沼气净化工艺设计
摘要：该文针对原生沼气中主要杂质CO2、H2S为酸性气体的原因，采用湿法—碱吸收技术，设计了沼气净化工艺。
所设计的沼气净化工艺流程简单、操作方便、设备投资少、能耗低、沼气净化纯度高及无二次污染等优点。
关键词：沼气工程沼气净化碱吸收工艺设计
原生沼气有效成分CH4含量为55％～65％，其余为CO2(30％～45％)及少量的O2、N2、H2S、氨气和N2等不可利用的杂质和有害气体。
研究表明，沼气经深度净化后可得甲烷含量达90％以上的高纯沼气。
这种高纯沼气可直接供用户作为清洁燃料，也可并入天然气网供远程用户使用，或作为燃气汽车的燃料。
我国目前的沼气应用仍局限于一家一户的小型化。
随着化石能源的消耗和替代能源的开发需求，以及新农村建设的能源集中供应模式选择，沼气工程大型化和沼气净化处理的工业化势在必行。
我们在前期沼气净化工艺参数研究的基础上，采用湿法—碱吸收技术，设计了沼气净化工艺。
一作为沼气工程建设的净化工艺设计方案。
1 设计依据和方案
1.1 生产规模和产品指标
本设计生产规模为日处理3000m3原生沼气（CH4含量按60%计），获得高纯沼气（CH4含量为90%以上）约1800m3，日工作时按10h计算，采用间歇式操作程序，实际产期时间按8h计算。
1.2 设计原理
沼气中氨气易溶于水，经水洗后可除去氨气。
CO2和H2S等酸性气体与石灰乳和NaOH等碱发生反应：
CO2(g)+Ca(OH)2(aq)→CaCO3(s)+H2O(l)
CO2(g)+2NaOH(aq)→Na2CO3(aq)+H2O(l)
H2S(g)+Ca(OH)2(aq)→CaS(s)+2H2O(l)
H2S(g)+2NaOH(aq)→Na2S(aq)+2H2O(l)
沼气中有效成分CH4不与碱反应而保留在气体中。
经上述碱吸收反应后，可是沼气中甲烷含量达到90%以上，从而达到净化沼气的作用。
1.3 沼气净化工艺路线
沼气净化工艺分为五个阶段。
(1)水洗工段。
该工段通过水洗除去原声沼气中的氨气、粉尘科里及部分H2S。
(2)一段石灰乳吸收。
该工段通过石灰乳中Ca(OH)2对原生沼气中的部分CO2和H2S吸收反应，达到初步净化。
(3)二段石灰乳吸收。
该工段使初步净化的沼气再次通过Ca(OH)2吸收反应，除去H2S和绝大部分CO2气体，使得沼气中CH4的纯度达到近85%～90%。
经此步净化后的沼气已经达到天然气燃气标准。
(4)NaOH溶液吸收。
该工段的目的是得到纯度更高的沼气，这种沼气经加压后，可作为燃气汽车的燃料。
(5)脱水干燥工段。
该工段把经净化的高纯沼气，通过筛板型冷凝塔冷凝除水蒸气而得到干燥的沼气产品。
工艺流程如下：
原生沼气水洗一段石灰乳吸收二段石灰乳吸收NaOH碱洗干燥高纯沼气。
进口气压力100kPa，温度298K。
气体经吸收塔的底部进入吸收塔，从顶部引出并就从下一吸收塔底部进入。
在净化设备的尾端安装一台1.5MPa的空气压缩机，净化沼气接压缩机进气口，以通过抽吸力促使沼气通过净化设备，压缩机出口接净化沼气储罐，再经管道输送到用户。
2 工艺参数设计与计算
2.1 水洗工段物料衡算和设备选型
消耗水量：按2.5kg/m3(沼气)计算，日处理3000m3原生沼气需7500kg，约合7.5m3/d。
水洗塔选型：水洗采用间歇式，水洗塔为一个。
按0.5h一个周期，塔盛水量为7.5/(8/0.5)=0.47m3。
塔内水位为塔的2/3处，水洗塔体积为0.71m3。
选圆柱形水洗塔，内径为0.5m，塔高为：0.71/（0.252×3.14）=3.6m。
进口气流量：3000m3/8h=375m3/h=0.104m3/s。
出口气流量：出口气流量按进口气流量的98%计算(损耗2%)，为368m3/h=0.102m3/s，出口气总量为2940m3/d。
气体流动方式：气体从塔底部流入，顶部流出，后面各段吸收塔的气体流动方式均与此相同。
2.2 石灰乳吸收工段物料衡算与设备选型
石灰乳吸收采用两段喷淋逆流吸收方式，主要是吸收沼气中的CO2气体（H2S气体含量极少，计算中予以忽略）。
2.2.1 一段石灰乳吸收
进口气组成：CH4(61%)、CO2(37.5%)、N2(1.5%)；出口气组成为CH4(80%)、CO2(18%)、N2(2%)；混合气总量：2242 m3。
