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中小型沼气工程撬式沼气提纯系统设计与应用

时间:2024-05-24

张大雷,刘虎成,寇 巍,邵丽杰,王晓明,刘沛含

中小型沼气工程撬式沼气提纯系统设计与应用

张大雷1,2,刘虎成1,寇 巍2※,邵丽杰2,王晓明2,刘沛含2

(1. 沈阳航空航天大学能源与环境学院,沈阳 110136; 2. 辽宁省能源研究所有限公司,营口 115003)

根据中国中小型沼气工程分布范围广、地区差异性大、统筹规划难的现状,考虑到中小型沼气工程中出现的沼气净化提纯效率低、净化提纯效果差、成本高等问题,该研究设计了一套撬装式集约型的沼气提纯净化系统,分别从脱硫系统、脱碳系统、控制系统等方面设计出适合于装置制造的工艺方法。系统集成了干法脱硫、膜法脱碳和分子筛工艺,在进气量为500 Nm3/d、粗沼气压力为104 kPa的沼气工程条件下,进行了工程应用试验。通过检测,该装置稳定运行35 min后,提纯气中CH4质量分数可以达到97.88%,CO2低于2.5%,H2S质量浓度仅为16.7 mg/m3,CH4回收率为86.5%。设备运行成本为0.09元/Nm3沼气,且投资回收期仅为1.5 a。经过对比,该装置的提纯指标达到了国内生物天然气相关标准,且具有移动灵活、提纯效率高、成本低等优点。通过对该装置的应用研究表明,沼气提纯净化可实现中小型沼气工程生物天然气的高值化利用,为中小型沼气工程的发展拓宽途径。

沼气;纯化;设计;系统设计

0 引 言

近年来,国家对沼气工程项目的大力支持,使得沼气工程的数量呈现爆发式增长[1]。根据日产沼气量()的不同,中国的沼气工程可划分为4类:特大型(≥5 000 Nm3/d)、大型(5 000 Nm3/d>≥500Nm3/d)、中型(500 Nm3/d>≥150 Nm3/d)和小型(150 Nm3/d>≥5 Nm3/d)[2]。

目前,中国各种类型的沼气工程约有10万余处,其中大型沼气工程0.6万余处,中型沼气工程万余处,小型沼气工程8万余处。大型以及特大型沼气工程是未来工业化的发展趋势,众多科研机构也对这2类沼气工程所产生沼气的净化提纯做了诸多研究,提纯技术已经相对成熟,经净化提纯后的沼气可用于车载燃料或者并入天然气管道网络实现其高值化利用[3]。中小型沼气工程发酵原料来源为村镇废弃物和养殖场粪便,存在着区域分散、数量大、统筹规划难、净化提纯成本高、效率低等问题,所产生沼气大多用于炊事、照明、发电等低值利用方式,距离高值化使用有较大差距[4-5]。因此,随着经济的发展与科技等领域的进步,针对中小型沼气工程净化提纯系统的研究与应用需求十分迫切,具有一定市场潜力。

沼气净化工艺中,沼气脱硫常用的方法有干法脱硫、湿法脱硫和生物法脱硫。Chul-u等[6]的研究表明9种常用脱硫吸附剂(IO、IH、IHS、AC、IAC、A2、NS10、5A、13X)中AC-A2-IHS所组成的多级吸附工艺对沼气中硫的脱除效果最好,吸附容量达到92.9 mg/g,同时还可以去除部分硅氧烷D4、D5。许海朋等[7]研究了以排硫硫杆菌作为接种菌的活性炭填料生物滴滤塔对H2S的脱除能力,在固定进气H2S浓度1 520 mg/m3,停留时间>29 s时,沼气中H2S去除率可以达到95%以上。沼气提纯脱碳的常用方法有吸收法,变压吸附法、膜分离法以及深冷分离法。吸收法包含物理吸收法和化学吸收法,其中高压水洗法是最典型的物理吸收法。Petronela等[8]对高压水洗法提纯沼气的过程进行了模拟,分析了高压水洗过程中吸收压力、闪蒸压力、温度以及气液比对脱碳效果的影响。Cheng等[9]将纯聚合膜进行杂化试验,加入5%金属有机骨架和共价有机骨架制成混合基质膜,其CO2渗透性增强48%,CO2/CH4选择性增强79%,使得膜分离法的分离效果更加明显。Alonso-Vicario等[10]认为5A分子筛、13X分子筛和斜发沸石三者中斜发沸石是变压吸附法中的最佳吸附剂,因为其不仅可以脱除CO2和H2S,而且其再生性能好,CO2吸收能力不随再生次数的增加而发生明显变化。晏水平等[11]将化学吸收法与膜分离法相结合,以疏水性聚丙烯中空纤维膜作为膜接触器,研究了常压下乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺对沼气的分离性能,认为三乙醇胺做吸收剂时CO2吸收效果最好。Guo等[12]则对一种新型脱碳方式进行了研究,这种脱碳方式利用了藻类植物的光合作用对CO2进行吸收,研究表明,在试验条件下CO2去除率达到52%。

