一种常压水洗沼气脱碳净化的方法
【专利摘要】本发明提供一种常压沼气水洗脱碳方法。根据沼气与空气中CO2的分压的差异和沼气中CH4与CO2在水中溶解度的差异，在吸收容器中的水处于常压的条件下，通过交替向吸收容器中通入增压的沼气和空气，实现沼气中CH4和CO2的分离。本发明的方法特别适用于中小型沼气工程，运行能耗低，设备投资小。
【专利说明】一种常压水洗沼气脱碳净化的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于脱除沼气中CO2的沼气净化方法。本发明特别涉及厌氧发酵产生的沼气或者垃圾填埋场产生的填埋气的水洗脱碳净化生产生物天然气的领域，尤其适用于中小型沼气工程。
【背景技术】
[0002]在生物天然气的领域，通常需要对厌氧发酵产生的沼气或者垃圾填埋场产生的填埋气进行脱碳净化。沼气的主要成分是甲烷和CO2，通过脱除沼气中的CO2能够有效提高沼气的热值从而拓展沼气的使用范围。常规的沼气脱碳净化工程需要加大沼气的处理量来分摊单位气体脱碳净化的设备投资成本，因此，设备投资以及运行过程中的电力需求较大。由于用于沼气厌氧发酵原料的分散性，沼气工程的集中会导致原料和沼气的储运成本的增加，从而降低了沼气作为可再生能源的优势。大规模沼气脱碳净化工程较大的功耗所需要的电力供应无形中会增加沼气净化的投资。
[0003]沼气脱碳净化的方法均是通过在时间、空间上操作条件的改变，实现沼气中CO2的脱除，和吸收剂/吸附剂的再生。而操作条件的改变通常是压力、温度的改变，因此，实现沼气脱碳和沼气净化过程中的能量消耗主要有气体和吸收介质的增压，以及解吸过程中的能耗。目前，沼气净化脱碳的方法主要有:变压吸附法、化学吸收法，压力水洗法等。变压吸附法是通过压力变化在时间上实现气体的分离提纯与吸附剂的再生；化学吸收法是通过温度变化在空间上实现气体的分离与吸收剂的再生；压力水洗法是通过压力变化在空间上实现气体的分离与吸收剂的再生。综上，气体净化过程中的能耗主要是气体和吸收、吸附剂的压力/温度变化，通常条件下， 只有气体中的压缩能可能保留在最终的产品气当中，其余的压力、温度的改变所需要的能耗均在操作过程中耗散掉。
[0004]中国专利申请CN201210184536.4通过变压吸附的方式提纯沼气。该方法是利用不同气体组分在吸附剂中的扩散速度差异实现分离，其主要的能耗是气体的增压和真空解吸，经过增压吸收，匀压、泄压、真空解吸等步骤，气体的压缩能都在运行过程中消耗掉，出口气体为常压。中国专利申请CN201110404380.1利用将干发酵中的液体循环喷淋，然后在特定的脱除装置中脱除CO2，富集甲烷。在该过程中，主要的能耗是吸收剂的循环、再生能耗；中国专利申请CN201210154666.3则提出了将沼气加水雾化提高甲烷纯度，该过程仍旧需要通过加压，促进溶解，通过搅动或者将水雾通入水体，利用溶解度差异进行沼气提纯。
[0005]在国外沼气工程配套的净化设备多采用加压水洗的方法，主要是由于压力水洗的自动化程度要求较低，设备投资相对较低，运行过程中只需要电力消耗。加压水洗沼气脱碳需要对水和气体增压通过在吸收塔内逆流操作实现沼气的净化，在该过程中，循环的水和溶解在水中的CO2在解吸过程中卸压导致压力能不可避免损失，只有气体中的CH4的压力能能够继续保持到下一工序。压力水洗工艺的启、停过程较为复杂，为了保持操作过程的连续运行，沼气工程通常需要有一定的气体储存、缓冲能力，所有压力水洗的设备以及增压用的沼气压缩机和高压水泵等设备投资较大，对于中小型沼气工程，配套的沼气净化设备的投资与大型沼气工程投资基本相当。由于中小型沼气工程并不具有大型沼气工程那样的规模效应，因此在中小型沼气工程中，若使用压力水洗，成本相对较高。而且压力水洗一般配套的动力需求较大。因此开发具有较小的电力需求以及低成本的沼气脱碳净化制备生物天然气方法对于发展新能源具有重要的意义。为了提供一种低投资、低能耗、电力需求低的沼气水洗脱碳净化方法，解决现有中小型沼气净化工程设备投资大，动力需求高的问题，期待一种无需对水进行加压的常压水洗脱碳法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种常压水洗沼气脱碳净化方法。特别是提供一种低投资、低能耗、电力需求低的常压沼气水洗脱碳净化方法，解决现有中小型沼气净化工程设备投资大，动力需求高的问题。
