本發(fā)明屬于沼氣純化，具體涉及一種利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、沼氣是重要的高效可再生能源，其綠色低碳高值化利用是實現(xiàn)碳中和及綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。

2、然而，通常沼氣中除了含有甲烷（ch4）之外，還含有大量的二氧化碳（co2）、硫化氫（h2s）等雜質(zhì)。沼氣中一般co2含量很高（20-50%），這顯著降低了沼氣的熱值，并使沼氣難以壓縮，而沼氣中的h2s導(dǎo)致氣味和安全問題以及設(shè)備腐蝕風險。

3、當前，我國大部分沼氣未被利用或綠色低碳高值化利用，大型企業(yè)通常采取就地燃燒供熱或發(fā)電等方式進行處理，中小企業(yè)一般采用直接對空燃燒沼氣的方式處理。因為未提純的沼氣燃燒效果差、利用率低，導(dǎo)致燃燒不徹底，一方面產(chǎn)生了大量的硫化物和含碳化合物污染而造成了安全風險，另一方面未對沼氣中的能源進行利用或最大程度利用造成了巨大浪費和碳排放，不能滿足綠色低碳的要求。

4、沼氣中高含量的co2和h2s成為沼氣綠色低碳高值化利用的主要障礙，沼氣經(jīng)提純?nèi)コ齝o2和h2s之后，燃燒特性大大提升，可以直接應(yīng)用為車輛燃料或天然氣，實現(xiàn)高值化利用。

5、目前，國內(nèi)外已經(jīng)研究開發(fā)的沼氣提純工藝均以脫硫（去除h2s）、脫碳（去除co2）為主要目標，普遍存在運行成本高、二次污染嚴重、碳排放量大等問題，急需開發(fā)綠色低碳高效的沼氣提純新技術(shù)。

6、現(xiàn)有技術(shù)公開了亞鐵離子/鐵離子可以用于去除硫化氫，例如中國專利申請cn103723823a。然而，現(xiàn)有采用亞鐵離子/鐵離子去除硫化氫的技術(shù)存在著投加亞鐵離子/鐵離子引起系統(tǒng)ph下降導(dǎo)致脫硫效果顯著下降、或者亞鐵離子/鐵離子用量大大增加及其導(dǎo)致的ph進一步下降等缺陷；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中未見采用亞鐵離子/鐵離子對沼氣進行同步脫硫脫碳的方法，而利用亞鐵離子/鐵離子進行沼氣脫碳也高度依賴于ph，受到較低ph的顯著負面影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的裝置。該裝置能同步高效去除沼氣中的二氧化碳和硫化氫，實現(xiàn)沼氣的純化。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的方法。該方法通過構(gòu)建基于亞鐵鹽和/或鐵鹽的沼氣純化系統(tǒng)，設(shè)置亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)和ph值調(diào)控系統(tǒng)，利用沼氣中的co2和h2s與亞鐵鹽溶液中的fe2+和/或鐵鹽溶液中的fe3+發(fā)生反應(yīng)生成沉淀產(chǎn)物而被去除，利用ph值調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)沼氣純化系統(tǒng)內(nèi)部的ph值，獲得了同步高效去除沼氣中的co2和h2s，實現(xiàn)沼氣純化的目的。

3、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

4、一種利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的裝置，所述裝置包括沼氣純化裝置、沼氣擴散器、攪拌器、亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)和ph值調(diào)控系統(tǒng)；

5、所述亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)包括亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液制備裝置和藥劑泵，所述沼氣純化裝置與亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液制備裝置通過藥劑泵連接；

6、所述ph值調(diào)控系統(tǒng)包括ph檢測儀、堿液制備裝置和堿液泵；所述沼氣純化裝置與堿液制備裝置通過堿液泵連接；所述ph檢測儀與沼氣純化裝置連接；

7、所述沼氣擴散器和攪拌器設(shè)置在沼氣純化裝置的底部，并且所述沼氣擴散器與沼氣入口管路連接；所述沼氣純化裝置下部設(shè)有沉淀產(chǎn)物出口，所述沼氣純化裝置上部設(shè)有溢流液出口和沼氣出口。

8、一種利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的裝置，所述裝置包括沼氣純化裝置、攪拌器、布水器、亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)和ph值調(diào)控系統(tǒng)；

