一种净化提纯沼气制备生物甲烷的方法
【专利摘要】本发明公开了一种净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，包括：沼气增压，将增压后的沼气自吸收塔的下部通入吸收塔至塔内的压力达到0.3MPa～20MPa，再继续通入沼气，同时将吸收剂经吸收塔上部的喷嘴喷洒于塔中，使沼气与吸收剂充分接触以除去沼气中的二氧化碳；吸收塔内的压力为0.3MPa～20MPa，吸收剂和沼气的流量之比为8～100kg/h：1Nm3/h；吸收剂是以胆碱类低共熔溶剂或咪唑类离子液体中的至少一种作为有效成分的水溶液，有效成分的质量分数为5～90％。本发明能够有效地脱除沼气中的二氧化碳和硫化氢气体，成品气中甲烷的纯度能够达到95％。吸收剂能够再生，再生效率达到95％以上。
【专利说明】-种净化提纯沼气制备生物甲烧的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属气体分离领域，设及一种净化提纯沼气制备生物甲烧的方法，具体设及 使用一种W胆碱类低共烙溶剂或咪挫类离子液体中的至少一种作为有效成分净化提纯沼 气制备生物甲烧的方法。
【背景技术】
[0002] 沼气是一种安全、清洁、可再生的能源，其主要成分是甲烧，约45?60%，二氧化 碳，约40?55%，还有少量的水、硫化氨、氮气、氧气等微量气体。通过对低劣生物质（枯杆、 人畜粪便、生活垃圾等）厌氧发酵得到沼气，通过对沼气的净化、提纯可W得到应用价值更 广泛的生物甲烧（甲烧含量大于97% )，可W广泛应用于车用能源，化工原料等，该是改善 我国能源结构，解决环境问题的重要手段。
[0003] 目前广泛使用的沼气提纯技术主要有水洗法、醇胺法和膜分离。水洗法的装备成 本过高，并且吸收塔内容易滋生微生物；而醇胺法的吸收剂再生能耗较高，对于设备的腐蚀 也较为严重；膜分离法的甲烧损失比较大，对前期处理要求高，大型化存在一定的技术困 难。
[0004] 中国专利申请CN104083989 A公开了一种沼气压力水洗提纯净化的方法，主要设 备有；增压装置、缓冲罐、水洗塔、解析塔、干燥器，该方法利用二氧化碳、硫化氨和甲烧在水 中的溶解度不同，依据物理吸附过程建造水洗塔，通过压力水洗，除去沼气中的二氧化碳和 硫化氨气体。吸收效率不高，工业放大后的设备投资较大。
[0005] 中国专利申请CN102059037 A公开了一种从天然气尾气中提纯二氧化碳的工艺， 用MEA(己醇胺）贫液来吸收二氧化碳，然后将二氧化碳释放出来，将尾气中的二氧化碳转 化成液态的二氧化碳用于工业生产中。但是该方法中吸收剂的再生能耗较高。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有技术中水洗法装置成本高和醇胺法吸收剂再生能耗高 的缺点，提供一种净化提纯沼气制备生物甲烧的方法，该方法在提高吸收效果的同时，能够 降低吸收剂的再生能耗，从而降低整个生物甲烧的制备成本。
[0007] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[000引一种净化提纯沼气制备生物甲烧的方法，包括W下步骤：
[0009] (1)、沼气增压至 0. 3MPa ?20MPa ;
[0010] (2)、将增压后的沼气自吸收塔的下部通入吸收塔至吸收塔内的压力达到 0. 3MI^a?20MPa，再继续通入沼气，同时将吸收剂经吸收塔上部的喷嘴喷洒于塔中，使沼气 与吸收剂充分接触W除去沼气中的二氧化碳，除去二氧化碳的气体经干燥得到生物甲烧成 品气；
