CN108342237A - 一种低温沼气纯化方法 - Google Patents

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宋春风
范智超
孙亚伟
谢美连
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    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
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Abstract

本发明涉及一种低温沼气纯化方法，基于低温沼气纯化装置，该方法主要步骤包括：首先，沼气通过沼气原料气进口进入空气压缩机C‑1升压至4‑5bar，经制冷机降温至25℃，通入填料床进行捕集纯化后经空气压缩机C‑2加压至190‑200bar回收，其中填料床初始温度范围为‑100‑‑160℃；其次，当填料床内填料发生吸附穿透后，进入再生阶段；再次，干燥空气经空气压缩机C‑3加压后通过制冷机进入填料床，吹扫附着的CO2，对填料进行再生；然后，当CO2被去除后，继续通入干燥空气对填料床进行降温，降至‑110℃以下，为下一个捕集阶段做准备；最后重复上述四个步骤，完成填料床实现捕集系统与再生/冷却系统的交替连续进行。

Description

一种低温沼气纯化方法
技术领域
本发明涉及沼气纯化技术领域，具体涉及一种低温沼气纯化方法。
背景技术
沼气是一种可再生能源,是由各种有机物质，在隔绝空气，并在适宜的温度、pH值下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧的气体。其热值一般为7450～2350kJ/m3，与其他燃气相比，抗爆性能较好，是一种潜在的清洁能源，既可代替秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。沼气的综合利用，可以改善生产条件，提高企业经济效益，治理环境污染(处理粪便、垃圾、有机废水、废渣)，沼气工程已成为治理污染、生产清洁能源和有机肥料(饲料)、实施可持续发展的重要措施。沼气的主要成分是甲烷，约占50～70％；其次是二氧化碳，约占25～45％；其余是少量的硫化氢、氢气、饱和水蒸气和硅氧烷等。沼气的燃烧主要靠甲烷，甲烷是一种无色无臭气体，它和一定数量的空气混合起来，点火便能燃烧起来，发出蓝色火焰和大量的热。沼气中的二氧化碳是一种温室气体，对环境造成极大危害,同时二氧化碳的存在会降低沼气作为燃料的热值，增加集输费用。硫化氢燃烧会产生对人体和环境有害的二氧化硫，还会生成硫酸造成设备、管道的腐蚀。燃烧时硅氧烷在高温下能转化为氧化硅，这种白色粉末会堵塞或损坏设备。因此，沼气再利用之前，必须对其进行纯化处理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种低温沼气纯化方法。
本发明的技术方案:一种低温沼气纯化方法，基于低温沼气纯化装置，包括填料床，所述填料床主要构成捕集系统，所述填料床上的出入口端均连接有在线检测仪器，所述捕集系统耦合一再生/冷却系统组成耦合装置，实现不同运行阶段持续运行；
所述耦合装置的入口管路上设置有沼气原料气进口；
所述耦合装置的出口管路上设置有沼气原料气出口；
所述捕集系统包括由所述沼气原料气进口以管路串联的空气压缩机C-1、制冷机A、填料床以及设置于空气压缩机C-2的沼气原料气出口构成；
所述耦合装置的出口管路的旁路上设置有再生气入口；
所述耦合装置的入口管路的旁路上设置有再生气出口；
所述再生/冷却系统包括由再生气入口以管路串联的空气压缩机C-3、制冷机B、填料床和再生气出口构成；
该方法包括如下步骤：
1)沼气通过沼气原料气进口进入空气压缩机C-1升压至4-5bar，经制冷机降温至25℃，通入填料床进行捕集纯化后经空气压缩机C-2加压至190-200bar回收，其中填料床初始温度范围为-100--160℃；
2)当填料床内填料发生吸附穿透后，进入再生阶段；
3)干燥空气经空气压缩机C-3加压后通过制冷机进入填料床，吹扫附着的CO2，对填料进行再生；
4)当CO2被去除后，继续通入干燥空气对填料床进行降温，降至-110℃以下，为下一个捕集阶段做准备；
5)重复上述步骤1)至步骤4)，完成填料床实现捕集系统与再生/冷却系统的交替连续进行。
所述步骤2)中吸附穿透根据填料床上的出入口端在线检测仪器显示的组分有无变化来判断。
所述捕集系统与所述再生/冷却系统内的介质流向为逆流模式。
所述填料床设置有两个，为并联结构，用于捕集与再生/冷却交替进行。
所述再生气为干燥空气。
所述在线检测仪器为气相色谱仪或近红外光谱仪，显示填料床出入口端组分浓度变化，用于判断吸附穿透。
所述再生气入口和再生气出口之间设置有连接管路和连通阀，用于调整部分再生气回流混合。
所述步骤1)中沼气原料气进口流量为1500-1600SLPM。
所述步骤4)中干燥空气1bar，25℃，总空气流量2-3kg/s。
与现有技术相比，本发明具有的优点：在沼气初始条件及捕集阶段消耗相同的情况下，本方法相较于传统的真空变压吸附方法具有床体占用空间小，CH4纯度、产率及回收率高，能耗低等优势，且适当改变床体温度，可对H2S具有良好的去除效果，操作简便。
具有以下优点：
1、本发明能够有效地去除沼气中的二氧化碳，同时避免低温下二氧化碳沉积造成的堵塞现象，以及后续带来的热传质速率下降和由此产生的机械应力等问题。2、本发明能够有效地去除沼气中的硫化氢，得到的甲烷纯度、产率及回收率高，且填料床初始温度越低，纯度越高。
3、本发明中所使用的填料床构造简单、占地面积小，填料价格低廉，投资成本低。
4、本发明中再生气采用与原料气进气方向相反的逆流模式，提高再生效率。
5、本发明中获得的产品温度低，易于对产品进行液化，从而进一步降低成本。
