沼气精制天然气流程.doc

第五章 工艺方案选择

5.1工艺确定标准
1、 厂区可用场地、 项目处理规模;
2、 产品用途定位、 周围配套设施;
3、 依据“四个高起点”定位, 创建“示范工程”、 技术优异、 设备优良。

工艺步骤简图
5.2沼气脱硫
5.2.1沼气脱硫工艺选择
沼气中含有微量硫化氢, 硫化氢是一个剧毒有害气体, 对管道、 燃烧器和仪器仪表等有强烈腐蚀作用; 燃烧后硫化氢生成二氧化硫, 污染环境, 并影响人身体健康。沼气精制天然气要求天然气中硫化氢含量低于15ppm, 但原料沼气中硫化氢质量浓度为8000ppm, 远远高于要求。所以硫化氢脱除成为气体使用过程中必不可少一个步骤。适适用于沼气精制天然气系统脱硫方法有湿法脱硫（催化剂再生）+干法脱硫或湿法脱硫（生物再生）+干法脱硫。湿法脱硫去除沼气中大部分硫化氢, 使硫化氢降至200ppm以下, 再用干法进行精脱将硫化氢降至15ppm以下。本工程拟采取湿法脱硫（生物再生）+干法脱硫
5.2.2湿法脱硫（生物再生）机理
湿法脱硫（生物再生）技术机理为: 含H2S气体在吸收塔内与含有硫细菌碱性水溶液逆向接触, H2S溶解在碱液中并随碱液进入生物反应器中。在生物反应器充气环境下, 硫化物（HS-）被硫磺杆菌系细菌氧化成元素硫。硫磺以料浆形式从生物反应器中取出, 可经过深入干燥成粉末, 或经熔融生成商品硫磺。同时, 在元素硫产生过程中碱液得到再生。再生溶液返回到吸收塔中循环使用。
经过计算, 处理每克硫化氢消耗氢氧化钠0.6克, 营养液0.03克。我企业沼气每立方含硫量12克, 折合每立方沼气消耗氢氧化钠7.2克, 营养液0.36克, 脱硫系统天天耗水20m³。
脱硫装置工作原理图以下图所表示:

图4-2 湿法脱硫生物再生原理图
5.3沼气脱碳
5.3.1沼气脱碳工艺选择
现在中国常见脱碳技术有溶液法（胺法）和PSA（变压吸附法）, 两种方法介绍以下:
1、 溶液法（胺法）
利用化学溶剂对气体中硫化氢发生化学反应, 靠化学键力结合在一起。关键优点是吸收速度快、 净化度高, 按化学计量反应进行, 吸收压力对吸收能力影响不大。缺点是再生热耗大, 如改良热钾法、 乙醇胺法等。CO2气体在常温常压情况下极易溶于化学吸收液（贫液）中形成富液, 富液在高温情况下, CO2气体又很轻易被解析出来, 从而实现CO2气体分离达成沼气净化目。
2、 变压吸附法（PSA）
吸附分离是利用吸附剂只对特定气体吸附和解析能力上差异进行分离。为了促进这个过程进行, 常见有加压法和真空法以及加压吸收真空分离法。现在常见为加压吸收真空分离法。变压吸附净化程度及回收率相对较低, 吸附分子筛需定时更换。但无液体处理设备, 自动化程度相对较高。
两种脱碳工艺对比见下表:

溶液法（胺法）
变压吸收法
工作方法
化学方法
物理方法
工作压力
0.1MPa
0.6-1.0MPa
外加热源
蒸汽加热
不需要
水
少许
不需要
吸附剂更换
不需要
2-3年更换
提纯前除水干燥
不需要
需要
提纯后甲烷浓度
＞97%
＞95%
甲烷损失
＜3%
5-8%
技术设备系统
相对简单
复杂
电耗（KWh/m³沼气）
0.14
0.4
生产人员配置
9人
9人
直接成本（元/m³CNG）
0.524
0.614
设备投资: 万元
1200
1400
利润总额
571
505
投资回收期
2.6
4.2
自动化程度
中等
高
占地面积
中等
中等