[0011] 其中，吸收塔内的压力为0. 3MPa?20MPa，所述的吸收剂和沼气的流量之比为8? lOOkg/h ;lNmVh ;所述的吸收剂是W胆碱类低共烙溶剂或咪挫类离子液体中的至少一种作 为有效成分的水溶液，所述的吸收剂中有效成分的质量分数为5?90%。
[0012] 作为本发明净化提纯沼气制备生物甲烧的方法的进一步方案，步骤（2)中吸收了 二氧化碳的吸收剂进入闪蒸罐进行再生处理，闪蒸罐内压力为0. 2?0. 5MPa，温度为常温 (15?30°C );当吸收塔压力与闪蒸罐的压差> 0. 5MPa时，吸收了二氧化碳的吸收剂在闪 蒸罐内再生处理除去二氧化碳，吸收剂再生效率达到95% W上；或当吸收塔压力与闪蒸罐 的压差< 0. 5MI^a时，吸收了二氧化碳的吸收剂在闪蒸罐内再生处理后，进入解析塔进行热 再生处理除去二氧化碳，其中解析塔内压力为0. IMpa，温度为50?95°C，吸收剂再生效率 达到95% W上。
[0013] 步骤（1)中，根据沼气中硫化氨的含量确定是否需要先进行脱除硫化氨处理，所 述的沼气中硫化氨的含量> 80ppm时，沼气在脱硫塔进行脱除硫化氨处理后再经增压系统 增压；所述的沼气中硫化氨的含量< 80ppm时，沼气直接经增压系统增压。
[0014] 步骤（2)中，所述的吸收塔内的温度为常温（15?30°C);所述的吸收塔内的压力 优选为0. 6MI^a?2MPa，进一步优选为1. 2MPa?2MPa ;所述的吸收剂和沼气的流量之比优 选为 15 ?40kg/h 进一步优选为 15 ?30kg/h
[0015] 所述的吸收剂中有效成分的质量分数优选为15%?50%。所述的吸收剂的有效 成分为胆碱类低共烙溶剂或咪挫类离子液体的至少一种；所述的吸收剂中胆碱类低共烙溶 剂和咪挫类离子液体的质量比为1 ;〇?4。
[0016] 所述的咪挫类离子液体的形式为[C"mim]技]，C。代表直链烧姪（n = 1、2、3)，X为 F(氣）、C1 (氯）、Br (漠）、I (舰）、BF4(四氣棚酸根）、PFe(六氣磯酸根）或TfsN(双S氣 甲黄酷亚胺根）；所述的胆碱类低共烙溶剂为A和B混合后形成，A为化C1 (氯化胆碱）、 [Choline] [Pro](胆碱脯氨酸）、[Choline] [Gly](胆碱甘氨酸）、[Choline] [Ala](胆碱丙 氨酸）、[化oline] [Lys](胆碱赖氨酸）中的一种，B为urea (尿素）、EG (己二醇）或PEG (聚 己二醇）中的至少一种，所述的A和B的摩尔比为0. 1?5 ;1。
[0017] 所述的甲烧成品气中邸4> 95%，C〇2《4%，HaS《40卵m。
[0018] 本发明还提供了一种用于净化提纯沼气制备生物甲烧的系统，包括；脱硫罐、气液 分离罐I、增压系统、缓冲罐、吸收塔、闪蒸罐、解析塔、吸收剂循环累、吸收剂储箱、气液分 离罐I和干燥罐；所述的脱硫罐的出口与气液分离罐I的进口连接，所述的气液分离罐I 的出口经增压系统与缓冲罐下部的进口连接，所述的缓冲罐上部的出口与吸收塔下部的进 气口连接，吸收塔的上部设有至少一层喷嘴，吸收塔顶部的出气口经气液分离罐I和干燥 罐与甲烧收集装置连接；所述的吸收塔底部的液体出口与闪蒸罐的吸收剂进口连接，所述 的闪蒸罐底部的液体出口与吸收剂储箱连接，闪蒸罐下部的另一个液体出口与解析塔上部 的进口连接，解析塔顶部设有排气口，解析塔底部的液体出口与吸收剂储箱连接；所述的吸 收剂储箱经吸收剂循环累与吸收塔的喷嘴连接。
[0019] 所述的净化提纯沼气制备生物甲烧的系统至少设有两个并联的干燥器。
