高压水洗沼气提纯毕业设计

沼气提纯知识-------甲醇洗脱除酸性气体(二氧化碳、硫化氢等)技术2011-07-14 08:59甲醇洗脱除酸性气体技术常用的脱碳技术有：低温甲醇洗、MDEA（N-甲基二乙醇胺）、NHD（聚乙二醇二甲醚）、DEA （苯菲尔/热钾碱法）。

甲醇洗：甲醇对酸性气体有选择性吸收的特性，酸性气体包括有二氧化碳、硫化氢和有机硫化物。

甲醇洗法脱碳技术是利用甲醇溶液在高压低温将合成气中的二氧化碳(CO2)和其他酸性气体吸收，并在降压和升温的情况下，二氧化碳(CO2)又从溶液中解吸出来，同时溶液得到再生。

甲醇洗脱除酸性气体技术主要应用于以下几个领域：德士古煤气、壳牌煤气、水煤气的脱除二氧化碳、硫化氢和有机硫天然气脱除二氧化碳、硫化氢和有机硫1. 变换气脱除二氧化碳、硫化氢和有机硫技术特点利用甲醇对酸性气体选择性吸收的特性，通过降压闪蒸解吸出大量的酸性气体，因此，能耗很低。

甲醇溶液对酸性气体的负载量大，循环液量小，电耗低。

甲醇洗法净化气体，脱除酸性气体的同时，水份也被深度脱除，可以省略后续的脱水系统。

1. 对有机硫的溶解度大，可以一次完成二氧化碳、硫化氢和有机硫的脱除。

技术原理甲醇是有机极性溶剂，由于其凝固点低、沸点低、粘度低、对有机硫化物具有很大的亲和力，且价廉易得，是脱除二氧化碳、含硫化合物、氰化物、轻烃物质等的良好的物理吸收剂。

以甲醇为物理吸收剂的净化工艺有两种：常温甲醇洗法，以甲醇为主体加入少量的化学吸收剂，并添加少量的缓蚀剂，在常温加压下，将硫化物和二氧化碳吸收脱除。

1. 低温甲醇洗法，以纯甲醇为吸收剂，在低于0℃，并加压下脱除原料气中的硫化物和二氧化碳优缺点：投资较高，需要配制制冷装置，运行费用低，净化度高，一般多用与大装置。

本稿为中国LNG网沼气提纯知识-------化学吸附法在沼气脱碳提纯中的应用2011-07-14 09:20化学吸附法在沼气脱碳提纯中的应用`导语：随着全球经济的高速增长，能源和环保问题日益突出。

课题：高中沼气课时：2课时年级：高中一年级教材：《化学》教学目标：1. 让学生了解沼气的产生原理、组成、性质和应用。

2. 培养学生运用化学知识解决实际问题的能力。

3. 培养学生的环保意识，提高学生对可持续发展的认识。

教学重点：1. 沼气的产生原理和组成。

2. 沼气的性质和应用。

教学难点：1. 沼气产生过程中的化学反应。

2. 沼气在环保和能源领域的应用。

教学准备：1. 多媒体课件2. 实验器材：沼气池、沼气收集瓶、气体检测仪等3. 沼气相关资料教学过程：第一课时一、导入1. 提问：同学们，你们知道什么是沼气吗？它有什么用途？2. 学生回答，教师总结：沼气是一种可再生能源，主要用于照明、取暖、发电等。

1. 沼气的产生原理和组成a. 沼气产生的过程：有机物质在无氧条件下，通过微生物的作用分解产生沼气。

b. 沼气的组成：主要成分为甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）。

2. 沼气的性质a. 无色、无味、无毒。

b. 可燃性：在空气中燃烧时，火焰呈蓝色。

c. 不支持燃烧：在空气中，沼气不能使火苗继续燃烧。

3. 沼气的应用a. 照明：沼气燃烧产生的热量可用于照明。

b. 取暖：沼气燃烧产生的热量可用于取暖。

c. 发电：沼气燃烧产生的热量可用于发电。

三、课堂小结1. 沼气是一种可再生能源，具有广泛的应用前景。

2. 沼气产生过程中，有机物质在无氧条件下通过微生物的作用分解。

3. 沼气在环保和能源领域具有重要作用。

四、课后作业1. 查阅资料，了解沼气在农业、工业、生活等方面的应用。

2. 思考：如何提高沼气的产量和质量？第二课时一、复习导入1. 复习沼气的产生原理、组成、性质和应用。

2. 提问：同学们，你们知道如何提高沼气的产量和质量吗？1. 沼气产生过程中的化学反应a. 有机物质在无氧条件下，通过微生物的作用分解产生沼气。

b. 沼气产生过程中的化学反应方程式：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O。

国内外沼气净化提纯工艺汇总国内外沼气净化提纯工艺汇总沼气净化提出的程度取决于沼气的用途。

沼气供热需要脱硫化氢、水，沼气发电需要脱硫化氢、水、有机卤化物；沼气作汽车燃料需要脱硫化氢、水、有机卤化物、二氧化碳；沼气并入天然气网需要脱硫化氢、水、有机卤化物、二氧化碳以及金属。

