本發(fā)明涉及沼氣中CH₄富集與沼液無(wú)害化處理一體化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以沼液為CO₂吸收劑的沼氣提純與沼液處理系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

沼氣作為一種可再生能源在我國(guó)已有較成熟的應(yīng)用，大中型及特大型沼氣工程的數(shù)量日益增加。但由于沼氣熱值較低，目前沼氣主要局限在沼氣工程周邊使用，很少能實(shí)現(xiàn)高值化和產(chǎn)業(yè)化利用。沼氣的主要成分是CH₄(60～70％)、CO₂(30～40％)及微量H₂S(0.005～0.1％)等雜質(zhì)，如能將沼氣中CH₄含量提升到天然氣級(jí)別(大于95％)，獲得可再生的生物天然氣或生物甲烷，將具備替代化石天然氣的潛力，不僅能在一定程度上緩解天然氣供應(yīng)不足的矛盾，還能在能源利用過程中實(shí)現(xiàn)CO₂的近零排放。顯然，沼氣提純制備生物天然氣是實(shí)現(xiàn)沼氣高值化和產(chǎn)業(yè)化利用的重要途徑與方向。沼氣提純制備生物天然氣的關(guān)鍵在于沼氣中CO₂的高效低成本脫除。目前，沼氣中CO₂分離技術(shù)主要有高壓水洗法、變壓吸附法、化學(xué)吸收法和膜分離法等，其中化學(xué)吸收法是沼氣CO₂分離技術(shù)中發(fā)展較成熟的一種，具有CO₂分離效率、低CH₄損失、高CH₄純度和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，但其主要采用的乙醇胺等常規(guī)醇胺類吸收劑富CO₂溶液的再生熱能耗巨大，可占整個(gè)工藝總能耗的60％以上，導(dǎo)致CO₂分離成本高，造成生物天然氣成本高昂。因此，減少化學(xué)吸收法中富CO₂吸收劑溶液的再生能耗是降低沼氣CO₂分離成本的關(guān)鍵。擯棄CO₂化學(xué)吸收中能耗最高的吸收劑富CO₂溶液再生段，只采用單一CO₂吸收工藝，是降低化學(xué)吸收法提純成本最有效方式之一，但其關(guān)鍵在于如何選擇合適的吸收劑。如典型工藝的是以氨水為吸收劑，吸收CO₂的同時(shí)生成碳酸氫銨副產(chǎn)物，但此工藝對(duì)氨水消耗巨大，因此只能適合中小規(guī)模CO₂分離情形。