[0007]为实现本发明的目的，本发明包括以下内容: [0008][I] 一种用于脱除沼气中CO2的沼气净化方法，所述方法包括:
[0009]依次交替向吸收容器中通入增压的沼气和空气，其中，所述吸收容器中容纳有常压的水，所述增压的沼气和空气的压力使得其能够从水中通过。
[0010][2]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，所述吸收容器是高度为1.5m_10m的吸收柱。
[0011][3]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，通入所述吸收容器的所述沼气和/或空气的气泡直径不超过3mm。
[0012][4]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，向所述吸收容器内通入沼气的表观气速小于5mm / S。
[0013][5]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，每次向所述吸收容器通入的所述沼气的总体积不大于所述吸收容器内容纳的水的体积。
[0014][6]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，向吸收体内通入空气的表观气速小于30mm / S。
[0015][7]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，每次向所述吸收容器通入的所述空气的总体积为所述吸收容器内容纳的水体积的2-3倍。
[0016][8]根据[I]所述的沼气净化方法，其中，通过以下方式连续处理沼气:
[0017]使用多个所述吸收容器；
[0018]在向一部分吸收容器通入增压的沼气时，向另一部分吸收容器通入增压的空气。
[0019]水洗沼气脱碳净化的原理是利用0)2和CH4在水中溶解度的差异，提高产品气中的CH4浓度；在常压水洗沼气脱碳净化过程中，利用沼气和空气中CO2分压差异，实现水对沼气中CO2的吸收过程和溶解在水中的CO2向空气的解吸过程在时间上的分离。
[0020]沼气增压后经过例如曝气装置，进入容器内的常压水中，形成微小的气泡。一般地，可以使用增压风机进行增压。针对空气和沼气的流量，可以选择共用或分用气体增压风机。在本发明中，所得的气泡直径优选在3mm以下，以确保气泡基本保持球型，在上升过程中能够保持较低的上升速率和较大的比表面积，从而达到预期的传质效果。
[0021]气泡中的CO2在上升过程中逐渐溶解，随着气泡上升，所受的水压降低以及气体体积的减少，综合效应导致气泡上升过程中气泡直径略微减小，在设定的通气量下，能够保证气泡在上升过程中流型比较稳定。
[0022]在本发明中，通入沼气的表观速率优选为5mm / s以下，较低的沼气表观速率能够使得沼气净化过程稳定，从而得到稳定品质的产品气；而通入空气的表观速率优选为30mm / s以下，通入空气的作用为脱除溶解在水中的CO2，较高的表观速率能够有效促进溶解的CO2的解吸。
[0023]在经过一定高度的水对CO2的吸收后，气泡中的气体主要是CH4。在本发明中，容纳有水的吸收容器为柱状，且高度依据待处理气体量进行设计，优选在1.5m至IOm之间。常规气泡直径为3_左右时，气体在上升过程中能够达到天然气的品质所需的最低吸收柱高度为1.5m，但是单次处理的沼气量较少，增加吸收柱的高度能够有效增加单次处理沼气的量，如果吸收柱高度高于10m，设备固定投资以及运行费用均会明显增加。
[0024]初始阶段，产品气中检测到纯CH4,随着通入沼气时间的延长，溶解在水中的CO2逐渐累积，CO2溶解的驱动力的逐渐减小，CO2吸收不够完全，产品气体中的CO2浓度逐渐上升，当出口气体中CO2上升到一定程度后(产品气累积纯度达到国家天然气标准)，通过常压水洗的效果达不到沼气脱碳要求，这时通过切换气路用空气进行大气量曝气，从而将溶解在水中的CO2气体解吸出来，待水中溶解的CO2脱除到一定程度，再次通入沼气，由此循环往复，实现沼气的脱碳提纯。在此过程中，每次通入沼气的总体积优选不大于吸收容器内所容纳的水的总体积。而每次通入的空气的总体积为吸收容器内容纳的水体积的2-3倍，确保溶解在水中的CO2有95%以上随着空气排出体系外。