本文将就沼气脱水、脱硫和脱碳的常用工艺进行汇总详述。

一、脱硫工艺沼气脱硫是为了避免硫化氢腐蚀设备、硫化氢中毒，以及防止沼气燃烧时，硫化氢被氧化成二氧化硫或三氧化硫造成更大的危害。

其脱除方法如下：1.生物降解工艺沼气中的硫可以通过微生物被去除。

大部分的硫氧化细菌都属于硫杆菌属，且大多都是自养的，即他们可以利用沼气中的二氧化碳来满足其C营养的需要，主要生成物是单质硫，也有部分硫酸根，在溶液中形成硫酸会造成腐蚀。

根据沼气中不同不同的硫化氢含量，可以往沼气中通入2%-6%的空气，以满足生物氧化硫化物的需要。

最直接和简单的方法是直接往厌氧消化罐或储气罐中通入一定量的氧或空气并保持一定时间，因为硫杆菌随处可见，所以并不需要接种。

消化物的表面可以提供给他们一个微观好氧环境和必须的营养以供它们生长，并会形成菌落上面附着一层黄色的硫。

适当的温度、反应时间和空气量可以使硫化氢减少至50ppm。

对于不同的甲烷含量，沼气在空气中的爆炸范围为6%-12%，所以必须采取一定的安全措施以避免给沼气中通入过量的空气。

2.生物滤床工艺在大型厌氧消化罐生产沼气中，水洗和生物脱硫常常被联合起来用以去除硫化氢。

可以使用废水或者消化罐中的上清液从滤床顶部通入，沼气从底部通入，进入滤床前的沼气中通入4%-6%的空气，滤床为水吸收硫化氢和脱硫微生物的生长都提供了一个充足的接触面。

在丹麦，有几家工业污水处理厂和很多农场发酵产沼都在使用此种工艺净化沼气。

3.消化污泥中加氯化铁工艺直接往消化污泥中加入氯化铁，氯化铁会和硫化氢反应而形成硫化铁盐颗粒。

这种方法可以使硫化氢的产生量大为减少，但不能减少到天然气或汽车燃料所要求的水平，需要再进一步处理。

目前实际应用的脱碳工艺（不包括实验室正在研究的）就三种：1. 变压吸附：用活性炭分子筛，做得好的话能耗相对低一点，但甲烷损失相对高，目前运行案例中有的损失高达10%以上，需要预先脱硫。

2. 化学吸收：比如胺法，甲烷损失可以非常低，好的可以达到0.1%。

但需要大量的热量以及购买化学药剂，同样也需要预先脱硫。

3. 高压水洗：这个比较浅显易懂。

高压水洗也有一个甲烷损失的问题，好的能够控制到1%，甚至0.5%一下，差一些的也可达到10%的。

有误解经常说高压水洗的能耗高，其实其能耗主要是用在沼气增压，而提纯后沼气本来就需要增压，去掉这一部分能耗的话，高压水洗的能耗也不高。

水洗用的水可以循环利用，实际消耗水量很低。

可以根据浓度确定脱硫S浓度虽然不高，但为了健康考虑，建议还是处理一下吧。

方法和位置，尾气中H2文献中还报道的方法比如膜法、有机溶剂吸收、冷冻液化等等，目前实际应用还很少。

注：A. 变压吸附任何一种吸附对于同一被吸附气体（吸附质）来说，在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量越大。

反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。

因此，气体的吸附分离方法，通常采用变温吸附或变压吸附两种循环过程。

变压吸附是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点：⑴产品纯度高。

⑵一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济。

⑶设备简单，操作、维护简便。

⑷连续循环操作，可完全达到自动化。

因此，当这种新技术问世后，就受到各国工业界的关注，竞相开发和研究，发展迅速，并日益成熟。

图1变压吸附示意图(氮气为例)图2 过滤器组如果温度不变，在加压的情况下吸附，用减压（抽真空）或常压解吸的方法，称为变压吸附。

可见，变压吸附是通过改变压力来吸附和解吸的。

吸附常常是在压力环境下进行的，变压吸附提出了加压和减压相结合的方法，它通常是由加压吸附、减压再组成的吸附--解吸系统。

在等温的情况下，利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第1期·68·化 工 进展水合物法提纯沼气技术研究进展孟凡飞，王海波，廖昌建（中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，辽宁 大连 137800）摘要：沼气是一种重要的可再生能源，对沼气进行充分高值利用对于缓解我国能源需求和环境压力具有重要意义。

沼气在高值利用前必须进行脱碳提纯处理，本文介绍了一种可用于沼气提纯的新技术——水合物分离技术。

介绍了水合物分离技术的基本理论，调研总结了水合物法提纯沼气和可用于沼气体系（CH 4/CO 2）的水合物分离技术研究进展，包括相平衡研究、热力学促进剂、动力学促进剂、机械强化、外场强化、添加多孔介质/纳米流体等和采用油/水乳液促进技术，并对各种水合物分离促进技术进行了分析：相平衡研究为水合物法提纯沼气提供了理论基础；合理地选用热力学和动力学促进剂能够有效改善气体水合物相平衡条件，促进水合物生成，增加储气效果和提高分离效率；机械强化及外场作用通过强化水合反应过程的传质传热效果促进水合物生成；添加多孔介质和纳米流体等能够增大气液接触面积，对水合过程发挥促进作用；采用油/水乳液不但能够强化气液接触，而且微乳状态下的水合物具有很好的流动性，具有良好工业应用前景。

