CN106118777A - 一种沼气净化提纯甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

一种沼气净化提纯甲烷的方法，其特征是包括以下步骤：第一步，将沼气收集后储存；第二步，将上述储存的沼气经过压缩机通入离子交换柱内进行离子交换与吸附，交换吸附后的出气中甲烷含量不低于93%；当甲烷含量低于93%后，进气阀门自动切换到另一组离子交换柱；所述离子交换柱内填充离子交换纤维或离子交换树脂。本发明提供的一种沼气净化提纯甲烷的方法，通过离子交换柱，能够将沼气中的甲烷与硫化氢、二氧化碳同时分离。降低了沼气分离提纯的处理成本，在有效降低环境污染的同时，提升了经济效益，具有良好的推广前景。

Description

一种沼气净化提纯甲烷的方法
技术领域
本发明属于沼气提纯及回收利用技术领域，涉及一种沼气的处理和回收的方法，尤其是一种沼气的净化和甲烷提纯回收的方法。
背景技术
沼气是一种具有巨大发展潜力的绿色能源。其主要是一些有机物，如秸秆、树叶、人畜粪便等废弃物在一定温度、湿度和酸度条件下，隔绝空气，经过微生物作用或发酵而产生的可燃性气体。根据实际需要，将沼气净化、提纯，可以制备成品位更高的无硫天然气，直接并入城市供气管网或者经过加压、液化后成为压缩液化天然气，具有更好的经济效益。沼气净化技术在沼气工程中的引入，不但能提升沼气工程的整体技术水平，而且可以通过净化后出售天然气带来较高的经济回报。沼气净化提纯技术是治理有机废弃物环境污染、将有机废弃物转化为纯净高热值天然气、获取绿色可再生能源等可利用物质十分有效的技术和更为经济、实用的手段。
沼气是几种气体的混合物，虽然不同有机物生成的沼气中气体成分复杂，各种气体物性差异很大，但是沼气中主要成分为甲烷55~70%，二氧化碳30~45%，硫化氢0.5~1.5%，还有氨气、二氧化硫、氢气、氮气和一氧化碳等微量气体。硫化氢是沼气以及一些工业气体的有害成分，沼气燃烧时，其中的硫化氢会转化为腐蚀性很强的亚硫酸雾，不仅污染环境，而且硫化氢溶于水后产生氢硫酸对管道、贮罐和用气设备造成严重腐蚀。二氧化碳是主要的温室气体，对温室的贡献最大，并且在沼气中所占的比例较大，必须除去沼气中的二氧化碳，以便提高沼气的燃烧效率。
目前，从沼气中分离提纯甲烷普遍采用分步提纯的方法。在沼气提纯净化的处理工艺中，主要是沼气的脱硫、二氧化碳和沼气的分离两个主要部分。沼气脱硫主要是湿法脱硫、干法脱硫和生物脱硫三类技术。湿法脱硫主要采用碱液吸收和加压水洗等；干法脱硫采用Fe2O3和活性炭作脱硫剂；生物脱硫需要培养专门的脱硫菌来除硫。除去沼气中二氧化碳主要采用变压吸附(PSA)工艺、膜分离工艺、化学吸附工艺和水洗工艺等对沼气进行处理和回收。CN201610169493.0公开一种膜法脱除沼气中二氧化碳的方法。CN201610233774.8公开一种采用双级膜法沼气净化提纯工艺及系统。均属于采用物理原理进行气体分离的方法。以上方法都存在一定的局限性，变压吸附工艺用于沼气分离，主要是甲烷和二氧化碳的分离，由于分离系数较低，很难同时满足较高的终端气体浓度和甲烷回收率，从而导致经济性不太合理。膜分离工艺存在投资成本较大，难以推广的瓶颈；分步提纯工序多，生产成本高。水洗工艺是传统的二氧化碳分离方法，优点是工艺控制简单，不需要加热，缺点是电能消耗较大。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种以离子交换柱为分离吸附设备进行一步法提纯净化沼气的处理方法。
一种沼气净化提纯甲烷的方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，将沼气收集后储存；
第二步，将上述储存的沼气经过压缩机通入离子交换柱进行离子交换与吸附，交换吸附后的出气中甲烷含量不低于93%；当甲烷含量低于93%后，进气阀门自动切换到另一组离子交换柱。
进一步，当离子交换纤维吸附饱和后，用再生剂进行再生，得到高浓度的硫化钠浓缩液和碳酸盐溶液；所述的再生剂为NaOH或者NaOH和NaCl混合溶液。
所述离子交换柱内填充离子交换纤维或离子交换树脂。
本发明提供的一种沼气净化提纯甲烷的方法，通过离子交换柱，能够将沼气中的甲烷与硫化氢、二氧化碳同时分离。降低了沼气分离提纯的处理成本，在有效降低环境污染的同时，提升了经济效益，具有良好的推广前景。
附图说明
