CN203728792U - 高纯度沼气提纯装置 - Google Patents

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朱牧
何颖
刘志杰
刘东伟
韩剑辉
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Abstract

本实用新型提供一种高纯度沼气提纯装置。所述高纯度沼气提纯装置包括能依次流体连通的以下单元：原料沼气储气单元、沼气增压单元、脱硫单元、干燥单元、脱碳单元、天然气增压单元、加气单元、固定储气单元。所述加气单元包括能依次流体连通的顺序控制盘和加气柱。所述脱碳单元包括变压吸附塔组，所述变压吸附塔组包括第一吸附塔和第二吸附塔，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔在高压下吸附原料沼气中的二氧化碳，在常压下将二氧化碳脱吸附，从而将所述二氧化碳从所述原料沼气中除去。

Description

高纯度沼气提纯装置
技术领域
本实用新型涉及一种高纯度沼气提纯装置。
背景技术
能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。中国经济社会的持续快速发展，离不开有力的能源保障。
目前，生物质能源化技术在我国已经得到发展。利用餐厨垃圾、生活垃圾、秸秆、污泥、垃圾填埋场和垃圾焚烧厂的渗滤液等废弃物，通过厌氧发酵技术产生沼气。但是，沼气本身带有刺激性臭味，且其主要成分中的甲烷和二氧化碳均为温室气体，若不进行正确处理将会对环境污染造成污染。因此，需要对厌氧发酵产生的沼气进行提纯，以降低环境污染，同时实现资源更高效的利用。
发明内容
鉴于上述问题，本实用新型专利旨在提供一种高纯度沼气提纯装置，来妥善、高效、资源化地对厌氧发酵生成的沼气进行处理。
所述高纯度沼气提纯装置，包括能依次流体连通的以下单元：原料沼气储气单元、沼气增压单元、脱硫单元、干燥单元、脱碳单元、天然气增压单元、加气单元、固定储气单元。其中，所述加气单元包括能依次流体连通的顺序控制盘、加气柱。所述脱碳单元包括变压吸附塔组，所述变压吸附塔组包括第一吸附塔和第二吸附塔，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔在高压下吸附原料沼气中的二氧化碳，在常压下将二氧化碳脱吸附，从而将所述二氧化碳从所述原料沼气中除去。
上述高纯度沼气提纯装置还可以包括PLC自动化控制系统，用于控制所述沼气提纯装置的自动化操作。
利用本实用新型的高纯度沼气提纯装置，能够高效地除去沼气中的二氧化碳、硫化氢等杂质，最终得到高纯度天然气。
附图说明
图1是本实用新型一个具体实施方式的高纯度沼气提纯装置的结构示意图。
图2是变压吸附脱碳流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型一个具体实施方式的高纯度沼气提纯装置进行详细的说明。
如图1所示，上述沼气提纯装置包括以下能顺序流体连通的单元：原料沼气储气单元1、沼气增压单元2、脱硫单元3、干燥单元4、脱碳单元5、天然气增压单元6、加气单元7~8、和固定储气单元9。
原料沼气储气单元1用于储存原料沼气，可以是沼气储罐。
沼气增压单元2用于压缩所述原料沼气以提升压力，可以是压缩机，本具体实施方式中采用全无油活塞往复沼气压缩机，负荷为45kW。
脱硫单元3用于除去所述原料沼气中的含硫杂质。脱硫单元包括初级脱硫塔和深度脱硫塔，初级脱硫塔采用湿法脱硫，深度脱硫塔采用干法脱硫，塔内填充用作脱硫剂的氧化铁，原料沼气通过塔层时与脱硫剂充分接触，从而脱去硫化氢等含硫杂质。
干燥单元4用于对所述原料沼气进行干燥，其可以是组合吸干机，将冷冻干燥和吸附干燥相结合，吸附干燥的吸附剂可以是活性氧化铝或分子筛，其对水分子的吸引力随着温度和压力而改变。
脱碳单元5主要用于除去所述原料沼气中的二氧化碳，可以是变压吸附塔组，该变压吸附塔组可以集成在集装箱中。变压吸附塔组的气体处理量可以在一定的范围内自由调节，该范围优选为变压吸附塔预定处理量的50~120%的范围，这样能满足沼气提纯装置进气量变化的要求。