本研究针对中小型沼气工程运行现状,设计并构建制造了一套撬装式沼气提纯净化装置,结合日产气量为500 Nm3/d、工作压力为104 kPa的沼气工程条件,开展项目应用试验分析,以了解该设备对中小型沼气工程的适应性与应用效果。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

粗沼气:山东省寿光市某奶牛场;标准气:辽宁省营口市嘉禾特种气体有限公司,组分如表1所示;气相色谱仪:美国安捷伦气相色谱仪(Aligent7820A);集气袋:阜阳百润实验仪器有限公司;比长式硫化氢气体检测管(0~152 mg/m3,76~1 520 mg/m3):河南省辉县市兴煤仪器有限公司。

表1 标准气体体积分数梯度

1.2 方法与条件

通过气相色谱对粗沼气和提纯后燃气中CH4和CO2的含量进行定性与定量的分析;对于H2S的测量则采用比长式硫化氢快速检测管[13]。

所用气相色谱的色谱柱为Porakap Q(80/100×6ft)填充柱;前进样口,进样量为0.4L,加热器温度为250 ℃,压力为3.110 4 Pa;载气为氮气,流速为20 mL/min;柱箱温度为70 ℃,持续时间为5 min;后热导池检测器口,加热器温度为250 ℃,参比流量为30 mL/min,尾吹流量为5 mL/min。

标准气出口与气相色谱仪入口相连。注入标准气体后,15 s后,启动气相色谱仪。CO2的保留时间为2.154 min,CH4的保留时间为3.509 min。

比长式硫化氢快速检测管的基本工作原理是线性比色法,被测气体在通过检测管时与显色指示胶发生反应,形成变色层,变色层的长度与浓度成正比测量的气体。其使用方法为:切断检测管端部后,用短管将采样管连接到标有0的浓度刻度的检测管上,使气体在规定的时间均速通过检测管。然后根据检测管上端指示的数字直接读取被测气体中H2S的浓度。

2 撬式沼气净化提纯工艺系统方案设计

生物质厌氧发酵后产生的沼气中主要含有H2S、H2O、CH4、CO2,垃圾填埋场发酵所产生的沼气中还可能会有O2、N2、NH3等气体存在,不同生物质发酵所产生的沼气中各种气体的组分会有差异。一般情况下,以畜禽粪污为原料进行厌氧消化后沼气中CH4、CO2的体积分数为50%~70%、30%~50%[安银敏, 2018 #3;安银敏, 2018 #3]、H2S质量分数在304~3 040 mg/m3之间[14-16]。

本研究所用发酵原料是来自于山东省寿光市某奶牛场的新鲜牛粪,经过检测后的沼气组分如表2所示。

表2 沼气主要成分

由于H2S微溶于水,因此首先要将混合气体中的水分去除,接着要去除硫化氢,以确保进入脱碳系统的气体只有甲烷和二氧化碳。本研究所设计装置按照脱水-脱硫-脱碳的工艺流程进行如图1所示。以《车用压缩天然气(GB18047-2017)》标准和《天然气(GB17820-2018)》标准为参考,经过净化提纯后的生物天然气中CH4体积分数要达到97%以上,CO2低于3%,H2S的质量分数低于20 mg/m3,可用作车用燃料[17]或并入天然气管道实现高值化利用[18]。

本设计工艺流程为沼气经气水分离器、化学脱硫罐前置处理后,由风机增压送入二级脱碳系统脱碳,之后在凝水器中进一步去除水分。所得到的生物天然气一部分可用于满足奶牛场的日常需求,另一部分并入天然气管道或用作车用燃料。所设计的沼气提纯装置工艺流程如图1所示。

