CN105038881B - 一种变压吸附连续分离沼气的方法 - Google Patents

Abstract

一种变压吸附连续分离沼气的方法，利用吸附材料在常温常压下对二氧化碳和甲烷的吸附量有很大差别的特征，可以选择性地吸附分离沼气，提高沼气的价值。工艺步骤是将已经脱水、脱硫的沼气压缩后进入缓冲罐短期储存，然后通入吸附塔，通过吸附塔内部5A分子筛对沼气的吸附分离作用，在常温常压下吸附分离沼气，并连续生产出高纯度甲烷气。本发明将5A分子筛结合变压吸附技术，并应用到沼气分离净化中，能够连续有效地分离净化沼气，生产出高纯度的甲烷气(98％)，具有作为车用压缩天然气应用的潜力。甲烷气提纯效率高，工艺流程简单，能耗低，应用前景广阔。

Description

一种变压吸附连续分离沼气的方法

(一)技术领域

本发明涉及沼气提纯净化综合利用，特别是涉及变压吸附连续分离沼气，制备高纯度甲烷气的方法。

(二)背景技术

为了改善环境和缓解能源危机，越来越多的人关注到绿色资源——甲烷(CH₄)。在自然界中CH₄经常伴随着CO₂产生，并形成混合气体，如天然气，沼气，垃圾填埋气，及煤层气。有研究表明，含有90％甲烷的天然气热值是32.95MJ/Nm³，而含有50％左右甲烷的填埋气热值降为19.70MJ/Nm³。不仅CO₂会降低混合气体整体的热值，且在有水存在的情况下还会导致管道腐蚀。因此从CO₂、CH₄混合气体中去除CO₂具有重要的意义。

中国作为能源消费大国，新能源的开发利用对国民经济的可持续发展具有重要的意义，随着农村社会经济的迅速发展，农村能源消耗也日益增大，在此背景下，沼气资源作为一项极具应用前景的新能源，其开发利用是解决能源紧张形势下农村能源供应问题的有效举措，其发展日益受到国家的重视。沼气是一种优质可再生生物质能源，是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70％，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等，其特性与天然气相似。因此，分离净化沼气，提高甲烷百分比含量，既能作为新能源缓解能源紧张问题，又能够带来可观的经济收益，具有重要的经济效益和社会效益。

为了从沼气中去除二氧化碳，进而获得高纯度的甲烷气，学者们研究出很多种气体分离方法，其中，基于气体吸附过程的变压吸附(PSA)技术是近年来重要的气体分离技术。目前，已经研究过的吸附材料包括碳分子筛，沸石分子筛，无机或有机金属复合物，活性氧化铝等，而能够分离净化沼气的方法和装置有很多，大多数需要在0.5MPa及以上的压强下吸附分离沼气，压缩气体需要额外的能源投入，增加了生产成本，而且查阅大量资料发现，净化沼气获得的甲烷气含量最高在95％左右，需要进一步分离净化才能提高甲烷浓度，提高产品价值，但也会增加成本。

(三)发明内容

鉴于上述分离压强较高和产品气纯度不足的缺陷，本设计人，积极查阅文献结合大量的实验研究，设计出一种变压吸附连续分离沼气的方法，在0.1MPa下分离净化沼气，连续地生产出高纯度的甲烷气。

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)将已经脱水、脱硫的沼气压缩后进入缓冲罐，暂时存储沼气，存储压强仅需大于0.1MPa即可；

(2)将沼气按一定的流速从一端通入吸附塔，保持塔内气压为0.1MPa，通过吸附塔内部吸附材料对沼气的吸附分离作用，沼气中的二氧化碳被吸附材料吸附，而未能被吸附的甲烷则从吸附塔另一端排出，此时利用大型气袋收集产出的高纯甲烷气；

(3)当吸附塔出气端检测出CO₂含量大于设定值时，说明吸附塔即将吸附CO₂饱和，此时通过程序控制将沼气通入下一个吸附塔进行吸附分离，而即将吸附CO₂饱和的吸附塔进行真空脱气操作；