[0020] 吸收塔的上部设有至少一层喷嘴用于喷淋吸收剂；吸收塔的顶部设有除雾器；在 吸收塔段的沼气进气管路上设有单向阀，在吸收塔的吸收液进液管路上设有微调阀；吸收 塔底部的液体出口设有调节阀；在所述吸收塔的出气口处设有排气阀。
[0021] 所述的闪蒸罐顶部设有出气口和排气口，闪蒸罐经出气口与气液分离罐I的进口 连接，在闪蒸罐的出气口管路上设有单向阀，闪蒸罐的排气口设有排气阀用于排空气体。根 据闪蒸罐内吸收剂再生产生的气体的成分含量，决定是否需要将再生的气体和原料沼气混 合再进行净化提纯处理。
[0022] 所述的闪蒸罐底部的液体出口管路和闪蒸罐下部的另一个液体出口管路均设有 单向阀。
[0023] 和现有技术相比，本发明的有益效果：
[0024] 本发明通过构建一种沼气净化提纯制备生物甲烧的方法，利用离子液体（胆碱类 低共烙溶剂、咪挫类离子液体）水溶液作为吸收剂，离子液体稳定性好，对气体有极大的溶 解性，能够有效地脱除沼气中的二氧化碳和硫化氨气体，得到的成品气中甲烧的纯度能够 达到95%。吸收剂能够再生，再生效率达到95% W上，吸收剂再生能耗低，设备操作方便， 投资较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为净化提纯沼气制备生物甲烧的系统；
[0026] 图1中，1-脱硫塔，2-气液分离罐I ,3-增压系统，4-缓冲罐，5-吸收塔，6-闪蒸 罐，7-解析塔，8-吸收及循环累，9-吸收剂储箱，10-气液分离罐II，11-干燥罐I，12-干燥 罐II。
[0027] 图2为吸收塔内压力、吸收剂中有效成分的含量对制备生物甲烧的影响。
[002引图3为吸收剂和沼气的流量之比对制备生物甲烧的影响。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0030] 如图1所示，一种用于净化提纯沼气制备生物甲烧的系统，包括；脱硫罐1、气液分 离罐I 2、增压系统3、缓冲罐4、吸收塔5、闪蒸罐6、解析塔7、吸收剂循环累8、吸收剂储箱 9、气液分离罐I 10和干燥罐；所述的脱硫罐1的出口与气液分离罐I 2的进口连接，所述 的气液分离罐I 2的出口经增压系统3与缓冲罐4下部的进口连接，所述的缓冲罐4上部 的出口与吸收塔5下部的进气口连接，吸收塔的上部设有至少一层喷嘴，吸收塔5顶部的出 气口经气液分离罐I 10、两个并联的干燥罐I 11、干燥罐II 12和甲烧收集装置连接；所述 的吸收塔5底部的液体出口与闪蒸罐6的吸收剂进口连接，所述的闪蒸罐6底部的液体出 口与吸收剂储箱9连接，闪蒸罐6下部的另一个液体出口与解析塔7上部的进口连接，解析 塔7顶部设有出气口，解析塔7底部的液体出口与吸收剂储箱9连接；所述的吸收剂储箱9 经吸收剂循环累8与吸收塔的喷嘴连接。
[0031] 吸收塔5的上部设有至少一层喷嘴用于喷淋吸收剂；吸收塔5的顶部设有除雾器； 在吸收塔5的沼气进气管路上设有单向阀，在吸收塔5的吸收液进液管路上设有微调阀；吸 收塔5底部的液体出口设有调节阀；在所述吸收塔5的出气口处设有排气阀。
[0032] 所述的闪蒸罐6底部的液体出口管路和闪蒸罐6下部的另一个液体出口管路均设 有单向阀。
[0033] 所述的闪蒸罐6顶部设有出气口和排气口，闪蒸罐6经出气口与气液分离罐I 2 的进口连接，在闪蒸罐6的出气口管路上设有单向阀，闪蒸罐6的排气口设有排气阀用于排 空气体。