沼液作為沼氣工程副產(chǎn)物，具有產(chǎn)量巨大、廉價(jià)、富含刺激植物生長(zhǎng)的有益成分等特點(diǎn)，且呈弱堿性，擁有一定的CO₂吸收潛力。如果能以沼氣工程每天所產(chǎn)生的沼液作為吸收劑吸收沼氣中CO₂，處理當(dāng)天所產(chǎn)生的沼氣，同時(shí)將生成的富CO₂沼液進(jìn)行農(nóng)田施用，從而實(shí)現(xiàn)完全利用沼氣工程所產(chǎn)生的沼液完成其所生產(chǎn)沼氣的提純，摒棄對(duì)外源化學(xué)吸收劑的依賴，理論上將能有效解決傳統(tǒng)CO₂化學(xué)吸收工藝再生能耗高的問題，也可解決典型單一CO₂吸收工藝中吸收劑消耗量大的問題。同時(shí)，沼液雖然可以作為一種肥料，但其氨氮、總磷、化學(xué)需氧量(COD)等指標(biāo)遠(yuǎn)超過排放及施用標(biāo)準(zhǔn)，不經(jīng)處理的沼液排放會(huì)造成空氣污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化等，對(duì)環(huán)境造成較大危害。而我國(guó)沼液年產(chǎn)量巨大，資源化利用率還不足20％，過剩的沼液處理成為制約沼氣工程發(fā)展的另一個(gè)原因。因此，需要將沼氣高值化利用與沼液無(wú)害化處理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在進(jìn)行沼氣CO₂分離得到高濃度CH₄的同時(shí)，有效降低沼液中氮磷和COD等的含量，使沼液直接達(dá)到施用標(biāo)準(zhǔn)，減少沼液消納所需的農(nóng)田面積。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種以沼液為CO₂吸收劑的沼氣提純與沼液處理系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)和方法，首先對(duì)沼氣工程產(chǎn)生的原沼液進(jìn)行減壓再生，分離出原沼液中的原生CO₂，恢復(fù)沼液的CO₂再吸收能力。接著采用此沼液對(duì)沼氣中CO₂進(jìn)行分離，并依靠沼液“CO₂再生到CO₂吸收”的多次循環(huán)對(duì)沼氣中CO₂進(jìn)行分離，并根據(jù)原沼液中氨氮含量不同來(lái)調(diào)控循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過較少循環(huán)次數(shù)即可將沼氣中CH₄含量提高到天然氣標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，沼液CO₂再生后得到的ppm級(jí)濃度的CO₂氣體可作為溫室CO₂氣肥施用。完成沼氣CO₂分離后的沼液排出沼液CO₂吸收系統(tǒng)，通過添加廉價(jià)CaO、并工作在負(fù)壓條件下，實(shí)現(xiàn)沼液中氮磷脫除與COD(Chemical Oxygen Demand，化學(xué)需氧量)降低，使處理后沼液達(dá)到施用標(biāo)準(zhǔn)，可直接作為肥料用于農(nóng)業(yè)施用。同時(shí)，沼液脫除的氨氮將以氨水形式回收，進(jìn)行自用或銷售。通過本發(fā)明可在沼氣工程內(nèi)完全依靠自身每天所產(chǎn)生的沼液實(shí)現(xiàn)沼氣CO₂分離，使CH₄含量富集到天然氣級(jí)別，同時(shí)還能獲得可直接施用的低氮磷和COD含量沼液，從而達(dá)到沼氣高值化利用和沼液處理的雙重目標(biāo)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開的一種以沼液為CO₂吸收劑的沼氣提純與沼液處理系統(tǒng)，其特征在于：它包括沼液過濾設(shè)備、沼液CO₂減壓再生設(shè)備、熱交換設(shè)備、貧CO₂沼液冷卻設(shè)備、沼液CO₂吸收設(shè)備、水洗脫氨設(shè)備、沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備、沼液氮和磷脫除設(shè)備、氨水冷凝設(shè)備、氨水收集設(shè)備、沼液沉淀設(shè)備、沼氣二次提純?cè)O(shè)備、沼液儲(chǔ)存設(shè)備、生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備和CO₂集氣設(shè)備，其中，沼液過濾設(shè)備的沼液出口連接沼液CO₂減壓再生設(shè)備的沼液入口，沼液CO₂減壓再生設(shè)備的貧CO₂沼液出口連接熱交換設(shè)備的高溫貧CO₂沼液入口，熱交換設(shè)備的低溫貧CO₂沼液出口連接貧CO₂沼液冷卻設(shè)備的低溫沼液入口，貧CO₂沼液冷卻設(shè)備的常溫貧CO₂沼液出口連接沼液CO₂吸收設(shè)備的常溫貧CO₂沼液入口，沼液CO₂吸收設(shè)備的第一富CO₂沼液出口通過第一輸送泵連接熱交換設(shè)備的常溫富CO₂沼液入口，熱交換設(shè)備的高溫富CO₂沼液出口連接沼液CO₂減壓再生設(shè)備的高溫富CO₂沼液入口，沼液CO₂減壓再生設(shè)備的CO₂出口連接水洗脫氨設(shè)備的CO₂氣體入口，水洗脫氨設(shè)備的CO₂氣體出口連接CO₂集氣設(shè)備的CO₂氣體輸入口，水洗脫氨設(shè)備的氨水出口連接氨水收集設(shè)備的氨水入口，水洗脫氨設(shè)備還具有入水口；

沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備的儲(chǔ)氣設(shè)備第一沼氣出口通過第二輸送泵連接沼液CO₂吸收設(shè)備的吸收設(shè)備沼氣入口，沼液CO₂吸收設(shè)備的吸收設(shè)備沼氣出口連接沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備的儲(chǔ)氣設(shè)備沼氣入口，沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備的儲(chǔ)氣設(shè)備第二沼氣出口通過第三輸送泵連接沼氣二次提純?cè)O(shè)備的二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口；

沼液CO₂吸收設(shè)備的第二富CO₂沼液出口通過第四輸送泵連接沼液氮和磷脫除設(shè)備的沼液入口，沼液氮和磷脫除設(shè)備的真空泵的氣體出口連接氨水冷凝設(shè)備的氨氣入口，沼液氮和磷脫除設(shè)備還具有CaO粉末入口，氨水冷凝設(shè)備的氨水出口連接氨水收集設(shè)備的氨水入口；沼液氮和磷脫除設(shè)備的沼液出口連接沼液沉淀設(shè)備的渾濁沼液入口，沼液沉淀設(shè)備的澄清沼液出口通過第五輸送泵連接沼氣二次提純?cè)O(shè)備的沼液輸入口，沼氣二次提純?cè)O(shè)備的沼液輸出口連接沼液儲(chǔ)存設(shè)備的沼液進(jìn)入口，沼氣二次提純?cè)O(shè)備的生物天然氣出口連接生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備的生物天然氣入口。