天然气增压单元6可以是多级天然气增压机，用于提升提纯后的沼气压力，从而得到符合天然气技术指标要求的压缩天然气（以下称为产品气）。
加气单元包括顺序控制盘7和加气柱8。顺序控制盘7可以实现按高压、中压、低压顺序向固定储气单元9充气。通过加气单元的控制来将产品气输入到固定储气单元9，以对产品气进行储存和运输。固定储气单元9可以是固定储气管束。
上述沼气提纯装置还可以设置有PLC自动控制系统，比如西门子PLC控制系统，从而使沼气提纯装置自动运行。
以下对利用上述装置提纯沼气的过程进行说明。
第一步，对原料沼气进行增压。沼气进入沼气增压单元2（例如，沼气压缩机），压缩后的沼气压力提升到0.5MPa，且沼气中的大部分水分由于冷凝而析出，冷凝水通过沼气增压单元2内置的排水管道而排出。
第二步，对沼气进行脱硫处理。通过沼气增压单元2后的沼气进入脱硫单元3。35℃的沼气以6.9Nm3/min的流速进入脱硫单元中的初级脱硫塔，在初级脱硫塔中，通过湿法脱硫工艺将沼气中的硫化氢含量从2000ppm降至200ppm左右。初步脱硫后的沼气进入深度脱硫塔，深度脱硫塔内填充有氧化铁脱硫剂。深度脱硫工艺可以采用一级干法脱硫，沼气通过塔层时与脱硫剂充分接触，从而除去硫化氢等含硫杂质，硫化氢的含量从200ppm减少到15ppm以下。
上述脱硫剂可以是氧化铁，用于吸收沼气中的H2S（硫化氢）。H2S在活性氧化铁表面的水膜中离解成H+和S2-后，再进行化学反应。同时，脱硫工艺中产生的硫化铁可以被空气氧化再生，生成氧化铁和单质S。反应原理如下。
Fe2O3·H2O+3H2S→Fe2S3·H2O+3H2O      （1）
Fe2S3·H2O+3/2O2→Fe2O3·H2O +3S      （2）
氧化铁干法脱硫工艺为不可逆的化学吸附脱硫，可在短短数秒钟将沼气中的硫化氢浓度降至要求浓度。
第三步，对沼气进行深度干燥。经过脱硫后的沼气以6.9Nm3/min的流量进入干燥单元4，除去沼气中的微量水分。干燥单元4可以是组合吸干机，将冷冻干燥和吸附干燥相结合，吸附干燥的吸附剂可以是活性氧化铝或分子筛，其对水分子的吸引力随着温度和压力而改变。通过冷冻干燥将沼气中约80%的水除去，冷冻干燥后的沼气进行吸附干燥，达到低露点-13℃。
第四步，对沼气进行脱碳处理。在脱碳单元5中进行脱碳处理。脱碳单元5可以是集成在一个集装箱中的变压吸附塔组，其实际的气体处理量可在预定处理量50%~120%的范围之间自由调节，从而满足整个沼气提纯装置进气量变化的需要。脱硫后的沼气以6.9Nm3/min的流速进入变压吸附塔组。在吸附塔组吸附功能再生（即，吸附剂解吸）过程中，通过负荷为22kW、规格为400m3/h的水环式真空泵来进行真空解吸，利用水作为润滑和冷却介质，从而保证上述沼气提纯装置的安全性和可靠性。
在常温下进行沼气的变压吸附，通过变压吸附，除去了沼气中大量的二氧化碳以及其它杂质。二氧化碳在高压下被吸附剂吸附，在常压下脱吸附，这样可以将脱附的二氧化碳回收再利用，从而降低潜在的温室效应。
变压吸附后沼气中二氧化碳的含量＜3%，甲烷的含量＞95%。沼气经变压吸附提纯后，以4.16Nm3/min的流速产出天然气。
第五步，对提纯后的沼气增压。在天然气增压单元6中对第三步得到的天然气进行压缩。天然气增压单元6可以是天然气增压机，负荷为75kW。天然气经过多级增压，压力提升至25MPa，最后得到压缩天然气（以下称为产品气）。产气量为4.16Nm3/min，达到GB17820-2012《天然气》和GB18047-2000《车用压缩天然气中》的天然气技术指标。
第六步，储存和运输产品气。产品气通过加气单元，经加气单元中的顺序控制盘7和加气柱8的控制，进入固定储气单元9储存。
脱碳单元采用变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）工艺来分离沼气中的不同气体。吸附剂可以是活性炭、硅胶、碳分子筛等多孔性固体材料。变压吸附技术脱碳的原理是利用吸附剂对不同吸附质的选择性和吸附剂对吸附质的吸附容量随压力变化而有差异的特性，在高压下吸附沼气中的杂质组分二氧化碳，在常压下再将二氧化碳脱附，从而使吸附剂再生，实现变压吸附循环。循环为两塔工作循环。整个操作过程均在环境温度下进行。为了实现对沼气更好的提纯效果，提高产品气的纯度，此实用新型中的变压吸附塔的高径比（塔高和塔径的比）为8，即H/D=8。
