CN106390679B - 变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，工艺步骤如下：原料气脱水、脱硫后经往复式二级压缩机增压降温至压力3.8～4.0MPa，温度5～15℃；所得高压低温的原料气经吸附塔底吸附混合气中的氢气，排出甲烷和二氧化碳；再将吸附剂中吸附的氢气解吸出来；吸附床经抽真空再生后进入下一个吸附循环过程；解吸所得氢气依次经真空罐和油水分离器后，由水环真空泵抽送入第二缓冲罐；再由往复式四级压缩机增压降温，然后经分子筛深度脱水，最后得产品氢气。本发明方法，实现甲烷和二氧化碳等气体回收，将氢气净化富集达99％以上。适合规模连续性生产，设备结构简单、连续，操作方便，节约能耗。

Description

变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法
技术领域
本发明属于气体净化技术领域，具体涉及变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法。
背景技术
20至21世纪全球进入现代化，化石燃料存在着能源短缺的危机，特别是从石油提炼出来的汽油，是导致全球石油危机的原因。人类不断使用化石燃料是排放二氧化碳温室气体的来源之一。化石能源也是目前全球消耗最主要的能源，2006年全球消耗的能源中，化石能源占比高达87％，我国的化石能源消耗比例高达93％，也就是说，化石能源的化石能源的地位在短时间内难以改变，但随着人类的开采，化石能源的枯竭是不可避免的，而且在枯竭之前，寻找新的燃料势在必行。
约一百年前，氢就得到了工业的使用。并且氢的资源丰富，地球上的氢通常以化合物和水的形式存在，水是地球上比较丰富的资源，水就是无处不在的氢矿。氢也是最环保的能源之一，氢可转化为电能和水，排放过程中没有任何污染。因此氢燃料内燃机也是减少污染的方法。
目前氢气净化技术主要有深冷分离、膜分离和变压吸附法(PSA)，其中深冷分离工艺技术能量消耗高，操作复杂，投资大，适用于处理量大，氢气要求不高的场合；膜分离工艺技术具有投资少，能耗低等优点，但是膜材料的选择仍存在难点。而在餐厨垃圾发酵产氢工艺中，将PSA技术应用于餐厨垃圾厌氧产氢的净化工艺中在国内外尚未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能高效分离和净化餐厨垃圾厌氧发酵产生的氢气、能高效回收甲烷和二氧化碳，设备结构简单、连续，操作方便、节约能耗的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法。
本发明以如下技术方案解决上述技术问题：
变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，工艺步骤如下：
(1)、原料气由风机抽送入第一油水分离器初步脱水及颗粒物，然后依次进入脱硫塔脱硫和气水分离器除去游离水；
(2)、经步骤(1)脱硫和脱水后的原料气经往复式二级压缩机增压降温，增压至3.8～4.0MPa，温度5～15℃；
(4)、步骤(2)所得高压低温的原料气依次经过第二油水分离器和第一分子筛脱水，然后进入第一缓冲罐后，从吸附塔底进入吸附塔的吸附剂床层，原料气中的氢气被吸附剂吸附下来，而净化气中的甲烷和二氧化碳经过吸附塔出口排出；当被吸附的氢气接近吸附剂床层出口时，关闭吸附塔的原料气进口阀和出口气阀，使吸附塔停止吸附；接着由水环真空泵对吸附床抽真空进行减压脱吸，将吸附剂中吸附的氢气解吸出来；吸附床经抽真空后，用3.5～4.0MPa的稳定相同压力气体对吸附床床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程；
(4)、步骤(3)解吸所得氢气依次经真空罐和第三油水分离器后，通过水环真空泵抽送入第二缓冲罐；
(5)、步骤(4)第二缓冲罐中的氢气由往复式四级压缩机增压降温，然后再依次经过第四油水分离器并经第二分子筛脱水，最后得产品氢气。
所述步骤(1)的原料气为餐厨垃圾发酵产氢工艺发酵池出来的混合气体，其中氢气体积含量为60％～70％、含二氧化碳和甲烷的其它杂质气体体积含量为30％～40％。
所述步骤(1)的脱硫塔中，脱硫剂采用Fe2O3、Na2SiO3和木炭的混合物，Fe2O3∶Na2SiO3∶木炭的混合质量比为2∶2∶1。
所述步骤(1)的气水分离器采用挡板式气水分离器。