[0034] 在操作时，由沼气储罐输出的沼气根据硫化氨含量确定是否需要经过脱硫罐1脱 除硫化氨，沼气经增压系统3增压至0. 3MI^a?20MI^a后经缓冲罐4、自吸收塔5的下部通入 吸收塔5至塔内的压力达到0. 3MPa?20MPa，再继续通入沼气，同时将吸收剂经吸收塔5上 部的喷嘴喷洒于塔中，在该过程中，维持塔内压力在0. 3MI^a?20MPa，温度15?30°C，使沼 气与吸收剂充分接触W除去沼气中的二氧化碳，除去二氧化碳的气体自吸收塔5顶部的出 气口经气液分离罐I 10、两个并联的干燥罐I 11、干燥罐II 12,最后输送至甲烧收集装置 作为甲烧成品气；吸收了二氧化碳的吸收剂自吸收塔5底部的液体出口输送至闪蒸罐6(压 力为0. 2?0. 5MPa，温度为15?30°C )进行再生处理，当吸收塔5压力与闪蒸罐6的压差 > 0. 5MI^a时，吸收了二氧化碳的吸收剂在闪蒸罐6内再生处理除去二氧化碳；当吸收塔5 压力与闪蒸罐6的压差< 0. 5MPa时，吸收了二氧化碳的吸收剂在闪蒸罐6内再生处理后， 进入解析塔7进行热再生处理除去二氧化碳，其中解析塔7内压力为0. IMpa，温度为50? 95°C。再生处理后的吸收剂输送至吸收剂储箱9,再由吸收剂循环累8送吸收塔5。
[00对实施例1
[0036] 沼气（甲烧55. 1 %，二氧化碳44. 6%，硫化氨2547ppm)经过脱硫罐1脱除硫化氨， 脱除硫化氨的沼气（甲烧55. 1 %，二氧化碳44. 6%，硫化氨83ppm)通过增压系统3增压至 0. 8MPa，增压后的沼气经缓冲罐4、W 5NmVh流速自吸收塔5的下部通入吸收塔5直至塔内 的压力达到0. 8MPa，再继续W相同流速通入沼气，同时将吸收剂（质量分数5 %的氯化胆碱 和尿素水溶液，氯化胆碱和尿素的摩尔比为1 ;2) W l(K)kg/h的流速输送至吸收塔5,由塔 内上部的喷嘴喷洒于塔中，在该过程中，维持塔内压力在0. 8MPa，温度25?30°C，使沼气与 吸收剂充分接触W除去沼气中的二氧化碳，除去二氧化碳的气体经干燥得到生物甲烧成品 气，对生物甲烧成品气进行成分分析。
[0037] 由吸收塔5底部出来的吸收剂经闪蒸罐6(压力0. 4Mpa，温度25?30°C )、解析 塔7(压力0. IMpa，温度为70°C )解析再生，再生后的吸收剂输送至吸收剂储箱9回用，吸 收剂再生效率为95 % W上。
[003引实施例2
[0039] 考察吸收塔内压力、吸收剂中有效成分的含量对制备生物甲烧的影响。
[0040] 1、如表1，考察采用质量分数为5%的吸收剂（氯化胆碱和尿素水溶液，氯化胆碱 和尿素的摩尔比为1 ;2)时，吸收塔内压力对制备生物甲烧的影响，其他条件与实施例1相 同。
[0041] 表1质量分数为5%的吸收剂在不同吸收塔内压力条件下对制备生物甲烧的影 响
[0042]
【权利要求】
1. 一种净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于它包括以下步骤： (1) 、沼气增压至〇. 3MPa?20MPa ; (2) 、将增压后的沼气自吸收塔的下部通入吸收塔至吸收塔内的压力达到0. 3MPa? 2〇MPa后，再继续通入沼气，同时将吸收剂经吸收塔上部的喷嘴喷洒于塔中，使沼气与吸收 剂充分接触以除去沼气中的二氧化碳，除去二氧化碳的气体经干燥得到生物甲烷成品气； 其中，吸收塔内的压力为〇. 3MPa?20MPa，所述的吸收剂和沼气的流量之比为8? 100kg/h :lNm3/h ;所述的吸收剂是以胆碱类低共熔溶剂或咪唑类离子液体中的至少一种作 为有效成分的水溶液，所述的吸收剂中有效成分的质量分数为5?90%。