最后对水合物法提纯沼气技术进行了展望，水合物提纯沼气研究虽处在起步阶段，但随着研究的不断深入，该技术凭借操作条件温和，对原料气要求低，并且具有操作简单灵活、安全性高、环保无污染等优点，必将在我国沼气产业发展过程中发挥作用。

关键词：水合物；沼气；分离；提纯；甲烷；二氧化碳中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）01–0068–12 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0798Research progress of hydrate separation technology for biogaspurificationMENG Fanfei ，WANG Haibo ，LIAO Changjian（Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals ，SINOPEC ，Dalian 137800，Liaoning ，China ）Abstract ：Biogas is an important renewable energy source ，and the full use of biogas is of great significance to alleviate energy demand and environmental pressure. Biogas must be purified by decarbonization before high value utilization. A new technology——hydrate-based separation technology ，for the biogas purification is introduced. The basic theories of hydrate-based separation technology were introduced ，and the research progress of hydrate-based separation technology biogas（CH 4/CO 2）was summarized ，including phase equilibrium research ，thermodynamic promotors ，kinetic promotors ，mechanical strengthening ，field strengthening ，adding porous media/nano-fluids ，and using oil/water emulsion. Various technologies of hydrate-based separation were analyzed. Phase equilibrium study provided the theoretical basis for the purification of biogas by hydrate method. Reasonable selection of thermodynamic and kinetic promoters could effectively improve gas hydrate phase equilibrium conditions ，promote hydrate formation ，increase gas storage effect and improve separation efficiency. Mechanical strengthening and field action promoted hydrate formation by enhancing the mass and heat transfer effect in the hydration process. Adding porous media/nano-fluids could increaseE-mail ：***************************。

沼气提纯可行性研究报告一、可行性研究目的本报告旨在对沼气提纯技术的可行性进行研究，探讨沼气提纯技术的发展现状、优缺点及未来发展趋势，分析沼气提纯技术在实际应用中的优势和存在的挑战，为相关行业的技术研发和推广提供参考依据。

二、沼气提纯技术的现状目前，沼气提纯技术主要包括物理吸附法、化学吸收法、膜分离法、压力吸附法等多种方法。

这些技术在提纯效率、操作成本、废弃物处理等方面存在差异，各有优劣点。

1. 物理吸附法物理吸附法是一种通过吸附剂将沼气中的杂质分离出来的方法，常用的吸附剂包括活性炭、分子筛等。

物理吸附法操作简单、设备投资少、运行稳定，但吸附效率较低，需要定期更换吸附剂，且存在废弃物处理难题。

2. 化学吸收法化学吸收法是利用化学溶剂将沼气中的杂质吸收、分离出来的方法，常用的溶剂包括氨水、乙二醇等。

化学吸收法能够有效提取沼气中的二氧化碳和硫化氢等杂质，但操作成本高，溶剂需定期更换和回收，可能对环境造成污染。

3. 膜分离法膜分离法是利用不同大小的孔径或选择性通透性的膜将沼气中的杂质分离出来的方法，常用的膜包括多孔膜、反渗透膜等。

膜分离法具有分离效率高、能耗低、操作简单的特点，但膜的寿命短，易受污染影响分离效果。

4. 压力吸附法压力吸附法是利用各种吸附材料对沼气进行压缩、脱压、吸附的方法。

压力吸附法能够有效提取沼气中的杂质，操作简单，但设备复杂、能耗高，对操作人员技术要求较高。

三、沼气提纯技术的优势和挑战1. 优势（1）减少环境污染：沼气提纯可以有效去除沼气中的硫化氢、氨气等有害气体，减少对环境的污染。

（2）提高利用效率：提纯后的沼气热值更高，燃烧效率更好，可用于发电、供暖、工业生产等领域。

（3）节约能源成本：提纯后的沼气可以直接用于城市燃气管道输送，替代天然气，节约能源成本。

2. 挑战（1）设备投资高：沼气提纯设备投资成本较高，对生产厂家和用户都是一定的挑战。

（2）材料与技术要求高：沼气提纯技术对材料的选择和操作技术要求高，对操作人员技能水平提出挑战。

一文全面了解变压吸附法、化学吸收法、压力水洗法沼气提纯技术沼气是一种具有较高热值的可燃气体，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源。

目前全国沼气工程建设量不断增加，随着沼气产量的不断增加，沼气的使用领域相继拓宽，对沼气的质量要求不断提高。

沼气净化提纯后可用于热电联产、并入天然气管网、车用燃料、化工燃料以及燃料电池等。

本文针对变压吸附法、化学吸收法、压力水洗法三种沼气提纯技术做出对比，以便大家更直观的了解这三种沼气提纯技术！一、沼气提纯技术介绍1、变压吸附法变压吸附（Pressure Swing Adsorption.简称PSA）是以压力为参量，根据不同气体在吸附剂上的吸附能力差异，扩散速率的不同（如N2、O2分离）或气体分子大小不同来实现气体的分离。

