沼氣精制制備車用燃料生產工藝研究論文
摘要：介紹了以有機廢水為原料生產沼氣，經分離提純、壓縮后生產車用燃料的工藝流程，并對其技術經濟進行了評價。
關鍵詞：沼氣；精制；車用燃料；生產工藝；技術經濟評價
能源是人類生存與發展的物質基礎。工業革命以來，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系極大地推動了人類社會的發展。然而隨著人類經濟的高速發展，環境污染與能源危機的挑戰日益嚴峻［1］。近10多年來，我國汽車數量增長迅速，汽車的大量使用，不但使得汽油及天然氣的需求大增，而且加劇了空氣污染。據官方統計的數據顯示，汽車尾氣是城市霧霾天氣的一個主要成因(貢獻占20%～30%)。隨著能源短缺和環境污染問題日益嚴重，綠色可再生能源亟待開發。沼氣是目前應用最廣泛的生物質能源之一，將沼氣通過凈化提純后可變成生物燃氣，替代汽油或天然氣作為汽車燃料使用，不但可緩解城市能源緊張的局面，還能減少城市空氣污染，必將成為我國發展新型能源的一條重要途徑。
1沼氣的成分和物化性質
沼氣是生物質厭氧發酵的產物，是一種可燃的混合氣體。主要成分為CH4(體積分數50%～70%)和CO2(體積分數30%～40%)，還有少量的H2S、O2、CO、N2及其他碳氫化合物等。沼氣成分不但取決于發酵原料的種類及其相對含量，而且隨著發酵條件及發酵階段的不同而變化。沼氣若要替代天然氣在汽車上直接燃燒利用，必須對沼氣進行凈化處理，脫除CO2、H2S、H2O及其他雜質，使純化后的沼氣達到汽車內燃機對車用燃料的要求［2］。我國目前尚未出臺車用沼氣標準，車用沼氣參照《車用壓縮天然氣》(GB18047—2000)中的規定，主要性能指標應符合要求。
2制備工藝
2.1總工藝流程
本工藝利用木薯淀粉/酒精高濃度有機廢水為原料，采用“改進型UASB－TLP工藝技術”處理木薯淀粉/乙醇廢水，厭氧發酵后快速產生大量沼氣，再利用化學吸收工藝技術凈化沼氣，去除其中的H2S、CO2、硅氧烷等主要雜質，再脫水壓縮成為高壓生物燃氣，產品達到車用壓縮天然氣標準。
2.2工藝要點
(1)厭氧發酵工段
本工段的任務是生產沼氣。木薯淀粉/乙醇廢水經過初級沉淀池實現部分固液分離，液體部分經過酸化池(預處理池)完成酸化處理，再經過在調節池調節pH和去除部分懸浮物后，進入改進型UASB－TLP厭氧反應器進行厭氧發酵產沼氣。
(2)沼氣凈化及壓縮工段
本工段的任務是對沼氣進行凈化提純處理，脫除CO2、H2S、H2O及其他雜質，使純化后的沼氣達到GB18047—2000的規定。經厭氧發酵產生的沼氣匯集到沼氣氣柜，經鼓風機加壓到22kPa送入干法脫硫系統，通過2個內裝氧化鐵及活性炭干脫硫劑、串聯操作的脫硫塔，將沼氣中的H2S質量含量降至30mg/m3以下后進入前置冷卻器管程，與殼程循環水換熱，將沼氣溫度降至40℃以下，經前置分離器分離冷凝水后送往增壓機將壓力升至0.8MPa，經冷卻降溫、分離油水后送塔前分離器、塔前過濾器進一步分離油水，然后進入吸收塔下部，由下至上通過塔內填料層，與吸收塔從上而下的乙醇胺溶液逆流接觸，充分反應，將沼氣中的CO2體積分數降至3%以下，從吸收塔頂部出來溫度為80℃左右的沼氣進入塔后冷卻器管程，與殼程循環水進行換熱后溫度降至40℃以下，經分離器分離溶液和凝結水后送往CNG壓縮機進口氣體緩沖罐，緩沖后送往CNG壓縮機，將純化后的.沼氣壓力由0.8MPa升高至20.0MPa，高壓純化氣經冷卻、分離油水后送入氣體干燥裝置，利用分子篩吸附進一步脫除氣體中的水分，達到車用天然氣的標準后送往并聯操作的2臺專用天然氣加氣柱直接進行計量裝車，送往汽車加氣站供用戶使用。
