專利名稱：變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沼氣綜合利用技術(shù)，尤其涉及一種應(yīng)用變壓吸附的方法分離和提純沼氣中二氧化碳的方法。
背景技術(shù)：
能源是世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略資源，是社會生產(chǎn)力的核心和動力源泉。當(dāng)前中國能源形勢相當(dāng)嚴(yán)峻資源貧乏、結(jié)構(gòu)失衡、需求劇增、缺口很大、能效不高和減排困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國2005年化石能源的剩余可采儲總量是882億噸標(biāo)煤，若按2005年的19億噸標(biāo)煤開采量計(jì)，只夠開采46年。據(jù)預(yù)測2000-2020年間化石能源消費(fèi)的年均增長率是4. 3% 4.6%,年需求量將上升到30 32億噸標(biāo)煤，如無重大資源發(fā)現(xiàn)和不考慮進(jìn)出口，中國的化石能源大約只夠用30年。目前我國石油進(jìn)口依賴度約為45%，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)75% 左右，由此可見，我國石油資源相當(dāng)緊缺，研究開發(fā)替代化石能源的生物質(zhì)能源顯得尤為迫切。沼氣是一種性能優(yōu)良的清潔燃料，不僅原料來源豐富、價(jià)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?xì)饪贡阅芎玫奶攸c(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)可再生生物質(zhì)能源。沼氣中通常含有60%左右的甲烷，40%左右的二氧化碳、硫化氫和水蒸汽等少量雜質(zhì)氣體。因此將沼氣凈化，提高沼氣中甲烷的純度以提高其熱值、實(shí)現(xiàn)沼氣的高品質(zhì)利用是很有必要的；同時(shí)可通過提純系統(tǒng)將沼氣中的二氧化碳分離出收集、凈化富集至98%以上可供工業(yè)使用。這對節(jié)約利用可再生的清潔生物質(zhì)能源、降低碳排放和改善生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國內(nèi)外工業(yè)上分離回收二氧化碳主要采用干法和濕法，其中濕法有溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法和變壓吸附法；而干法就是變壓吸附法(PSA)。溶劑吸收法主要適合處理氣體中二氧化碳含量較低的氣源，分離效果較好，通?？梢缘玫?9. 99%的高純度二氧化碳?xì)怏w，但是投資費(fèi)用大，能耗高，經(jīng)濟(jì)性較差。低溫蒸餾法適合處理氣體中二氧化碳含量較高的氣源(其中二氧化碳含量大于60% )，但是該工藝設(shè)備投資大，能耗高， 分離效果不佳，一般較少采用此方法；膜分離法的工藝過程簡單，操作方便，技術(shù)先進(jìn)，能耗低，經(jīng)濟(jì)性好，投資僅為溶劑吸收法的一半，但此法得到的二氧化碳純度較低，不利于商品化。變壓吸附法工藝過程簡單，能耗低，且無較大腐蝕問題，當(dāng)二氧化碳含量小于50%時(shí)， PSA技術(shù)比其它方法具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但將PSA技術(shù)應(yīng)用于沼氣凈化處理工藝中做到同時(shí)脫水、脫碳和脫硫目前國內(nèi)外還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用變壓吸附技術(shù)高效分離沼氣中的二氧化碳和其它雜質(zhì)氣體、同時(shí)制取高純度二氧化碳、使沼氣中的二氧化碳得以充分利用、達(dá)到降低碳排放的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法。本發(fā)明以如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題
本發(fā)明的工藝步驟是(1)沼氣經(jīng)氣水分離器除去游離水；(2)把脫水后的沼氣經(jīng)壓縮提壓至0. 5 1. 5MPa ；(3)經(jīng)步驟2所得沼氣進(jìn)入緩沖罐后，從吸附塔底進(jìn)入吸附塔的吸附劑床層，沼氣中的二氧化碳及其它少量的雜質(zhì)氣體被復(fù)合吸附劑吸附下來，而凈化氣的甲烷將經(jīng)過吸附塔出口排出；當(dāng)被吸附雜質(zhì)物流的前沿接近吸附劑床層出口時(shí)，關(guān)閉吸附塔的原料氣進(jìn)口和出口氣閥，使吸附塔停止吸附；接著依次打開程控閥KV-3A和KV-4A，進(jìn)行二 三次穩(wěn)定相同速度和穩(wěn)定相同壓力下降，將吸附劑中吸附的二氧化碳解吸出來；(4)經(jīng)過穩(wěn)定相同的壓力下降后，吸附床還有一定的壓力，一部分順放氣回收，另一部分放空。(5)被分離的二氧化碳由真空泵抽出，純度大于98. 5%，同時(shí)也使吸附劑得到完全再生。