1.蝶阀 2.气水分离器 3.化学脱硫罐一 4.化学脱硫罐二 5.压缩机 6.压力变送器 7.度盘式压力表 8.膜脱碳系统 9.精脱碳系统 10.凝水器一 11.凝水器二 12.D50无缝钢管

2.1 沼气脱硫工艺研究

目前中国沼气工程中采用的脱硫方法主要是生物脱硫和化学脱硫2种。不同的脱硫方法有各自的特点,生物法脱硫[19]是一种新兴的脱硫方法,其工艺简单、能耗低、成本低、无二次污染,但菌种的选择与培养较难。干法脱硫和湿法脱硫同属于传统的化学脱硫方式,也是现在沼气脱硫的主要方法,相较于湿法脱硫,干法脱硫占地面积小、设备成本低、操作维护简单方便。因此,干法脱硫在中小型沼气净化提纯工程中更受欢迎,常见的干法脱硫剂有活性炭、沸石、分子筛、氧化锌以及氧化铁。

本研究选用Fe2O3作为脱硫剂对粗沼气中的H2S进行脱除,该Fe2O3采用新沉淀合成法以硫酸亚铁和三乙胺为主要原料制备而成[20],是一种可再生的高活性脱硫剂。氧化铁干法脱硫是H2S与Fe2O3接触反应生成Fe2S3和FeS,将气态H2S转化为固态硫化物从而达到去除气体中H2S的目的。脱硫剂的再生在空气中即可进行,Fe2S3和FeS与空气中的O2反应生成Fe2O3和S[21],脱硫与再生的化学反应方程式如式(1)~式(4)所示:

脱硫:

Fe2O3+3H2S=Fe2S3+3H2O(1)

Fe2O3+3H2S=2FeS+S+3H2O(2)

再生:

2Fe2S3+3O2=2Fe2O3+6S(3)

4FeS+3O2=2Fe2O3+4S(4)

本研究所处理粗沼气中H2S的质量分数为360.2 mg/m3,为保证处理速率与设备运行连续性,本提纯系统设计2台干法化学脱硫罐并联工作。如图2所示,化学脱硫罐底部装有Fe2O3填料,气水分离后的粗沼气从脱硫罐底部进入,穿过填充多孔Fe2O3的填料层,脱硫后的沼气从罐体上部离开。在脱硫罐上部设有H2S分析传感器,当脱硫罐上部出口处H2S含量高于规定值时,应对脱硫剂进行再生。同时,当脱硫剂中Fe2O3质量分数高于30%时,也需要对脱硫剂进行再生或者更换新的脱硫剂。

图2 化学脱硫罐

2.2 沼气脱碳系统设计

几种常用的脱碳方法中,高压水洗法需要消耗大量水资源,同时能耗较大,国内示范工程中未见使用此种方法。以碳酸丙烯酯[22]、低温甲醇、Selexol[23]、聚乙二醇二甲醚等有机溶剂为吸收剂的物理吸收法,因为CO2在有机溶剂中的溶解度大于在水中的溶解度,因此,提纯相同体积相同组分的沼气,以有机溶剂作为吸收剂的物理吸收法的吸收剂使用量更少、能耗更低。化学吸收法的吸收剂主要为碱性溶液和有机溶液,吸收机理为吸收液与二氧化碳发生反应生成碳酸化合物,再生时需要加入相应的溶剂,成本和能耗均较高[24]。膜分离法经过十几年的发展,技术相对成熟,提纯效率高,膜分离设备体积小,适合在撬式装置中使用[25]。变压吸附法反应条件要求低,适用范围广[26]。深冷分离法装置要求高、气液分离难、能耗大,提纯费用高,大规模应用还存在一定问题[27]。

通过以上对提纯效率和成本的综合分析,本研究构建了膜分离法和分子筛相结合的脱碳方式。膜分离法以中空纤维元件为接触器,通过聚酰亚胺(PI)膜对脱硫沼气进行粗脱碳,膜脱碳系统如图3所示。

1.气体入口 2.端盖 3.渗透气出口 4.罐体 5.膜头 6.渗余气出口 7.聚酰亚胺膜

3 系统结构计算分析

3.1 脱硫剂填装量与更换周期的确定

参考大中型沼气工程建设标准[28],每个脱硫罐中Fe2O3脱硫剂的装填质量应不小于下式计算结果:

式中为每小时1 000 m3沼气所需脱硫剂的容积,m3;C为粗沼气中H2S质量分数,%;为脱硫剂中活性氧化铁质量分数,%;为脱硫剂密度,t/m3;为每小时1 000 m3沼气所需脱硫剂的质量,t。

脱硫剂的更换周期由沼气含硫量、气体流量、工作时间等条件决定,其大致更换周期可由下式计算得出[29]:

式中为脱硫剂堆积密度,mg/m3;为脱硫剂的穿透硫容,%;inout为脱硫装置进、出口气体中的硫化氢含量,mg/m3;1为气体流量,m3/d,为脱硫剂的计算更换周期,d。

本研究所设计沼气处理量为500 Nm3/d,粗沼气中H2S含量为360.2 mg/m3,所选用脱硫剂氧化铁含量为58%,密度为0.7 kg/L,穿透硫容为33.6%。依上述公式计算出脱硫剂的用量应>0.293 t,计算更换周期为92 d。综合考虑,脱硫剂使用300 kg,平均分装于2个脱硫罐中,每隔3个月进行一次再生。

精脱碳系统中分子筛用量的确定与脱硫剂用量的计算方式相同,经计算得,分子筛的用量为240 kg,平均装与两罐中,更换周期为6个月。

3.2 膜面积及膜接触器特性参数的确定

对膜面积的确定,常通过以下公式计算:

式中为气体渗透速率,cm3/(cm2∙s∙Pa);Δ为压差,0.13kPa;为膜表面积,m2。

本研究所设计脱碳系统处理量为500 Nm3/d。聚酰亚胺膜气体渗透速率为1.28×10-7cm3/(cm2∙s∙Pa),压差为100 kPa,计算得膜面积为45.6 m2,实际选用聚酰亚胺膜面积为50 m2,其余聚酰亚胺膜及其膜接触器的特性参数如表3所示。

表3 聚酰亚胺膜及膜接触器特性参数

3.3 智能控制系统设计

在工程中常用控制系统有可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和分散控制系统(Distributed Control System, DCS)[30-31]。DCS控制系统容错性强、可靠性高、控制功能齐全,价格较为昂贵,适合对复杂系统进行控制。PLC控制系统操作灵活方便,可实现人工与自动模式相互切换,在石油化工领域运用较多。

本研究选用德国西门子S7-300系列PLC控制系统,通过该系统不仅可以检测各部件的运行状态,还可以调节设备中阀门以对设备运行过程中的温度、压力等进行控制。

硬件控制结构如图4所示,气体组分分析仪、硫化氢分析传感仪等将设备中的气体组分、压力、温度、流量等数据与系统设定值进行对比,通过对控制柜发出指令,调节蝶阀、风机等使系统稳定运行,同时将测量数据以及修正数据在显示器中显示以方便工作人员对现场进行远程监控。

图4 PLC硬件控制结构

3.4 配套管路计算

生物质厌氧发酵产生的沼气中会有一部分水存在,水分含量过高既会溶解硫化氢腐蚀设备,也会影响干法脱硫塔的正常工作,同时还会降低沼气的热值,因此沼气在进入脱硫装置前,要先经过气水分离器对水分进行脱除。在脱硫罐中,F2O3与H2S反应吸收H2S的过程中会有少量水分生成,为保证生物天然气中水分含量合格,在脱碳后加装凝水器除去脱硫罐中产生的水分。

综合考虑抗腐蚀性、密封性、抗压性等因素,主管道选用无缝钢管。管径确定公式[32]:

式为管道中气体流速,m/s。

本设备所设计的处理量为500 Nm3/d,气体流速为3 m/s,因此主管径计算:

=500 Nm3/d=0.005 79 Nm3/s

圆整后去主管径直径为50 mm。

3.5 总体布置及设备实体

总体布置及设备实体按上述流程进行设计,设备平面布置图、3D效果图以及设备实体图如图5所示。气水分离器直径为400 mm,高度为843 mm;化学脱硫罐、精脱碳罐直径为600 mm,高度为1 364 mm;中空纤维膜系数为7 mm,长度为750 mm;冷凝器直径为300 mm,高度为540 mm。膜脱碳系统采用法国液化空气集团的聚酰亚胺膜,其余部件自制,外壳采用一级防爆材料。