一種權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的沼氣提純與沼液處理方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：沼液經(jīng)過沼液過濾設(shè)備過濾后，由沼液入口進(jìn)入沼液CO₂減壓再生設(shè)備，在沼液CO₂減壓再生設(shè)備中沼液以500～1000r/min的轉(zhuǎn)速被均勻持續(xù)攪拌，同時(shí)，沼液CO₂減壓再生設(shè)備自帶的真空泵提供39～41kPa的絕對(duì)壓強(qiáng)條件，沼液CO₂減壓再生設(shè)備自帶的加熱裝置提供沼液溫度76～78℃的條件，在此操作參數(shù)下，沼液CO₂減壓再生設(shè)備運(yùn)行25～30min，沼液CO₂減壓再生設(shè)備將貧CO₂沼液通過高溫貧CO₂沼液入口進(jìn)入熱交換設(shè)備，完成換熱后進(jìn)入貧CO₂沼液冷卻設(shè)備，在貧CO₂沼液冷卻設(shè)備中將沼液冷卻至15～30℃后，通過常溫貧CO₂沼液入口進(jìn)入沼沼液CO₂吸收設(shè)備；

步驟2：沼液CO₂減壓再生設(shè)備自帶的真空泵的氣體出口排出的CO₂、氨氣和揮發(fā)性脂肪酸的混合氣體通過CO₂氣體入口進(jìn)入水洗脫氨設(shè)備，清水從水入口進(jìn)入水洗脫氨設(shè)備，在水洗脫氨設(shè)備中利用水洗脫除氨氣和揮發(fā)性脂肪酸的混合氣體中的雜質(zhì)，水洗脫氨設(shè)備中的CO₂氣體通過CO₂氣體出口進(jìn)入CO₂集氣設(shè)備儲(chǔ)存?zhèn)溆茫瑥乃疵摪痹O(shè)備出來(lái)的氨水進(jìn)入氨水收集設(shè)備；

步驟3：沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中的沼氣通過儲(chǔ)氣設(shè)備第一沼氣出口由第二輸送泵通入沼液CO₂吸收設(shè)備，進(jìn)行沼液CO₂吸收，分離CO₂后的沼氣經(jīng)儲(chǔ)氣設(shè)備沼氣入口回到沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中，沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中的沼氣持續(xù)進(jìn)行CO₂分離的時(shí)間為20～30min，通過沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中的第一CH₄濃度傳感器監(jiān)控沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中沼氣CH₄濃度變化，以此判斷在沼液CO₂吸收設(shè)備中沼液的CO₂吸收飽和終點(diǎn)，當(dāng)沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中沼氣CH₄濃度穩(wěn)定不變時(shí)，停止運(yùn)行沼液CO₂吸收設(shè)備；

步驟4：當(dāng)步驟3完成時(shí)，使沼液CO₂吸收設(shè)備中的富CO₂沼液通過第一輸送泵再次通入沼液CO₂減壓再生設(shè)備(2)，并依靠第三流量計(jì)控制富CO₂沼液完全通入沼液CO₂減壓再生設(shè)備，重復(fù)進(jìn)行步驟1的沼液CO₂減壓再生過程，經(jīng)過步驟1和步驟3的沼液CO₂再生到吸收的多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中CH₄的不斷富集，此時(shí)完成沼氣的第一次提純；

步驟5：經(jīng)過多次CO₂再生到吸收的循環(huán)過程，完成對(duì)沼氣CO₂分離后，使富CO₂沼液經(jīng)沼液CO₂吸收設(shè)備的第二富CO₂沼液出口通過第四輸送泵進(jìn)入沼液氮和磷脫除設(shè)備，CaO粉末經(jīng)CaO粉末入口進(jìn)入沼液氮和磷脫除設(shè)備，由質(zhì)量傳感器控制添加的CaO粉末的質(zhì)量濃度為5～10g/L，沼液氮和磷脫除設(shè)備中，加入CaO粉末的沼液以500～1000r/min的轉(zhuǎn)速被均勻持續(xù)攪拌，同時(shí)，沼液氮和磷脫除設(shè)備的真空泵提供39～41kPa的絕對(duì)壓強(qiáng)條件，沼液氮和磷脫除設(shè)備自帶的加熱裝置提供沼液溫度76～78℃的條件，在此操作參數(shù)下，沼液氮和磷脫除設(shè)備運(yùn)行30～50min，運(yùn)行中所產(chǎn)生的氣體通過沼液氮和磷脫除設(shè)備的真空泵輸送到氨水冷凝設(shè)備進(jìn)行冷凝，并由與氨水冷凝設(shè)備連接的氨水收集設(shè)備收集；

步驟6：沼液氮和磷脫除設(shè)備將懸濁的沼液輸送到沼液沉淀設(shè)備進(jìn)行沉淀分離，沼液呈澄清狀態(tài)，此時(shí)沼液pH為11～12，且富含Ca²⁺離子；