抽真空后，再用穩(wěn)定相同壓力氣體對床層逆向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開始進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)過程。所處理的沼氣為脫除水分之后的沼氣，其中甲烷含量約為60% 70%，二氧化碳和其它雜質(zhì)氣體含量約為30% 40%。變壓吸附所用的吸附劑為復(fù)合吸附劑，其中各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為顆粒狀氧化鐵或氧化鈣10% 25%、硅膠45% 75%，活性炭15% 30% ；復(fù)合吸附劑在吸附塔內(nèi)的堆放方式根據(jù)沼氣中二氧化碳、硫化氫和水蒸汽的濃度變化選擇以下兩種方式；a當(dāng)二氧化碳的濃度<30%、硫化氫< 和水蒸汽< 時(shí)，復(fù)合吸附劑間隔分層堆放；b當(dāng)二氧化碳的濃度>30%、硫化氫> 和水蒸汽> 時(shí)，復(fù)合吸附劑按先脫水、脫硫再分離二氧化碳的順序堆放活性炭在最下面、顆粒狀氧化鐵或氧化鈣在中間、硅膠在上面。根據(jù)沼氣產(chǎn)量大小設(shè)置四 八個(gè)吸附塔，循環(huán)地變動所組合的各個(gè)吸附塔壓力， 實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高純度高熱值的沼氣和高凈化度二氧化碳?xì)怏w。變壓吸附的操作溫度25°C 45°C，吸附壓力0. 5MPa 1. 5MPa，循環(huán)時(shí)間4 8分鐘，原料沼氣流量100m3/h 500m3/h。本發(fā)明的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，采取加壓吸附的方法，分離沼氣中二氧化碳?xì)怏w及其它雜質(zhì)組分氣體，使沼氣中甲烷的濃度可達(dá)98%以上，實(shí)現(xiàn)沼氣的高品質(zhì)利用；同時(shí)，采取減壓脫附并通過脫水提純系統(tǒng)將二氧化碳?xì)怏w凈化富集達(dá) 98%以上，供工業(yè)使用，與此同時(shí)也使吸附劑獲得再生。本方法適合較大規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn)， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、連續(xù)，操作方便，節(jié)約能耗，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明采用變壓吸附分離沼氣中的二氧化碳、水蒸汽和硫化氫及制取高純度二氧化碳的方法的工藝流程圖，其中1——?dú)馑蛛x器 2——壓縮機(jī)3——緩沖罐4——吸附塔(A H) 5——提純真空泵6——CO2緩沖罐7——鼓風(fēng)機(jī) 8——冷卻器9——CO2氣水分離器10——CO2緩沖罐
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用吸附塔中的復(fù)合吸附劑對二氧化碳在不同的分壓下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力、且在一定壓力下，對被分離的氣體混合物沼氣的各組分有選擇吸附的特性，采用加壓吸附去除沼氣中的二氧化碳及其它雜質(zhì)氣體組分，提高沼氣中甲烷的濃度，從而提高其熱值，實(shí)現(xiàn)沼氣的高品質(zhì)利用。同時(shí)采取減壓脫吸的辦法，使得被吸附劑吸附的二氧化碳及其它雜質(zhì)氣體解吸出來，使吸附劑得以再生，達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)的目的。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明實(shí)施例如圖1所示，將從沼氣池出來的含甲烷約為60%左右、含二氧化碳和其它雜質(zhì)氣體約為40%左右的混合氣體通過氣水分離器1除去游離水，脫水后的沼氣主要成分是甲烷和二氧化碳及其它少量的雜質(zhì)氣體。沼氣經(jīng)脫水后再經(jīng)壓縮機(jī)2的壓縮提壓至0. 5 1. 5MPa，此時(shí)脫水加壓后的沼氣溫度為常溫25°C 45°C左右，再進(jìn)入緩沖罐3，然后勻速從吸附塔底部經(jīng)原料氣進(jìn)口 KV-IA進(jìn)入吸附塔A的吸附劑床層，在吸附劑選擇的條件下，沼氣中的二氧化碳及其它少量的雜質(zhì)氣體被吸附劑吸附下來，而凈化氣甲烷將經(jīng)過出口氣閥 KV-2A排出。當(dāng)被吸附雜質(zhì)物流前沿接近吸附劑床層出口氣閥KV-2A時(shí)，關(guān)閉吸附塔A的原料氣進(jìn)口氣閥KV-IA和出口氣閥KV-2A，使其停止吸附。接著依次打開程控閥KV-3A和 KV-4A進(jìn)行二 三次穩(wěn)定相同速度和穩(wěn)定相同壓力下降過程，其目的是將吸附劑吸附的二氧化碳解吸出來，同時(shí)增加床層死空間的二氧化碳的濃度。穩(wěn)定相同壓力下降后，吸附床還有一定的壓力，一部分順放氣經(jīng)程控閥KV-6H回收，另一部分順吸附塔KV-5H的出氣口放空。當(dāng)吸附床的壓力為常壓時(shí)，可用純度為98. 5%的以上產(chǎn)品二氧化碳去置換，以達(dá)到提純二氧化碳的目的。產(chǎn)品二氧化碳由真空泵5抽出，純度大于98. 5%，同時(shí)吸附劑得到完全再生。抽真空后，再用均壓氣和產(chǎn)品氣二氧化碳對床層逆向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開始進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)過程。
