沼气净化工艺设计

沼气净化工艺设计作者：刘传芳来源：《科技创新导报》2013年第25期刘传芳(安徽省皖西学院材料与化工学院安徽六安237012)摘要：该文针对原生沼气中主要杂质CO2、H2S为酸性气体的原因，采用湿法一碱吸收技术，设计了沼气净化工艺。所设计的沼气净化工艺流程简单、操作方便、设备投资少、能耗低、沼气净化纯度高及无二次污染等优点。关键词：沼气工程沼气净化碱吸收工艺设计中图分类号：TE09文献标识码：A文章编号：1674-098X(2013)09(a)-0047-02原生沼气有效成分CH4含量为55%〜65%，其余为CO2(30%〜45%)及少量的02、N2、H2S、氨气和N2等不可利用的杂质和有害气体。研究表明，沼气经深度净化后可得甲烷含量达90%以上的高纯沼气。这种高纯沼气可直接供用户作为清洁燃料，也可并入天然气网供远程用户使用，或作为燃气汽车的燃料。我国目前的沼气应用仍局限于一家一户的小型化。随着化石能源的消耗和替代能源的开发需求，以及新农村建设的能源集中供应模式选择，沼气工程大型化和沼气净化处理的工业化势在必行。我们在前期沼气净化工艺参数研究的基础上，采用湿法一碱吸收技术，设计了沼气净化工艺。一作为沼气工程建设的净化工艺设计方案。1设计依据和方案1.1生产规模和产品指标本设计生产规模为日处理3000m3原生沼气(CH4含量按60%计)，获得高纯沼气(CH4含量为90%以上)约1800皿3，日工作时按10h计算，采用间歇式操作程序，实际产期时间按8h计1.2设计原理沼气中氨气易溶于水，经水洗后可除去氨气。C02和H2S等酸性气体与石灰乳和NaOH等碱发生反应：C02(g)+Ca(0H)2(aq)fCaC03(s)+H20(l)C02(g)+2Na0H(aq)fNa2C03(aq)+H20(l)H2S(g)+Ca(0H)2(aq)fCaS(s)+2H20(l)H2S(g)+2Na0H(aq)fNa2S(aq)+2H20(l)沼气中有效成分CH4不与碱反应而保留在气体中。经上述碱吸收反应后，可是沼气中甲烷含量达到90%以上，从而达到净化沼气的作用。1.3沼气净化工艺路线沼气净化工艺分为五个阶段。水洗工段。该工段通过水洗除去原声沼气中的氨气、粉尘科里及部分H2S。一段石灰乳吸收。该工段通过石灰乳中Ca(OH)2对原生沼气中的部分CO2和H2S吸收反应，达到初步净化。二段石灰乳吸收。该工段使初步净化的沼气再次通过Ca(OH)2吸收反应，除去H2S和绝大部分CO2气体，使得沼气中CH4的纯度达到近85%〜90%。经此步净化后的沼气已经达到天然气燃气标准。NaOH溶液吸收。该工段的目的是得到纯度更高的沼气，这种沼气经加压后，可作为燃气汽车的燃料。脱水干燥工段。该工段把经净化的高纯沼气，通过筛板型冷凝塔冷凝除水蒸气而得到干燥的沼气产品。工艺流程如下：原生沼气水洗一段石灰乳吸收二段石灰乳吸收NaOH碱洗干燥高纯沼气。进口气压力100kPa，温度298K。气体经吸收塔的底部进入吸收塔，从顶部引出并就从下一吸收塔底部进入。在净化设备的尾端安装一台1.5MPa的空气压缩机，净化沼气接压缩机进气口，以通过抽吸力促使沼气通过净化设备，压缩机出口接净化沼气储罐，再经管道输送到用户。2工艺参数设计与计算2.1水洗工段物料衡算和设备选型消耗水量：按2.5kg/m3(沼气)计算，日处理3000m3原生沼气需7500kg，约合7.5m3/d。水洗塔选型：水洗采用间歇式，水洗塔为一个。按0.5h一个周期，塔盛水量为7.5/(8/0.5)=0.47m3。塔内水位为塔的2/3处，水洗塔体积为0.71m3。选圆柱形水洗塔，内径为0.5m，塔高为：0.71/(0.252X3.14)=3.6m。进口气流量：3000m3/8h=375m3/h=0.104m3/s。出口气流量：出口气流量按进口气流量的98%计算(损耗2%)，为368m3/h=0.102m3/s，出口气总量为2940m3/d。气体流动方式：气体从塔底部流入，顶部流出，后面各段吸收塔的气体流动方式均与此相同。2.2石灰乳吸收工段物料衡算与设备选型石灰乳吸收采用两段喷淋逆流吸收方式，主要是吸收沼气中的CO2气体(H2S气体含量极少，计算中予以忽略)。进口气组成：CH4(61%)、CO2(37.5%)、N2(1.5%)；出口气组成为CH4(80%)、CO2(18%)、N2(2%)；混合气总量：2242m3。