4 提纯设备性能分析及经济性分析

4.1 设备性能分析

本研究所研发的设备在寿光某奶牛场搭建了1套净化提纯一体化设备示范工程(图6)。该示范工程产气量为500 Nm3/d,沼气池出口粗沼气压力为104 kPa。

对每组待测沼气进行3次测定并取平均值,依计算结果绘制如图7所示。由图7可知,该系统在开始运行10 min之内CH4和CO2的浓度变化不大,同时在其气象色谱图保留时间2.512 min处出现一个不属于CH4和CO2的峰,通过对比空气在相同色谱条件下的保留时间将其定性为空气残余。可认为系统运行10 min内为空气排出、系统预热阶段,粗沼气尚未被提纯。在系统运行10~35 min时间段内,提纯气中CH4浓度逐渐升高,CO2浓度逐渐下降,此阶段为系统稳定阶段,即系统内部压力、温度缓慢朝着最佳条件攀升,最终达到系统的最佳使用条件。系统在运行35 min后,提纯气中CH4体积分数达到97.5%以上并且保持稳定,认为此时为稳定运行阶段。通过比长式硫化氢快速检测管,测得粗沼气中H2S质量分数为360.2 mg/m3,在系统稳定运行后的提纯气中仅为16.7 mg/m3,脱硫率达到95.4%。

对于沼气净化提纯系统性能的评价,除了出口CH4、CO2以及H2S的摩尔百分含量外,CH4的回收率也是一项重要指标,其计算如式(10)所示:

式中K为甲烷回收率,%;Qin、Qout分别为粗沼气和提纯气的体积流量,Nm3/h;分别为粗沼气和提纯气中CH4的摩尔百分含量,%。

本研究所设计系统在稳定运行后,系统出口处提纯气的体积流量为257 Nm3/d,提纯气中甲烷含量为97.88%,计算可得CH4的回收率为86.5%。

4.2 经济性分析

设备从设计到投入使用再到最后的报废,所包含的成本主要有设备成本和运行成本2部分,其中设备成本体现为设备购置费,为一次性投资,运行成本有材料消耗和设备耗电2部分构成。本设备所涉及的材料消耗有氧化铁脱硫剂以及13X分子筛的更换,连续运行180 d的系统具体成本如表4所示。

表4 运行成本明细

由表4可知,本设备运行成本为0.09元/Nm3沼气,设备耗电占比为55.6%,其余运行成本为材料的日常更换。该设备一次性投资为240 000元,设计使用寿命为10 a,平均每天可用500 m3沼气提纯出257 m3生物天然气。若将该生物天然气全部并入天然气管道售卖,按照并网价格1.8元/m3计算,大约1.5 a可收回设备成本,后续每年约可获得168 000元的利润。

5 结论与讨论

本研究设计了并制造了一款撬装式中小型沼气工程净化提纯系统,通过对该装置的应用测试,取得以下结论:

1)以Fe2O3为脱硫剂的干法脱硫在中小型沼气工程脱硫中取得良好的效果,提纯气中H2S的含量仅为16.7 mg/m3,脱硫率为95.4%,而且Fe2O3的来源广泛、再生方便,是一种适合中小型沼气工程脱硫的的脱硫剂。

2)膜法与变压吸附法相结合进行沼气脱碳是一种新的尝试,在实际应用中取得了较好的效果,粗沼气经本设备净化提纯后,提纯气中CH4体积分数在97.5%以上,CO2的残留量在2%左右,CH4的回收率达到86.5%。经本设备净化提纯后提纯气中CH4、CO2以及H2S的含量均可满足《车用压缩天气》和《天然气》的要求。