变压吸附一般在常温下进行，并在较高压力下气体组分吸附，减压下被吸附组分解吸，放出气体组分，吸附剂得到再生。

变压吸附法是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点：1）品纯度高；2）一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济；3）设备简单，操作、维护简便；4）连续循环操作，可完全达到自动化；5）无废水产生，环保性能好。

2、化学吸收法化学吸收法是利用二氧化碳和吸收液之间的化学反应将二氧化碳从排气中分离出来的方法。

二氧化碳气体在常温常压的情况下极易溶于化学吸收液（贫液）中形成富液，富液在高温的情况下，二氧化碳气体又很容易被解吸出来，从而实现二氧化碳气体的分离，达到沼气净化的目的。

化学吸收法对二氧化碳和甲烷气体的选择性很强，溶液和二氧化碳等酸性气体反应迅速，但甲烷气体不发生化学反应，通过该法进行的沼气净化提纯具有甲烷气体纯度高、甲烷气体损失率小等特点。

3、压力水洗法压力水洗法脱除二氧化碳是物理吸收过程，根据沼气中主要组分甲烷和二氧化碳在水中的溶解度不同而实现气体分离，在整个过程温度变化不大的条件下，甲烷在水中的溶解度随压力变化不大，CO2和H2S在较高压力下在水中溶解度大，在较低压力情况下因CO2和H2S在水中的溶解度小而释放出来，从而实现对二氧化碳气体分离完成沼气净化提纯。

