變壓吸附淨化餐廚垃圾厭氧發酵制氫的方法與流程
2023-12-01 20:37:07
本發明屬於氣體淨化技術領域，具體涉及變壓吸附淨化餐廚垃圾厭氧發酵制氫的方法。
背景技術：
20至21世紀全球進入現代化，化石燃料存在著能源短缺的危機，特別是從石油提煉出來的汽油，是導致全球石油危機的原因。人類不斷使用化石燃料是排放二氧化碳溫室氣體的來源之一。化石能源也是目前全球消耗最主要的能源，2006年全球消耗的能源中，化石能源佔比高達87％，我國的化石能源消耗比例高達93％，也就是說，化石能源的化石能源的地位在短時間內難以改變，但隨著人類的開採，化石能源的枯竭是不可避免的，而且在枯竭之前，尋找新的燃料勢在必行。
約一百年前，氫就得到了工業的使用。並且氫的資源豐富，地球上的氫通常以化合物和水的形式存在，水是地球上比較豐富的資源，水就是無處不在的氫礦。氫也是最環保的能源之一，氫可轉化為電能和水，排放過程中沒有任何汙染。因此氫燃料內燃機也是減少汙染的方法。
目前氫氣淨化技術主要有深冷分離、膜分離和變壓吸附法(PSA)，其中深冷分離工藝技術能量消耗高，操作複雜，投資大，適用於處理量大，氫氣要求不高的場合；膜分離工藝技術具有投資少，能耗低等優點，但是膜材料的選擇仍存在難點。而在餐廚垃圾發酵產氫工藝中，將PSA技術應用於餐廚垃圾厭氧產氫的淨化工藝中在國內外尚未見報導。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種能高效分離和淨化餐廚垃圾厭氧發酵產生的氫氣、能高效回收甲烷和二氧化碳，設備結構簡單、連續，操作方便、節約能耗的變壓吸附淨化餐廚垃圾厭氧發酵制氫的方法。
本發明以如下技術方案解決上述技術問題：
變壓吸附淨化餐廚垃圾厭氧發酵制氫的方法，工藝步驟如下：
(1)、原料氣由風機抽送入第一油水分離器初步脫水及顆粒物，然後依次進入脫硫塔脫硫和氣水分離器除去游離水；
(2)、經步驟(1)脫硫和脫水後的原料氣經往復式二級壓縮機增壓降溫，增壓至3.8～4.0MPa，溫度5～15℃；
(4)、步驟(2)所得高壓低溫的原料氣依次經過第二油水分離器和第一分子篩脫水，然後進入第一緩衝罐後，從吸附塔底進入吸附塔的吸附劑床層，原料氣中的氫氣被吸附劑吸附下來，而淨化氣中的甲烷和二氧化碳經過吸附塔出口排出；當被吸附的氫氣接近吸附劑床層出口時，關閉吸附塔的原料氣進口閥和出口氣閥，使吸附塔停止吸附；接著由水環真空泵對吸附床抽真空進行減壓脫吸，將吸附劑中吸附的氫氣解吸出來；吸附床經抽真空後，用3.5～4.0MPa的穩定相同壓力氣體對吸附床床層逆向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開始進入下一個吸附循環過程；
(4)、步驟(3)解吸所得氫氣依次經真空罐和第三油水分離器後，通過水環真空泵抽送入第二緩衝罐；
(5)、步驟(4)第二緩衝罐中的氫氣由往復式四級壓縮機增壓降溫，然後再依次經過第四油水分離器並經第二分子篩脫水，最後得產品氫氣。
所述步驟(1)的原料氣為餐廚垃圾發酵產氫工藝發酵池出來的混合氣體，其中氫氣體積含量為60％～70％、含二氧化碳和甲烷的其它雜質氣體體積含量為30％～40％。
所述步驟(1)的脫硫塔中，脫硫劑採用Fe2O3、Na2SiO3和木炭的混合物，Fe2O3∶Na2SiO3∶木炭的混合質量比為2∶2∶1。
所述步驟(1)的氣水分離器採用擋板式氣水分離器。
所述步驟(2)的往復式二級壓縮機功率為36kw，移除熱量19kw，排氣壓力為2.5MPa，該往復式二級壓縮機的一級壓縮機和二級壓縮機之後均設有冷卻器。
所述步驟(3)的吸附劑為顆粒狀單壁碳納米管，均勻鋪在注塑六邊形填料層上，堆積密度2.1g/ml。
所述步驟(3)的吸附塔根據氫氣產量大小設置4～8個並聯，根據吸附塔的個數將其均勻地分為2～4組；同一組內的吸附塔壓力變化同步；組與組之間的壓力變化不同步，當其中一組完成脫吸之前，另一組開始脫吸，以保證連續地製取氫氣。
變壓吸附的操作溫度5℃～10℃，吸附壓力3.5MPa～4.0MPa，循環時間8～10分鐘，原料混合氣流量100m3/h～200m3/h。
