CN117821137A - 一种甲烷气体的浓缩方法及应用装置 - Google Patents

Abstract

一种甲烷气体的浓缩方法及应用装置，包括沼气发生槽，沼气发生槽通过沼气回收管路连接沼气送风装置，沼气送风装置连接位于气体浓缩装置的储罐底部的微纳米气泡发生器，储罐下端通过液体回流管线连接液体输送装置，将沼气气泡化并在液体中通过，沼气中的主要成分二氧化碳和微量成分硫化氢溶解在液体中，回收未溶解在液体中而通过的甲烷。可作为一种简易高效的沼气脱硫脱碳一体化装置。

Description

一种甲烷气体的浓缩方法及应用装置

技术领域

本发明属于甲烷回收技术领域，具体涉及一种甲烷气体的浓缩方法及应用装置。

背景技术

近年来，在垃圾填埋场容量紧张和化石燃料剩余年限减少的背景下，有机废弃物的能源利用和资源利用得到了推进。特别是甲烷发酵法可以处理或有效利用含水率高的废弃物，回收沼气，是实用性最高的处理方法。

甲烷发酵处理是从家庭和食堂、餐馆等产生的餐厨垃圾、食品加工厂等产生的食品残渣、畜舍等产生的家畜粪尿、污水处理场和粪便处理场等产生的排水处理污泥等各种有机废弃物中产生含有甲烷气体的生物气体，并有效利用的技术。这些有机物通过厌氧微生物的分解，分解成水、甲烷、二氧化碳等。在此过程中产生的气态生成物的总称为沼气或消化气体，其成分的大半由甲烷气体和二氧化碳组成。另外，因其发酵气氛而含有水分、硫化氢等。沼气和二氧化碳的比例根据有机废弃物的种类、比例、发酵条件等多少会有变化，但一般来说甲烷的比例为55~65vol%，二氧化碳的比例为45~35vol%。

产生的沼气的利用方法随设备设计、设备条件的不同而变化，但通常作为燃气发动机和微型燃气轮机等发电设备的燃料而得到电能，或者作为热水锅炉和蒸汽锅炉、炉、燃烧器、炉灶等燃烧设备的燃料而得到热能。像这样，为了利用沼气高效、稳定地获得能源，从沼气中除去二氧化碳，提高沼气浓度的沼气的高卡路里化是有效的。

而且，沼气中含有的硫化氢等不纯气体，通常数量为1，000ppm，与二氧化碳的比例相比微乎其微，对降低沼气燃烧热的影响很小。但是，由于会使发电机和锅炉等沼气利用设备的材质劣化，损坏沼气利用设备，或者燃烧后产生的气态硫氧化物会造成大气污染，因此，认为最好事先分离除去。

现有分离除去技术中，存在的一些技术问题：

1、存在高压气体处理的安全问题。

2、使用的消耗品膜，费用高、更换不便。

3、设备空间大，系统结构复杂、存在设备成本和设备维护成本增大的问题。

4、沼气回收率低。

5、吸附剂容易受到硫化氢的损害，会发生其性能急剧下降的情况。

如上所述，以往的各种方法都存在装置结构复杂、规模大、初始成本高的问题，由于不实用，在几乎所有的设施中，都采用直接将沼气作为燃料来获得电和热的效率低下的能量回收方法。

发明内容

为了客服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种甲烷气体的浓缩方法及应用装置，将沼气中的二氧化碳和硫化氢等不纯气体溶解于液体，装置结构简单、设备成本低、所需动力小、运转成本低的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种甲烷气体的浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：

将沼气气泡化并在液体中通过，沼气中的主要成分二氧化碳溶解在液体中，回收未溶解在液体中而通过的甲烷。

所述的沼气中含有硫化氢的杂质气体，将含有硫化氢的杂质气体与二氧化碳一起溶解在液体中。

所述的气泡化是将沼气生成直径50μm以下的微细气泡，气泡化后液体接触面积变大，由于粒子直径小，根据斯托克斯公式，水中气泡的上升速度缓慢，增大接触时间，而且，微细气泡的表面张力σ的作用对气体的溶解有显著影响，根据下式（2）的Young-Laplus公式，Pi-Po=ΔP=2σ/R（2）；气泡的内部和外部产生压力差△P，根据与气体压力成比例溶解的亨利定律，气泡内的气体溶解，气泡缩小，使气泡内的压力越来越高，促进溶解。

一种甲烷气体的浓缩装置，包括沼气发生槽（1），其特征在于，沼气发生槽（1）通过沼气回收管路（2）连接沼气送风装置（3），沼气送风装置（3）连接位于气体浓缩装置（4）的储罐（4a）底部的微细气泡发生器（5），储罐（4a）下端通过液体回流管线（12）连接液体输送装置（13）。

