專利名稱：高效變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及沼氣凈化綜合利用、尤其是一種高效變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法。
背景技術(shù)：
能源是世界各國經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略資源，不可或缺。但據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，全球石油剩余可采儲量加上儲量增長潛量為2297億噸，只可用39年，加上待發(fā)現(xiàn)資源量共3574 億噸，可用53年；全球天然氣剩余可采儲量加上儲量增長潛量為2225億噸，可用47年，加上待發(fā)現(xiàn)資源量共33696億噸，只可用63年！當前中國能源形勢同樣嚴峻資源貧乏、結(jié)構(gòu)失衡、需求劇增、以煤為主大量排放溫室氣體、油氣資源極缺且依賴國外、能效低下和減排困難。中國人均煤炭、石油和天然氣儲量分別為世界平均水平的56. 3%、7. 7%和7. 1%0 據(jù)預(yù)測2000-2020年間我國化石能源消費的年均增長率將是4. 3% 4. 6%，年需求量將上升到30 32億噸標煤。據(jù)2011年08月12日中國企業(yè)報報道，我國原油表觀消費量為
I.91億噸，對外依存度達55. 2%，為世界第一。隨著全球化石資源漸趨枯竭，我國以化石為主的能源之路必然越走越艱難，研究開發(fā)替代化石能源的清潔生物質(zhì)能源，顯得尤為迫切。有關(guān)資料報道一個25麗裝機容量的生物質(zhì)發(fā)電廠年消耗20萬噸秸桿，可替代 8. 7萬噸標煤的燃煤，減排18萬噸C02。我國每年有約7億多萬噸作物秸桿，其中有I億多噸被白白燒掉，嚴重污染環(huán)境。這些被燒掉的秸桿可以供給500個25麗的小型電站使用， 年替代4350萬噸標煤和減排9000萬噸CO2，相當于一個“三峽”。可見，可再生、清潔的能源對化石能源的替代已是當今時代發(fā)展之大勢，是歷史的必然。目前，美歐等國的生物燃料成本已降到相當于每桶石油50 70美元的水平，生物質(zhì)發(fā)電、顆粒燃料、工業(yè)沼氣等清潔能源和低碳經(jīng)濟商業(yè)化運行已十多年，走在世界的前列。20世紀70年代的石油危機與糖價下跌沉重地打擊了巴西經(jīng)濟，巴西啟動了“全國實施發(fā)展燃料乙醇生產(chǎn)計劃”，推行添加乙醇的“愛國汽油”，2008年乙醇產(chǎn)量達到1900萬噸，替代了 50%的汽油，這一比例正在快速提高；乙醇汽油及相關(guān)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已達到巴西國民生產(chǎn)總值的8%，超過信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。美國也已將生物燃料擴展到整個清潔能源，并提升到“向清潔能源經(jīng)濟轉(zhuǎn)型”的國家戰(zhàn)略高度，2007年通過了以生物燃料為主要內(nèi)容的《能源自主與安全法案》，計劃生物乙醇和生物柴油將由2008年的2700萬噸增加到2022年的I. 08億噸， 2030年將替代30%的化石運輸燃料。2006年瑞典的生物能源已能滿足當前瑞典25%的能源需求，替代化石能源的生物能源生產(chǎn)已成為瑞典農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，為農(nóng)民創(chuàng)造越來越多的就業(yè)機會和商業(yè)效益。2020年瑞典將成為世界上第一個不依賴石油的國家。沼氣是一種優(yōu)質(zhì)可再生生物質(zhì)能源，原料來源豐富、價廉，而且具有燃燒熱效率高、成本低、綠色、低排放、可再生、較其它燃氣抗爆性能好的特點。沼氣中通常含有55% 70%甲烷、28% 44%二氧化碳、以及O. 034%、約I. 8 3g/m3的硫化氫和少量水蒸汽等雜質(zhì)氣體。因此，通過沼氣凈化，提高甲烷含量和熱值、實現(xiàn)沼氣的高品質(zhì)利用非常必要；同時，將沼氣中的二氧化碳分離、凈化、富集使二氧化碳濃度達到98 %以上供工業(yè)使用、同樣