[0025]在本发明的一个优选实施方案中，使用多个吸收容器。在向一部分吸收容器通入增压的沼气的同时，向另一部分吸收容器通入增压的空气。在某个吸收容器中的吸收和解吸完成后，分别切换通入空气/沼气。这样，可以总体上同时连续输入沼气和空气，以实现增压装置如增压风机的连续运转，并实现沼气净化的连续运行，从而提高了效率。一个具体的实施方案如下:在具有三个吸收容器A、B、C的体系中，当A中进行沼气水洗时，在B和C中进行吹脱；当A中的水达到需要再生的程度时，将沼气进气流切换至含有已经再生好的水的B中进行水洗，同时开始在A中进行吹脱；而当B中的水达到需要再生的程度时，将沼气进气流切换至含有已经再生好的水的C中进行水洗，同时开始在B中进行吹脱；当C中的水达到需要再生的程度时，将沼气进气流切换至含有已经再生好的水的A中进行水洗，同时开始在C中进行吹脱；如此循环，便实现了上述的气体连续输入、增压装置连续运转和净化连续运行。应当理解，结合具体的沼气水洗时间和空气吹脱时间，也可以使用两个或者四个以上吸收容器。
[0026]在本发明中使用的用于气流控制的阀门和自动控制系统可以是本领域公知的那些。
[0027]如果需要达到较高的沼气净化要求，还可以在空气曝气后，通过真空泵进行解吸，进一步脱除溶解的CO2和O2。
[0028]应用本发明实施案例中的沼气常压水洗净化方法，能够将能耗降低为加压水洗能耗的60%。由于该方法可以实现沼气净化过程的快速启停，从而降低设备运行的动力需求，尤其适 合于中小规模沼气工程沼气净化。
[0029]附图简述
[0030]图1是本发明的常压水洗沼气脱碳净化方法的示意图。图中各标记的含义为:1.气体吸收柱；2.曝气装置；3.沼气入口 ；4.空气入口 ；5.天然气出口 ；6.空气出口 ；7.增压风机。[0031]图2是实验室规模常压水洗充沼气过程中瞬时出口 CH4纯度和累积CH4纯度随时间变化图。
[0032]图3是本发明的常压水洗沼气脱碳净化方法的一个实施方案的示意图，其中利用对多个吸收容器的切换交替操作，实现沼气连续处理。图中各标记的含义为:1.气体吸收柱；2.曝气装置；3.沼气入口 ；4.空气入口 ；5.天然气出口 ；6.空气出口 ；7.程序控制阀。
【具体实施方式】
[0033]在本发明的一个实施方案中所采用的设备有:吸收柱，增压风机，电磁阀及时控系统和相关管路连接。本发明可以采用单个增压风机完成沼气的净化，通过利用阀切换气路，实现吸收柱内CO2吸收和CO2解吸的转换。
[0034]由于沼气和空气的流量在吸收柱内有较大的差异，为了较好分隔沼气和空气，并且对压缩气体的充分利用，可采用多个吸收柱的方式，利于配合增压风机的选型。并且利用多个吸收柱切换操作，沼气增压风机和空气增压风机单独配备，利用阀切换气路，实现风机的连续运转和沼气净化的连续运行。
[0035]在本发明中，吸收容器的沼气入口阀门、天然气出口阀门和吸收容器的空气入口阀门、空气出口阀门通过时间间隔可进行自动控制。
[0036]下面结合附图对本发明实施例中的方法与装置进行说明。附图仅用于帮助理解实施例的方案，在各种实现中，根据实际的情况，遵循本设计的基本原理即可，而不限于附图所示的形式。
[0037]实施例1:
[0038]具体实施方案示意图如图1所示，吸收柱的尺寸为Φ 70mmX5000mm,吸收柱内装满水，曝气装置为实验室自制盘状烧结刚玉曝气器，以0.6NL / min的速度(即以1.7mm /s的表观气速)通入沼气(沼气的组成为38% CO2,61% CH4，~1%空气)，气泡直径为