所述的气体浓缩装置（4）的储罐（4a）下端通过回流管线a(12a）、液体输送装置（13）、回流管线b(12b)、溶解气体回收装置（14）形成循环管路。

所述的溶解气体回收装置（14）底部设有溶解气体脱气装置（15），溶解气体脱气装置（15）包括位于溶解气体回收装置（14）的散气板（15a）及气泵（15b）。

本发明的有益效果是：

1、以储液罐和微纳米气泡发生装置为主要构成，可以达到目的，设备简单，初始成本低廉。

2、由于不用压缩机，所需动力小，运转成本低。

3、甲烷回收率高。

4、由于没有运维部分，维护极少。

5、不仅可以去除二氧化碳，还可以同时去除水溶性的不纯气体，如硫化氢，因此可以减少提纯的附属装置，如脱硫装置，从而降低初始成本。

6、去除溶解气体可使液体再生利用。

附图说明

图1是本发明的实施应用结构系统示意图。

图2是本发明的实施应用另一结构系统示意图。

图3是表示各气体成分对水中溶解度的压力依赖性的图。

实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。

图1是示出根据本发明的从沼气中分离回收并浓缩甲烷气体的装置的整体结构的系统图。

作为有机性废弃物，可以举出脱水污泥、生活垃圾、食品厂残渣、畜粪等，当然也可以是这些混合物。甲烷发酵（厌氧消化）方式可以适用于发酵温度在37℃附近的中温发酵、55℃附近的高温发酵，也可以适用于原料含水率在90%以上的湿法、80%左右的干法。

尽管发酵槽的形状和操作方法与沼气发生装置1无关，但期望根据需要设置保持发酵槽温度恒定的加热装置和保温装置。此外，沼气发生装置1设置有用于回收产生的沼气的回收装置2。

甲烷发酵生成的沼气，根据有机性废弃物的性状和发酵条件等变化，是含有55~65vol%左右甲烷、45~35vol%左右二氧化碳的混合气体，并且作为微量成分含有数10~数1，000ppm的硫化氢之类的硫化合物。另外，湿度含有水分。通过设置在发酵槽中的回收装置2收集和回收这种沼气。回收的沼气通过诸如旋风鼓风机和环形鼓风机的沼气吹送装置3被送到本发明的沼气浓缩装置4。沼气通风装置3的风量由沼气发生装置1的产生量确定。此外，选择一种吹风压力大于甲烷气体浓缩装置4中储存罐的水头压力和微纳米气泡发生装置5的压力损失之和的方法。或选择微纳米产气装置系列中的吸气量较大的型号。

在甲烷气体浓缩装置4中，设置有储存罐4a作为溶液槽，储存罐4a用于储存诸如溶解气体的水的液体11，微纳米气泡发生器5设置在储存罐4a内的底表面附近。液体11通过液体补充路径10引入储存罐4a。作为微气泡发生装置5的微气泡发生机构，有剪切法、加压溶解法、文丘里法等，但本发明对发生方法没有特别限定。此外，为了根据储存罐4a的大小调节储存罐4a内的细微气泡的停留时间，微小气泡以微气泡和纳米气泡的形式产生，其气泡直径可以根据处理状况自由设定，虽然不限定气泡直径，但优选为50μm以下。通过细气泡发生器5形成细气泡6的沼气从底表面附近缓慢地在储存罐4a中的液体11中向上移动。在该转移过程中，作为水溶性气体的二氧化碳和硫化氢迅速溶解在液体11中，但在水中溶解度低的甲烷气体不溶解并从液体11的表面流出到储存罐4a的顶部。它被脱气并释放到空间并且可以容易地作为浓缩甲烷气体7回收。 因此，本发明的用于收集甲烷气体的收集装置可以由储存罐4a和用于取出顶部空间中的沼气的管线构成。 该浓缩甲烷气体7的甲烷浓度比沼气高，并且去除了硫化氢等杂质，因此可以直接用于燃气发动机和燃气轮机等发电装置、锅炉等，用作高效电能源，并可获得热能。

另一方面，溶解有二氧化碳和硫化氢的液体11通过连接到储存罐4a的循环液拉出线12拉出，并通过溶液输送装置13传送到下一步骤。送液方法没有特别限定，离心泵和叶片泵等一般泵可以毫无问题地使用。在下一道工序中，可以通过排水处理装置处理后再排入下水道等，或者直接排入下水道。当液体不足时，通过液体补给路径10适量地将新液体补充到储存罐4a中。

图2示出了本发明的另一个实施例。另外，由于从沼气产生到沼气浓缩步骤与图1的结构相同，因此赋予相同的标号，省略说明。

溶解有二氧化碳和硫化氢的液体11通过连接到储存罐4a的溶液拔出线12a拔出，并通过溶液输送装置13输送到溶解气体回收装置14。溶解气体回收装置14具有溶解气体除气装置15，其包括用于储存溶液的储存罐14a，设置在储存罐4a中的底表面附近以脱气溶解气体的曝气散气板15a，以及连接到散气板15a的气泵15b等。通过从溶解气体脱气装置15产生的激烈曝气来搅拌，流动和表面更新储存罐14a中的液体11，溶解在液体11中的二氧化碳气体等从表面脱气并与液体11分离。作为溶解气体除气装置15，除了通过从散气板或散气盘等产生的粗大气泡进行曝气之外，还可以选择通过搅拌叶片进行搅拌流动的方法、通过超声波振动的方法等。