附图说明
图1为低温沼气纯化装置结构示意图。
附图标记:
1-沼气原料气进口，2-沼气原料气出口，3-空气压缩机C-1，4-制冷机A，5-填料床，6-空气压缩机C-2，7-在线检测仪器，8-再生气入口，9-再生气出口，10-空气压缩机C-3，11-制冷机B。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
如图1所示，本发明采用一种低温沼气纯化装置，包括填料床5，本实施例中所述填料床5设置有两个，为并联结构，所述填料床5主要构成捕集系统，所述填料床5上的出入口端均连接有在线检测仪器7，本实施例中所述在线检测仪器7为气相色谱仪或近红外光谱仪，所述捕集系统耦合一再生/冷却系统组成耦合装置，所述捕集系统与所述再生/冷却系统同时交替工作，实现不同运行阶段持续运行。所述耦合装置的入口管路上设置有沼气原料气进口1，所述耦合装置的出口管路上设置有沼气原料气出口2，所述捕集系统包括由所述沼气原料气进口1以管路串联的空气压缩机C-1 3、制冷机A4、填料床5以及设置于空气压缩机C-2 6的沼气原料气出口2构成；所述耦合装置的出口管路的旁路上设置有再生气入口8，所述再生气为干燥空气，所述耦合装置的入口管路的旁路上设置有再生气出口9，所述再生/冷却系统包括由再生气入口8以管路串联的空气压缩机C-3 10、制冷机B11、填料床5和再生气出口9构成。
本发明填料床5所采用的填料规格如下：
为了调节再生气流量，在所述再生气入口8和再生气出口9之间设置有一条副线，由管路和连通阀构成。
本发明采用的纯化装置工作过程如下：捕集系统包括由所述沼气原料气进口1以管路串联的空气压缩机C-1 3、制冷机A4、填料床5以及设置于空气压缩机C-2 6的沼气原料气出口2构成，填料床5内捕集H2S、CO2等杂质气体，捕集纯化完后由空气压缩机C-2 6加压后从沼气原料气出口2排出。填料床5上的出入口端均连接有在线检测仪器7在线检测浓度变化，当填料床5内的出入口端气体浓度没有变化，表明填料发生穿透需要进行再生，尾部气体组分与入口处组分接近时，可切换至恢复阶段，为了不影响连续捕集，启动并联的另一套填料床进行纯化；同时该填料床启动再生，再生/冷却系统包括由再生气入口8以管路串联的空气压缩机C-3 10、制冷机B11、填料床5和再生气出口9构成，向填料床5内通入干燥空气进行再生后备用。
下面以具体实施例，详细说明本发明具体实施方式：
实施例1
以沼气成分CH4/CO2(55％CH4和45％CO2)在初始压力2bar和初始温度25℃条件下的分离效果为例，具体实施过程为：
将流量为1500SLPM的上述沼气通过沼气原料气进口1进入空气压缩机C-1 3升压至4bar，经制冷机4降温至25℃，通入填料床5(填料床初始温度为-110℃)进行捕集纯化后经空气压缩机C-2 6加压至190bar回收；
当填料床5内填料发生吸附穿透后，填料床5内的出入口端气体浓度没有变化，表明填料发生穿透，需要进行再生进入再生阶段；
干燥空气(1bar，25℃，总空气流量2kg/s)经空气压缩机C-3 10加压后通过制冷机11进入填料床5，吹扫附着的CO2，对填料进行再生；
当CO2被去除后，继续通入干燥空气对填料床5进行降温，降至-110℃，为下一个捕集阶段做准备。
实施例1条件下，采用本发明方法，捕集阶段与再生/冷却阶段用时相同(120-140s)，采用两填料床并联可使两填料床同时交替进行不同步骤，实现系统持续运行。
实施例1中，使用的三个空气压缩机效率为70％-75％，且耗能计算时假定为等熵压缩。
实施例1中，在CO2去除后(时间约为10-15s)，部分再生气回流与干净的干燥空气混合，通入的干净的干燥空气流量为0.2-0.3kg/s，以下为本实施例效果：
CH4纯度(％) 99.1
CH4回收率(％) 94.2
效率(kgCH4h-1mpacking -3) 349.8
其中，kgCH4h-1mpacking -3：是指单位填料体积单位时间所能收集的成品CH4的量。
实施例2
以沼气成分CH4/CO2(55％CH4、45％CO2、1％H2S)在初始压力2bar和初始温度25℃条件下的分离效果为例，具体实施过程为：
将流量为1600SLPM的上述沼气通过沼气原料气进口1进入空气压缩机C-1 3升压至4bar，经制冷机4降温至25℃，通入填料床5(填料床初始温度为-150℃)进行捕集纯化后经空气压缩机C-2 6加压至200bar回收；
当填料床5内填料发生吸附穿透后，填料床5内的出入口端气体浓度没有变化，表明填料发生穿透，需要进行再生进入再生阶段；
干燥空气(1bar，25℃，总空气流量3kg/s)经空气压缩机C-3 10加压后通过制冷机11进入填料床5，吹扫附着的CO2，对填料进行再生；
当CO2被去除后，继续通入空气对填料床5进行降温，降至-150℃，为下一个捕集阶段做准备。
实施例2将填料床床体温度降至-150℃以下，对H2S进行深度去除，H2S含量降至40ppmv。
实施例3
以沼气成分CH4/CO2(55％CH4、45％CO2、1％H2S)在初始压力2bar和初始温度25℃条件下的分离效果为例，具体实施过程为：
将流量为1500SLPM的上述沼气通过沼气原料气进口1进入空气压缩机C-1 3升压至4bar，经制冷机4降温至25℃，通入填料床5(填料床初始温度为-110℃)进行捕集纯化后经空气压缩机C-2 6加压至190bar回收；
当填料床5内填料发生吸附穿透后，填料床5内的出入口端气体浓度没有变化，表明填料发生穿透，需要进行再生进入再生阶段；
干燥空气(1bar，25℃，总空气流量2kg/s)经空气压缩机C-3 10加压后通过制冷机11进入填料床5，吹扫附着的CO2，对填料进行再生；
当CO2被去除后，继续通入干燥空气对填料床5进行降温，降至-110℃，为下一个捕集阶段做准备。
本实施例H2S含量降至0.6vol％。

