氏度，操作压力为0.01～0.18MPa，超重力场因子为20～70。由此可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的具体实施例，通过多次试验对上述超重量分离装置中的工作条件进行优化，发现当操作温度为10～35摄氏度，操作压力为0.05～0.18MPa，气液比为4～12，气象停留时间为10～150秒，液相停留时间为3～6分钟。由此超重量分离装置中的操作温度基本为常温，由此为整体净化工艺节省了能耗；并且在气象和液相停留较短时间内完成对沼气中二氧化碳和硫化氢的吸附，由此可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的一个实施例，对上述净化沼气后的改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液以及含有亲水性离子液体吸收进行脱吸再生，循环回用。由此可以节省能源同时避免上述吸收液对环境造成二次污染。

根据本发明的具体实施例，上述吸收液可以经过解吸装置（加热或减压）脱吸再生，实现循环回用。根据本发明的具体示例，可以在常压、60-80摄氏度的条件下，将改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液在立式填料塔中处理释放二氧化碳和硫化氢，以便再生改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液。根据本发明的另一个具体示例，可以在常温和低压的条件下，使含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生含有亲水性离子液体的吸收剂。

根据本发明的具体实施例，对上述含有亲水性离子液体吸收液进行解吸的条件并不受特别限制，根据本发明的具体事例，可以在常温和0.5-0.95的真空度下，使含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生含有亲水性离子液体的吸收剂。

根据本发明的具体实施例，经过净化的沼气排出超重力分离装置后经收集、脱水、调配、分级升压等后处理工序制备成生物天然气（BNG）。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种用于沼气净化的系统1000，该系统包括：超重力分离装置100和解吸装置200，并且解吸装置100与超重力分离装置200相连，如图1所示。

根据本发明的一个实施例，超重力分离装置100用于分别利用改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，捕获所述沼气中的二氧化碳和硫化氢，以便获得经过净化的沼气、改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液和含有亲水性离子液体吸收液。

根据本发明的具体实施例，发明人意外发现，通过将传统的吸收剂进行改良并同时采用本发明实施例的超重力分离装置可以显著提高沼气的净化效率。根据本发明的具体实施例，用于净化沼气的吸收剂分别为改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂，根据本发明的具体实施例，上述吸收剂分别为改良热钾碱溶液包含：10-50%重量份的无水K₂CO₃；1-10%重量份的NaBO₂·4H₂O；0.1-1%重量份的NaVO₃·2H₂O；以及其余量为水，活化醇胺溶液包含：1-5%重量份的N-甲基二乙醇胺；1-15%重量份的二乙醇胺；以及其余量为水，含有亲水性离子液体的吸收剂包含：30-60%重量份的[NH₂-C₃mim]Br其余量为水。由此通过采用上述吸收剂，并且通过改变水性吸收剂的配方，可以进一步提高沼气的净化效率。根据本发明的具体实施例，上述吸收剂的组分是发明人通过辛苦劳动获得的，由其含有亲水性离子液体的吸收剂是经过响应面分析法优化后得到的。根据本发明的具体实施例，可以将传统的水性吸收剂中添加活性组分，由此可以显著提高该吸收剂吸收沼气中二氧化碳和硫化氢的性能，以便进一步提高沼气的净化效率。在15-30摄氏度下，基于超重力场强化作用，离子液体-水复配液（含有亲水性离子液体的吸收剂）、改良热钾碱液、活化醇胺液吸收剂分别能够实现98%、96%和90%的CO₂吸收率；吸收CO₂达饱和的吸收液能够分别在室温减压下实现解吸循环回用（离子液体-水复配溶液）、在75摄氏度（改良热钾碱法）和65摄氏度（活化醇胺液）实现解吸再生循环回用，但吸收液解吸再生需要消耗大量的热源（蒸汽），相比之下，离子液体-水复配吸收剂更具有低能耗、高效率和经济实用性。

根据本发明的具体实施例，超重力分离装置100进一步包括：原料气瓶110、氢氮压缩机120以及缓冲部件130，原料气瓶与110氢氮压缩机120相连，缓冲部件130分别与原料气瓶110和超重力分离装置100相连，如图2所述。其中，原料气瓶110内容纳有待处理的沼气；氢氮压缩机120用于对所述待处理的沼气进行加压。根据本发明的具体实施例，利用氢氮压缩机120对沼气进行压缩后存储到原料气瓶110中，原料气瓶110与超重力分离装置100相连以便将压缩后的沼气通入超重力分离装置100中。根据本发明的具体实施例，缓冲部件130设置在原料气瓶110与超重力分离装置100之间，由此可以通入沼气的速率进行控制，同时该缓冲部件130还可以保持重力分离装置100的内部压力恒定。由此可以进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的具体实施例，上述超重力分离装置100由辐射状折流板式旋转床、联轴器、动静机械密封底座、外夹套式圆筒型固定件以及温控外夹套等组合而成。该超重力分离装置能够产生人工可调的超重力场，气相-液相（沼气-吸收剂）以错流方式快速碰撞，促进吸收剂微细雾滴化，强化气液高效接触，使气相中的CO₂、H₂S快速转入液相，有效降低物料返混。温控外夹套具备快速加热或冷却功能，能够较好控制吸收温度。