步驟7：將澄清狀態(tài)的沼液通過第五輸送泵輸送至沼氣二次提純?cè)O(shè)備的沼液輸入口噴淋，另外，使沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中完成第一次提純的沼氣從沼氣二次提純?cè)O(shè)備的二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口進(jìn)入，沼氣在沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備內(nèi)與沼液充分接觸，實(shí)現(xiàn)二次提純，完成二次提純后的沼氣進(jìn)入生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備，并通過生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)的第二CH₄濃度傳感器監(jiān)控生物天然氣的CH₄含量，完成沼氣二次提純的低氮和磷含量沼液進(jìn)入沼液儲(chǔ)存設(shè)備，用于農(nóng)作物澆灌施用。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明以有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的低成本沼液作為單一CO₂吸收劑，可在不添加任何外源吸收劑的情況下，完全依賴沼液的多次“CO₂再生到CO₂吸收”循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)沼氣工程所產(chǎn)全部沼氣的提純，最終得到高CH₄含量的生物天然氣，能有效降低沼氣CO₂分離的成本。

2、本發(fā)明依靠添加廉價(jià)的CaO粉末和改變操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)沼液中氮、磷、化學(xué)需氧量的高效脫除，大大降低沼液最后施用時(shí)的植物生理毒性，提高了沼液的資源化利用程度，減少消納沼液所需的農(nóng)田面積。

3、本發(fā)明以系統(tǒng)中產(chǎn)生的CO₂氣肥和富CO₂沼液為CO₂載體，從氣相和液相兩方面為農(nóng)林作物和植物生長(zhǎng)提供生長(zhǎng)所必須的CO₂，可有效提高農(nóng)林作物和植物的產(chǎn)量，同時(shí)加強(qiáng)其對(duì)CO₂的固定，有助于減少溫室效應(yīng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為沼氣一次提純后CH₄含量變化圖；

圖3為1000mg/L和2000mg/L氨氮沼液多次提純后CO₂吸收量變化圖；

圖4為氮和磷脫除后總磷含量圖；

圖5為氮和磷脫除后氨氮含量圖；

圖6為氮和磷脫除后化學(xué)需氧量含量圖。

圖2中，沼液CO₂再生壓強(qiáng)為40KPa，溫度77℃，時(shí)間為30min；CO₂吸收溫度為25℃，吸收時(shí)間為25min；圖3中，CO₂吸收溫度為25℃，時(shí)間為25min；圖4中，CaO添加量為10g/L，運(yùn)行壓強(qiáng)為40KPa，溫度為77℃，時(shí)間為30min；圖5中，CaO添加量為10g/L，運(yùn)行壓強(qiáng)為40KPa，溫度為77℃；圖6中，CaO添加量為10g/L，運(yùn)行壓強(qiáng)為40KPa，溫度為77℃，時(shí)間為30min。

其中，1—沼液過濾設(shè)備、1.1—新鮮沼液入口、1.2—沼液出口、2—沼液CO₂減壓再生設(shè)備、2.1—沼液入口、2.2—貧CO₂沼液出口、2.3—高溫富CO₂沼液入口、2.4—CO₂出口、3—熱交換設(shè)備、3.1—高溫貧CO₂沼液入口、3.2—低溫貧CO₂沼液出口、3.3—常溫富CO₂沼液入口、3.4—高溫富CO₂沼液出口、4—貧CO₂沼液冷卻設(shè)備、4.1—低溫沼液入口、4.2—常溫貧CO₂沼液出口、5—沼液CO₂吸收設(shè)備、5.1—常溫貧CO₂沼液入口、5.2—第一富CO₂沼液出口、5.3—吸收設(shè)備沼氣入口、5.4—吸收設(shè)備沼氣出口、5.5—第二富CO₂沼液出口、6—第一輸送泵、7—水洗脫氨設(shè)備、7.1—CO₂氣體入口、7.2—CO₂氣體出口、7.3—入水口，7.4—氨水出口、8—沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備、8.1—儲(chǔ)氣設(shè)備第一沼氣出口、8.2—儲(chǔ)氣設(shè)備沼氣入口、8.3—儲(chǔ)氣設(shè)備第二沼氣出口、9—沼液氮和磷脫除設(shè)備、9.1—沼液入口、9.2—沼液出口、9.3—CaO粉末入口、9.4—沼液氮和磷脫除設(shè)備的真空泵、10—氨水冷凝設(shè)備、10.1—氨氣入口、10.2—氨水出口、11—氨水收集設(shè)備、11.1—氨水入口、12—第四輸送泵、13—沼液沉淀設(shè)備、13.1—渾濁沼液入口、13.2—澄清沼液出口、14—第五輸送泵、15—沼氣二次提純?cè)O(shè)備、15.1—沼液輸入口、15.2—沼液輸出口、15.3—二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口、15.4—生物天然氣出口、16—沼液儲(chǔ)存設(shè)備、16.1—沼液進(jìn)入口、17—生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備、17.1—生物天然氣入口、18—CO₂集氣設(shè)備、18.1—CO₂氣體輸入口、19—第二輸送泵、20—第三輸送泵、21.1—第一流量計(jì)、21.2—第二流量計(jì)、21.3—第三流量計(jì)、21.4—第四流量計(jì)、21.5—第五流量計(jì)、21.6—第六流量計(jì)、22.1—第一壓力傳感器、22.2—第二壓力傳感器、23.1—第一溫度傳感器、23.2—第二溫度傳感器、24—質(zhì)量傳感器、25—pH傳感器、26.1—第一CH₄濃度傳感器、26.2—第二CH₄濃度傳感器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明的一種以沼液為CO₂吸收劑的沼氣提純與沼液處理系統(tǒng)，如圖1所述，它包括沼液過濾設(shè)備1、沼液CO₂減壓再生設(shè)備2、熱交換設(shè)備3、貧CO₂沼液冷卻設(shè)備4、沼液CO₂吸收設(shè)備5、水洗脫氨設(shè)備7、沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8、沼液氮和磷脫除設(shè)備9、氨水冷凝設(shè)備10、氨水收集設(shè)備11、沼液沉淀設(shè)備13、沼氣二次提純?cè)O(shè)備15、沼液儲(chǔ)存設(shè)備16、生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備17和CO₂集氣設(shè)備18，其中，沼液過濾設(shè)備1的沼液出口1.2連接沼液CO₂減壓再生設(shè)備2的沼液入口2.1，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2的貧CO₂沼液出口2.2連接熱交換設(shè)備3的高溫貧CO₂沼液入口3.1，熱交換設(shè)備3的低溫貧CO₂沼液出口3.2連接貧CO₂沼液冷卻設(shè)備4的低溫沼液入口4.1，貧CO₂沼液冷卻設(shè)備4的常溫貧CO₂沼液出口4.2連接沼液CO₂吸收設(shè)備5的常溫貧CO₂沼液入口5.1，沼液CO₂吸收設(shè)備5的第一富CO₂沼液出口5.2通過第一輸送泵6連接熱交換設(shè)備3的常溫富CO₂沼液入口3.3，熱交換設(shè)備3的高溫富CO₂沼液出口3.4連接沼液CO₂減壓再生設(shè)備2的高溫富CO₂沼液入口2.3，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2的CO₂出口2.4連接水洗脫氨設(shè)備7的CO₂氣體入口7.1，水洗脫氨設(shè)備7的CO₂氣體出口7.2連接CO₂集氣設(shè)備18的CO₂氣體輸入口18.1，水洗脫氨設(shè)備7的氨水出口7.4連接氨水收集設(shè)備11的氨水入口11.1，水洗脫氨設(shè)備7還具有入水口7.3；

沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8的儲(chǔ)氣設(shè)備第一沼氣出口8.1通過第二輸送泵19連接沼液CO₂吸收設(shè)備5的吸收設(shè)備沼氣入口5.3，沼液CO₂吸收設(shè)備5的吸收設(shè)備沼氣出口5.4連接沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8的儲(chǔ)氣設(shè)備沼氣入口8.2，沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8的儲(chǔ)氣設(shè)備第二沼氣出口8.3通過第三輸送泵20連接沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口15.3；

沼液CO₂吸收設(shè)備5的第二富CO₂沼液出口5.5通過第四輸送泵12連接沼液氮和磷脫除設(shè)備9的沼液入口9.1，沼液氮和磷脫除設(shè)備9的真空泵9.4的氣體出口連接氨水冷凝設(shè)備10的氨氣入口10.1，沼液氮和磷脫除設(shè)備9還具有CaO粉末入口9.3，氨水冷凝設(shè)備10的氨水出口10.2連接氨水收集設(shè)備11的氨水入口11.1；沼液氮和磷脫除設(shè)備9的沼液出口9.2連接沼液沉淀設(shè)備13的渾濁沼液入口13.1，沼液沉淀設(shè)備13的澄清沼液出口13.2通過第五輸送泵14連接沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的沼液輸入口15.1，沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的沼液輸出口15.2連接沼液儲(chǔ)存設(shè)備16的沼液進(jìn)入口16.1，沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的生物天然氣出口15.4連接生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備17的生物天然氣入口17.1。

上述技術(shù)方案中，所述沼液過濾設(shè)備1的沼液出口1.2與沼液CO₂減壓再生設(shè)備2的沼液入口2.1的連接管路內(nèi)設(shè)有第一流量計(jì)21.1，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2的貧CO₂沼液出口2.2與熱交換設(shè)備3的高溫貧CO₂沼液入口3.1之間的管路中設(shè)有第二流量計(jì)21.2，沼液CO₂吸收設(shè)備5的第一富CO₂沼液出口5.2與熱交換設(shè)備3的常溫富CO₂沼液入口3.3之間的管路中設(shè)有第三流量計(jì)21.3，沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8的儲(chǔ)氣設(shè)備第二沼氣出口8.3與沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口15.3之間的管路中設(shè)有第四流量計(jì)21.4，沼液CO₂吸收設(shè)備5的第二富CO₂沼液出口5.5與沼液氮和磷脫除設(shè)備9的沼液入口9.1之間的管路中設(shè)有第五流量計(jì)21.5，沼液沉淀設(shè)備13的澄清沼液出口13.2與沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的沼液輸入口15.1之間的管路中設(shè)有第六流量計(jì)21.6。