9、所述沼氣純化裝置還設(shè)置有藥劑循環(huán)管路，藥劑循環(huán)管路上依次設(shè)置有循環(huán)泵、第一管道混合器、第二管道混合器和射流器；所述射流器和所述布水器連接，所述布水器和攪拌器設(shè)置在沼氣純化裝置的底部；所述射流器設(shè)有待純化沼氣入口；

10、所述亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)包括亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液制備裝置和藥劑泵，所述亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液制備裝置與第一管道混合器通過藥劑泵連接；

11、所述ph值調(diào)控系統(tǒng)包括ph檢測儀、堿液制備裝置和堿液泵；所述堿液制備裝置與第二管道混合器通過堿液泵連接；所述ph檢測儀與沼氣純化裝置連接；

12、所述沼氣純化裝置下部設(shè)有循環(huán)藥劑入口和沉淀產(chǎn)物出口，所述沼氣純化裝置上部設(shè)有溢流液出口和沼氣出口。

13、基于本發(fā)明所述的裝置，本發(fā)明還提供了一種利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的方法，包括以下步驟：

14、（1）在沼氣純化裝置中設(shè)置一定量的水介質(zhì)，將待純化沼氣輸送進入沼氣純化裝置；

15、（2）根據(jù)待純化沼氣的流量及沼氣中co2和h2s的含量，亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)向沼氣純化裝置供應(yīng)一定量的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液，以維持沼氣純化裝置中一定的亞鐵離子/鐵離子濃度；攪拌器提供攪拌作用，使亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液和待純化沼氣在沼氣純化裝置中混合均勻；

16、（3）ph值調(diào)控系統(tǒng)通過ph檢測儀檢測沼氣純化裝置內(nèi)部的ph值、并調(diào)控堿液泵向沼氣純化裝置供應(yīng)一定量的堿液；在攪拌器的作用下，堿液與亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液混合均勻，使沼氣純化裝置內(nèi)部的ph值維持在8.5±0.2；

17、（4）待純化沼氣中的co2、h2s與亞鐵鹽溶液中的fe2+和/或鐵鹽溶液中的fe3+發(fā)生反應(yīng)生成沉淀產(chǎn)物而被去除，經(jīng)純化處理的沼氣排出沼氣純化裝置，沼氣純化過程中生成的沉淀產(chǎn)物（feco3、fes）定期排出沼氣純化裝置，溢流液持續(xù)排出沼氣純化裝置并輸送到亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)，用于制備亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液，完成沼氣的純化過程。

18、作為本發(fā)明的另一種實施方案，所述的利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的方法，包括以下步驟：

19、所述沼氣純化裝置中設(shè)置的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液通過循環(huán)泵輸送、并在所述沼氣純化裝置中進行循環(huán)流動；

20、所述第一管道混合器通過藥劑泵與亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液制備裝置連接，并將藥劑泵輸送進來的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液與循環(huán)流動的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液混合均勻，接著通過布水器進入沼氣純化裝置；

21、所述第二管道混合器通過堿液泵與堿液制備裝置連接，并將堿液泵輸送進來的堿液與循環(huán)流動的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液混合均勻，接著通過布水器進入沼氣純化裝置；

22、與此同時，待純化沼氣通過射流器與循環(huán)流動的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液混合，接著通過布水器進入沼氣純化裝置，并在攪拌器的作用下在沼氣純化裝置中與亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液混合均勻；亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)通過藥劑泵向沼氣純化裝置供應(yīng)亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液，以維持沼氣純化裝置中一定的亞鐵離子/鐵離子濃度；

23、ph值調(diào)控系統(tǒng)通過調(diào)控堿液泵向沼氣純化裝置供應(yīng)一定量的堿液，使沼氣純化裝置內(nèi)部的ph值維持在8.5±0.2，進行利用亞鐵鹽和/或鐵鹽純化沼氣的過程；

24、待純化沼氣中的co2、h2s與亞鐵鹽溶液中的fe2+和/或鐵鹽溶液中的fe3+發(fā)生反應(yīng)生成沉淀產(chǎn)物而被去除，經(jīng)純化處理的沼氣排出沼氣純化裝置，沼氣純化過程中生成的沉淀產(chǎn)物（feco3、fes）定期排出沼氣純化裝置，溢流液持續(xù)排出沼氣純化裝置并輸送到亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液供應(yīng)系統(tǒng)，用于制備亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液，完成沼氣的純化過程。

