CN104946329A - 适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统及工艺，系统包括：经管路依次串联的丝网过滤装置、吸气泵、第一级干燥装置、碱洗装置、第二级干燥装置、活性碳罐、分子筛、缓冲罐、压气泵、稳压储气罐及阻火器装置构成的沼气处理组件，由电子控制单元、CH4浓度传感器、CO2浓度传感器、压力传感器组成的浓度及压力检测控制装置。本发明可有效去除沼气中的水及颗粒物等杂质，CO2、H2S和SO2去除率极高，纯化后CH4浓度可稳定在98％以上，碱液再生装置可碱液可再生。进入到沼气发电组的气体成分稳定，压力稳定，整套纯化装置可长久使用，气体流动阻力很小，维护成本低，特别适用于分布于广大农村、城镇的中小型沼气工程的中小型沼气发电机组。
Description
技术领域
本发明属于环境保护和可再生能源利用领域，尤其是涉及一种适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统及工艺。
背景技术
沼气作为热值高、可再生清洁能源引起了人们极大的关注，我国沼气资源储量非常丰富，市场需求巨大。国内沼气目前主要用作农村灶具燃料，使用价值较低。国内外的沼气发展显示，沼气发电是高效利用沼气的重要手段。
沼气发电在应用过程中存在以下几个问题，使得沼气发电在推广发展中存在着障碍。首先，与其他燃气相比，沼气成分复杂，其主要成份是甲烷CH4(50-70％)和二氧化碳CO2(25-40％)，还含有硫化氢、饱和水蒸气、高碳烃(从乙烷C2H6到庚烷C7H16)、一氧化碳、氮气、氦气、卤代烃及固体颗粒物等杂质，使得沼气在发动机燃烧过程中燃烧不稳定；其次，沼气中的二氧化碳所占比例较高，大大降低沼气的燃烧速度，从而使得沼气发动机燃烧效率降低，发动机的功率也相应大大降低；第三，沼气中的硫化氢、水蒸气及其杂质，使得沼气发动机机械零部件腐蚀严重，极大地缩短沼气发动机寿命。
因此除水、除杂质、除硫、稳压非常关键，气源的预处理是沼气发电机组正常工作的前提。否则无法形成批量生产和销售。我国进口的大型沼气发电机组均带有气源预处理装置。但我国生产的中小型沼气发电机组几乎都没有配置前处理装置，也没有实用化的沼气前处理装置。
中国专利CN202460429U公开了一种同步分离纯化沼气中甲烷与二氧化碳的膜装置，主要是由气体压缩系统、精密过滤系统、可控温加热装置和膜分离控制装置五个部分组成，其中气体压缩系统是由压缩机、气水分离器、油雾分离器、气体缓冲罐、前压力调节器和总气体流量计组成，精密过滤系统由一级精密吸附器和二级精密吸附器组成。该专利是通过对进入膜组件气体的压力、温度与流量进行控制，实现从膜分离器的不同出口获得沼气中甲烷与二氧化碳的不同纯度高品质分别分离、纯化与回收的目的。该专利适用于工业用途，如适应于有专人维护及资金保障的大型沼气工程，将纯化后的甲烷并入天然气管网。但是对于分布于广大农村、城镇的中小型沼气工程的沼气发电装置并不适用，这是因为经过一定时间的使用后，膜分离器将被堵塞，降低纯化效果，增大气体流动阻力，严重时甚至无气体流动，如果作为沼气发电机组的燃料，发电机组在很短时间内必将无法正常工作；且由分散的用户来更换膜分离器等核心装置，除成本高外，技术上的实际可操作性很低；另外二氧化碳的收集也没有实际意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可有效去除沼气中的水及颗粒物等杂质、可保持中小型沼气发电机组长时间稳定可靠运行的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统及工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，包括：
经管路依次串联的丝网过滤装置、吸气泵、第一级干燥装置、碱洗装置、第二级干燥装置、活性碳罐、分子筛、缓冲罐、压气泵、稳压储气罐及阻火器装置构成的沼气处理组件，
所述的碱洗装置还连接有碱液再生装置，
由电子控制单元、CH4浓度传感器、CO2浓度传感器、压力传感器组成的浓度及压力检测控制装置，检测沼气处理组件中的各装置。
所述的第一级干燥装置内置风机，底部设有出水口，经管道连接沼气池，风冷降温干燥后的冷凝水经管道返回到沼气池内。
所述的第一级干燥装置安装有CH4浓度传感器、CO2浓度传感器，并与电子控制单元信号连接。