根据本发明的具体实施例，吸收剂从超重力分离装置中心位置压送进入，沼气则从超重力分离装置外缘沿切向进入，辐射状折流板起到不断破碎液滴和分散气相的作用，借助超重力场实现充分错流接触和高效热质传递，能够有效缩短吸收时间。根据本发明的具体示例，采用上述超重力分离装置可以将采用传统塔式设备用于净化沼气的吸收时间为3-20min缩短至20-200s，并且沼气中的和H₂S去除率由采用传统塔式设备的去除率为94-96%上升到98%以上。根据本发明的具体示例，采用超重力分离装置能够显著减小了设备尺寸，有效降低核心设备重量和占地面积，能够满足现有厌氧消化沼气产气规模不一、地域分散的要求，特别适合建造车载移动式沼气净化提纯装置的技术需求，并且该超重力分离装置能够实现连续化运行、控制操作简洁，适合于多种类吸收剂需求。由此采用本发明实施例的沼气净化系统可以进一步缩短沼气净化时间，提高沼气净化度以及显著降低生产投资。

根据本发明的一个实施例，上述解吸装置200用于在常压、60-80摄氏度的条件下，使改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液，以及在常温和低压的条件下，使含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生含有亲水性离子液体的吸收剂。

根据本发明的具体实施例，解吸装置200并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，解吸装置200可以为两段式填料再生塔。由此可以进一步提高改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液以及含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢的效率，实现吸收剂的循环再利用。根据本发明的具体示例，解吸装置可以包括圆柱型塔体、上下封头、双层填料段、液体分布器、液体收集再分布器、除沫器、支撑栅板和压紧组件等。填料塔筒体及下封头设有温控夹套，开有一个吸收液进口、一个再生液出口和一个解吸气排放口及清洗口、测压口、测温口、抽真空借口、与排空口等。一个吸收液进口与超重力分离装置出口-耐腐蚀输送泵-液体流量计相连，一个再生液出口经空气氧化-固液分离器（回收固体硫磺）与吸收剂储槽（高位槽）相连，解吸气排放口经气体流量计-在线取样口后收集制备纯CO₂。由此可以进一步提高对沼气净化的高值化利用。

根据本发明的具体实施例，利用上述解吸装置可以在常压下、60-80摄氏度的条件下，对改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液释放二氧化碳和硫化氢进行解吸，以便再生改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液，以及在常温和低压的条件下，对含有亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢进行解吸，以便再生含有亲水性离子液体的吸收剂。根据本发明的具体示例，上述低压的条件可以为0.5-0.95的真空度。

根据本发明的一个实施例，用于沼气净化的系统1000进一步包括吸收剂供给装置400，吸收剂供给装置400与超重力分离装置100相连，用于为超重力分离装置100供给吸收剂。

根据本发明的具体实施例，吸收剂供给装置400可以位于超重力分离装置100与解吸装置200之间，由此可以使得吸收剂处于吸附、解吸附的循环作业状态。

根据本发明的具体实施例，吸收剂供给装置400包括：吸收剂储槽410和耐腐蚀蠕动泵420。吸收剂储槽410中设置有吸收剂；耐腐蚀蠕动泵420分别与吸收剂储槽410和超重力分离装置100相连，如图2所示。由此可以通过耐腐蚀蠕动泵420控制向超重力分离装置100输送吸收剂的速率，进一步提高对吸收剂的利用效率，以便进一步提高沼气的净化效率。同时通过耐腐蚀蠕动泵420还可以维持超重力分离器100内的压力，以便进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的一个实施例，用于沼气净化的系统1000进一步包括沼气供给装置300，沼气供给装置300与超重力分离装置100相连，用于向超重力分离装置100中供给待处理的沼气。根据本发明的具体实施例，通过沼气供给装置可以保持沼气的持续供应，以便维持沼气净化过程的连续性，以便进一步提高沼气的净化效率。