图1为本发明沼气提纯处理的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种沼气净化提纯甲烷的方法，如图1所示，包括如下步骤：将沼气池产生的沼气收集于专用的储存容器中，沼气成分为：甲烷含量55~70%，二氧化碳含量30~45%，氢气和硫化氢少于1%，氮气0~2%；将所述储存容器中的沼气通过压缩机注入离子交换柱中，离子交换柱中填充离子交换纤维或离子交换树脂，当沼气经过离子交换柱时，沼气中的硫化氢和二氧化碳同时被离子交换与吸附，交换吸附后沼气中的甲烷含量不低于93%，直接排出达到石油液化气的使用标准，可以直接收集使用。当离子交换纤维吸附饱和后，用再生剂进行再生，得到高浓度的硫化钠浓缩液和碳酸盐溶液。再生后的离子交换纤维重复使用，继续对沼气进行吸附处理。
沼气通过离子交换柱后，将硫化氢和二氧化碳截留在离子交换柱中。
本发明包括若干个离子交换柱，每个离子交换柱采用多层结构，以减少气体的阻力。离子交换纤维选用含季胺基－NR3OH官能团、伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2官能团，纤维基体采用聚丙烯纤维或聚丙烯晴纤维，经辐照接枝或化学接枝制成，纤维的形态为短丝、毛线或者无纺布形态。离子交换树脂采用大孔树脂或者凝胶树脂。
所述沼气提纯和分离的原理为：
(1)利用所述离子交换纤维与所述硫化氢气体发生交换反应，反应方程式如下：
H2S(g)+H2O⇌HS-+H3O+
HS-+H2O⇌S2-+H3O+
R-N+(CH3)3OH-+HS-→R-N+(CH3) 3HS-+OH-
2R-N+(CH3)3OH-+ S2-→(R-N+(CH3) 3)2S2-+2OH-
(2)利用所述离子交换纤维与所述二氧化碳气体发生交换反应，反应方程式如下：
CO2(g)+H2O⇌H2CO3(aq)
H2CO3(aq) ⇌H++HCO3 -(aq)
HCO3 -(aq) ⇌H++CO3 2-(aq)
R-N+(CH3)3OH-+HCO3 -→R-N+(CH3) 3HCO3 -+OH-
2R-N+(CH3)3OH-+CO3 2-→(R-N+(CH3) 3)2CO3 2-+2OH-
下面结合实例对本发明做进一步的说明：
实例1：本实例的制备步骤包括：
1) 称取450 g离子交换纤维，含水量为45~55%，形态为毛线状，平均装填入3根离子交换柱；
2) 通过压缩泵提升，将沼气以100 mL/min的流速注入离子交换柱中，通过连续监测出口气体成分实现沼气中甲烷的提纯，处理沼气总量20 L，具体指标如下表；
项目 H2S(%) CO2(%) CH4(%) N2(%)
沼气原样 1.5 45 55 0
净化后 未检出 3.3 96.18 0.52
3) 用100 mL浓度为0.1 mol/L的NaOH做为再生剂，对吸附后的离子交换纤维进行再生，再生完成后用氮气吹干离子交换柱。
实例2：本实例的制备步骤包括：
1) 称取450 g离子交换纤维，含水量为45~60%，形态为短丝状，平均装填入3根离子交换柱；
2) 通过泵提升，将沼气以150 mL/min的流速注入离子交换柱中，通过连续监测出口气体成分实现沼气中甲烷的提纯，处理沼气总量30 L，具体指标如下表；
项目 H2S(%) CO2(%) CH4(%) N2(%)
沼气原样 1.5 45 55 0
净化后 0.03 1.94 95.46 2.57
3)用150 mL浓度为0.1 mol/L的NaOH做为再生剂，对吸附后的离子交换纤维进行再生，再生完成后用氮气吹干离子交换柱；
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种沼气净化提纯甲烷的方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，将沼气收集后储存；
第二步，将上述储存的沼气经过压缩机通入离子交换柱进行离子交换与吸附，交换吸附后的出气中甲烷含量不低于93%；当甲烷含量低于93%后，进气阀门自动切换到另一组离子交换柱；所述离子交换柱内填充离子交换纤维或离子交换树脂。
2.如权利要求1所述的一种沼气净化提纯甲烷的方法，其特征是所述的离子交换纤维选用含季胺基－NR3OH官能团、伯胺基-NH2、仲胺基-NHR、或叔胺基-NR2官能团，纤维基体采用聚丙烯纤维或聚丙烯晴纤维，经辐照接枝或化学接枝制成，纤维的形态为短丝、毛线或者无纺布形态；所述离子交换树脂采用大孔树脂或者凝胶树脂。
3.如权利要求1所述的一种沼气净化提纯甲烷的方法，其特征是所述的离子交换纤维吸附饱和后，用再生剂进行再生，得到高浓度的硫化钠浓缩液和碳酸盐溶液；所述的再生剂为NaOH或者NaOH和NaCl的混合液。
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