第50卷第3期2023年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:张良,尹龙天,李秀金.沼气水洗技术中解吸工艺对提纯性能的影响分析与优化[J].北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):27-33.ZHANG Liang,YIN LongTian,LI XiuJin.Analysis and optimization of the purification performance depending on the de⁃sorption process in biogas water scrubbing technology[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology (NaturalScience),2023,50(3):27-33.沼气水洗技术中解吸工艺对提纯性能的影响分析与优化张　良　尹龙天　李秀金(北京化工大学化学工程学院,北京　100029)摘　要:以中试规模的25Nm 3/h 沼气压力水洗提纯实验系统为基础,耦合填料吸收塔/填料解吸塔和填料吸收塔/旋转解吸床两种工艺,研究解吸工艺对提纯性能的影响以及强化解吸的优化对比㊂塔/塔系统实验结果表明,当鼓风量Q a 从0增至20Nm 3/h 时,吸收塔的分离效率快速上升(产品气CO 2体积分数y 2至3%以下)而后趋向稳定,权衡效率与能耗下Q a 与进气流量G 的优化比值在3~4之间㊂在压力为0.85~1.15MPa㊁温度为10~25℃㊁液气比1∶8~1∶5㊁进气CO 2体积分数为35%~50%及进气流量为15~30Nm 3/h 条件下,分析了解吸对分离性能的影响程度及机理,发现当进水CO 2摩尔分数达0.0001时相对纯贫液的传质单元数N OG 上升幅度在15.7%~42.8%之间㊂通过塔/床系统实验得出当转速增至840r /min 时,y 2快速下降至2.02%而后趋向稳定,而当转速超过1120r /min 时塔/床系统比塔/塔系统的分离性能要优㊂关键词:沼气提纯;压力水洗;旋转床;分离效率;解吸影响中图分类号:S216.4 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2023.03.003收稿日期:2022-06-16基金项目:中央高校基本科研业务费基地创新项目(JD2326)第一作者:男,1983年生,博士,高级工程师E⁃mail:liangspace@引　言通过分离沼气中的CO 2提纯制取生物天然气(主要成分CH 4)是厌氧发酵生产沼气领域产品高品质化利用的主要发展趋势之一,已成为替代化石天然气的重要可再生能源选项[1-3]㊂目前可选择的相对成熟的提纯技术主要有压力水洗㊁膜分离㊁化学吸收㊁变压吸附以及有机溶剂吸收等,这些方法在技术与经济层面上各有优缺点,可根据原料沼气量㊁原料沼气成分㊁区域环境㊁后端需求等特点具体分析并选择[4-8]㊂其中,压力水洗技术采用了操作稳定的塔器设备,且易通过增加设计塔径扩容处理量,吸收工艺环保(循环水吸收),对原料沼气成分要求较低(可接受较高浓度H 2S 杂质),还适合寒冷区域(低温有益吸收㊁降耗),因而成为当前国内外主流的沼气提纯技术之一[9-10]㊂然而,沼气压力水洗技术在实际工程应用中也存在不足:因其传质推动力相对其他技术较弱(CO 2低压水溶解性不强),易造成主体工艺设备尺寸偏大㊁操作液气比过大(循环水量增大而升高能耗)㊁吸收不易彻底㊁吸收塔内气液分布不均㊁填料结垢等弊端[11-13]㊂这种物理性溶解传质过程缓慢,受压力㊁温度等因素波动影响[5,14-15],并且吸收后的富液解吸易不彻底,致使反向降低吸收过程的效率㊂常规的思路是从强化吸收的角度来提升整体设备的技术性能,注重于优化吸收过程参数的研究,但由于这种物理过程推动力本身的不足,难以实现本质性的提高㊂目前围绕不同的解吸程度对整体吸收性能的影响还缺乏深入的机理性研究,同时如能通过强化解吸来间接实现整体性能的提升,将会是一项非常具有工程应用价值的探索㊂化工过程强化技术 超重力旋转床旋转产生的离心力能够强力破碎液滴降低解吸阻力,可应用于气体提纯领域,研究表明其有利于加速反应㊁改善传质效果,且设备具有结构紧凑的成本优势[16-19]㊂因此针对上述技术研究现状,本文以中试规模25Nm3/h的沼气压力水洗提纯实验装置为基础,研究解吸工艺对吸收性能的影响,分析不同操作因素的影响程度及机理㊂选用超重力旋转床作为强化解吸技术手段,采用塔/床组合水洗提纯技术[20],实现在常规的塔/塔组合基础上的优化升级㊂1　实验部分1.1　实验系统与设备实验系统(图1)由填料吸收塔/填料解吸塔的传统组合和填料吸收塔/旋转解吸床的新型组合两种工艺耦合组成㊂原料气经过压缩提升至一定压力后在填料吸收塔内完成与吸收液水的逆流传质过程,塔顶得到分离后的产品气㊂吸收了CO2的循环吸收液(即富液)先自然压入减压塔(初级减压),后根据不同工艺要求排入填料解吸塔或旋转解吸床(解吸工艺并联互换关系),根据不同的解吸原理得到可以循环实验的吸收液水(即贫液),产生的废气为解吸气(排空)㊂出于实验安全以及CH4与N2水溶物理特性相似的前提,本文实验系统采用N2来替代沼气中的CH4㊂1 N2气瓶;2 CO2气瓶;3 缓冲气柜;4 压缩机;5 缓冲压力罐;6 填料吸收塔;7 减压塔;8 填料解吸塔;9 旋转解吸床;10 高压水泵;11 制冷机;12 风机;L 流量计㊂图1　实验系统Fig.1　Experimental system实验系统设计的原料气处理能力为25Nm3/h (即600Nm3/d),达到中试实验规模㊂吸收和解吸工艺环节的主要设备参数见表1㊂使用北京北分瑞利公司SP2100A型气相色谱仪进行气体成分测量(取3次测试均值),流量测量采用科隆公司生产的250型金属管浮子流量计㊂表1　吸收和解吸设备参数Table1　Parameters of the absorption anddesorption equipments设备参数填料吸收塔金属鲍尔环填料,填料层3×2.4m,塔径200mm填料解吸塔金属鲍尔环填料,填料层5m,塔径400mm旋转解吸床最大转速1440r/min,填料层外径×内径为130mm×400mm,层高200mm,304过滤丝网填料(图2)图2　