根据本发明的一个实施例，用于沼气净化的系统1000进一步包括氧化装置500，氧化装置500与解吸装置200相连，用于对解析装置200产生的硫化氢进行氧化，以获得单质硫。由此可以进一步提高对沼气资源的高值化利用。

根据本发明的具体实施例，本文中所提到的离子液体-水复配溶液、功能化离子液体水基复配吸收剂、水基复配吸收剂、亲水性离子液体-水复配吸收剂等均指含有亲水性离子液体的吸收剂，其技术效果以及优点此处不再赘述。

一般方法

一种由超重力场与功能化离子液体水基复配吸收剂强化吸收、两段式逆流连续接触填料塔减压再生耦联连续化提纯净化沼气制备生物天然气的集成工艺，该集成工艺及装置属于中试规模。

具体工艺设备示意图见图3（1、多段氢氮压缩机；2、原料气瓶；3、缓冲混配罐；4、在线取样口；5、原料气流量计；6、净化气收集罐；7、净化气流量计；8、超重力分离装置；9、温控夹套；10、折流板旋转床；11、气体分布器；12、密封圈；13、气液分离器；14、变频电机；15、控制柜；16、减压阀；17、吸收液流量计-0；18、吸收液储槽；19、耐腐蚀蠕动泵；20、吸收液流量计-1；21、两段填料再生塔；22、真空泵系统；23、耐腐蚀蠕动泵；24、吸收剂储槽；25、吸收剂流量计；26、再生液流量计；27、空气氧化槽；28、固液分离器；29、除沫器；30、CO₂收集罐）。

基于下述前提条件：

1、生物有机质经混合微生物菌群厌氧消化产生的沼气（或由CO₂、CH₄和H₂S等参照沼气组成复配而成的模拟气）采用氢氮多级压缩机1升压（3-5atm，表压）后，贮存于原料气瓶2。

2、对传统热钾碱液、有机醇胺溶液按一定配方添加活性组分或催化组分（包括含Fe、V、B、Zn、Cu等金属离子的无机盐或包括MDEA、DIPA、AMP、TETA等在内的复配醇胺组分）制备出改良热钾碱溶液与活化有机醇胺溶液吸收剂、另由功能化亲水性离子液体（含[NH₂p-mim]Br、[C₄mim]Br、[C₆mim]Cl等)与水按一定比例复配制备出水基复配吸收剂即含有亲水性离子液体的吸收剂，基于这三种吸收剂分别进行沼气提纯净化，实现高效捕获沼气中CO₂和H₂S。

包括如下步骤：

1、将沼气（或模拟气）经多段氢氮压缩机1压送入原料气瓶2，据实际需求送入混配缓冲罐3，经在线气相采样口4和原料气流量计5进入超重力分离装置8的沼气进口；

2、离开超重力分离装置8出口的净化气经汽水分离器13、净化气流量计7进入BNG收集罐6；

3、分别将三种吸收剂从吸收剂储槽24经耐腐蚀蠕动泵23、液体流量计25从吸收剂入口打入超重力分离装置8；吸收液从超重力分离装置8吸收液出口经减压阀16、液体流量计17、在线采样器进入液体收集罐18，随后饱和吸收液经耐腐蚀蠕动泵19、液体流量计20送入两段填料塔21解吸再生；

4、启动超重力分离装置8折流板式旋转床10，通过变频器14、控制柜15调节旋转床10转速，形成恒定强度超重力场；

5、将超重力分离装置8的温控夹套9、填料再生塔21筒体与下封头夹套通入加热或冷却介质，填料再生塔21顶部抽真空口连接空泵系统22；

6、再生液从填料再生塔21底部出口流出，经在线取样口和吸收液流量计26后，先后进入空气氧化槽27与固液分离器28，从固液分离器28底部排放口获得固相硫磺，从固液分离器28顶部溢流口流出的液相经蠕动泵打入吸收剂储槽24，循环再用；

7、调整超重力分离装置8折流板式旋转床10转速在400-2400rpm，基于改良热钾碱液和活化醇胺液吸收操作温度为10-50摄氏度、压力0-2atm下进行，填料解吸塔21在40-80摄氏度、常压下进行解吸；

8、调控超重力分离装置8折流板式旋转床10转速为300-2100rpm，基于功能化离子液体-水复配吸收剂提纯净化沼气，吸收操作温度为0-40摄氏度，压力为0-2atm（表压）下进行，填料再生塔21在常温、真空度0.5-0.95条件下进行解吸。