3有著重要的經(jīng)濟效益和社會效益。但是，沼氣中的少量硫化氫(H2S)是酸性腐蝕氣體，在空氣中或在潮濕環(huán)境條件下，對管道、燃燒設(shè)備和計量儀表等具有強烈的腐蝕作用；當有過量空氣時，硫化氫(H2S)可以燃燒生成二氧化硫(SO2),對大氣環(huán)境造成污染。因此，若應(yīng)用常規(guī)的變壓吸附的方法分離和凈化提純沼氣及二氧化碳的方法來對處理沼氣，雖可以脫除沼氣中的大部分水和碳， 但無法脫除沼氣中的硫，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生嚴重的硫化氫腐蝕和分離效果差等問題。在已有技術(shù)中，也有過在變壓吸附前先進行精脫硫再分離回收二氧化碳的報道，但因精脫硫和變壓吸附分別歸屬于兩個工序，不僅程序繁瑣，也增加了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種既能分離和凈化沼氣及二氧化碳、同時又能減少硫化氫的腐蝕和提高分離效果的高效變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法。本發(fā)明以如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題本發(fā)明的工藝步驟如圖I所示(I)沼氣經(jīng)氣、水分離器除去游離水；(2)脫去游離水后的沼氣再經(jīng)復(fù)合分子篩精脫水，進行深度精脫水干燥；(3)經(jīng)深度精脫水干燥的沼氣經(jīng)壓縮后進入緩沖罐；(4)由緩沖罐出來的沼氣，勻速地從吸附塔底部進入變壓吸附系統(tǒng)，進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳。深度精脫水干燥使用的復(fù)合分子篩是以3A沸石為主的組合干燥吸附劑，其成分為質(zhì)量比為3A分子篩45% -85%和13X分子篩55% -15%。深度精脫水干燥使沼氣中的水含量降低到3. lmg/kg-10. 9mg/kg。深度精脫水干燥的沼氣經(jīng)壓縮至O. 5 I. 5MPa后進入緩沖罐。經(jīng)變壓吸附系統(tǒng)后獲得的沼氣含硫量為5. 2mg/kg-10. 3mg/kg。本發(fā)明的方法將復(fù)合分子篩精脫水系統(tǒng)和變壓吸附技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于沼氣變壓吸附系統(tǒng)中脫碳、脫硫，不僅解決了沼氣中的硫化氫造成設(shè)備嚴重腐蝕問題，而且還非常有效地提高了分離凈化效果，實現(xiàn)綠色、節(jié)能、高效、低碳、減排、安全、穩(wěn)定地獲得高純度、高熱值的甲烷和高純度的二氧化碳。本發(fā)明的方法為實現(xiàn)沼氣的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、集成化、規(guī)模化的發(fā)展提供了一種新的模式。


圖I是本發(fā)明高效變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法流程圖。其中I-氣、水分離器 2-分子篩深度精脫水系統(tǒng) 3-壓力、流量傳感器4-變頻壓縮機 5-緩沖罐6-變壓吸附系統(tǒng)
具體實施例方式由于沼氣中含有少量硫化氫(H2S)酸性腐蝕性氣體，在和水分的共同作用下，加速金屬管道、閥門及流量計的腐蝕。同時，沼氣中的硫化氫燃燒后生成二氧化硫，與水蒸氣結(jié)合成亞硫酸，不僅會對燃燒設(shè)備的低溫部位金屬表面產(chǎn)生腐蝕，而且造成對大氣環(huán)境的污染。當有過量空氣時，H2S可以燃燒生成SO3，在有水蒸汽的環(huán)境中，就生成硫酸，具有強烈腐蝕性。在不同濃度下，硫酸的露點在90°C 160°C之間。金屬接觸這類硫酸就會產(chǎn)生腐蝕。 另外，也會導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)，影響潤滑效果，從而加速機器的磨損和損壞。為消除和減少硫化氫的污染和腐蝕性，本申請?zhí)峁┮环N應(yīng)用組合分子篩精脫水系統(tǒng)、對沼氣進行預(yù)先精脫水的工藝方法，先用氣、水分離器除去游離水后，再應(yīng)用復(fù)合分子篩深度精脫水系統(tǒng)，對沼氣進行深度精脫水干燥，然后利用變頻變壓吸附技術(shù)，分離二氧化碳和其它雜質(zhì)氣體，同時凈化沼氣中的二氧化碳，從而達到分離和凈化沼氣及二氧化碳目的，實現(xiàn)沼氣的高品質(zhì)綜合利用。