以下将对变压吸附脱碳的过程进行更为详细的说明。变压吸附脱碳的过程具体包括以下四个步骤，在图2所示的塔A（第一吸附塔）和塔B（第二吸附塔）中循环进行.
第一步，高压吸附。原料沼气通过图2中所示的吸附塔A加压到吸附压力0.5MPa，轻质气体甲烷迅速通过塔层，富集在出气口端，而二氧化碳由于容易被吸附，在塔层内以相对较慢的速度移动，因此混合气体在吸附塔内得到分离。当二氧化碳即将达到出气口端时，停止进气，进行下一步操作。
第二步，并流均压。吸附塔A在完成吸附后进行并流均压，吸附塔内压力从吸附压力即0.5MPa降到0.25MPa，而已完成再生的吸附塔B内的压力从常压升高到0.25MPa。
第三步，再生吸附。吸附塔A在完成均压后，打开出气口阀门，与大气相通以将塔内的气体排出，并从进气口引入惰性气体进行吹扫。此时，塔内的压力略高于大气压，吸附剂吸附的二氧化碳从吸附剂上脱附，被惰性气体等吹扫气带走，从而完成吸附剂的再生，再生的时间与吸附时间相同。此时，另一吸附塔B开始高压吸附二氧化碳。
第四步，并流均压。当吸附塔A完成再生，且吸附塔B达到吸附饱和后，两塔再次进行并流均压，这样就完成一个变压吸附循环。
与水洗法、膜分离法以及化学吸收法相比，利用变压吸附法来提纯沼气具有如下优点：（1）脱碳过程无需加热，降低了能耗；（2）无需添加化学药剂，对设备无腐蚀；（3）变压吸附过程无环境污染物产生；（4）相比化学试剂，变压吸附吸附剂的使用周期长，一般十年以上。
对原料沼气以及利用上述沼气提纯装置提纯后的产品气进行检测，结果如表1所示。
指标 原料沼气 产品气
高位发热量，MJ/m3 21.54 ＞34
甲烷含量（yCH4），% 55~65 >95
总硫（以硫计），mg/m3 —— ≤200
硫化氢，mg/m3 ≤200 ≤15
二氧化碳含量，% 30~40 ≤3.0
氧气含量，% ≤0.1 ≤0.5
氮气含量，% ≤1 ≤2
水露点，℃ 常温 －13
通过上表可以看到，与原料沼气相比，经过本实用新型的沼气提纯装置提纯后的产品气，甲烷含量从60%左右升高到95%以上，杂质二氧化碳的含量从40%降至3%以下，杂质硫化氢的含量从200mg/m3降低到15mg/m3以下，而热值（高位发热量）从21.54MJ/m3增加到34MJ/m3，热值提高了57.8%。
餐厨垃圾、生活垃圾、秸秆、污泥、垃圾填埋场和垃圾焚烧厂的渗滤液等不同原料产生的沼气，进入高纯度沼气提纯装置或机组进行提纯处理，高效除去硫化氢等杂质，并回收沼气中的温室气体二氧化碳，最终得到高纯度天然气，各项指标均达到GB17820《天然气》的二类天然气标准和GB18047-2000《车用压缩天然气中》标准。高纯度天然气具有广泛的用途：用作交通运输设备（车、船等）的绿色能源、用于工业生产的供能和化工生产的原料、也可并入燃气管网作为民用燃料。
以上通过具体实施方式对本实用新型的技术方案进行了详细的说明，但本实用新型并不受限于此。在实现本实用新型目的的前提下，本领域技术人员可以对本实用新型作出各种改变和变形。

Claims (2)

1.一种高纯度沼气提纯装置，包括能依次流体连通的以下单元：原料沼气储气单元（1）、沼气增压单元（2）、脱硫单元（3）、干燥单元（4）、脱碳单元（5）、天然气增压单元（6）、加气单元、固定储气单元（9），其中，
所述加气单元包括能依次流体连通的顺序控制盘（7）、加气柱（8）；
所述脱碳单元包括变压吸附塔组，所述变压吸附塔组包括第一吸附塔和第二吸附塔，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔在高压下吸附原料沼气中的二氧化碳，在常压下将二氧化碳脱吸附，从而将所述二氧化碳从所述原料沼气中除去。
2.根据权利要求1所述的高纯度沼气提纯装置，其特征在于，还包括PLC自动化控制系统，用于控制所述沼气提纯装置的自动化操作。
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