进口气CO2总量：2940×0.375=1103 m3；出口气CO2总量：404 m3，CO2吸收量：699m3；吸收率：63.4%。
石灰乳用量计算：氢氧化钙与二氧化碳的反应率按80%计算，吸收CO2体积为699m3，n(CO2)≈28213mol,根据反应式Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O，需消耗CaO的摩尔数为n(CaO)=28213/0.8= 35266mol，合1975kg。
设备选型：石灰乳配制比例为生石灰：水=1：5(质量比)，用水量为1975×5=9875kg，合9.875m3。
石灰乳总质量为11850kg，按密度1050kg·m3计算得石灰乳总体积为11.29m3。
设0.5h进行一个周期的操作，石灰乳占吸收塔体积2/3，吸收塔总体积为1.06m3，去内径为0.6m，塔高为1.06/（0.32×3.14）=3.75m。
喷淋接触时间设计为10s，喷淋流速为0.39dm3/s。
2.2.2 二段石灰乳吸收
进口气组成：CH4(80%)、CO2(18%)、N2(2%)，混合气总量为2242m3；进口气CO2总量：404m3。
出口气组成：CH4(90%)、CO2(8.8%)、N2(2.2%)；出口混合气总量：1993m3；出口气CO2总量：175m3；CO2吸收量：229m3，吸收率：56.7%。
石灰乳用量计算：氢氧化钙与二氧化碳的反应率按80%计算，吸
收CO2体积为299m3，n(CO2)≈12326mol，需消耗CaO的摩尔数为n(CaO)=12326/0.8= 15407mol，合863kg。
石灰乳配制比例为生石灰：水=1∶5(质量比)，用水量为863×5=4315kg，合4.315m3。
石灰乳总质量为5176kg，按密度1050kg·m3计算得石灰乳总体积为4.93m3。
设备选型：设石灰乳占吸收塔体积2/3，吸收塔总体积为4.93×3/2/16= 0.46m3，取内径为0.4m，塔高为0.46/(0.22×3.14)=3.66m。
喷淋接触时间设计为10s，喷淋流速为0.317dm3/s。
2.3 NaOH碱吸收工段物料衡算与设备选型
为进一步提高净化沼气的纯度，我们增加了NaOH碱吸收工段，出口气CH4含量可达95%以上。
进口混合气组成：CH4(90%)、CO2(8.8%)、N2(2.2%)；混合气总量：1993m3；CO2总量：175m3。
出口高纯沼气组成：CH4(95%)、CO2(2.9%)、N2(2.1%)；高纯沼气总量：1888m3；吸收CO2体积120m3，吸收率=68.7%。
NaOH溶液用量计算：反应率按90%计，NaOH溶液配比按NaOH：水=1:6计，吸收CO2摩尔数n(CO2)=4843mol，根据反应式2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O，需消耗NaOH的摩尔数为n(NaOH)=9686mol，合426.2kg，用水量为2557kg，和2.557m3。
溶液总量2983.2kg，体积为（按水的密度计）2.983m3。
NaOH碱吸收塔设备选型：该吸收段吸收方式与水洗攻读相同，即气体冲击鼓泡搅拌吸收。
设NaOH溶液占吸收塔体积2/3，吸收塔总体积为 2.983×3/2/16)=0.28m3，取内径为0.4m，塔高为0.28/（0.22×3.14）=2.22m。
2.4 干燥塔设计
设计原理是冷凝法去除水蒸气，采用斜塔板冷凝器技术。
原理为：将净化后的高纯沼气从干燥塔底部通入塔内，高纯沼气与塔内的斜塔板接触，随着气体的不断上升，气体的温度逐渐降低，以至最后水蒸气经过凝结成为液体而与气体分离，从而达到干燥的目的。
为提高干燥效率和效果，设计塔径为0.5m，塔高为8～10m。
3 沼气净化工艺简图
沼气净化工艺简图如图1所示。
4 结语
本设计按照日处理3000m3原生沼气及最终净化沼气纯度达95%的规模，初步设计了三段净化（含NaOH碱吸收）工艺流程，以及及各步净化的物料衡算和设备选型等。
若要建设一个完整的相应规模的净化沼气能源工程项目，还需进行沼气池、储气柜、沼气输送及环保方案等方面的设计等工作。
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