总而言之, 胺法脱碳投资、 运行费用、 利润总额等经济指标均优于变压吸附法, 故本项目拟选择胺法脱碳。
5.3.2胺法脱碳原理:
烷醇胺水溶液是脱除或回收CO2理想溶剂。工业上常见烷醇胺有一乙醇胺（MEA）、 二乙醇胺（DEA）、 二异丙醇胺（DIPA）、 甲基二乙醇胺（MDEA）等。每种烷醇胺各有其优缺点, 如MEA吸收CO2速度快但能耗高、 腐蚀性强, 而MDEA含有较高处理能力、 较低反应热但吸
收CO2速度慢, 所以, 它们应用都受到一定限制。
复合胺溶液采取有机醇胺分为两大类: 一类为叔/仲胺, 对CO2吸收溶解度大, 但吸收速率慢; 另一类为仲/伯胺, 醇胺分子结构中含有位阻效应基团, 使胺基上氮原子与CO2形成不稳定氨基甲酸盐, 大
大加紧了吸收和解析CO2速度。
CO2在复合胺溶液中发生关键反应以下:
R1R2NH + CO2 → R1R2NCOOH ⑴
R1R2NCOOH + H2O → R1R2NH + H+ + HCO3- ⑵
R3R4R5N + H+ → R3R4R5NH+ ⑶
总反应式为:
CO2 + H2O + R3R4R5N → R3R4R5NH+ + HCO3- ⑷
式中R1为含有位阻效应烷醇基, R2为氢或烷基或烷醇基, R3、 R4、
R5为烷基或烷醇基。
式⑵对一般醇胺来说, 因为R1R2N-COOH比较稳定, 所以反应极慢, 从而影响了整个吸收速度。而对MA溶液中活性胺而言, 因为醇胺分子结构中含有位阻效应, -COO-与N原子连接极不稳定, 故反应速度很快。所以使用该复合胺溶液, 在同摩尔浓度下与MDEA溶液相比, 不仅吸收速度快, 而且胺全部以质子化化学计量吸收CO2, 其最大吸收容量为
1 CO2mol/mol胺, 超出常规烷醇胺。
常规烷醇胺包含大多数MDEA溶剂活化剂在吸收CO2时生成稳定氨基甲酸盐, 在再生过程中需要较多热量才能分解, 造成再生能耗较大。同时, 氨基甲酸盐对设备腐蚀性较强, 又会形成水垢。另外, 氨基甲酸盐也加剧了烷醇胺与CO2降解反应, 产生烷醇胺损耗增加、 脱碳性能下降、 腐蚀性上升等一系列问题。而MA溶液因为醇胺分子结构中含有位阻效应, 与CO2反应不生成稳定氨基甲酸盐, 所以, 与常规烷
醇胺法相比, 再生能耗低、 腐蚀性小、 稳定性高。
在循环过程中, 因沼气与复合胺溶液直接接触, 所以在运行中复合胺溶液会有少许消耗, 经过计算和工程实践处理1m³沼气约消耗0.44克复合胺溶液, 处理6444000m³沼气, 消耗复合胺溶液约2.834吨。因复合胺溶液再生（解析二氧化)需要蒸汽加热, 经过计算处理每方沼气消耗蒸汽0.2Kg, 处理6444000m³沼气, 消耗蒸汽约1288.8吨。
5.3.3醇胺法脱碳工艺步骤

图1-4 工艺步骤方框图
工艺步骤说明: 沼气由风机送入吸收塔下部, 其中一部分CO2被溶剂吸收, 由塔顶出来净化气送入后序工段。吸收CO2后富液由塔底经泵送入贫富液换热器, 回收热量后送入再生塔。解吸出CO2连同水蒸气经冷却后, 分离除去水分后得到纯度99.0%（干基）以上产品CO2气, 送入后序工段使用。再生气中被冷凝分离出来冷凝水, 用泵送至再生塔。富液从再生塔上部进入, 经过汽提解吸部分CO2, 然后进入煮沸器, 使其中CO2深入解吸。解吸CO2后贫液由再生塔底流出, 经贫富液换热器换热后, 用泵送至水冷器, 冷却后进入吸收塔。溶剂往返循环组成连续吸收和解吸CO2工艺过程。
5.4沼气压缩
5.4.1沼气压缩工艺步骤

前处理器
净化后沼气
分子筛脱水
加气柱
缓冲罐
压缩机
装车
车用
循环水池
冷却塔
净化后沼气经气柜暂存后经过缓冲罐缓冲及脱水干燥进入压缩机压缩, 压缩后沼气压力达成25MPa, 满足车用及工业燃气需求。

工艺步骤方框图