所述的碱洗装置采用一级或多级结构，每级碱洗装置结构相同，进气口通过管道与上一级碱洗装置出气口相连，气体经过进气管送到NaOH碱液内，进气管的下端为开设数个出气孔的空心球体或扁圆柱体结构，出气口布置在顶部，碱液面的高度低于出气口。
第二级干燥装置进气口与最后一级碱洗装置出口管道连接，碱洗后的气体经过进气管送到干燥装置内的浓H2SO4吸收水分，该进气管的下端为开设数个出气孔的空心球体或扁圆柱体结构，出气口位于第二级干燥装置的顶部，并管道连接活性炭罐入口，浓H2SO4液面的高度低于出气口。
所述的稳压储气罐安装有CH4浓度传感器、CO2浓度传感器及压力传感器，并与电子控制单元信号连接。
所述的碱液再生装置由液泵和碱液再生罐串接构成，所述的碱液再生罐中装有Ca(OH)2。
适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理工艺，采用以下步骤：
第一步：沼气通过丝网过滤装置除掉沼气中颗粒物杂质；
第二步：丝网过滤装置出口与吸气泵进口相接，吸气泵出口连接到第一级干燥装置进口，利用第一级干燥装置上安装的CH4浓度传感器和/或CO2浓度传感器检测沼气中气体含量；
第三步：沼气进入碱洗装置，利用碱液进行碱洗去除CO2、H2S和SO2的酸性物质，生成Na2CO3、Na2S和Na2SO3；
第四步：碱洗后的气体从碱洗装置出口通过管道连接到第二级干燥装置进口，吸收气体中的水分；
第五步：第二级干燥装置的出口与活性炭罐入口用管道连接，活性碳罐出口与分子筛入口相连，吸收沼气中的其它杂气；
第六步：分子筛出口连接到缓冲罐入口，缓冲罐出口与压气泵进口相连，压气泵出口连接到稳压储气罐进口。稳压储气罐上安装CH4浓度传感器和/或CO2浓度传感器、气体压力传感器，检测气体含量及压力；
第七步：稳压储气罐出口与阻火器装置入口相连，阻火器装置出口和沼气发电机组的燃气进口相连。
碱洗装置下部经管道与碱液再生装置相连，将碱洗装置内使用过的废碱液通过打开阀门送入碱液再生装置的碱液再生罐，碱液再生罐中的Ca(OH)2与Na2CO3、Na2S和Na2SO3反应，生成物为固态CaCO3、CaS、CaSO3以及液态NaOH，液态NaOH经液泵送回到碱洗装置，固态CaCO3、CaS、CaSO3经碱液再生罐底部排出。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过丝网过滤装置、多级碱洗装置、二级干燥装置、活性碳罐、分子筛，可有效去除沼气中的水及颗粒物等杂质，CO2、H2S和SO2去除率极高，纯化后CH4浓度可稳定在98％以上。
(2)通过碱液再生装置可碱液可再生，可以大大的延长碱液的使用时间，确保沼气纯化效果长期稳定可靠，几乎无维护成本。
(3)通过稳压储气罐及相关的稳压装置，可以使纯化后的气体稳压储存。
(4)本申请采用的是碱液吸收达到沼气纯化目标，并通过碱液再生可使整套装置长久使用，整套纯化装置的气体流动阻力很小，成本低，进入到沼气发电组的气体成分稳定，压力稳定，整套纯化装置可长久使用，特别适用于分布于广大农村、城镇的中小型沼气工程的中小型沼气发电机组。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为碱洗装置的结构示意图；
图3为碱洗装置的结构示意图。
图中，1-沼气池、2-丝网过滤装置、3-吸气泵、4-第一级干燥装置、5-第一级碱洗装置、6-第二级碱洗装置、7-第三级碱洗装置、8-第二级干燥装置、9-活性碳罐、10-分子筛、11-缓冲罐、12-压气泵、13-稳压储气罐、14-阻火器装置、15-沼气发电机组、16-风机、17-阀门、18-CH4浓度传感器、19-CO2浓度传感器、20-阀门、21-液泵、22-阀门、23-碱液再生罐、24-阀门、25-CH4浓度传感器、26-CO2浓度传感器、27-压力传感器、28-电子控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其结构如图1所示，包括：经管路依次串联的丝网过滤装置2、吸气泵3、第一级干燥装置4、第一级碱洗装置5、第二级碱洗装置6、第三级碱洗装置7、第二级干燥装置8、活性碳罐9、分子筛10、缓冲罐11、压气泵12、稳压储气罐13及阻火器装置14构成的沼气处理组件，第一级干燥装置4、第一级碱洗装置5、第二级碱洗装置6、第三级碱洗装置7还与碱液再生装置连接，连接管道上设有阀门20。除此之外，还包括由电子控制单元28、CH4浓度传感器、CO2浓度传感器、压力传感器27组成的浓度及压力检测控制装置，检测沼气处理组件中的各装置。
