沼气脱硫脱碳系统设计及工艺研究

【摘要】：沼气是微生物在厌氧条件下发酵有机质形成的一种可燃性气体,是多种气体的混合物,主要成分为甲烷(CH4)约占50%-75%,二氧化碳(CO2)约占20%-45%,其余为硫化氢(H2S)等。沼气中占比较大的二氧化碳会降低沼气的热值。沼气中的硫化氢为带有刺激性气味的酸性有毒气体,具有腐蚀性,对人体有害,而且对环境、设备、管道以及仪表等产生污染和腐蚀的影响。因此利用沼气时,脱除沼气中二氧化碳和硫化氢对于沼气的工业化利用来说具有重要的意义。 本试验的目的就是脱除沼气中的硫化氢和二氧化碳,提纯沼气。脱除硫化氢采用的方法是干式脱硫法,由于干法脱硫工艺在占地、造价、操作、调节、维护、副产品无二次污染等方面的优点,为此,本研究采用干式脱硫法。脱除二氧化碳采用的方法是变压吸附法,变压吸附法与其它传统的膜吸附法、吸收法、变温吸附法等方法相比,具有产品气纯度高、设备简单、操作成本低等优点,因此本试验最终选取变压吸附法作为提纯二氧化碳的方法。本文试验分为四个部分,首先是干式脱硫剂和脱碳吸附剂的选择,其次是脱碳装置及其控制系统的设计,然后是变压吸附装置工艺流程的研究,最后是沼气脱硫脱碳工艺的研究。 脱硫剂的选取,在沼气的提纯净化过程中,为防止脱碳吸附剂中毒,因此在脱碳之前需要对沼气进行脱硫。本试验采用了干式脱硫法,脱硫剂选取了活性炭、氧化锌、沸石和氧化铁四种脱硫剂进行对比,实验装置为手动两塔脱硫装置,试验内容为利用手动两塔脱硫装置进行试验,选取脱硫效果最佳的脱硫剂作为本工艺的干式脱硫剂,从试验结果得出,氧化铁的脱硫效果更优,并且得出结论,在使用氧化铁作为脱硫剂时,当脱硫时间持续到70h时,脱硫剂会出现吸附饱和现象,此时需要更换脱硫剂,因此得出结论,本干式脱硫装置在使用氧化铁作为脱硫剂是,其最佳换料时间为70h。 吸附剂的选择。首先介绍几种主要用来脱除二氧化碳的三种吸附剂,ZGA一高强度活性氧化铝、5A分子筛和13X-APG空分专用分子筛,并分别测定三种吸附剂对甲烷和二氧化碳的分离效果,具体试验内容为,在不同吸附压力条件下(0.1～0.8MPa),利用气相色谱分别测定三种吸附剂吸附塔出口端各气体的含量,通过试验得出以下结论：得到了5A分子筛在0.7MPa下,获得甲烷的浓度最高,为90.26%,因此本试验选取5A分子筛作为变压吸附剂,并且其最佳工作压力为0.7MPa。 变压吸附装置及控制系统设计。本试验用来脱除二氧化碳的装置为实验室自主设计的两塔变压吸附脱碳装置,该装置由两塔变压吸附系统和电动控制系统组成,通过电动控制系统实现对变压吸附过程的循环控制。 变压吸附装置脱碳工艺研究内容为：首先对变压吸附脱碳工艺参数进行确定,即吸附时间、均压时间、充压时间及脱附时间的确定,以5A分子筛为吸附剂,分别对典型的工艺参数进行测定,获得此两塔变压吸附装置的最佳工艺参数为：在0.7Mba下,降压点为0.1MPa,进气流量为25L·min-1时,吸附塔的充压时间为230s,吸附时间为220s,均压时间为8s,抽真空时间为520s,此时获得甲烷浓度最高。 本文的最后一个部分是沼气循环脱硫和脱碳工艺的设计研究,通过流程化设计,首先将干燥处理过的沼气通过干式脱硫系统进行脱硫,然后经过空气泵增压继续通入变压吸附装置进行脱碳处理,经过试验,该工艺设计可以达到沼气脱硫脱碳的目的。 【关键词】：沼气 二氧化碳 硫化氢 脱碳 脱硫 沼气提纯
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ221.11
【目录】：

• CONTENTS5-8
• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 1 前言12-21
• 1.1 研究的目的和意义12-13
• 1.2 国内外研究的现状13-14
• 1.3 脱除硫化氢的主要方法14-16
• 1.3.1 生物脱硫法15
• 1.3.2 湿式脱硫法15-16
• 1.3.3 干式脱硫法16
• 1.4 分离二氧化碳的主要方法16-19
• 1.4.1 吸收法16-17
• 1.4.2 膜分离法17-18
• 1.4.3 吸附法18-19
• 1.5 研究内容与技术路线19-21
• 1.5.1 研究内容19
• 1.5.2 技术路线19-21
• 2 干式脱硫剂和脱碳吸附剂的选择21-35
• 2.1 干式脱硫剂的选择21-26
• 2.1.1 几种主要的脱硫剂21-24
• 2.1.2 脱硫装置及试验流程24-26
• 2.2 吸附剂的比较研究26-34
• 2.2.1 几种吸附剂的介绍26-29
• 2.2.2 测定吸附剂试验装置及试验流程29-34
• 2.3 小结34-35
• 3 变压吸附试验装置的设计35-43
• 3.1 脱碳塔装置设计35-38
• 3.1.1 脱碳塔主体设计35-36
• 3.1.2 强度校核36
• 3.1.3 输送系统36-38
• 3.2 脱碳控制系统设计38-41
• 3.2.1 两塔变压吸附装置自动控制系统的设计38
• 3.2.2 测控参数的确定38-39
• 3.2.3 硬件的选择39-40
• 3.2.4 系统电路设计40-41
• 3.3 脱碳的工艺设计41
• 3.4 小结41-43
• 4 沼气脱硫脱碳工艺设计43-48
• 4.1 沼气脱碳装置的工艺参数确定43-46
• 4.1.1 变压吸附循环操作时序43
• 4.1.2 混合气吸附时间43-44
• 4.1.3 混合气均压时间44-45
• 4.1.4 混合气解吸时间45
• 4.1.5 混合气充压时间45-46
• 4.2 沼气脱硫脱碳工艺设计46-47
• 4.3 小结47-48
• 5 结论48-49
• 致谢49-50
• 参考文献50-54
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文54

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