所述步驟(5)的往復式四級壓縮機，每一級增壓後的氣體，均由冷卻管冷卻，該壓縮機的排氣壓力為20Mpa；步驟(4)第二緩衝罐中的氫氣由該往復式四級壓縮機增壓降溫，增壓至20～20.5MPa，降溫至22～25℃。
所述的第一分子篩和第二分子篩，均有A、B兩塔，每個塔的筒體和法蘭封頭均用雙頭螺栓連接，吸附劑均為分子篩Al2O3。
本發明的優點在於：
本發明方法採用加壓將氫氣吸附，從而將混合氣中的甲烷和二氧化碳排出，且將之回收。同時，採取減壓脫吸的辦法，使被吸附的氫氣解吸，並通過提純將氫氣淨化富集達99％以上，供工業使用，與此同時使吸附劑獲得再生。本方法適合規模連續性生產，系統結構簡單、連續，操作方便，節約能耗，具有廣闊的技術應用前景。
附圖說明
圖1為本發明方法的工藝流程圖。
具體實施方式
本發明利用吸附塔中的複合吸附劑對氫氣在不同的分壓下有不同的吸附容量、速度和吸附力、且在一定壓力下對各組分有選擇吸附的特性，加壓吸附去除混合氣中的CO2和CH4，獲得高進化度的氫氣；採取減壓脫吸的辦法，使被吸附的氫氣解吸，同時使吸附劑獲得再生，達到連續製取所需氣體的目的。
實施例：
如圖1所示，從發酵池出來的原料氣中氫氣體積含量為60％～70％、含二氧化碳和甲烷等其它雜質氣體含量為30％～40％，將上述原料氣由風機抽送入第一油水分離器初步脫水及顆粒物，然後依次進入脫硫塔脫硫和進入擋板式氣水分離器除去游離水；脫硫塔的脫硫劑採用Fe2O3、Na2SiO3和木炭的混合物，Fe2O3∶Na2SiO3∶木炭的混合質量比為2∶2∶1。
從擋板式氣水分離器出來經脫硫脫水後的原料氣，溫度為50℃、壓力為0.11～0.13MPa，進入往復式二級壓縮機增壓降溫，增壓至3.8～4.0MPa，溫度5～15℃。往復式二級壓縮機功率為36kw，移除熱量19kw，排氣壓力為2.5Mpa，該往復式二級壓縮機的一級壓縮機和二級壓縮機之後均設有冷卻器。
本實施例採用8個吸附塔即吸附塔A至吸附塔H並聯。
往復式二級壓縮機出來的高壓低溫的原料氣依次進入第二油水分離器和第一分子篩，然後進入尺寸為φ1000×2500的第一緩衝罐後，經各吸附塔對應的原料氣進口閥KV—1A、原料氣進口閥KV—1B、……原料氣進口閥KV—1H，從吸附塔A至吸附塔H的塔底分別進入各個吸附塔的吸附劑床層。進入每個吸附塔的原料氣中的氫氣被吸附劑吸附下來，而淨化氣中的甲烷和二氧化碳從每個吸附塔的出口排出。
以吸附塔A為例，當被吸附的氫氣前沿接近的吸附劑床層出口時，關閉吸附塔A的原料氣進口閥KV—1A和出口氣閥KV—2A，使吸附塔A停止吸附；接著打開程控閥KV—3A進行減壓脫吸過程，將吸附劑中吸附的氫氣解吸出來，減壓過程由水環真空泵抽真空完成；吸附床經抽真後，打開程控閥KV—4A用穩定相同壓力3.5～4.0MPa氣體即收集的甲烷和二氧化碳對床層逆向升壓至接近吸附壓力，吸附床便開始進入下一個吸附循環過程。各吸附塔都分別執行上述的吸附循環過程。
將8個吸附塔地平均分為4組；同一組內的吸附塔壓力變化同步；組與組之間的壓力變化不同步，當其中一組完成脫吸之前，另一組開始脫吸，以保證連續地製取氫氣。
變壓吸附的操作溫度5℃～10℃，吸附壓力3.5MPa～4.0MPa，循環時間8～10分鐘，原料混合氣流量100m3/h～200m3/h。
每個吸附塔中的吸附劑均為顆粒狀單壁碳納米管，均勻鋪在注塑六邊形填料層上，堆積密度2.1g/ml。按每個吸附塔10m3/hr的進氣量，氫氣的體積佔原料氣體積的60％，即0.6m3，按單壁碳納米管儲氫能力200ml/g，得所需單壁碳納米管的質量為30Kg。
從每個吸附塔出來的氫氣依次經真空罐和第三油水分離器後，由水環真空泵抽送入尺寸φ1200×3000的第二緩衝罐；從第二緩衝罐再進入往復式四級壓縮機增壓降溫，壓力20～20.5MPa，降溫至22～25℃，然後再依次進入第四油水分離器和第二分子篩，經第二分子篩深度脫水，最後高淨化度值的氫氣進入材料為低碳不鏽鋼316L的儲氫罐。氫氣在儲氣罐內高壓常溫儲存，罐內壓力約20Mpa、溫度約25℃。
上述往復式四級壓縮機，每一級增壓後的氣體，均由冷卻管冷卻，該壓縮機的排氣壓力為20Mpa；所述的第一分子篩和第二分子篩，均有A、B兩塔，每個塔的筒體和法蘭封頭均用雙頭螺栓連接，吸附劑均為分子篩Al2O3。