进口气CO2总量：2940X0.375=1103m3；出口气CO2总量：404m3,CO2吸收量：699m3；吸收率：63.4%。石灰乳用量计算：氢氧化钙与二氧化碳的反应率按80%计算，吸收CO2体积为699m3,n(CO2)^28213mol，根据反应式Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O,需消耗CaO的摩尔数为n(CaO)=28213/0.8=35266mol,合1975kg。设备选型：石灰乳配制比例为生石灰：水=1：5(质量比)，用水量为1975X5=9875kg，合9.875m3。石灰乳总质量为11850kg，按密度1050kg・m3计算得石灰乳总体积为11.29m3。设0.5h进行一个周期的操作，石灰乳占吸收塔体积2/3,吸收塔总体积为1.06m3，去内径为0.6m,塔高为1.06/(0.32X3.14)=3.75m。喷淋接触时间设计为10s,喷淋流速为0.39dm3/s。2.2.2二段石灰乳吸收进口气组成：CH4(80%)、CO2(18%)、N2(2%)，混合气总量为2242m3；进口气CO2总量：404m3。出口气组成：CH4(90%)、CO2(8.8%)、N2(2.2%)；出口混合气总量：1993m3；出口气CO2总量：175m3；CO2吸收量：229m3，吸收率：56.7%。石灰乳用量计算：氢氧化钙与二氧化碳的反应率按80%计算，吸收CO2体积为299m3,n(CO2)^12326mol，需消耗CaO的摩尔数为n(CaO)=12326/0.8=15407mol，合863kg。石灰乳配制比例为生石灰：水=1：5(质量比)，用水量为863X5=4315kg，合4.315m3。石灰乳总质量为5176kg，按密度1050kg・m3计算得石灰乳总体积为4.93m3。设备选型：设石灰乳占吸收塔体积2/3，吸收塔总体积为4.93X3/2/16=0.46m3，取内径为0.4m，塔高为0.46/(0.22X3.14)=3.66m。喷淋接触时间设计为10s,喷淋流速为0.317dm3/s。2.3NaOH碱吸收工段物料衡算与设备选型为进一步提高净化沼气的纯度，我们增加了NaOH碱吸收工段，出口气CH4含量可达95%以上。进口混合气组成：CH4(90%)、CO2(8.8%)、N2(2.2%)；混合气总量：1993m3；CO2总量：175m3。出口高纯沼气组成：CH4(95%)、CO2(2.9%)、N2(2.1%)；高纯沼气总量：1888m3；吸收CO2体积120m3，吸收率=68.7%。NaOH溶液用量计算：反应率按90%计，NaOH溶液配比按NaOH:水=1:6计，吸收CO2摩尔数n(CO2)=4843mol,根据反应式2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O，需消耗NaOH的摩尔数为n(NaOH)=9686mol,合426.2kg,用水量为2557kg，和2.557m3。溶液总量2983.2kg，体积为(按水的密度计)2.983m3。NaOH碱吸收塔设备选型：该吸收段吸收方式与水洗攻读相同，即气体冲击鼓泡搅拌吸收。设NaOH溶液占吸收塔体积2/3，吸收塔总体积为2.983X3/2/16)=0.28m3，取内径为0.4m，塔高为0.28/(0.22X3.14)=2.22m。2.4干燥塔设计设计原理是冷凝法去除水蒸气，采用斜塔板冷凝器技术。原理为：将净化后的高纯沼气从干燥塔底部通入塔内，高纯沼气与塔内的斜塔板接触，随着气体的不断上升，气体的温度逐渐降低，以至最后水蒸气经过凝结成为液体而与气体分离，从而达到干燥的目的。为提高干燥效率和效果，设计塔径为0.5m，塔高为8〜10m。3沼气净化工艺简图沼气净化工艺简图如图1所示。L-驯物UE■:!2-一fllUSi帽：6-空H压赠虬7：4结语本设计按照日处理3000m3原生沼气及最终净化沼气纯度达95%的规模，初步设计了三段净化(含NaOH碱吸收)工艺流程，以及及各步净化的物料衡算和设备选型等。若要建设一个完整的相应规模的净化沼气能源工程项目，还需进行沼气池、储气柜、沼气输送及环保方案等方面的设计等工作。参考文献宫徽，徐恒，左剑恶，等.沼气精