本发明所述的厌氧消化沼气（模拟气）提纯净化脱除CO₂、H₂S是基于改良热钾碱液、活化醇胺液或离子液体-水复配液吸收剂是在超重力分离装置8中同步连续完成，达饱和态的吸收液在两段填料再生塔21内加热（或减压）解吸再生，实现循环回用；超重力分离设备温控夹套9、填料再生塔夹套冷却介质采用循环水、加热介质采用过热水或高温水蒸气；针对改良热钾碱液和活化醇胺液吸收剂，气相在超重力分离设备内停留时间为20-200s，液相停留时间为1-8min；超重力分离设备内停留时间为1-10min；针对亲水性离子液体-水复配吸收剂（含有亲水性离子液体的吸收剂），气相停留时间为20-150s，液相吸收-解吸过程既可以连续化操作，又可以间歇化操作。

本发明所述的沼气提纯净化的超重力场强化连续吸收和两段填料塔加热（或减压）解吸高效捕获CO₂与H₂S，制备生物天然气集成化工艺的装置包括：多级氢氮压缩机1与原料气瓶2相连，储存厌氧消化沼气或模拟气的原料气瓶2与混配缓冲罐3相连，在线取样口4与气体流量计5进口和混配缓冲罐3相连，原料气流量计5出口与超重力分离装置8气相进口相连，汽水分离器13与超重力分离装置8的净化气出口相连，净化气流量计7的进口和超重力分离装置8气相出口相连，BNG收集罐6入口与气体流量计7出口相连；吸收剂储槽24出口与耐腐蚀蠕动泵23相连，耐腐蚀蠕动泵23出口与吸收剂流量计25进口相连，吸收剂流量计25出口与超重力分离装置8液相入口相连，超重力分离装置8液相出口与减压阀16-吸收液流量计17-吸收液收集罐18进口相连，吸收液收集罐18出口与耐腐蚀蠕动泵19-再生液流量计20进口相连，再生液流量计20出口与两段填料再生塔21液相进口相连，两段再生塔21液相出口与空气氧化槽27-固液分离器28进口相连，固液分离器28液相溢流口与吸收剂储槽24进口相连，固液分离器28固相排出口与硫磺收集罐相连，两段填料再生塔21气相排出口与CO₂收集罐30相连，两段填料再生塔21抽真空口与真空泵系统22相连。

超重力分离装置（既可以立式放置，也可以卧式放置），两段填料再生塔及连接管路、阀门与气液相接触材质均为SUS304不锈钢，辐射状折流板旋转床可以是蜂窝圆孔状（三角形或正方形对称排布），也可以是交错分布舌型，并配备凸型折流挡板，均为耐腐蚀不锈钢材质。

在超重力分离装置处于连续稳态运行条件下，超重力因子处于20-70，沼气体积流率为4.8-33m³/h，吸收剂体积流率为1.2-3.2m³/h，气液比在4-12之间。产品生物天然气中CH₄浓度（干基）达到97%以上，H₂S浓度低于15ppm，CO₂浓度低于2%。

当填料再生塔处于连续稳态运行时，吸收液体积流率为0.6-3.6m³/h，系统加热到60-80摄氏度（改良热钾碱液与活化醇胺液吸收剂）或系统真空度处于0.5-0.95（离子液体复配吸收剂），CO₂脱吸率不低于93-97%，H₂S（以单质S折算计）回收率大于90%。

实施例1

将单组份CO₂作为原料气源，采用水基离子液体复配溶液为吸收剂（含有亲水性离子液体的吸收剂：[NH₂ p-mim]Br与水，[C₄mim]Br与水，[C₆mim]Cl与水，离子液体与水配比为5-35%），分别基于静-动态吸收法在台架试验装置上开展了CO₂捕获（静动态吸收系统，初始压力0.16-0.18MPa，温度10-40摄氏度）和减压解吸再生回用试验，重量法计算CO₂吸收前后吸收剂饱和容量。试验结果表明，[C₄mim]Br-水与[C₆mim]Cl-水复配吸收剂CO₂饱和容量达0.35-0.42mol/mol吸收剂，[NH₂ p-mim]Br与水复配溶液吸收剂CO₂饱和吸收容量达0.48-0.5mol/mol吸收剂，接近吸收理论值。