上述技術(shù)方案中，所述沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8內(nèi)設(shè)有第一CH₄濃度傳感器26.1，沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的生物天然氣出口15.4與生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備17的生物天然氣入口17.1之間的管路中設(shè)有第二CH₄濃度傳感器26.2。

上述技術(shù)方案中，所述沼液氮和磷脫除設(shè)備9的CaO粉末入口9.3設(shè)有質(zhì)量傳感器24。

上述技術(shù)方案中，所述沼液CO₂減壓再生設(shè)備2內(nèi)設(shè)有第一壓力傳感器22.1和第一溫度傳感器23.1，所述沼液氮和磷脫除設(shè)備9內(nèi)設(shè)有第二壓力傳感器22.2和第二溫度傳感器23.2。

上述技術(shù)方案中，所述沼液儲(chǔ)存設(shè)備16內(nèi)設(shè)有pH傳感器25。

上述技術(shù)方案中，質(zhì)量傳感器24、pH傳感器25、各個(gè)溫度傳感器、各個(gè)壓力傳感器、各個(gè)CH₄濃度傳感器及各個(gè)流量計(jì)均用于測(cè)量各處溶液或氣體的相關(guān)參數(shù)，確定本系統(tǒng)是否在正常的范圍運(yùn)行，有不足或者超過相關(guān)參數(shù)，將對(duì)沼液流量、CaO粉末質(zhì)量、或加熱器溫度和設(shè)備壓強(qiáng)等進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的正常工作。

上述技術(shù)方案中，所述二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口15.3位于沼氣二次提純?cè)O(shè)備15下端，沼液輸入口15.1位于沼氣二次提純?cè)O(shè)備15上端。

一種上述系統(tǒng)的沼氣提純與沼液處理方法，該方法對(duì)沼氣工程產(chǎn)生的原沼液首先通過減壓方式再生出原沼液中的原生CO₂，恢復(fù)沼液的CO₂再吸收能力。接著采用此沼液對(duì)沼氣中CO₂進(jìn)行分離，并依靠沼液“CO₂再生—CO₂吸收”多次循環(huán)對(duì)沼氣進(jìn)行CO₂分離，并根據(jù)原沼液中氨氮含量不同來(lái)調(diào)控循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過較少次循環(huán)即可將沼氣中CH₄含量提高到天然氣標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，沼液CO₂再生后得到的ppm級(jí)濃度的CO₂氣體可作為溫室氣肥施用。完成沼氣CO₂分離后的沼液通過添加廉價(jià)CaO及在負(fù)壓操作條件下脫除其中大部分的氨氮、總磷和降低COD，使處理后沼液達(dá)到施用標(biāo)準(zhǔn)，可直接作為肥料用于農(nóng)業(yè)施用。同時(shí)，沼液脫除的氨氮將以氨水形式回收，進(jìn)行自用或銷售。通過本發(fā)明可在沼氣工程內(nèi)完全依靠自身每天所產(chǎn)生的沼液實(shí)現(xiàn)沼氣CO₂分離，使CH₄含量富集到天然氣級(jí)別，同時(shí)還能獲得可直接施用的低氮磷和COD濃度沼液，從而達(dá)到沼氣高值化利用和沼液處理的雙重目標(biāo)；

本發(fā)明具體來(lái)說包括如下步驟：

步驟1：沼氣工程發(fā)酵設(shè)備產(chǎn)生的新鮮沼液通過新鮮沼液入口1.1進(jìn)入沼液過濾設(shè)備1，再經(jīng)過沼液過濾設(shè)備1過濾后，由沼液入口2.1進(jìn)入沼液CO₂減壓再生設(shè)備2(沼液進(jìn)入的體積根據(jù)具體的沼氣工程規(guī)模而定，以容積產(chǎn)氣率為1，水力滯留期為20d的沼氣工程為例，其用于沼氣CO₂分離的沼液與沼氣體積比約為1：20)，在沼液CO₂減壓再生設(shè)備2中沼液以500～1000r/min的轉(zhuǎn)速被均勻持續(xù)攪拌，同時(shí)，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2自帶的真空泵提供39～41kPa(優(yōu)選40kPa)的絕對(duì)壓強(qiáng)條件，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2自帶的加熱裝置提供沼液溫度76～78℃(優(yōu)選77℃)的條件，在此操作參數(shù)下，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2運(yùn)行25～30min(優(yōu)選25min)，沼液CO₂減壓再生設(shè)備2將貧CO₂沼液通過高溫貧CO₂沼液入口3.1進(jìn)入熱交換設(shè)備3，完成換熱后進(jìn)入貧CO₂沼液冷卻設(shè)備4，在貧CO₂沼液冷卻設(shè)備4中將沼液冷卻至15～30℃(優(yōu)選常溫20℃)后，通過常溫貧CO₂沼液入口5.1進(jìn)入沼沼液CO₂吸收設(shè)備5；