權(quán)利要求
1.一種變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，其特征是本發(fā)明的工藝步驟是(1)沼氣經(jīng)氣水分離器除去游離水；(2)把脫水后的沼氣經(jīng)壓縮提壓至0.5 1. 5MPa ；(3)經(jīng)步驟2所得沼氣進(jìn)入緩沖罐后，從吸附塔底進(jìn)入吸附塔的吸附劑床層，沼氣中的二氧化碳及其它少量的雜質(zhì)氣體被復(fù)合吸附劑吸附下來，而凈化氣中的甲烷將經(jīng)過吸附塔出口排出；當(dāng)被吸附雜質(zhì)物流的前沿接近吸附劑床層出口時(shí)，關(guān)閉吸附塔的原料氣進(jìn)口和出口氣閥，使吸附塔停止吸附；接著依次打開程控閥KV-3A和KV-4A，進(jìn)行二 三次穩(wěn)定相同速度和穩(wěn)定相同壓力下降過程，將復(fù)合吸附劑中吸附的二氧化碳解吸出來；(4)均降后，吸附床還有一定的壓力，一部分順放氣回收，另一部分放空；(5)產(chǎn)品二氧化碳由真空泵抽出，純度大于98.5%，同時(shí)吸附劑得到完全再生；抽真空后，再用均壓氣對床層逆向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開始進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)過程。
2.如權(quán)利要求1所述的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，其特征是所處理的沼氣為脫除水分之后的沼氣，其中甲烷含量約為60% 70%，二氧化碳和其它雜質(zhì)氣體含量約為30% 40%。
3.如權(quán)利要求1所述的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，其特征是變壓吸附所用的吸附劑為復(fù)合吸附劑，其中各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為顆粒狀氧化鐵或氧化鈣 10% 25%、硅膠45% 75%，活性炭15% 30%。
4.如權(quán)利要求3所述的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，其特征是復(fù)合吸附劑在吸附塔內(nèi)的堆放方式根據(jù)沼氣中二氧化碳、硫化氫和水蒸汽的濃度變化選擇以下兩種方式；a當(dāng)二氧化碳的濃度<30%、硫化氫< 和水蒸汽< 時(shí)，復(fù)合吸附劑間隔分層堆放；b當(dāng)二氧化碳的濃度>30%、硫化氫> 和水蒸汽> 時(shí)，復(fù)合吸附劑按先脫水、脫硫再分離二氧化碳的順序堆放活性炭在最下面、顆粒狀氧化鐵或氧化鈣在中間、硅膠在上面。
5.如權(quán)利要求1所述的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，其特征是根據(jù)沼氣產(chǎn)量大小設(shè)置四 八個(gè)吸附塔，循環(huán)地變動所組合的各個(gè)吸附塔壓力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高純度高熱值的沼氣和高凈化度二氧化碳?xì)怏w。
6.如權(quán)利要求1所述的變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，其特征是變壓吸附的操作溫度25°C 45°C，吸附壓力0. 5MPa 1. 5MPa,循環(huán)時(shí)間4 8分鐘，原料沼氣流量 IOOmVh 500m3/h。
全文摘要
一種變壓吸附分離和提純沼氣中二氧化碳的方法，脫水后的沼氣利用吸附劑對二氧化碳在不同的分壓下有不同的吸附容量、速度和吸附力、且在一定壓力下對各組分有選擇吸附的特性，加壓吸附去除沼氣中的二氧化碳及其它雜質(zhì)氣體組分，實(shí)現(xiàn)沼氣的高品質(zhì)利用；采取減壓脫吸的辦法，使被吸附的二氧化碳及雜質(zhì)氣體解吸，吸附劑得以再生，達(dá)到連續(xù)制取所需氣體的目的。本發(fā)明的方法，可使沼氣中甲烷的濃度高達(dá)98％以上，減壓脫附并通過提純將二氧化碳?xì)怏w凈化富集達(dá)98％以上，同時(shí)使吸附劑獲得再生。本方法適合規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、連續(xù)，操作方便，節(jié)約能耗，具有廣闊的技術(shù)應(yīng)用前景。
文檔編號C10L3/10GK102391898SQ20111029501
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月8日
發(fā)明者盧朝霞, 盧譽(yù)遠(yuǎn), 唐興中, 李宏君, 楊茂立, 童張法, 粟滿榮, 莫宇飛, 藍(lán)明新, 謝云果, 黃孝平, 黃福川 申請人:廣西大學(xué)