实施例2

将单组份CO₂气源作为原料气，分别采用改良热钾碱液和活性醇胺液为吸收剂，基于本发明所涉及超重力场强化吸收和两段填料塔加热解吸再生耦联工艺进行了间歇操作CO₂捕获试验。分别将改良热钾碱液和活化醇胺液吸收剂从吸收剂储槽24中用蠕动泵23、经在线取样口、吸收剂流量计25送入超重力分离装置8（有效容积2.5L，内径200mm，高度80mm），在重量为1kg的吸收剂全部注入超重力吸收装置后停泵并封闭液相进出口；将来自原料气瓶2（4-6MPa）的CO₂减压后送入缓冲混配罐3（设计压力0.35MPa，表压），缓冲罐有效容积为0.012m³，储罐温度28摄氏度，待压力到0.18MP_a（表压）后，关闭原料气瓶2与缓冲混配罐3管路控制阀；关闭超重力分离装置8气液相进出口，接通超重力分离装置8控温夹套9冷却介质，控制系统温度为18摄氏度，开启折流板旋转床10，基于控制柜15和变频器14调节旋转床11转速为400-600rpm；开启缓冲混配罐3与超重力分离装置8连接管路控制阀，快速记录超重力吸收系统初始压力为0.165MPa（表压），经13-16min间歇化吸收操作后，系统压力降至0（表压）；饱和吸收液（收集后密封保存）经填料塔21加热解吸再生（改良热钾碱液，常压，70-80摄氏度；活化醇胺液，常压，60-70摄氏度），CO₂回收率达99%，吸收剂损失率低于1%。

实施例3

参照厌氧消化沼气组成，以CO₂与CH₄的混配气为模拟气源（CH₄体积浓度为55-65%，CO₂体积浓度为35-45%），分别采用改良热钾碱液、活化醇胺液等吸收剂，基于超重力场强化与两段填料塔加热或减压解吸再生集成工艺实施CO₂捕获连续化稳态操作试验。对于改良热钾碱液与活化醇胺液吸收剂，超重力场因子20-70，系统操作压力为0.142-0.165MPa，操作温度为15-32摄氏度，模拟气体积流率4.8-36m³/h，吸收剂体积流率为1.2-3.2m³/h，气相停留时间在10-30s范围内，液相停留时间为2-5min，净化气中CH₄浓度（干基）大于97%，CO₂浓度（干基）低于2%；吸收液常压解吸再生温度为50-80摄氏度，吸收液体积流率为0.6-3.6m³/h，停留时间为5-8min，CO₂浓度（干基）大于98%，吸收剂损失率低于1%，满足循环回用技术要求。

实施例4

以生物有机质（餐厨垃圾）厌氧消化沼气为原料气源（CH₄浓度为63%，CO₂浓度为35%，H₂S浓度为1000ppm），采用改良热钾碱液和活化醇胺液为吸收剂，基于本发明所包括超重力分离装置和两段填料塔组合工艺展开连续化捕获CO₂与H₂S试验。调控超重力场因子为23-68，系统操作压力0.15-0.17MPa，操作温度10-35摄氏度，沼气体积流率4.2-38m³/h，吸收剂体积流率1.3-3.4m³/h，气相停留时间在12-35s范围内，液相停留时间3-6min，净化气中CH₄浓度（干基）高于97%，CO₂浓度低于2%，H₂S浓度低于15ppm；吸收液常压解吸再生温度50-80摄氏度，空气氧化温度40-50摄氏度，CO₂回收率大于95%，H₂S回收率（以单质S计）大于90%，吸收剂损失率低于1%，符合循环回用技术要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种沼气净化方法，其特征在于，包括：

在超重力分离装置中，分别利用改良热钾碱溶液、活化醇胺溶液和含有亲水性离子液体的吸收剂捕获所述沼气中的二氧化碳和硫化氢，以便获得经过净化的沼气、富含H₂S和CO₂的改良热钾碱吸收液、活化醇胺吸收液和含有亲水性离子液体吸收液；

在常压、60-80摄氏度的条件下，使所述改良热钾碱吸收液和活化醇胺吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生回用所述改良热钾碱溶液和活化醇胺溶液；以及

在常温和0.5-0.95的真空度下，使所述亲水性离子液体吸收液释放二氧化碳和硫化氢，以便再生回用所述含有亲水性离子液体的吸收剂，

其中，

所述改良热钾碱溶液包含：

10-50％重量份的无水K₂CO₃；

1-10％重量份的NaBO₂·4H₂O；

0.1-1％重量份的NaVO₃·2H₂O；以及

其余量为水，

所述活化醇胺溶液包含：

1-5％重量份的N-甲基二乙醇胺；

1-15％重量份的二乙醇胺；以及

其余量为水，

所述含有亲水性离子液体的吸收剂包含：

30-60％重量份的[NH₂-C₃mim]Br

其余量为水，

在所述超重力分离装置中，操作温度为10～35摄氏度，操作压力为0.05～0.18MPa，超重力场因子为20～70，气液比为4～12，气相停留时间为10～150秒，液相停留时间为3～6分钟。