(3)吸收劑再生工段
吸收塔內與沼氣充分接觸后吸收了CO2的工作液稱為富液。富液送溶液換熱器與再生塔底部出來的貧液換熱，富液溫度升至100℃以上進入再生塔上部，富液從上而下通過再生塔內填料層，從再生塔底出來的工作液進入溶液煮沸器殼程與管程的低壓蒸汽換熱，工作液溫度升至120℃進入再生塔底部，富液中的CO2在再生塔內通過減壓及再生塔底工作液加熱產生的水蒸汽汽提后解析出來，從再生塔頂引出，經再生氣冷卻器將溫度降至40℃以下進入二氧化碳分離器進行氣水分離后就地放空，二氧化碳分離器內分離排出的凝結水可根據系統工作液的總量與濃度，決定是排地溝還是通過回流泵送回再生塔頂部維持系統工作液的水平衡。再生塔底部再生完全的工作液經溶液換熱器加熱富液回收余熱后進入貧液冷卻器殼程，與管程循環水換熱后溫度降至80℃以下，通過溶液過濾器、貧液過濾器過濾機械雜質后送入貧液泵加壓至1.2MPa以上送往吸收塔上部循環使用。系統中各冷卻設備均采用循環水作為冷卻介質，回水全部送至循環水回水總管封閉循環;系統中產生的蒸汽冷凝液全部送回鍋爐回收利用;系統設置溶液貯槽用于停車期間貯存系統工作液用，設置地下槽、補液泵用于回收各導淋工作液及補充新鮮工作液，確保成分穩定滿足生產需求。
3技術經濟評價
以廣西某淀粉廠年產600萬m3車用燃氣項目為例，該項目于2011年通過峻工驗收，至今已經正常運行3年多，每天可產車用壓縮燃氣1.4萬m3，每立方米綜合成本比天然氣節約50%以上，每天供南寧市100多輛出租車使用，相對于汽油，平均每輛車每公里可節約0.2元，每天可節省80余元，每年可增收2萬元，運行成本降低了20%。不但給淀粉企業和出租車司機帶來經濟利益，更實現了節能環保的目標。經南寧市環保監測站對使用該生物燃氣的車輛尾氣進行檢測顯示，使用沼氣純化生物燃氣的車輛與使用燃油的車輛相比，CO排放量減少20%，CO2排放量減少99%。利用木薯淀粉/酒精高濃度有機廢水為原料生產車用壓縮燃氣的工藝較為簡便，在經濟上具有巨大的吸引力，該工藝的最大特點是能量利用率高，整個裝置設計的保險系數小，大大降低了投資費用，生產穩定性好，產品收率高，質量穩定。據稱與其他工藝相比較，在生產成本上占有較大優勢。以廣西某淀粉廠年產600萬m3車用燃氣項目為例，單位產品的原材料及公用工程消耗定額。
4結語
綜上所述，沼氣通過凈化提純后可替代天然氣使用，并入城市天然氣管網或作為車用沼氣。該項目對沼氣生產企業的沼氣向高端技術發展及商品化有重要的意義，有利于工業生產與農業特別是劣質土地非糧食農作物種植相結合，有利于環境保護與循環經濟相結合，有利于農產品深加工由單一新產品結構向形成產業鏈發展，可發揮當地的資源優勢，帶動地方經濟發展，增收農民收入，促進農業現代化。
參考文獻
［1］黃紹蘭．CO捕集回收技術研究［J］．環境污染與防治，2008，30(12)：77－81．
［2］尹冰．車用沼氣提純凈化工藝技術研究［J］．現代化工，2009，29(11)：28－33．
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