步驟2：沼液CO₂減壓再生設(shè)備2自帶的真空泵的氣體出口排出的CO₂、氨氣和揮發(fā)性脂肪酸的混合氣體通過CO₂氣體入口7.1進(jìn)入水洗脫氨設(shè)備7，清水從水入口7.3進(jìn)入水洗脫氨設(shè)備7，在水洗脫氨設(shè)備7中利用水洗脫除氨氣和揮發(fā)性脂肪酸的混合氣體中的雜質(zhì)(氨氣和揮發(fā)性脂肪酸等)，水洗脫氨設(shè)備7中的CO₂氣體通過CO₂氣體出口7.2進(jìn)入CO₂集氣設(shè)備18儲(chǔ)存?zhèn)溆?，從水洗脫氨設(shè)備7出來(lái)的氨水進(jìn)入氨水收集設(shè)備11；

步驟3：沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中的沼氣通過儲(chǔ)氣設(shè)備第一沼氣出口8.1由第二輸送泵19通入沼液CO₂吸收設(shè)備5，在常溫下進(jìn)行沼液CO₂吸收，分離CO₂后的沼氣經(jīng)儲(chǔ)氣設(shè)備沼氣入口8.2回到沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中，沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中的沼氣持續(xù)進(jìn)行CO₂分離的時(shí)間為20～30min(優(yōu)選為25min)，通過沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中的第一CH₄濃度傳感器26.1監(jiān)控沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中沼氣CH₄濃度變化，以此判斷在沼液CO₂吸收設(shè)備5中沼液的CO₂吸收飽和終點(diǎn)，當(dāng)沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中沼氣CH₄濃度穩(wěn)定不變時(shí)，停止運(yùn)行沼液CO₂吸收設(shè)備5；

步驟4：當(dāng)步驟3完成時(shí)，使沼液CO₂吸收設(shè)備5中的富CO₂沼液通過第一輸送泵6再次通入沼液CO₂減壓再生設(shè)備2，并依靠第三流量計(jì)21.3控制富CO₂沼液完全通入沼液CO₂減壓再生設(shè)備2，重復(fù)進(jìn)行步驟1的沼液CO₂減壓再生過程，經(jīng)過步驟1和步驟3的沼液CO₂再生到吸收的多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中CH₄的不斷富集，此時(shí)完成沼氣的第一次提純(循環(huán)次數(shù)取決于沼液中氨氮含量、沼氣中CH₄含量以及目標(biāo)生物天然氣CH₄含量的需求)；

步驟5：經(jīng)過多次CO₂再生到吸收的循環(huán)過程，完成對(duì)沼氣CO₂分離后，使富CO₂沼液經(jīng)沼液CO₂吸收設(shè)備5的第二富CO₂沼液出口5.5通過第四輸送泵12進(jìn)入沼液氮和磷脫除設(shè)備9，CaO粉末經(jīng)CaO粉末入口9.3進(jìn)入沼液氮和磷脫除設(shè)備9，由質(zhì)量傳感器24控制添加的CaO粉末的質(zhì)量濃度為5～10g/L(優(yōu)選為5g/L)，沼液氮和磷脫除設(shè)備9中，加入CaO粉末的沼液以500～1000r/min(優(yōu)選為500r/min)的轉(zhuǎn)速被均勻持續(xù)攪拌，同時(shí)，沼液氮和磷脫除設(shè)備9的真空泵9.4提供39～41kPa(優(yōu)選為40kPa)的絕對(duì)壓強(qiáng)條件，沼液氮和磷脫除設(shè)備9自帶的加熱裝置提供沼液溫度76～78℃(優(yōu)選為77℃)的條件，在此操作參數(shù)下，沼液氮和磷脫除設(shè)備9運(yùn)行30～50min(優(yōu)選為40min)，運(yùn)行中所產(chǎn)生的氣體(主要為氨氣和水蒸氣)通過沼液氮和磷脫除設(shè)備9的真空泵9.4輸送到氨水冷凝設(shè)備10進(jìn)行冷凝，并由與氨水冷凝設(shè)備10連接的氨水收集設(shè)備11收集；

步驟6：沼液氮和磷脫除設(shè)備9將懸濁的沼液輸送到沼液沉淀設(shè)備13進(jìn)行沉淀分離，沼液呈澄清狀態(tài)，此時(shí)沼液pH為11～12(優(yōu)選12)，且富含Ca²⁺離子；

步驟7：將澄清狀態(tài)的沼液通過第五輸送泵14輸送至沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的沼液輸入口15.1噴淋，另外，使沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8中完成第一次提純的沼氣從沼氣二次提純?cè)O(shè)備15的二次提純?cè)O(shè)備沼氣入口15.3進(jìn)入，沼氣在沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備8內(nèi)與沼液充分接觸，實(shí)現(xiàn)二次提純，完成二次提純后的沼氣進(jìn)入生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備17，并通過生物天然氣存儲(chǔ)設(shè)備17內(nèi)的第二CH₄濃度傳感器26.2監(jiān)控生物天然氣的CH₄含量，完成沼氣二次提純的低氮和磷含量沼液進(jìn)入沼液儲(chǔ)存設(shè)備16，用于農(nóng)作物澆灌施用。