旋转转子及填料Fig.2　Rotator and packing1.2　分析方法实验系统的吸收效率可由产品气CO2浓度(体积分数,下同)y2和CO2去除率R CO2来体现㊂忽略N2在吸收过程的变化,y2和R CO2之间的关系可以直接用式(1)表示,其中y1为进气CO2浓度㊂ y2=y1(1-R CO2)100-y1+y1(1-R CO2)×100%= y1(1-R CO2)100-y1R CO2×100%(1)实验系统采用的原料气体最高CO2浓度为50%,属于高含量气体吸收,为了控制计算精度,采用逐段计算法(气相含量变化分10层,n=10),再经过常规的化工吸收计算过程[15,21]完成对层传质单元高度H OG(单位m)和传质单元数N OG的分析,过程不再详述㊂最终结果见式(2)~(4),其中G′为气相通流量,kmol/(m2㊃h),K G为总传质系数, kmol/(m2㊃h),a t为填料比表面积,m2/m3,F P为填料层高度安全系数,H为计算填料层高度,m㊂ H OG=G′KGa t(2)㊃82㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年 N OG =∫y n y n +1d y y -y i +12ln 1-y n +11-y n(3) H =F P∑(H OG ㊃N OG )n(4)2　结果与讨论2.1　解吸效果对分离效率的影响填料解吸塔鼓风量Q a 增大后,塔内气液比增大,一方面有利于增强气液之间的混合,另一方面降低了气相中CO 2分压,增大了CO 2从液相解吸至气相的传质推动力,以上两方面因素均有利于提高解吸效率㊂在压力p =1.0MPa㊁温度T =20℃㊁液气比L /G =1∶7(L 为循环水流量,G 为进气流量)㊁进气流量G =20Nm 3/h 及进气CO 2浓度y 1=50%的工艺操作条件下,填料吸收塔分离效率结果(图3)表明,更彻底的解吸效果(增大吸收塔的传质推动力)会带来更高的填料吸收塔分离效率㊂当Q a 从0增长到20Nm 3/h 时吸收塔分离效率快速上升,产品气CO 2浓度从超过12%迅速下降至3%(国内车用天然气标准成分要求[22])以下,而CO 2去除率R CO 2则很快上升至97%以上㊂同时,还可以发现这种吸收塔分离效率的增强是有限度的(因传质推动力存在平衡限度)㊂就本文实验体系而言,当鼓风量超过20Nm 3/h 后,吸收塔分离效率就进入了相对稳定状态,不再出现明显变化㊂此结果对于工程应用具有重要意义,意味着在特定的操作条件下,解吸的影响可达到极限,工程应用中应根据具体的工艺条件设置最低优化鼓风量,避免出现为过度提高分离效率而浪费电能的现象㊂推荐的鼓风量Q a 与进气流量G 的优化比值在3~4之间㊂图3　解吸塔鼓风量对分离效率的影响Fig.3　Influence of an air blast flow in the desorptiontower on the separation efficiency2.2　不同因素对分离能力影响程度的理论分析从式(3)可以看出,改变填料吸收塔循环进液的CO 2浓度(来自解吸塔,反映解吸的状态和程度)本质上是改变传质单元数N OG ㊂进液CO 2浓度变大后,液相传质推动力下降,计算得出传质单元数N OG 变大,即理论上得到同样的分离效率需要更大的填料层高度,在实际塔高不变(式(4))的前提下,填料吸收塔的分离能力自然会逐渐下降㊂通过改变进水CO 2摩尔分数x 2的数值,可以计算分析出在相对纯贫液(x 2=0)条件下,不同因素对传质单元数N OG 的增大百分比,即传质单元数相对变化值R NOG 的影响程度㊂图4~8总体上反映出在常规的工艺操作范围条件下,即p =0.85~1.15MPa㊁T =10~25℃㊁L /G =1∶8~1∶5㊁y 1=35%~50%㊁G =15~30Nm 3/h,进水CO 2摩尔分数x 2对相对变化值R NOG 的影响都是一致的,随着x 2的增大,体现吸收塔分离性能的传质单元数N OG 快速上升,造成了分离性能的相对下降,当x 2达0.0001时传质单元数N OG 上升幅度在15.7%~42.8%之间㊂此外,这种影响程度不是单一不变的,在不同的工艺操作温度㊁压力㊁液气比和进气流量及浓度条件下,影响程度各有不同㊂图4表明在压力上升且各压力间的变化相对均匀的条件下,传质单元数相对变化值R NOG 上升速率不断下降,反映了压力上升使得溶解推动力增强,从而提升了分离能力㊂图5反映的温度影响情况与压力大体相反,温度低有利于促进物理吸收,随着温度下降,R NOG 上升速率不断下降㊂可以看出这种改变物理特性的压力/温度因素对分离能力的影响是较为明显㊁均匀的,且整体上压力的影响程度要大于温度㊂图4　不同压力的影响程度Fig.4　Influence degree for different pressures然而,对于液气比㊁进气CO 2浓度及进气量此㊃92㊃第3期 张　良等:沼气水洗技术中解吸工艺对提纯性能的影响分析与优化图5　不同温度的影响程度Fig.5　Influence degree for different temperatures类改变物理量的因素,其变化的影响程度要小很多㊂图6表明不同液气比下R NOG 的差别不大,说明更高的液气比(即更多的吸收液水)有利于更多进气被吸收,但并不会对R NOG 的上升速率造成较大影响㊂图7表明更高的进气CO 2浓度(代表更大的气相传质推动力)有利于更多进气被吸收,但同样对R NOG 的相对影响不大㊂图8的重叠数据直接表明从理论计算角度,仅改变进气量不会对R NOG 产生影响,因为此时没有改变传质推动力的因素出现㊂图6　不同液气比的影响程度Fig.6　Influence degree for different liquid -gasvolumeratios图7　不同进气CO 2浓度的影响程度Fig.7　Influence degree for different gas intakeCO 2concentrations图8　不同进气流量的影响程度Fig.8　Influence degree for different intake gas flows传质单元高度H