分离到溶解气体回收装置14的储存罐14a中的头部空间部分的诸如二氧化碳的气体可以通过回收装置容易地收集和回收作为浓缩溶解气体17的气体。这里回收的浓缩溶解气体17含有高浓度的二氧化碳，并且可以有效地用于例如温室等植物栽培用的生长促进气体等。另外，通过另外准备的二氧化碳固定装置等进行处理，可以防止温室气体二氧化碳散发到大气中，容易为防止全球变暖的对策做出贡献。

由溶解气体回收装置14除去诸如二氧化碳的杂质气体的再生液体通过液体回输管线12b被传送到甲烷气体浓缩装置4，并且可以再次用于甲烷的浓缩。也就是说，本发明的循环路径由拉出线12a和溶液返回线12b构成。

当然，也可以根据循环使用次数向系统外拔出（未图示），从溶液补给线10补充与拔出量等量的新溶液，进行稳定的连续运转。

气体在液体中的溶解度随液气组合和液温等条件而变化，压力对其影响尤其大。图3为沼气成分甲烷ＣＨ４，镍氧化碳ＣＯ２硫化氢Ｈ２Ｓ是表示S对水的溶解度（摩尔分数）的压力依赖性的图表。可见，二氧化碳和硫化氢随着压力的上升，溶解量非常大。而甲烷对压力的依赖度并不大，可见其溶解量与二氧化碳和硫化氢相比极小。二氧化碳和甲烷的溶解度在体积上的差异约为20倍，通过使用微泡可以非常有效地分离甲烷气体和二氧化碳。

综上所述，微泡具有比普通气泡更好的气体溶解能力。

甲烷发酵槽产生的沼气通过气体回收手段回收，使用鼓风机或鼓风机送至设置在沼气浓缩装置液体槽内的微细气泡发生装置。微细气泡发生装置根据液体槽的结构和液体的种类，可以使用产生微泡的装置和产生纳米泡的装置等。

从微细气泡发生装置产生的生物气体气泡优选成为直径数微米的微细气泡，从液体槽的下部开始缓慢上升。该微细气泡的比表面积比气泡直径大，因此作为水溶性气体的二氧化碳和硫化氢等迅速且高溶解效率地溶解在液体中。另一方面，由于二氧化碳等溶解而残留的只有甲烷气体的微细气泡，由于在水中的溶解度小，所以就那样慢慢上升到水面。通过这种方式，收集浮在水面上的气体，就可以得到纯化的甲烷气体，不含二氧化碳和硫化氢等不纯气体。

另一方面，溶解了二氧化碳和硫化氢的液体由送液泵从液体槽下部等处抽出，在溶解气体回收装置中，采用曝气、加热、减压、莫雷塔纳、超声波脱气等各种方法，将溶解在液体中的气体从液中赶出回收，除去溶解气体的溶液也可以通过回输泵作为沼气浓缩装置的循环液再生利用。

Claims (8)

1.一种甲烷气体的浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：

将沼气气泡化并在液体中通过，沼气中的主要成分二氧化碳溶解在液体中，回收未溶解在液体中而通过的甲烷。

2.根据权利要求1所述的一种甲烷气体的浓缩方法，其特征在于，所述的沼气中含有硫化氢的杂质气体，将含有硫化氢的杂质气体与二氧化碳一起溶解在液体中。

3.根据权利要求1所述的一种甲烷气体的浓缩方法，其特征在于，所述的气泡化是将沼气生成直径50μm以下的微纳米气泡（自有微纳米产气装置KSJ系列），气泡化后液体接触面积变大，由于粒子直径小，根据斯托克斯公式，水中气泡的上升速度缓慢，增大接触时间，而且，微细气泡的表面张力σ的作用对气体的溶解有显著影响，根据下式（2）的Young-Laplus公式，Pi-Po=ΔP=2σ/R（2）；气泡的内部和外部产生压力差△P，根据与气体压力成比例溶解的亨利定律，气泡内的气体溶解，气泡缩小，使气泡内的压力越来越高，促进溶解。

4.一种甲烷气体的浓缩装置，包括沼气发生槽（1），其特征在于，沼气发生槽（1）通过沼气回收管路（2）连接沼气送风装置（3），沼气送风装置（3）连接位于气体浓缩装置（4）的储罐（4a）底部的微纳米气泡发生器（5），储罐（4a）下端通过液体回流管线（12）连接液体输送装置（13）。

5.根据权利要求4所述的一种甲烷气体的浓缩装置，其特征在于，所述的气体浓缩装置（4）的储罐（4a）下端通过回流管线a(12a）、液体输送装置（13）、回流管线b(12b)、溶解气体回收装置（14）形成循环管路。

6.根据权利要求5所述的一种甲烷气体的浓缩装置，其特征在于，所述的溶解气体回收装置（14）底部设有溶解气体脱气装置（15）。

7.根据权利要求6所述的一种甲烷气体的浓缩装置，其特征在于，所述的溶解气体脱气装置（15）包括位于溶解气体回收装置（14）的散气板（15a）及气泵（15b）。

8.根据权利要求1所述的一种甲烷气体的浓缩方法，其特征在于，所述的液体为水。