本发明的关键装置在于第一级干燥装置4、多级碱洗装置、第二级干燥装置8、浓度及压力检测控制装置、碱液再生装置。其特征分述如下：
第一级干燥装置4的进口与吸气泵3出口相连接，其出口与第一级碱洗装置5的进气口相连，第一级干燥装置4装有一个风机16，风机16采用沼气发电机组的发电或市电来驱动，在第一级干燥装置4底部装有一个出水口，经过阀门17经管道与沼气池1相连，沼气风冷降温干燥后的冷凝水返回到沼气池1内。
碱洗装置采用一级或多级，本实施例的碱洗装置采用三级结构，每级碱洗装置的结构相同，每级碱洗装置都装置有一定容积的碱液(如NaOH)，其进气口通过管道与上一级碱洗装置出气口相连，气体经过进气管送到碱液里面，进气管的下端是一个空心球型体或空心扁圆柱体，其结构分别如图2和图3所示，在空心球型体或空心扁圆柱体上开设众多出气小孔。碱洗装置出气口布置在顶部，碱液面的高度低于出气口。
第二级干燥装置8的进气口与最后一级碱洗装置出口通过管道，出口位于第二级干燥装置的顶部，且用管道连接到活性炭罐9入口。气体经过进气管送到干燥装置内的浓H2SO4，气体中水分被浓H2SO4吸收。进气管的下端是一个空心球型体或空心扁圆柱体，在空心球型体或空心扁圆柱体上开设众多出气小孔。第二级干燥装置8出气口布置在顶部，浓H2SO4液面高度低于出气口。
浓度及压力检测控制装置包括电子控制单元28，CH4浓度传感器、CO2浓度传感器、压力传感器等。其中CH4浓度传感器25、CO2浓度传感器26、以及气体压力传感器27安装在稳压储气罐13上；CH4浓度传感器18和CO2浓度传感器19安装在第一级干燥装置4上。电子控制单元28对沼气燃料纯化前后的沼气浓度和储气罐内压力进行监控，检测参数可以显示，超值报警。
碱液再生装置由阀门24、液泵21和碱液再生罐23三个部分串接。每级碱洗装置的下部都有一出口，通过阀门22进行控制。碱液再生罐中装有Ca(OH)2液体。
本发明在使用时，首先沼气经丝网过滤装置2过滤除掉颗粒物等杂质，再通过吸气泵3送入一级干燥装置4中进行风冷脱水，接着将干燥后的沼气进行多级串联的碱洗装置(本申请为三级)进行碱洗，可有效去除沼气中的大部分CO2、H2S和SO2，生成Na2CO3、Na2S和Na2SO3，之后将气体通过第二级干燥装置8内的浓H2SO4溶液进行干燥，并采用活性炭罐9和分子筛10吸收余下杂气后进入缓冲罐11，经压气泵12升压后储存到稳压储气罐13中，其中由CH4浓度传感器、CO2浓度传感器及压力传感器27提供检测信号给电子控制单元28，由电子控制单元28根据信号控制压气泵12工作，稳压储气罐的气体可以稳定在一个选定压力，如1.5bar，纯化后的沼气甲烷浓度可高达98％以上，最后将沼气送入沼气发电机组15进行发电，为避免燃烧的沼气回到前面的装置中，在发电机组前端设置阻火器装置14。
另外经一段时间使用后碱洗装置内的碱液浓度会下降，为此每一个碱洗装置的下端有一个管道可以将使用过的碱液通过打开阀门20送入碱液再生罐23，再生装置中用Ca(OH)2与Na2CO3、Na2S和Na2SO3等反应，生成CaCO3、CaS、CaSO3以及NaOH，生成的NaOH经液泵21送回到碱洗装置内。
第一级干燥装置4、第一级碱洗装置5、第二级碱洗装置6、第三级碱洗装置7、第二级干燥装置8、碱液再生罐23的外形尺寸可以做成相同圆柱体，如图2和图3，其内径为150mm、高为300mm。
第一级干燥装置4、第一级碱洗装置5、第二级碱洗装置6、第三级碱洗装置7、第二级干燥装置8、碱液再生罐23内的进气管结构可以做出下部为空心球型体的进气通道组件(图2)，进气管的内径为20mm，空心球型体的直径为50mm，空心球型体上均布直径为2mm小孔。
第一级干燥装置4、第一级碱洗装置5、第二级碱洗装置6、第三级碱洗装置7、第二级干燥装置8、碱液再生罐23内的进气管结构也可以做成下部为空心扁圆柱体的进气通道组件(图3)，进气管的内径为20mm，空心扁圆柱体的直径为50mm，空心扁圆柱体高为5mm，空心扁圆柱体上均布直径为2mm小孔。