3)设备运行成本为0.09元/Nm3沼气,将脱硫脱碳所得的生物天然气全部用于并网售卖,则投资回收期为1.5 a,后续可为养殖场拓展收入来源。

4)相较于传统净化提纯设备,本设备采用了撬装式设计和PLC控制系统,不仅占地面积小,灵活性好,而且自动化程度高,大大降低了操作人员的的工作强度。

在此次性能测试中,发现本设备有一些需要改进的地方:脱硫罐均设计为2罐并联使用,在更换脱硫剂时需关停设备进行更换,且2罐流量分配不好控制,导致更换时间不同步,不能连续运行。后续应对脱硫罐进行调整,在脱硫罐入口前加装流量控制阀,控制2台并联的脱硫罐一台脱硫,一台备用,在脱硫剂再生或者更换时交替使用。脱碳罐的设计也存在此问题,后续应进行相同改进;管路设计时管路中流速偏低,管道横截面积较大。同时,所有管路无需均采用不锈钢材料,脱硫罐出口后的管路采用碳钢材料即可,可以减少设备成本;本文所设计的装置可根据不同原料气、不同处理量在设备制作时进行调整,以满足不同沼气工程对沼气净化纯设备的要求,但调整后设备的稳定性仍需要进一步深入改进分析,设备对不同种类沼气工程的适应性和稳定性特点仍有待于研究。聚酰亚胺膜与13X分子筛结合脱碳的效果优于单一模式的脱碳效果,但其组合不一定是最优组合,对于组合脱碳的研究有待进一步深入。

[1]汪兴东,熊彦龄. 农户绿色能源消费行为影响因素研究—基于户用沼气和大中型沼气的比较分析[J]. 南京工业大学学报:社会科学版,2018,17(5):69-78.

Wang Xingdong, Xiong Yanling. Study on influencing factors of farmers’ green energy consumption behavior: A comparative analysis of household biogas and medium&large-scale biogas user[J]. Journal of Nanjing Tech University: Social Science Edition, 2018, 17(5): 69-78. (in Chinese with English abstract)

[2]胡启春,汤晓玉,宁睿婷,等. 与生猪产业发展联动的中国沼气工程建设现状分析[J]. 农业工程学报,2015,31(8):1-6.

Hu Qichun, Tang Xiaoyu, Ning Ruiting, et al. Status analysis of biogas plants construction associated with development of live pig industry in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8):1-6. (in Chinese with English abstract)

[3]Petersson A, Wellinger A. Biogas upgrading technologies – developments and innovations[J]. IEA Bioenergy Task 37-Energy FromBiogas and Landfill Gas, 2009, 37: 1-19.

[4]代敏. 湖北省竹溪县农村沼气“百千万”工程成效显著[J].农业工程技术:农产品加工,2014(5):22-23.

[5]王熙春. 河北省规模化沼气工程发展现状分析[J]. 河北农机,2017(7):21,23.

[6]Chul-u Bak, Chan-Jong Lim, Young-Deuk Kim, et al. Multi-stage adsorptive purification process for improving desulfurization performance of biogas[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 227.

[7]许海朋,李岩,牧辉,等. 排硫硫杆菌净化处理沼气中H2S实验研究[J]. 中国沼气,2019,37(2):3-6.

Xu Haipeng, Li Yan, Mu Hui, et al. Removal of H2S from biogas bythioparus immobilized on granular active carbon[J]. China Biogas, 2019, 37(2): 3-6. (in Chinese with English abstract)

[8]Petronela Cozma, Walter Wukovits, Ioan Mămăligă, et al. Modeling and simulation of high pressure water scrubbing technology applied for biogas upgrading[J]. Clean Technologies and Environmental Policy, 2015, 17(2): 373-391.

[9]Cheng Youdong, Ying Yunpan, Zhai Linzhi, et al. Mixed matrix membranes containing MOF@COF hybrid fillers for efficient CO2/CH4separation[J]. Journal of Membrane Science, 2018, 573: 97-106.

[10]Alonso-Vicario A, José R. Ochoa-Gómez S, et al. Purification and upgrading of biogas by pressure swing adsorption on synthetic and natural zeolites[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2010, 134(1/2/3): 100-107.

[11]晏水平,陈竞翱,艾平,等. 利用膜吸收技术分离沼气中CO2[J]. 农业工程学报,2012,28(11):196-204.

Yan Shuiping, Chen Jing’ao, Ai Ping, et al. CO2removal from biogas by using membrane absorption technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(11): 196-204. (in Chinese with English abstract)

[12]Guo Pengfei, Zhang Yuejin, Zhao Yongjun. Biocapture of CO2by different microalgal-based technologies for biogas upgrading and simultaneous biogas slurry purification under various light intensities and photoperiods[J]. International Journal of Environmental Research & Public Health, 2018, 15(3): 528.

[13]于晓艳,左世芳,卢菊花,等. 气体中微量一氧化碳、甲烷、二氧化碳的气相色谱分析[J]. 低温与特气,2014,32(5):20-22,49.