25、優(yōu)選地，所述的亞鐵鹽為氯化亞鐵和/或硫酸亞鐵，所述的鐵鹽為氯化鐵和/或硫酸鐵。

26、優(yōu)選地，所述待處理沼氣包括含有機物的廢水經(jīng)厭氧處理產(chǎn)生的沼氣、含有機物的污泥和固體廢棄物經(jīng)厭氧消化產(chǎn)沼氣、以及其他來源的含有co2和h2s的沼氣。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的原理和具有的優(yōu)點及有益效果敘述如下：

28、當待純化沼氣通過擴散器或射流器、布水器進入沼氣純化裝置后，在攪拌器的作用下，待純化沼氣與沼氣純化裝置中設(shè)置的亞鐵鹽溶液和/或鐵鹽溶液混合均勻；于是，沼氣中的co2和h2s通過與亞鐵鹽溶液中的fe2+和/或鐵鹽溶液中的fe3+發(fā)生反應(yīng)形成沉淀物而被去除，從而達到了沼氣純化的目的。

29、首先，利用亞鐵鹽溶液中的fe2+與沼氣中的co2反應(yīng)，生成了feco3沉淀，去除了沼氣中的co2，并形成了co2匯（式①、②），實現(xiàn)了對沼氣中co2的高效去除。

30、 ?①

31、 ?②

32、同時，利用亞鐵鹽溶液中的fe2+與沼氣中的h2s反應(yīng)，生成了fes沉淀，同步實現(xiàn)了對沼氣中h2s的高效去除（式③）。

33、 ? ?③

34、對于沼氣純化裝置中設(shè)置了鐵鹽溶液的情況，則鐵鹽溶液中的fe3+首先與待純化沼氣中的h2s發(fā)生反應(yīng)，硫化物被氧化生成了元素s，同時fe3+被還原生成了fe2+（式④）。繼而，fe2+通過反應(yīng)①、②和③實現(xiàn)對待純化沼氣中co2和h2s的高效去除。

35、 ?④

36、對于沼氣純化裝置中設(shè)置了亞鐵鹽溶液和鐵鹽溶液的混合溶液的情況，則利用沼氣中的co2和h2s與亞鐵鹽溶液中的fe2+和/或鐵鹽溶液中的fe3+發(fā)生反應(yīng)（式①、②、③和④），獲得了同步高效去除沼氣中的co2和h2s，實現(xiàn)沼氣純化的目的。

37、對于加入亞鐵離子/鐵離子進行沼氣濕式脫硫的情況，事實上在水介質(zhì)中加入亞鐵離子/鐵離子對系統(tǒng)ph值產(chǎn)生了重要的影響。這是因為鐵鹽是強酸性化合物，常用的鐵鹽劑量會降低水介質(zhì)的ph值。同時，亞鐵離子/鐵離子與h2s的沉淀反應(yīng)高度依賴于ph，受到較低ph值顯著的負面影響，尤其是在中性或接近中性的ph值條件下（即6-8）。例如，從ph?7.0降低到6.5導(dǎo)致鐵鹽劑量要求增加超過200%，以實現(xiàn)相同硫化物濃度。此外，ph值的降低也將反應(yīng)平衡從hs-轉(zhuǎn)移到揮發(fā)性的h2s，導(dǎo)致釋放更多h2s，造成h2s去除效果下降、沼氣甲烷純度下降以及設(shè)備腐蝕和安全風險等問題。此外，ph的降低也導(dǎo)致沼氣脫碳效果顯著下降、沼氣甲烷純度下降以及碳排放顯著增加等問題。

38、本發(fā)明通過設(shè)置ph值調(diào)控系統(tǒng)，實時調(diào)控沼氣純化裝置內(nèi)部的ph值，使沼氣純化裝置內(nèi)部的ph值始終維持在8.5±0.2范圍內(nèi)，可以有效克服以上缺陷，獲得同步穩(wěn)定高效去除沼氣中的co2和h2s的目的。

39、本發(fā)明的方法簡便高效、流程短、設(shè)備少、投資和運行費用低、運行維護方便，且能夠一步同時高效去除沼氣中的co2和h2s，實現(xiàn)沼氣純化的目的，具有良好的應(yīng)用前景。

40、進一步地，本發(fā)明獲得的沉淀產(chǎn)物中鐵的含量可達57%左右，具有作為鐵礦原料的潛力；同時，本發(fā)明獲得的沉淀產(chǎn)物可應(yīng)用于廢水和污泥處理過程，有效提高了污泥的脫水和沉淀性能，具有顯著的資源化回收利用價值。