所述步骤(2)的往复式二级压缩机功率为36kw，移除热量19kw，排气压力为2.5MPa，该往复式二级压缩机的一级压缩机和二级压缩机之后均设有冷却器。
所述步骤(3)的吸附剂为颗粒状单壁碳纳米管，均匀铺在注塑六边形填料层上，堆积密度2.1g/ml。
所述步骤(3)的吸附塔根据氢气产量大小设置4～8个并联，根据吸附塔的个数将其均匀地分为2～4组；同一组内的吸附塔压力变化同步；组与组之间的压力变化不同步，当其中一组完成脱吸之前，另一组开始脱吸，以保证连续地制取氢气。
变压吸附的操作温度5℃～10℃，吸附压力3.5MPa～4.0MPa，循环时间8～10分钟，原料混合气流量100m3/h～200m3/h。
所述步骤(5)的往复式四级压缩机，每一级增压后的气体，均由冷却管冷却，该压缩机的排气压力为20Mpa；步骤(4)第二缓冲罐中的氢气由该往复式四级压缩机增压降温，增压至20～20.5MPa，降温至22～25℃。
所述的第一分子筛和第二分子筛，均有A、B两塔，每个塔的筒体和法兰封头均用双头螺栓连接，吸附剂均为分子筛Al2O3。
本发明的优点在于：
本发明方法采用加压将氢气吸附，从而将混合气中的甲烷和二氧化碳排出，且将之回收。同时，采取减压脱吸的办法，使被吸附的氢气解吸，并通过提纯将氢气净化富集达99％以上，供工业使用，与此同时使吸附剂获得再生。本方法适合规模连续性生产，系统结构简单、连续，操作方便，节约能耗，具有广阔的技术应用前景。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明利用吸附塔中的复合吸附剂对氢气在不同的分压下有不同的吸附容量、速度和吸附力、且在一定压力下对各组分有选择吸附的特性，加压吸附去除混合气中的CO2和CH4，获得高进化度的氢气；采取减压脱吸的办法，使被吸附的氢气解吸，同时使吸附剂获得再生，达到连续制取所需气体的目的。
实施例：
如图1所示，从发酵池出来的原料气中氢气体积含量为60％～70％、含二氧化碳和甲烷等其它杂质气体含量为30％～40％，将上述原料气由风机抽送入第一油水分离器初步脱水及颗粒物，然后依次进入脱硫塔脱硫和进入挡板式气水分离器除去游离水；脱硫塔的脱硫剂采用Fe2O3、Na2SiO3和木炭的混合物，Fe2O3∶Na2SiO3∶木炭的混合质量比为2∶2∶1。
从挡板式气水分离器出来经脱硫脱水后的原料气，温度为50℃、压力为0.11～0.13MPa，进入往复式二级压缩机增压降温，增压至3.8～4.0MPa，温度5～15℃。往复式二级压缩机功率为36kw，移除热量19kw，排气压力为2.5Mpa，该往复式二级压缩机的一级压缩机和二级压缩机之后均设有冷却器。
本实施例采用8个吸附塔即吸附塔A至吸附塔H并联。
往复式二级压缩机出来的高压低温的原料气依次进入第二油水分离器和第一分子筛，然后进入尺寸为φ1000×2500的第一缓冲罐后，经各吸附塔对应的原料气进口阀KV—1A、原料气进口阀KV—1B、……原料气进口阀KV—1H，从吸附塔A至吸附塔H的塔底分别进入各个吸附塔的吸附剂床层。进入每个吸附塔的原料气中的氢气被吸附剂吸附下来，而净化气中的甲烷和二氧化碳从每个吸附塔的出口排出。
以吸附塔A为例，当被吸附的氢气前沿接近的吸附剂床层出口时，关闭吸附塔A的原料气进口阀KV—1A和出口气阀KV—2A，使吸附塔A停止吸附；接着打开程控阀KV—3A进行减压脱吸过程，将吸附剂中吸附的氢气解吸出来，减压过程由水环真空泵抽真空完成；吸附床经抽真后，打开程控阀KV—4A用稳定相同压力3.5～4.0MPa气体即收集的甲烷和二氧化碳对床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程。各吸附塔都分别执行上述的吸附循环过程。
将8个吸附塔地平均分为4组；同一组内的吸附塔压力变化同步；组与组之间的压力变化不同步，当其中一组完成脱吸之前，另一组开始脱吸，以保证连续地制取氢气。
变压吸附的操作温度5℃～10℃，吸附压力3.5MPa～4.0MPa，循环时间8～10分钟，原料混合气流量100m3/h～200m3/h。
每个吸附塔中的吸附剂均为颗粒状单壁碳纳米管，均匀铺在注塑六边形填料层上，堆积密度2.1g/ml。按每个吸附塔10m3/hr的进气量，氢气的体积占原料气体积的60％，即0.6m3，按单壁碳纳米管储氢能力200ml/g，得所需单壁碳纳米管的质量为30Kg。