本专利中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。由于文字表达的局限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合，这些改进润湿、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，该系统包括：
经管路依次串联的丝网过滤装置、吸气泵、第一级干燥装置、碱洗装置、第二级干燥装置、活性碳罐、分子筛、缓冲罐、压气泵、稳压储气罐及阻火器装置构成的沼气处理组件，
所述的碱洗装置还连接有碱液再生装置，
由电子控制单元、CH4浓度传感器、CO2浓度传感器、压力传感器组成的浓度及压力检测控制装置，检测沼气处理组件中的浓度和压力。
2.根据权利要求1所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，所述的第一级干燥装置内置风机，底部设有出水口，经管道连接沼气池，风冷降温干燥后的冷凝水经管道返回到沼气池内。
3.根据权利要求1所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，所述的第一级干燥装置安装有CH4浓度传感器、CO2浓度传感器，并与电子控制单元信号连接。
4.根据权利要求1所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，所述的碱洗装置采用一级或多级结构，每级碱洗装置结构相同，进气口通过管道与上一级碱洗装置出气口相连，气体经过进气管送到NaOH碱液内，进气管的下端为开设数个出气孔的空心球体或扁圆柱体结构，出气口布置在顶部，碱液面的高度低于出气口。
5.根据权利要求1所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，第二级干燥装置进气口与最后一级碱洗装置出口管道连接，碱洗后的气体经过进气管送到干燥装置内的浓H2SO4吸收水分，该进气管的下端为开设数个出气孔的空心球体或扁圆柱体结构，出气口位于第二级干燥装置的顶部，并管道连接活性炭罐入口，浓H2SO4液面的高度低于出气口。
6.根据权利要求1所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，所述的稳压储气罐安装有CH4浓度传感器、CO2浓度传感器及压力传感器，并与电子控制单元信号连接。
7.根据权利要求1所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理系统，其特征在于，所述的碱液再生装置由液泵和碱液再生罐串接构成，所述的碱液再生罐中装有Ca(OH)2。
8.适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理工艺，其特征在于，采用以下步骤：
第一步：沼气通过丝网过滤装置除掉沼气中颗粒物杂质；
第二步：丝网过滤装置出口与吸气泵进口相接，吸气泵出口连接到第一级干燥装置进口，利用第一级干燥装置上安装的CH4浓度传感器和/或CO2浓度传感器检测沼气中气体含量；
第三步：沼气进入碱洗装置，利用碱液进行碱洗去除CO2、H2S和SO2的酸性物质，生成Na2CO3、Na2S和Na2SO3；
第四步：碱洗后的气体从碱洗装置出口通过管道连接到第二级干燥装置进口，吸收气体中的水分；
第五步：第二级干燥装置的出口与活性炭罐入口用管道连接，活性碳罐出口与分子筛入口相连，吸收沼气中的其它杂气；
第六步：分子筛出口连接到缓冲罐入口，缓冲罐出口与压气泵进口相连，压气泵出口连接到稳压储气罐进口。稳压储气罐上安装CH4浓度传感器和/或CO2浓度传感器、气体压力传感器，检测气体含量及压力；
第七步：稳压储气罐出口与阻火器装置入口相连，阻火器装置出口和沼气发电机组的燃气进口相连。
9.根据权利要求8所述的适用中小型沼气发电机组的沼气纯化处理工艺，其特征在于，碱洗装置下部经管道与碱液再生装置相连，将碱洗装置内使用过的废碱液通过打开阀门送入碱液再生装置的碱液再生罐，碱液再生罐中的Ca(OH)2与Na2CO3、Na2S和Na2SO3反应，生成物为固态CaCO3、CaS、CaSO3以及液态NaOH，液态NaOH经液泵送回到碱洗装置，固态CaCO3、CaS、CaSO3经碱液再生罐底部排出。
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