(4)重复步骤(3)的操作，即可达到连续地生产出高纯度的甲烷气的目的。

所处理的沼气为脱水、脱硫后的沼气，其中甲烷含量约为60％，二氧化碳含量约为40％。

变压吸附所用的吸附材料为5A沸石分子筛，粒径为2-3mm，装填入吸附塔时，需要预先脱气处理，并注意尽量减少与空气的接触时间；填装要求为将吸附塔装填满即可。

根据沼气的理论设计产量设置7个以上的吸附塔，依次切换沼气通入的吸附塔，并进行真空脱气操作，可连续生产出高纯度的甲烷气。

变压吸附的操作温度为常温(25℃)，吸附压强为0.1MPa。

本发明的变压吸附连续分离纯化沼气，并生产高纯度甲烷气的方法，采取常压(0.1MPa)吸附的方法，分离沼气中的二氧化碳气体，获得的甲烷气浓度可达98％以上，实现沼气的高品质综合利用；同时，减压真空脱附能使吸附材料获得再生。本发明方法适合大规模连续净化沼气，并能在沼气产量不高，缓冲罐压强小于0.5MPa时依然完成沼气净化任务；系统结构简单、连续，操作方便，吸附材料价格低廉，脱附简单，节约能耗，降低成本，具有广阔的应用前景。

(四)附图说明：

图1变压吸附装置简图

为本发明采用的变压吸附分离净化沼气，并连续生产高纯度甲烷气的工艺流程图，其中：

1——缓冲罐 2——吸附塔 3——储气袋

4——真空泵

(五)具体实施方式

本发明利用吸附塔中5A分子筛对二氧化碳及甲烷的吸附量存在较大的差值，进而在一定压强下，对待分离的沼气中二氧化碳及甲烷两组分具有选择吸附的特性，采用常压吸附去除沼气中的二氧化碳，进而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。同时采取减压真空解吸的办法，使得被吸附材料吸附的二氧化碳解吸出来，再生吸附材料，达到连续生产高纯度甲烷气的目的。

为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例说明如后。

实施例1：

将已经脱水、脱硫的沼气通入到缓冲罐中暂时保存，此时沼气中甲烷含量约为60％，二氧化碳含量约为40％。将沼气按照1500h^-1的体积空速通入一个吸附塔床层中，保持通入压强为0.1MPa。在吸附材料的选择性吸附下，沼气中的二氧化碳被吸附剂吸附下来，而未被吸附的甲烷将经过出口排出，并进入到储气袋中。当吸附塔出气端检测出CO₂含量大于2％时，说明吸附塔将要吸附CO₂饱和，此时通过程序控制将沼气通入下一个吸附塔进行吸附分离，而即将吸附CO₂饱和的吸附塔进行真空脱气操作，通过程序调节阀门，即可保证脱气操作与吸附分离互不干扰。重复上述步骤，进入下一个吸附循环过程，即可达到连续地生产出高纯度的甲烷气的目的。吸附塔出口处收集到甲烷的浓度为98.1％，达到国家标准GB17820-2012的要求，可以作为车用压缩天然气使用，具有较大产业化潜力。

实施例2：

将已经脱水、脱硫的沼气通入到缓冲罐中暂时保存，此时沼气中甲烷含量约为60％，二氧化碳含量约为40％。将沼气按照1500h^-1的体积空速通入一个吸附塔床层中，保持通入压强为0.15MPa。在吸附材料的选择性吸附下，沼气中的二氧化碳被吸附剂吸附下来，而未被吸附的甲烷将经过出口排出，并进入到储气袋中。当吸附塔出气端检测出CO₂含量大于2％时，说明吸附塔将要吸附CO₂饱和，此时通过程序控制将沼气通入下一个吸附塔进行吸附分离，而即将吸附CO₂饱和的吸附塔进行真空脱气操作，通过程序调节阀门，即可保证脱气操作与吸附分离互不干扰。重复上述步骤，进入下一个吸附循环过程，即可达到连续地生产出高纯度 的甲烷气的目的。吸附塔出口处收集到甲烷的浓度为98.3％，达到国家标准GB17820-2012的要求，可以作为车用压缩天然气使用，具有较大产业化潜力。

Claims (1)

1.一种变压吸附连续分离提纯沼气的方法，其特征是工艺步骤是：

(1)将已经脱水、脱硫的沼气压缩后进入缓冲罐，沼气经压缩进入缓冲罐后，缓冲罐的作用是暂时储存沼气以及稳定压强；

(2)按1500h^-1的体积空速从一端通入吸附塔，通入吸附塔的气压控制在0.1-0.15MPa，通过吸附塔内部吸附材料对沼气的吸附分离作用分离沼气中的二氧化碳，产出高纯度甲烷气；

(3)当吸附塔吸附CO₂饱和后，沼气经程序控制切换进入下一个吸附塔，同时对上一个吸附饱和的吸附塔进行真空解吸，进而达到连续分离提纯沼气的目的，生产出甲烷浓度为98％的高纯度甲烷气；

所述塔内的吸附材料为微孔沸石分子筛5A，粒径为2-3mm，装填入吸附塔时，需要预先脱气处理，填装要求为将吸附塔装填满；

所述变压吸附的操作温度为常温25℃。