本發(fā)明的技術(shù)方案是在申請人的另外兩個專利申請《變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法》(中國專利申請?zhí)?01110295013. 2)和《變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法》(中國專利申請?zhí)枮?01110385290. 2)的基礎(chǔ)上，提出沼氣經(jīng)氣、水分離器除去游離水后，增加復(fù)合分子篩深度精脫水工藝系統(tǒng)，對沼氣進行深度精脫水干燥，盡可能地去除沼氣中的水分，減少硫化氫的污染和腐蝕性，進一步完善該變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳的工藝流程,也進一步提高能源效率的利用，達到更進一步節(jié)能、減排和低碳的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案流程是I.經(jīng)氣、水分離器脫去沼氣中的游離水；2.將脫除了游離水的沼氣經(jīng)復(fù)合分子篩深度精脫水工藝系統(tǒng)，對沼氣進行深度精脫水干燥；3.已深度精脫水干燥后的沼氣再經(jīng)由傳感器控制的變頻沼氣壓縮機壓縮，進入緩沖罐；4.從緩沖罐出來的干燥沼氣，勻速地從變壓吸附系統(tǒng)的吸附塔底部進入變壓吸附塔進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳，實現(xiàn)綠色、節(jié)能、高效、安全、減排、低碳、穩(wěn)定制取所需氣體。深度精脫水干燥使用的復(fù)合分子篩是以3A沸石為主的組合干燥吸附劑，其成分為質(zhì)量比為3A分子篩45% -85%和13X分子篩55% -15%。使沼氣中的水含量降低到 3. lmg/kg-10. 9mg/kg。脫水干燥的沼氣經(jīng)壓縮至O. 5 I. 5MPa后進入緩沖罐。經(jīng)變壓吸附系統(tǒng)后獲得的沼氣含硫量為5. 2mg/kg-10. 3mg/kg。實施例I將從沼氣池出來的含甲烷63%、含二氧化碳為33%、壓力為O. 05MPa O. IOMpa, 處理量為100Nm3/h的沼氣經(jīng)氣、水分離器I除去游離水后，再經(jīng)質(zhì)量比為3A分子篩65%和 13X分子篩35%的組合分子篩精脫水工藝系統(tǒng)2，對沼氣進行深度精脫水干燥，使沼氣中的水含量降低到小于8. 2mg/kg,再經(jīng)變頻沼氣壓縮機4壓縮至O. 8MPa,(進入變頻沼氣壓縮機前，通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)至O. IMPa左右)變頻沼氣壓縮機4由檢測沼氣流量和壓力的傳感器3控制，自動調(diào)節(jié)流量和壓力，使之與干燥后的沼氣壓力和流量I. 69m3/min相匹配，變頻沼氣壓縮機的進氣溫度20. 5°C，排氣壓力O. 8MPa，排氣溫度35°C，再進入緩沖罐5，然后勻速地從吸附塔底部進入變壓吸附系統(tǒng)6，進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳。最后，得到沼氣的凈化度為98. 7%，其中硫化氫的含量7. 3mg/kg和二氧化碳的純度為99. 5%。實施例2 將從沼氣池出來的含甲烷61 %、含二氧化碳為34%、壓力為O. 12MPa O. 21Mpa、 處理量為500Nm3/h的沼氣通過氣、水分離器I除去游離水，再經(jīng)質(zhì)量比為3A分子篩85% 和13X分子篩15%的組合分子篩精脫水工藝系統(tǒng)2，對沼氣進行深度精脫水干燥，使沼氣中的水含量降低到小于10. 9mg/kg，再經(jīng)變頻沼氣壓縮機4壓縮至排氣壓力I. 2MPa，(進入變頻沼氣壓縮機前，通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)至O. IMPa左右)，變頻沼氣壓縮機由檢測沼氣流量和壓力的傳感器3控制自動調(diào)節(jié)其流量和壓力，使之與干燥后的沼氣壓力和流量8. 56m3/ min相匹配，變頻沼氣壓縮機的進氣溫度28. 5°C，排氣壓力I. 2MPa，溫度41°C，再進入緩沖罐5，然后勻速地從吸附塔底部進入變壓吸附系統(tǒng)6，進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳。最后，得到沼氣的凈化度為98. 