1.1 ±0.2mm, 20min后，出口 CH4瞬时纯度为93.6%，累积产生天然气6.8L，此时水中溶解的CO2浓度为1.9X 10_2mol / L，待所有气泡从吸收柱上部流出后，切换管路，以6L / min的速度(即以18mm / s的表观气速)通入空气,通入15min后,CO2的浓度降低为lXl(T4mol /L，待所有气体从空气出口排出后，补充适量的水保持气体吸收柱内水位。切换气路，重复上述过程。此装置产生天然气的速率大约在IOL / h左右。其中累计产生的天然气中甲烷含量为98.8%左右，完全满足国家三类天然气的标准。通过该实验装置测定的产品气瞬时浓度和累积浓度见图2。
[0039]实施例2:
[0040]具体实施方案示意图如图3所示:共有3个长方体吸收柱，每个其尺寸为2mX2mX5m，底部具有与实施例1相同的曝气装置，吸收柱内装满水，以60m3 / h(即以2.7mm / s的表观气速)在吸收柱I内通入沼气(沼气的组成为38% CO2,61% CH4,~1%空气)，沼气升压为58.8KPa，沼气增压风机轴功率为2.1KW，选择电机功率为2.2KW,每个吸收柱通入沼气时间为15min，依次切换，同时在剩余的吸收柱内通入空气，空气的流量为154m3 / h (表观气速为10.7mm / s)，空气升压为63.7KPa，沼气增压风机轴功率为4.71KW，选择电机功率为5.5KW，通过三个吸收柱的循环操作实现沼气常压水洗过程的连续运行，该沼气净化的电力需求为7.7KW左右，日处理沼气1440m3 /天，Im3沼气的运行能耗为0.13KWh。其中产生的生物天然气中甲烷含量为96%左右，完全满足国家三类天然气的标准。与之相比，压力水洗的能耗在0.25~0.35Kffh / Nm3沼气。常压水洗净化方法，能够将能耗降低为加压水洗能耗的60%。
[0041]本发明所述的常压水洗沼气脱碳净化的方法与传统加压水洗过程相比，本发明实施例中的技术方案由于只需要对气体进行增压，并且无压力变化而损失能量，所以能耗低，由于操作压力为常压，所以沼气净化设备的结构设计及投资可大幅降低，而且操作过程无水流动所需要的能量消耗，从而实现低成本、低能耗的沼气脱碳净化。
[0042]本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样， 倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种用于脱除沼气中CO2的沼气净化方法，所述方法包括: 依次交替向吸收容器中通入增压的沼气和空气，其中，所述吸收容器中容纳有常压的水，所述增压的沼气和空气的压力使得其能够从水中通过。
2.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，所述吸收容器是高度为1.5m-10m的吸收柱。
3.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，通入所述吸收容器的所述沼气和/或空气的气泡直径不超过3mm。
4.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，向所述吸收容器内通入沼气的表观气速小于5mm / S。
5.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，每次向所述吸收容器通入的所述沼气的总体积不大于所述吸收容器内容纳的水的体积。
6.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，向吸收体内通入空气的表观气速小于30mm / S0
7.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，每次向所述吸收容器通入的所述空气的总体积为所述吸收容器内容纳的水体积的2-3倍。
8.根据权利要求1所述的沼气净化方法，其中，通过以下方式连续处理沼气: 使用多个所述吸收容器； 在向一部分吸收容器通入增压的沼气时，向另一部分吸收容器通入增 压的空气。
【文档编号】C10L3/10GK103666612SQ201310560546
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】郭荣波, 罗生军, 许晓晖, 王传水, 师晓爽 申请人:中国科学院青岛生物能源与过程研究所