Claims (9)

1.一种低温沼气纯化方法，其特征在于，基于低温沼气纯化装置，包括填料床，所述填料床主要构成捕集系统，所述填料床上的出入口端均连接有在线检测仪器，所述捕集系统耦合一再生/冷却系统组成耦合装置，实现不同运行阶段持续运行；
所述耦合装置的入口管路上设置有沼气原料气进口；
所述耦合装置的出口管路上设置有沼气原料气出口；
所述捕集系统包括由所述沼气原料气进口以管路串联的空气压缩机C-1、制冷机A、填料床以及设置于空气压缩机C-2的沼气原料气出口构成；
所述耦合装置的出口管路的旁路上设置有再生气入口；
所述耦合装置的入口管路的旁路上设置有再生气出口；
所述再生/冷却系统包括由再生气入口以管路串联的空气压缩机C-3、制冷机B、填料床和再生气出口构成；
该方法包括如下具体步骤：
1)沼气通过沼气原料气进口进入空气压缩机C-1升压至4-5bar，经制冷机降温至25℃，通入填料床进行捕集纯化后经空气压缩机C-2加压至190-200bar回收，其中填料床初始温度范围为-100--160℃；
2)当填料床内填料发生吸附穿透后，进入再生阶段；
3)干燥空气经空气压缩机C-3加压后通过制冷机进入填料床，吹扫附着的CO2，对填料进行再生；
4)当CO2被去除后，继续通入干燥空气对填料床进行降温，降至-110℃以下，为下一个捕集阶段做准备；
5)重复上述步骤1)至步骤4)，完成填料床实现捕集系统与再生/冷却系统的交替连续进行。
2.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述步骤2)中吸附穿透根据填料床上的出入口端在线检测仪器显示的组分有无变化来判断。
3.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述捕集系统与所述再生/冷却系统内的介质流向为逆流模式。
4.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述填料床设置有两个，为并联结构，用于捕集与再生/冷却交替进行。
5.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述再生气为干燥空气。
6.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述在线检测仪器为气相色谱仪或近红外光谱仪，显示填料床出入口端组分浓度变化，用于判断吸附穿透。
7.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述再生气入口和再生气出口之间设置有连接管路和连通阀，用于调整部分再生气回流混合。
8.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述步骤1)中沼气原料气进口流量为1500-1600SLPM。
9.根据权利要求1所述的低温沼气纯化方法，其特征在于，所述步骤4)中干燥空气1bar，25℃，总空气流量2-3kg/s。
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