9%，其中硫化氫的含量10. 3mg/kg和二氧化碳的純度為 99. 4%。實施例3 將從沼氣池出來的含甲烷65%、含二氧化碳為31%、壓力為O. 04MPa O. 08Mpa、 處理量為50Nm3/h的沼氣通過氣、水分離器I除去游離水，再經(jīng)質(zhì)量比為3A分子篩45%和 13X分子篩55%的組合分子篩精脫水工藝系統(tǒng)2，對沼氣進行深度精脫水干燥，使沼氣中的水含量降低到小于3. lmg/kg,再經(jīng)變頻沼氣壓縮機4的壓縮至O. 5MPa,(進入變頻沼氣壓縮機前，通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)至O. IMPa左右)，變頻沼氣壓縮機由檢測沼氣流量和壓力的傳感器3控制，自動調(diào)節(jié)其流量和壓力，使之與干燥后的沼氣壓力和流量O. 86m3/min相匹配， 變頻沼氣壓縮機的進氣溫度8. 2°C，排氣壓力O. 5MPaMPa，溫度23°C，再進入緩沖罐5，然后勻速地從吸附塔底部進入變壓吸附系統(tǒng)6，進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳。最后， 得到沼氣的凈化度為98. 2%，其中硫化氫的含量5. 2mg/kg和二氧化碳的純度為98. 6%。
權(quán)利要求
1.一種變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法，其特征是工藝步驟是(1)沼氣經(jīng)氣、水分離器除去游離水；(2)脫去游離水后的沼氣再經(jīng)復(fù)合分子篩精脫水，進行深度精脫水干燥；(3)經(jīng)深度精脫水干燥的沼氣經(jīng)壓縮后進入緩沖罐；(4)由緩沖罐出來的沼氣，勻速地從吸附塔底部進入變壓吸附系統(tǒng)，進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳。
2.如權(quán)利要求I所述的變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法，其特征是深度精脫水干燥使用的復(fù)合分子篩是以3A沸石為主的組合干燥吸附劑，其成分是質(zhì)量比為 3A分子篩45% -85%和13X分子篩55% -15%。
3.如權(quán)利要求I所述的變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法，其特征是深度精脫水干燥使沼氣中的水含量降低到3. lmg/kg-10. 9mg/kg。
4.如權(quán)利要求I所述的變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法，其特征是深度精脫水干燥的沼氣經(jīng)壓縮至O. 5 I. 5MPa后進入緩沖罐。
5.如權(quán)利要求I所述的變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法，其特征是經(jīng)變壓吸附系統(tǒng)后獲得的沼氣含硫量為5. 2mg/kg-10. 3mg/kg。
全文摘要
一種變頻變壓吸附分離和提純沼氣及二氧化碳的方法，工藝步驟是沼氣經(jīng)氣、水分離器除去游離水后、再經(jīng)復(fù)合分子篩精脫水，沼氣經(jīng)壓縮后進入緩沖罐，最后勻速地從吸附塔底部進入變壓吸附系統(tǒng)，進行變壓吸附分離、凈化沼氣和二氧化碳。本發(fā)明的方法將復(fù)合分子篩精脫水系統(tǒng)和變壓吸附技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于沼氣變壓吸附系統(tǒng)中脫碳、脫硫，不僅解決了沼氣中的硫化氫造成設(shè)備嚴重腐蝕問題，而且還非常有效地提高了分離凈化效果，獲得高純度、高熱值的甲烷和高純度的二氧化碳。本方法為實現(xiàn)沼氣的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、集成化、規(guī)?；陌l(fā)展提供了一種新的模式。
文檔編號B01D53/28GK102585953SQ20121006113
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者盧朝霞, 周龍昌, 唐興中, 李宏君, 楊茂立, 梁景, 田宗義, 粟滿榮, 莫宇飛, 藍明新, 謝云果, 趙鐘興, 黃福川 申請人:廣西大學(xué)