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某生物质天然气项目沼气提纯工艺选择

摘要：沼气作为一种可再生的清洁能源，不仅能缓解能源稀缺压力，同时还能起到保护环境的作用，越来越受到人们的重视。我国拥有丰富的生物质资源，通过厌氧发酵成含甲烷浓度50%~65%的沼气，燃烧效率低下，因此需通过沼气提纯工艺产生甲烷浓度90%的生物天然气，来提高燃烧性能。文章详细介绍了各种沼气提纯技术工艺，并以某生物质天然气项目为例，论述了沼气提纯技术的选择过程，以期为同类项目提供经验参考。

1沼气提纯技术

根据分离原理不同，目前常见的沼气提纯技术有：吸附法、高压水洗法（物理吸收法）、化学吸收法（胺洗法）、膜分离法等。

1.1吸附法

吸附法是一种物理提纯方法，包括变压吸附法（PSA）和变温吸附法（TSA），其中用于沼气提纯的主要是PSA法。

变压吸附法（PSA）主要是利用吸附剂（如活性炭、硅胶、氧化铝和沸石等）根据不同气体的吸附量不同或气体分子大小不同的特点，来脱除沼气中的杂质气体，实现气体的分离（如图1）。在变压吸附过程中，沼气经过过滤、脱水、脱氨、脱硫和压缩等预处理后，沼气在变压吸附装置（吸附塔）内分别处于吸附、减压、脱附、加压的一个循环状态，通过加压将沼气中的CO2和N2等吸附在吸附塔内，而CH4为轻组分由变压吸附塔顶部排出，并作为产品进行收集，直至吸附塔达到饱和状态，进行减压将吸附柱减压甚至抽成真空，这时被吸附的CO2和N2等杂质气体就会被脱附出来，由塔底排出。如此循环往复去除沼气中的杂质气体来提纯沼气。

变压吸附法（PSA）占地面积小，一般为集成装置，运输、安装方便，甲烷回收率为97%左右，但需要一定的压力，对原料中H2S的含量有一定的要求（一般＜50ppm），且对控制元件及阀门的精度要求较高。相比于水洗法和化学吸收法，PSA法更为灵活，适用于中、小规模的沼气提纯工程项目。

1.2高压水洗法

高压水洗法主要利用CO2和CH4在水中溶解度的差异，通过物理吸收将CO2和CH4进行分离。在外部条件相同的情况下，CO2在水中的溶解度是CH4的30倍左右，当沼气通过水体后，CO2被水吸收从而达到提纯沼气的目的。同时，经过试验证明，CH4与CO2在水中的溶解度随着压力的加大，沼气提纯的效果更加显著。

图2为高压水洗法工艺流程，通常沼气通过压缩后从吸收塔底部进入，水从顶部进入实现错流吸收。为提高CO2在水中的溶解度，水洗工艺一般采用较高的压力，CO2在水中的溶解度随着压力的升高逐渐增大，甲烷损失少。但是，在CO2的吸收过程中需要大量工业用水，同时产生的废液需通过CO2再生装置进行回收处理，净化后的CH4也需通过脱水装置进行干燥处理。

高压水洗法主要适用于处理规模较大的气体，提纯纯度高（＞97%CH4），甲烷损失小（0.05%~6%）；该方法所使用的溶剂是可再生的，并且可以耐受一定的杂质；主要通过改变装置的压力和温度来调整处理能力。由于该方法需要大量的水资源，能耗高，投资大，操作费用高，国内的示范工程较少利用该技术。

1.3化学吸收法

化学吸收法主要是利用溶剂将沼气中的CO2和CH4进行分离，常用的溶剂主要有乙醇胺溶液（MEA）、二乙醇胺溶液（DEA）和甲基二乙醇胺溶液（MDEA）。在化学吸收过程中，当沼气进入水洗塔后，沼气中的CO2与溶剂在水洗塔内产生化学反应形成富液，通过脱吸塔装置加热分解成CO2，吸收与脱吸交替进行，从而实现二氧化碳的分离回收，而净化后的CH4则需通过脱水装置进行干燥处理，胺洗法工艺流程如图3所示。

胺洗法适用于规模较大的沼气提纯工程（沼气处理量达到每小时万立方米），规模越大，经济性越好，提纯纯度高（＞99%CH4），甲烷损失小（＜0.1%）。在提纯过程中具有设备成本低、操作简便、净化效果好以及操作压力低等优点，其操作压力一般为0.1MPa，操作压力低于水洗法沼气提纯工艺，该方法所使用的溶剂是可再生的。但同时，使用该方法能源消耗高，且由于有机胺存在一定的毒性，回收后的CO2不适合再利用，不适用于含O2的沼气提纯。

1.4膜分离法

膜分离法的基本原理是依靠气体在膜表面的吸附能力不同、溶解度不同和扩散速率差异，来选择“过滤”气体中的各组分，即利用薄膜材料对各种气体的渗透率不同来达到分离的目的，常用的分离膜材料有：高分子材料、无机材料和金属材料，但是在沼气的CO2和CH4的分离中常用的是中空纤维膜。在膜两侧分压差的作用下，大部分的CO2以及少量的CH4作为快气通过膜壁渗透分离排出，剩下大部分的CH4以透余气形式获得提纯，为提高CH4的浓度，通常采用多级膜分离工艺。膜分离法工艺流程如图4所示。

常见的膜分离法主要有高压气相分离和气相-液相吸收膜分离两种。采用高压气相分离方法时，由于膜的两侧都是气相，所需的