OG 和传质单元数N OG 共同决定了填料层高度(式(4)),因此H OG 的变化同样影响填料吸收塔的分离能力㊂图9分析了各因素单独变化(p =0.85~1.15MPa㊁T =10~25℃㊁L /G =1∶8~1∶5㊁y 1=35%~50%及G =15~30Nm 3/h)对H OG 的影响程度,其中纵坐标范围统一为(0.28,0.42),以示各因素影响程度的不同㊂由图9可以发现,类似前述的影响原理,高的压力(图9(a))㊁高的液气比(图9(c))和高的进气CO 2浓度(图9(d))会强化传质推动力,使得传质单元高度降低,即完成1个传质单元需要的高度更小㊂而高温虽然不利于吸收,但其对H OG 的影响是微乎其微的(图9(b))㊂从图9(e)可看出,进气流量G 虽然理论上不影响N OG ,但其值与H OG 是正相关的(式(2))㊂2.3　塔/床组合系统与塔/塔组合系统的效果对比图10给出了新型填料吸收塔/旋转解吸床组合系统中改变转速对整体吸收效率的影响㊂旋转是动态旋转解吸与静态填料解吸的关键区别㊂由前文可知解吸程度越高,整套系统中填料吸收塔的分离能力越强㊂从图10可以看出随着转速的提升,产品气CO 2浓度y 2从11.50%迅速下降至2.02%及更低,对应的CO 2去除率R CO 2上升至97.94%以上;同时还可以看出在n =840r /min 后产品气CO 2浓度趋于稳定,表明转速的影响存在极限值㊂这是因为转速越高,液滴的雾化效果越好,气液接触面积增大,CO 2向外的传质阻力减少,带来了更佳的解吸效果㊂但当转速足够大时解吸效果将主要受限于温度㊁分压等其他因素,因而出现了性能极限㊂图11给出了新型填料吸收塔/旋转解吸床组合系统与传统填料吸收塔/填料解吸塔组合系统的性能对比㊂由图11可以得到以下几点:(1)鼓风量对㊃03㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图9　不同因素对传质单元高度H OG的影响Fig.9　Influence of different factors on the height of the mass transfer unit H OG图10　转速n对分离效率的影响Fig.10　Influence of the rotation speed n on theseparation efficiency吸收效率的影响是一致的,都是在鼓风量增加的前期产生快速影响,与提纯系统整体的解吸结构形式无关,并存在其影响的极限(鼓风量极限值大体相同,约为40Nm3/h);(2)转速越高,增加鼓风量带来的分离效率提升越明显,如在转速为0条件下,鼓风量从0增至100Nm3/h,y2仅从15.21%降至10.52%,而在转速为1400r/min条件下,y2可从11.85%迅速降至标准成分要求值3%以下并趋于稳定,同时当转速较大时这种转速带来的提升会很缓慢,如图11中1120r/min和1400r/min两个条件下的数据几乎重合;(3)与传统塔/塔组合系统相比,新型塔/床组合系统并不是一定占优㊂当转速在840r/min以下时塔/塔组合系统明显优于塔-床组合系统,但当转速达到1120r/min时情况发生逆转,说明对于塔/床组合系统只要合理控制操作转速,即可带来十分有益的工程效果,并将在控制设备投资与空间(结构紧凑)方面形成优势㊂图11　旋转解吸床和填料解吸塔性能对比Fig.11　Performance comparison between therotating desorption bed and apacked desorption tower㊃13㊃第3期 张　良等:沼气水洗技术中解吸工艺对提纯性能的影响分析与优化3　结论(1)在吸收塔压力p=1.0MPa,温度T=20℃,液气比L/G=1∶7,进气流量G=20Nm3/h及进气CO2浓度y1=50%的工艺条件下,鼓风量Q a从0增长到20Nm3/h时,吸收塔中产品气CO2浓度y2迅速下降至3%(对应CO2去除率R CO297%以上)以下,而后继续增大鼓风量影响趋于稳定㊂从分离效率和能耗角度权衡,鼓风量Q a与进气流量G的优化比值在3~4之间㊂(2)随着进水CO2摩尔分数x2的增加,传质单元数N OG快速上升㊂在相对纯贫液进水条件下,进水CO2摩尔分数x2达到0.0001时传质单元数N OG 上升幅度在15.7%~42.8%之间㊂在压力㊁温度等改变物理特性的因素变化下,进水CO2摩尔分数对分离性能的影响较为明显,而对于液气比㊁进气CO2浓度及进气流量等改变物理量的因素,其影响的程度要小很多㊂(3)在填料吸收塔/旋转解吸床组合系统中转速是影响系统吸收性能的关键因素,随着转速增大至840r/min,反映吸收塔分离效率的产品气CO2浓度迅速下降至2.02%(对应去除率R CO2达97.94%以上)㊂当转速n≤840r/min时传统塔/塔组合系统的分离性能明显优于新型塔/床组合系统,但当转速n≥1120r/min时旋转强化解吸的优势将显现㊂参考文献:[1]　SAHOTA S,SHAH G,GHOSH P,et al.Review oftrends in biogas upgradation technologies and future per⁃spectives[J].Bioresource Technology Reports,2018,1:79-88.[2]　AUGELLETTI R,GALLI S,GISLON P,et al.Biogasupgrading through CO2removal by chemical absorption inan amine organic solution:physical and technical assess⁃ment,simulation and experimental validation[J].Bio⁃mass and Bioenergy,2020,141:105729. 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真空变压吸附提纯沼气的实验摘要：沼气是微生物在厌氧条件下分解麦秸、垃圾等有机物产生的一种可燃性气体，其主要成分包括45%~70%（V）CH4、30%~45%（V）CO2及少量N2、H2S和H2。