Yu Xiaoyan, Zuo Shifang, Lu Juhua, et al. Determination of the trace CO, CH4, CO2in gas by gas chromatography[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2014, 32(5): 20-22, 49. (in Chinese with English abstract)

[14]安银敏,张东东,顾红艳,等. 沼气脱碳技术研究进展[J]. 中国沼气,2018,36(6):65-71.

An Yinmin, Zhang Dongdong, Gu hongyan, et al. Research progress of biogas decarburization technology[J]. China Biogas, 2018, 36(6): 65-71. (in Chinese with English abstract)

[15]Miltner M, Makaruk A, Krischan J, et al. Chemical- oxidative scrubbing for the removal of hydrogen sulphide from raw biogas: Potentials and economics[J]. Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2012, 66(6): 1354-1360.

[16]郑戈,张全国. 沼气提纯生物天然气技术研究进展[J]. 农业工程学报,2013,29(17):1-8.

Zheng Ge, Zhang Quanguo. Review on biogas upgrading technologies for producing biomethane[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(17): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[17]甄峰,李东,孙永明,等. 沼气高值化利用与净化提纯技术[J]. 环境科学与技术,2012, 35(11):103-108.

Zhen Feng, Li Dong, Sun Yongming, et al. High value application and purification technology of biogas[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 35(11): 103-108. (in Chinese with English abstract)

[18]阎铭,占永红. 我国生物天然气市场前景及产业技术路线探析[J]. 武汉理工大学学报:信息与管理工程版,2017,39(5):556-561.

Yan Ming, Zhan Yonghong. Exploring the market prospect and industrial technological road towards Chinese biogas industry[J]. Journal of Wuhan University of Technology: Information & Management Engineering Edition, 2017, 39(5): 556-561. (in Chinese with English abstract)

[19]Abatzoglou N, Boivin S. A review of biogas purification processes[J]. Biofuels Bioproducts & Biorefining, 2009, 3(1): 42-71.

[20]张欢,刘昊喆,寇巍,等. 高活性Fe2O3脱硫剂的合成及性能研究[J]. 太阳能,2019(7):69-72.

[21]贾斌,靳登超,鲍振博,等. 沼气净化中脱硫技术的研究进展[J]. 天津农学院学报,2016,23(2):57-59,69.

Jia Bin, Jin Dengchao, Bao Zhenbo, et al. Research review of biogas desulfurization[J]. Journal of Tianjin Agricultural University, 2016, 23(2): 57-59, 69. (in Chinese with English abstract)

[22]Lastella G, Testa C, Cornacchia G, et al. Anaerobic digestion of semi-solid organic waste: Biogas production and its purification[J]. Energy Conversion and Management, 2002, 43(1): 63-75.

[23]Nie H, Jiang H, Chong D, et al. Comparison of water scrubbing and propylene carbonate absorption for biogas upgrading process[J]. Energy & Fuels, 2013, 27(6): 3239-3245.

[24]Yan Shuiping, Fang Mengxiang, Wang Zheng, et al. Economic analysis of CO2separation from coal-fired flue gas by chemical absorption and membrane absorption technologies in China[J]. Energy Procedia, 2011, 4: 1878-7885.

[25]Ryckebosch E, Drouillon M, Vervaeren H. Techniques for transformation of biogas to biomethane[J]. Biomass and Bioenergy, 2011, 35(5): 1633-1645.

[26]Cavenati S, Grande C A, Rodrigues A E, et al. Metal organic framework adsorbent for biogas upgrading[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2008, 47(16): 6333-6335.

[27]王利军. 生物天然气工艺技术研究与应用[J]. 再生资源与循环经济,2019,12(11):38-42.

Wang Lijun. Research and application of biological natural gas technology[J]. Recyclable Resources and Circular Economy, 2019, 12(11): 38-42. (in Chinese with English abstract)

[28]沼气-大中型沼气工程设计[EB/OL]. http://jz.docin.com/ p-546970307.html, 2012-12-06.

[29]SA系列常温氧化铁脱硫剂[EB/OL]. https://wenku.baidu.com/view/8dd23db36294dd88d0d26b5f.html, 2014-08-05.

[30]韩聪,董继先. 沼气生物脱硫控制系统的设计[J]. 轻工科技,2018,34(10):95-97,103.

[31]华伟,崔晓波,帅云峰,等. 组态化预测控制及其在脱硫pH值控制中的仿真研究[J]. 动力工程学报,2019,39(7):562-567,575.