2. 根据权利要求1所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于步骤（2)中 吸收了二氧化碳的吸收剂进入闪蒸罐进行再生处理，闪蒸罐内压力为〇. 2?0. 5MPa，温度 为15?30°C ;当吸收塔压力与闪蒸罐的压差多0. 5MPa时，吸收了二氧化碳的吸收剂在闪 蒸罐内再生处理除去二氧化碳；当吸收塔压力与闪蒸罐的压差< 0. 5MPa时，吸收了二氧化 碳的吸收剂在闪蒸罐内再生处理后，进入解析塔进行热再生处理除去二氧化碳，其中解析 塔内压力为〇? IMpa，温度为50?95°C。
3. 根据权利要求1所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于步骤（1)中， 所述的沼气中硫化氢的含量多80ppm时，沼气在脱硫塔进行脱除硫化氢处理后再经增压系 统增压；所述的沼气中硫化氢的含量< 80ppm时，沼气直接经增压系统增压。
4. 根据权利要求1所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于步骤（2)中， 所述的吸收塔内的温度为15?30°C ;所述的吸收塔内的压力为0. 6MPa?2MPa ;所述的吸 收剂和沼气的流量之比为15?40kg/h :lNm3/h。
5. 根据权利要求4所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于所述的吸收 塔内的压力为1. 2MPa?2MPa ;所述的吸收剂和沼气的流量之比为15?30kg/h :lNm3/h。
6. 根据权利要求1所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于所述的吸收 剂中有效成分的质量分数为15%?50%。
7. 根据权利要求1或6所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于所述的 吸收剂中胆碱类低共熔溶剂和咪唑类离子液体的质量比为1 :〇?4。
8. 根据权利要求7所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的方法，其特征在于所述的咪唑 类离子液体的形式为[Cnmim] [X]，CV(^表直链烷烃，n = 1、2、3，X为氟、氯、溴、碘、四氟硼酸 根、六氟磷酸根、双三氟甲黄酰亚胺根中的一种； 所述胆碱类低共熔溶剂为A和B混合后形成，其中A为氯化胆碱、胆碱脯氨酸、胆碱甘 氨酸、胆碱丙氨酸、胆碱赖氨酸中的一种，B为尿素、乙二醇或聚乙二醇中的至少一种，所述 的A和B的摩尔比为0. 1?5 :1。
9. 一种用于权利要求1所述的净化提纯沼气制备生物甲烷的系统，其特征在于包括： 脱硫罐、气液分离罐I、增压系统、缓冲罐、吸收塔、闪蒸罐、解析塔、吸收剂循环泵、吸收剂 储箱、气液分离罐I和干燥罐；所述的脱硫罐的出口与气液分离罐I的进口连接，所述的气 液分离罐I的出口经增压系统与缓冲罐下部的进口连接，所述的缓冲罐上部的出口与吸收 塔下部的进气口连接，吸收塔的上部设有至少一层喷嘴，吸收塔顶部的出气口经气液分离 罐I和干燥罐与甲烷收集装置连接；所述的吸收塔底部的液体出口与闪蒸罐的吸收剂进口 连接，所述的闪蒸罐底部的液体出口与吸收剂储箱连接，闪蒸罐下部的另一个液体出口与 解析塔上部的进口连接，解析塔顶部设有排气口，解析塔底部的液体出口与吸收剂储箱连 接；所述的吸收剂储箱经吸收剂循环泵与吸收塔的喷嘴连接。
【文档编号】C10L3/10GK104437008SQ201410715418
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】杨祝红, 丁键, 陈义峰, 李峥, 马春燕, 刘畅, 陆小华, 谢瑞杰, 袁圣娟 申请人:南京工业大学