沼气作为一种清洁能源，可以用作燃料、燃料电池、发电及车用燃料等。

其中，将其用作车用燃料不仅可以缓解能源紧张的问题，还可以实现废物的循环再利用，有效地解决环境污染问题。

然而，就目前我国沼气资源的利用方式而言，主要以农村照明、取暖与发电等直接燃烧为主，未净化的沼气中二氧化碳含量较高，直接燃烧显著降低了沼气的热值与有效利用率。

因此，利用工业技术脱除沼气中的二氧化碳，以提升甲烷的纯度，是实现沼气高效利用的必要阶段。

关键词：真空变压吸附；沼气；实验；甲烷1导言本文基于真空变压吸附分离工艺，选用实验室自制的碳分子筛，通过静态容积法测定二氧化碳与甲烷纯组分在283.15～323.15 K温度下，0～0.5MPa压力下的平衡吸附量以及动力学扩散系数。

其次，通过单塔穿透实验，结合吸附机理探讨了动态吸附分离性能的影响因素，选定了真空变压吸附分离过程的吸附压力与进料流量；最后，构建两塔六步的真空变压吸附分离工艺装置，用于沼气脱除二氧化碳以提纯甲烷的实验研究，并考察吸附时间与产品气冲洗率对分离效果的影响。

2实验部分2.1实验装置二氧化碳与甲烷在碳分子筛上的平衡吸附量与动力学扩散系数采用静态容积法测定，如图1所示，其中系统的参比槽与吸附槽为主体测试单元。

静态容积法测定纯组分平衡吸附量的原理是基于吸附前进入系统的气体总量与达到吸附平衡后系统内气体量的差值，且该气体量的差值可通过PVT状态方程计算。

参比槽与吸附槽的容积均为0.06 L。

平衡吸附量测定过程中，参比槽与吸附槽置于超级恒温水浴锅内，以维持环境温度的恒定。

真空变压吸附实验装置由二氧化碳与甲烷的混合原料气进行模拟，原料气的组成和流量由质量流量计控制，质量流量计的控制量程为0～5 L•min−1，测量精度为±1.5%。

膜法沼气净化提纯技术应用文/青岛天人环境股份有限公司吕晓东随着我国经济的快速发展以及对环境保护的提升，清洁能源的市场需求在快速增长，能源的对外需求度逐年增加，供需矛盾十分突出。

从天然气供需来看，2009年全国天然气产量为852.67亿立方，而天然气的消费量为887亿立方米，供需缺口达34亿立方米。

我国每年产生畜禽粪便约40亿吨，作物秸秆约7.8亿吨。

农产品加工有机废弃物近亿吨，具有5000亿m3以上的沼气生产潜力，相当于2011年全国天然气消费总量的2.5倍，虽然生物质能源原料丰富，但开发利用率仅占10%左右。

如果建设上万个池容2万立方米的大型沼气工程，年产沼气1100亿立方米，可为1.8亿农户供气，能替代原油5500万吨，相当于2个胜利油田的全年原油产量，年可创造产值1100亿元；可减排二氧化碳2亿吨，相当于“十二五”国家二氧化碳减排任务的13%，对缓解能源紧缺和保护生态环境将起到积极作用“。

因此发展沼气对于缓解我国能源紧张局面，减轻对传统石化能源的依赖，优化能源结构具有十分重要的战略意义。

1、沼气的高附加值利用沼气的主要成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(C02)。

甲烷占50％~70％，二氧化碳占30％~50％，还有少量其他惰性气体。

甲烷，是天然气的主要成份，容易燃烧、热值较高，燃烧时不会产生烟尘，是一种清洁能源。

对沼气进行提纯处理，提纯后的沼气中CH4含量为95%以上，CO2含量为2%～5% ，使之达到与天然气一样的品质，可实现与天然气的互联互通。

因此，沼气净化提纯将成为沼气高附加值利用的一种主要途径。

目前沼气高附加值利用的主要方法有：化学吸收法（胺液吸收法为主导）、PSA（变压吸附法）、压力水洗法、膜法等，每种方法各有千秋，最终都是要将沼气中的甲烷含量提升至95%以上。

但是，从设备结构简单化、设备化、撬装化、低能耗等方面考虑，膜法沼气净化提纯设备满足上述要求，将成为沼气净化提纯方向的主流。

2、气体膜分离技术气体膜分离是指在压力差或压力比的作用下，利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程。

沼气提纯净化工艺技术研究作者：祁智来源：《中国科技纵横》2019年第20期摘要：沼气中的最主要的化学成分是CH4与CO2，我们可以把CO2将混合气中进行分离得到的一种高纯度的甲烷气被叫做生物天然气。

对于生物天然气来说，能够去当成石化天然气的直接性的代替的生物性燃料。

因为人类对天然气要求的数量的快速的上升，这导致使生物天然气技术得到了快速发展。

本文章论述了沼气和天然气之间的差别，以及沼气提纯之后是否能去代替天然气，描述了其沼气提纯技术的进展，就膜分离法进行了详细的探讨。

通常来说对沼气进行提纯的方式方法有加压水洗的方法、化学吸收的方法、以及膜分离的方法、变压吸附的方法、低温分离方法，其膜分离技术在减少提纯的成本与对提纯系统进行简化，让它变成为有着良好的发展前景的优秀技术。

这篇文章对于沼气提纯工艺的快速发展可以有一定的意义，以及给广大公众带来一定的参考。

关键词：沼气;工艺;提纯;天然气中图分类号：TE642 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0007-02这些年以来，我国对于沼气的提纯技术的发展和有关的设备领域探索研究进行了十分多的科研方面的工作，这些工作最多的是汇聚在化学的吸收，和有关物理吸附以及提纯这些方面。

在此条件下。

华北电力大学和中国石油大学对于天然气有关的水合物的提纯技术方面和对于甲烷的原位富集这些有关的方面开展了探索。

现在，我们国家在化学吸收、变压性吸附有关的技术方面的研究，已经去对于可进行商业化应用相关的提纯技术设备开展了进一步的研究和探索。

我国对于这些技术与世界上先进的国家相互比较之下，中国对于此基础性的研究，以及对于设备的成套化模式的研究和探索这这些重要的方面还存在着十分大的技术方面的区别。

中国特别是在对于大量的中等的规模类型的沼气工程，对其中所使用的配套的提纯技术设备以及技术研发是十分不充分的，而且我国对于这方面的技术同样是大大的缺乏的。

1 沼气和天然气组分特性的比较即使在化学成分方面，其沼气以及天然气的核心的，能够燃烧的部分都是CH4，但是对于沼气和天然气来说，这两种物质，在其化学成分的含量大小，和有关的物理性特性，对于某些方面，都会有着十分明显的不同。