Hua Wei, Cui Xiaobo, Shuai Yunfeng, et al. Application simulation of configuration predictive controller in pH value control of desulfurization systems[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2019, 39(7): 562-567, 575. (in Chinese with English abstract)

[32]黎艳,祝铭池,陈金芳. 大中型沼气工程净化系统的工艺方案[J]. 云南师范大学学报,2011,9(31): 154-158.

Li Yan, Zhu Mingchi, Chen Jinfang. Process program of large and medium-sized biogas engineering’s purification system[J]. Journal of Yunnan Normal University, 2011, 9(31): 154-158. (in Chinese with English abstract)

Design and application of skid type biogas purification system for small- and medium- scale biogas projects

Zhang Dalei1,2, Liu Hucheng1, Kou Wei2※, Shao Lijie2, Wang Xiaoming2, Liu Peihan2

(1110136,;2.115003)

Small-and medium-scale biogas systems are widely distributed in China. Nevertheless, the overall strategic planning of biogas project is highly difficult, due mainly to the large difference in geographic regions. According to the different daily production of biogas (), biogas projects in China can be divided into four categories: extremely large (>5 000 Nm3/d), large (5 000 Nm3/d>>500 Nm3/d), medium (500 Nm3/d>>150 Nm3/d), and small (150 Nm3/d>>5 Nm3/d). At present, there are more than 100 000 biogas projects of various types in China, among which there are more than 66 000 large-scale biogas projects, more than 10 000 medium-sized biogas projects, and more than 80 000 small-scale biogas projects. Many previous studies focused on biogas purification on the large and super large biogas engineering, serving as the future development trend of industrialization. Purified biogas after purification can be used for vehicle fuel or incorporated into the natural gas pipeline network, thereby to achieve its high value usage. The fermentation of raw materials in small-and medium-sized biogas projects are usually from village wastes and manure from farms. There are still problems in the small-and medium-scale biogas system, such as regional dispersion, large quantity, difficulty in the overall planning, high purification cost, and low efficiency. The generated biogas is mostly used in low-value utilization ways, such as cooking, lighting, and power generation, far beyond the high-value utilization. Therefore, it is very urgent to extend the potential application of purification system in the small and medium-sized biogas projects. In this study, a set of skid-mounted integrated biogas purification system was designed, aiming to improve the efficiency, performance, and cost-saving systems in small- and medium-sized biogas projects. Technical methods were designed suitable for the manufacture system of desulfurization, decarburization, and control. Specifically, the dry desulfurization, membrane decarburization, and molecular sieve technology were integrated into the set of the system. An engineering application test was carried out, under the conditions of biogas intake capacity of 500 m3/d, and biogas pressure of 104 kPa. After 35 minutes of stable operation, the content of CH4in the purified biogas reached 97.88%, the content of CO2was lower than 2.5%, the content of H2S was as low as 11 mg/kg, and the recovery efficiency of CH4reached 86.5%. The operating cost of equipment was 0.09 yuan/Nm3biogas, and the payback period was only 1.5 a. In comparison, the purification performance of the apparatus met the requirements of biological natural gas standard of China, indicating the advantages of flexible movement, high purification efficiency, and low cost. To meet the needs of different engineering requirements for biogas purification equipment, the device can be designed, according to different material gas in different biogas producing scale. The stability of adjusted equipment was still needed to improve in the further, particularly on the equipment adaptability, and stability characteristics for the different types of biogas engineering. The application of this apparatus can realize the valorization of biogas, and further widen the fields for the development of small and medium-sized biogas projects.

biogas; purification; design; system design

张大雷,刘虎成,寇巍,等. 中小型沼气工程撬式沼气提纯系统设计与应用[J]. 农业工程学报,2020,36(23):215-221.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.025 http://www.tcsae.org

Zhang Dalei, Liu Hucheng, Kou Wei, et al. Design and application of skid type biogas purification system for small- and medium- scale biogas projects[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 215-221. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.025 http://www.tcsae.org

2020-08-16

2020-11-09

国家重点研发计划项目(2017YFD0800802);辽宁省科学事业公益基金(20180051)

张大雷,研究员,博士生导师,主要从事农业生物环境与能源工程领域研究。Email:daleizhang@163.com

寇巍,研究员,主要从事生物质能源领域研究。Email:kouwei6@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.025

TK6

A

1002-6819(2020)-23-0215-07

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