从每个吸附塔出来的氢气依次经真空罐和第三油水分离器后，由水环真空泵抽送入尺寸φ1200×3000的第二缓冲罐；从第二缓冲罐再进入往复式四级压缩机增压降温，压力20～20.5MPa，降温至22～25℃，然后再依次进入第四油水分离器和第二分子筛，经第二分子筛深度脱水，最后高净化度值的氢气进入材料为低碳不锈钢316L的储氢罐。氢气在储气罐内高压常温储存，罐内压力约20Mpa、温度约25℃。
上述往复式四级压缩机，每一级增压后的气体，均由冷却管冷却，该压缩机的排气压力为20Mpa；所述的第一分子筛和第二分子筛，均有A、B两塔，每个塔的筒体和法兰封头均用双头螺栓连接，吸附剂均为分子筛Al2O3。

Claims (9)

1.变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，工艺步骤如下：
(1)、 原料气由风机抽送入第一油水分离器初步脱水及颗粒物，然后依次进入脱硫塔脱硫和气水分离器除去游离水；
(2)、经步骤(1)脱硫和脱水后的原料气经往复式二级压缩机增压降温，增压至3.8～4.0MPa，温度5～15℃；
(3)、步骤(2)所得高压低温的原料气依次经过第二油水分离器和第一分子筛脱水，然后进入第一缓冲罐后，从吸附塔底进入吸附塔的吸附剂床层，原料气中的氢气被吸附剂吸附下来，而净化气中的甲烷和二氧化碳经过吸附塔出口排出；当被吸附的氢气接近吸附剂床层出口时，关闭吸附塔的原料气进口阀和出口气阀，使吸附塔停止吸附；接着由水环真空泵对吸附床抽真空进行减压脱吸，将吸附剂中吸附的氢气解吸出来；吸附床经抽真空后，用3.5～4.0MPa的稳定相同压力气体对吸附床床层逆向升压至接近吸附压力，吸附床便开始进入下一个吸附循环过程；
(4)、步骤(3) 解吸所得氢气依次经真空罐和第三油水分离器后，通过水环真空泵抽送入第二缓冲罐；
(5)、步骤(4) 第二缓冲罐中的氢气由往复式四级压缩机增压降温，然后再依次经过第四油水分离器并经第二分子筛脱水，最后得产品氢气。
2.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述步骤（1）的原料气为餐厨垃圾发酵产氢工艺发酵池出来的混合气体，其中氢气体积含量为60%～70%、含二氧化碳和甲烷的其它杂质气体体积含量为30%～40%。
3.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述步骤(1)的脱硫塔中，脱硫剂采用Fe2O3、Na2SiO3和木炭的混合物，Fe2O3∶Na2SiO3∶木炭的混合质量比为2∶2∶1。
4.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述步骤（1）的气水分离器采用挡板式气水分离器。
5.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述步骤（3）的吸附剂为颗粒状单壁碳纳米管，均匀铺在注塑六边形填料层上，堆积密度2.1g/ml。
6.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述步骤（3）的吸附塔根据氢气产量大小设置4～8个并联，根据吸附塔的个数将其均匀地分为2～4组；同一组内的吸附塔压力变化同步；组与组之间的压力变化不同步，当其中一组完成脱吸之前，另一组开始脱吸，以保证连续地制取氢气。
7.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，变压吸附的操作温度5℃～10℃，吸附压力3. 5MPa～4.0MPa，循环时间8～10分钟，原料气流量100m3/h～200m3/h。
8.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述步骤（5）的往复式四级压缩机，每一级增压后的气体，均由冷却管冷却，该压缩机的排气压力为20Mpa；步骤(4) 第二缓冲罐中的氢气由该往复式四级压缩机增压降温，增压至20～20.5MPa，降温至22～25℃。
9.如权利要求1所述的变压吸附净化餐厨垃圾厌氧发酵制氢的方法，其特征是，所述的第一分子筛和第二分子筛，均有A、B两塔，每个塔的筒体和法兰封头均用双头螺栓连接，吸附剂均为分子筛Al2O3。
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