上述技術(shù)方案的步驟1中，沼液CO₂減壓再生設(shè)備的沼液進(jìn)液量與用于提純的沼氣體積比例根據(jù)沼氣工程的容積產(chǎn)氣率和水力滯留期的比例而定，具體為：沼氣體積：沼液體積＝容積產(chǎn)氣率×水力滯留期。

上述技術(shù)方案的步驟2中沼液CO₂減壓再生設(shè)備的真空泵的氣體出口排出的CO₂濃度為ppm級(jí)，可作為溫室CO₂氣肥。

上述技術(shù)方案的步驟3中沼液CO₂吸收可采用鼓泡吸收，也可根據(jù)工程規(guī)模不同選擇采用吸收塔或中空纖維膜等設(shè)備。

上述技術(shù)方案的步驟4中沼液“CO₂再生到CO₂吸收”所需循環(huán)次數(shù)根據(jù)沼液中氨氮含量、沼氣CH₄含量及生物天然氣CH₄含量等參數(shù)來(lái)確定，通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的小規(guī)模試驗(yàn)，用氨氮含量分別為1000、2000、3000、4000mg/L的沼液對(duì)CH₄初始含量為60％的沼氣進(jìn)行此工藝提純，得到結(jié)論為：氨氮含量1000mg/L的沼液經(jīng)5次循環(huán)吸收后沼氣CH₄含量達(dá)到71.1％，但經(jīng)過5次循環(huán)后沼液的CO₂吸收性能下降并不明顯，因此可通過增加沼液循環(huán)次數(shù)來(lái)使CH₄含量達(dá)到95％；氨氮含量2000mg/L的沼液經(jīng)5次循環(huán)吸收后沼氣CH₄含量達(dá)到88.6％，同樣沼液CO₂吸收性能下降并不明顯，也可以通過增加循環(huán)次數(shù)來(lái)使CH₄含量達(dá)到95％；氨氮含量3000mg/L的沼液經(jīng)5次循環(huán)吸收后沼氣CH₄含量達(dá)到96.6％；而氨氮含量1000mg/L的沼液經(jīng)3次循環(huán)，即可使沼氣儲(chǔ)氣設(shè)備中沼氣的CH₄含量達(dá)到95.4％，具體效果見附圖2，氨氮含量1000、2000mg/L沼液的CO₂吸收性能變化見圖3。

上述技術(shù)方案的步驟5中，氨水冷凝設(shè)備10的冷卻液溫度為-10～0℃(優(yōu)選為-5℃)。

上述技術(shù)方案的步驟5中，CaO粉末粒徑需控制在0.1～0.5mm，目的是保證CaO粉末充分溶解于沼液中，盡可能提高沼液pH值，并減少CaO用量。

上述技術(shù)方案中，所述步驟5中氨氮的脫除率可達(dá)到90％以上，總磷的脫除率可達(dá)到73.7％，COD脫除率可達(dá)到55.6％，具體效果見附圖4～6。

上述技術(shù)方案的步驟6中，沼液氮和磷脫除設(shè)備(9)將懸濁的沼液輸送到沼液沉淀設(shè)備13進(jìn)行1～3小時(shí)(優(yōu)選為1小時(shí))的沉淀分離。

上述技術(shù)方案的步驟7中，沼氣二次提純?cè)O(shè)備采用填料塔吸收設(shè)備，根據(jù)工程要求也可采用中空纖維膜等設(shè)備。

上述技術(shù)方案中，所述步驟7中沼液經(jīng)過對(duì)沼氣進(jìn)行二次提純后pH須在6～8范圍內(nèi)才能用于農(nóng)業(yè)施用，由于沼液氨氮含量不同，一次提純后沼氣中CO₂含量不同，所以未必能保證完成二次提純后沼液的pH處于合適范圍，需要由沼液儲(chǔ)存設(shè)備16中的pH傳感器25監(jiān)控沼液的pH是否處于6～8，如果不在合適的施用范圍內(nèi)由pH調(diào)節(jié)設(shè)備適當(dāng)調(diào)整其pH值。

本發(fā)明通過減壓的方式在較低的溫度下再生沼液的原生CO₂，從而恢復(fù)沼液的CO₂再吸收能力，并依靠沼液“CO₂再生到CO₂吸收”多次循環(huán)分離沼氣中CO₂。完成沼氣CO₂吸收后的沼液再添加廉價(jià)CaO，在減壓條件下脫除氨氮與磷和降低COD含量，并將沼液中脫除的氨氮以氨水的形式回收進(jìn)行銷售或自用。氮磷脫除后的沼液則經(jīng)pH穩(wěn)定處理后直接進(jìn)行農(nóng)業(yè)施用。

本說明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。