沼气技术与工艺

2、沼气净化技术与工艺


 
由于沼气中含有较高浓度的CO2、N2、H2S和Sox,所以需要运行相关的净化工艺脱除其中的杂质气体通常沼气进行提纯之前要进行预处理。沼气经预处理后得到主要成分为(CH4+CO2)的混合气体;然后将混合气体通过提纯设备进行净化分离,净化后的沼气可采用气态或液态的方式进行储存和输送,沼气的净化工艺主要是硫氧化物和二氧化碳的脱除。
 
一、脱硫工艺
 
各种脱硫工艺主要分为干法和湿法。干法脱硫是用固体吸收剂来脱除H2S,脱硫效率高,但投资较大,需间歇再生或更换。其硫容量相对较低,而脱硫剂大多不能再生,需要处理,主要适用于气体的精细脱硫湿法以液体吸收剂来脱除硫化氢,设备处理量大,投资及运行操作费用小,可连续操作,但效率低,难以达到较高要求,湿法能够适应较高负荷的脱硫要求,应用面较广。
 
表1  常用脱硫法的优缺点
 

 
二、脱碳工艺
 
脱碳最早出现并不是在沼气的净化工艺,但是它一直是气体净化工艺中的研究重点,溶液吸收法、吸附法、膜分离法和冷凝法是沼气脱碳的传统方法。此外,采用当代技术对传统脱碳技术进行改进,超重力装置是采用高速旋转的填料转子产生强大向心力来模拟超重力环境,与传统分离塔相比,传质单元高度降低1~2个数量级,因而提高了气液间传质的效率,加快了单位吸收剂吸收二氧化碳的速度,同时也提高了吸收剂的效率。但是此工艺的技术要求和设备成本较髙,需要在现有工艺技术上加以改进,从而达到最佳的经济效益。
 
表2  常用脱碳法的优缺点
 


 
虽然各种方法都在某方面具有一定的优势,但是物理吸收法,化学吸收法,膜分离法和变压吸附法均存在成木高的弊端,降低了工艺的可实施性;深冷粉碎法和生物脱碳法均存在使用范围小的缺点,限制了生产的规模。对几种工艺的经济效益进行权衡,变压吸附法较其他几种脱碳方式更适合沼气工程的净化处理
 
(一)变压吸附工艺关键技术
 
变压吸附作为一种经典的气体提纯工艺,所选的吸附剂和操作条件的设定是整个技术的重点。
 
吸附剂是整个变压吸附的核心,近年来,变压吸附用吸附剂的性能不断得到提高,主要表现在吸附剂的吸附量提高、产品组分的分离系数的提高、杂质组分吸附前沿的降低、再生比较容易、吸附剂强度的提高等几个方面。选择合适的吸附剂,既要考虑对待分离组分中二氧化碳的吸附选择性能,同时也要考虑吸附剂的再生性能。因为吸附剂的吸附容量有限,因此选择有效的再生方法既可改善变压吸附工序的操作参数,使得吸附分离过程称为连续的操作过程,提高过程的生产强度和处理能力,同时减少对吸附剂的浪费,提髙了工艺的整体经济效益。
 
活性炭因其丰富的孔结构和巨大的比表面积而成为优质吸附剂,最常被用于吸附脱碳工艺。对常规的活性炭进行改良,所制备的超级活性炭具有较大比表面积、较窄的孔径分布,比表面积比普通颗粒状活性炭、活性炭纤维和球形活性炭高出2至3倍。此外,超级活性炭对二氧化碳这类线状分子具有脱附速度快、再生条件简单、使用温度范围广等显著优点。
 
分子筛里面最主要的组份是沸石,主要有天然沸石族矿物和合成沸石。沸石具有很大的比表面积,扩散能力较一般吸附剂强,故可用作吸附剂。与普通吸附剂相比,沸石分子筛具有以下特征:(1)分子筛的吸水能力很强,通常被用作干燥剂,因此在进行变压吸附脱氮工艺时应先对混合气体进行脱水处理;(2)孔结构均匀一致,孔大小分布单一;(3)弹性操作较大,在温度、压力变化大的操作条件下,吸附容量仍然较高。沸石分子筛对于比其孔径小的物质具有很强的吸附能力,对低浓度的吸附质也有很高的吸附容量,对极性分子和不饱和分子有优先吸附的能力。沸石分子筛的生产方法有水热合成、水热转化和离子交换法。在硅铝酸盐的基础上,通过加热,或者离子交换等条件改变其分子的结构,得到吸附容量较大的化合物。分子筛的孔穴直径大小均匀,这些空穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔内部,直到饱和。不同种类的分子筛空穴结构不同,因此吸附容量和热稳定性也不一样。
 
活性氧化铝是白色多孔物质,由三水氧化铝经过高温焙烧脱水形成,外形多为球状和柱状。活性氧化铝能够吸附大量的水蒸气,而且被水饱和的氧化铝很容易通过干燥的方法脱除物理吸附水而重复使用。除了干燥空气外,活性氧化铝还用于除去气体和有机液体中的水分,如用于酒精脱水活性。除此之外,氧化铝也是氨氟化氢与砷的氧化物反应的良好吸附剂,作为高氟饮水的优质除氟剂与制酸工业的除砷剂已得到广泛应用。
 
(二)变压吸附工艺过程
 
典型的沼气提纯工艺如图。甲院经过过滤、脱水、脱氨、脱硫和压缩等预处理后,进入变压吸附装置,再通过升压吸附顺放、逆放和解吸等过程后,轻组分从塔顶排出,作为产品气被回收起来;而氮气和二氧化碳在解吸后,由塔底排出。
 


 
变压吸附工艺通常包括吸附、放空、冲洗、均压和充压几个步骤。如下图所示。
 


 
(三)沼气变压吸附工艺中存在的问题
 
沼气变压吸附随着新能源的普及和飞速发展,特别是在西欧国家,沼气变压吸附工艺技术已经达到了一定的水平,但仍存在以下几点问题:
 
(1)工艺成本高。吸附剂的选择是工艺的核心环节,选择适当的吸附剂不仅要保证工艺的产气纯度高,同时要降低购买吸附剂的成本,吸附剂的再生性能成为关键。同时合理的设计工艺流程,选择恰当的吸附设备,提高工艺的经济性。
 
(2)工艺参数的设定。吸附塔的自动化程度较低,由于吸附塔内压力和温度等变化情况复杂,设定参数具有一定难度,同时控制各个变压吸附工序的运行时间准确性低。
 
(3)吸附塔的结构优化较低。吸附塔仍釆用传统分离塔结构,存在塔内结构单一,且塔板间死角降低了气体与吸附剂之间的作用效果,结构缺乏灵活性造成吸附剂的再生效率偏低。

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