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    沼气千赢app注册手机版中间级的气液二相分离研究

    经过多年的研究与发展,尤其是近20年的大 力推广,我国沼气生产相关技术日趋成熟,为我国 沼气产业化发展奠定了良好的基础。沼气和天然 气的主要成分相同,是可再生能源。随着矿物能 源的日趋枯竭,沼气产品的竞争优势将日益明显, 也将随着沼气生产、加工技术的不断完善而表现 更加突出。如将沼气作为一种商品并实现规模化 生产,它完全可以在市场中与煤气、天然气等能源 竞争[1]。

    本文研究的生物质甲烷技术即是对沼气产业

    化的有益探索。笔者课题组对沼气的净化、提纯、 压缩、灌装等工艺进行了大量的调研及开发,在此 基础上进行了工艺及装备设计,为检验工艺的操 作可行性,对180 m3沼气池进行了沼气灌装试 验[2]。工业试验中暴露出两个主要问题:(1) 二 氧化碳气体脱除效率低;(2)高压千赢app注册手机版气缸受到 损伤。经过课题组的系统研究分析,发现化学方 法难以改善沼气脱碳效率。结合甲烷和二氧化碳 的物性差异及高压千赢app注册手机版的气缸压缩情况,提出 一种物理分离方法,即对千赢app注册手机版的中间级进行了 改进设计,在第三级冷却外盘管后设计增加了高 压气液分离器,操作中通过控制温度和压力产生并分离气液二相流。实践证明,此种分离方法脱 除二氧化碳效率高,能取得明显效果。

    2 生物质甲烷技术工业试验

    (2) 1生物质甲烷技术理论基础

    沼气是将人畜禽粪便、秸秆、农业有机废弃 物、农副产品加工的有机废水、工业废水、城市污 水和垃圾、水生植物及藻类等有机物在厌氧条件 下,经微生物分解发酵而生成的一种可燃性气体, 其主要成分是甲烷和二氧化碳,此外还有少量的 氢、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨气等。通常情况 下,沼气中的甲烷含量为60% ~ 70%,二氧化碳 为30% ~ 40%,其余气体含量很少,约占总体积 的2%。沼气中的可燃成分主要是甲烷,二氧化 碳气体不燃烧,1m3沼气的热值约为21520kJ约 相当于1 45m3煤气或0 69m3天燃气的热值。 生物质甲烷技术是基于沼气净化提纯,最终将沼 气转化为高浓度、高热值甲烷的一种新技术。沼 气中组分比例变化的热值表现见表1,可以看出 甲烷提升到一定比例后,气体热值有较大的提高, 这为沼气的工业化应用奠定了基础。

    三脱:脱硫,脱碳,脱水。脱硫采用干法氧化 铁脱除;脱碳采用氢氧化钠碱性溶液进行湿法脱 除;干燥脱水前期采用重力法,用沼气气水分离器将沼气中的部分水蒸汽脱除。后期干燥采用分子筛高压干燥器进行变压吸附脱水。输气:由于沼气池气压较小,为保证气流的顺畅,采用2V- 0 34/2型沼气千赢app注册手机版串联在管路中进行输气。

    千赢app注册手机版冷却系统:冷却系统包括气缸冷却和压缩介质冷却,气缸冷却由围绕缸壁的环形水隔层注水进行冷却,气缸的冷却通常可以带走摩擦热,使缸壁不致因温度过高而影响润滑油性能,所以要求不高。压缩介质冷却是压缩气体分别通过一、二、三、四级冷却器进行冷却。一、二、三、四级冷却器均为盘管式,组成一体。冷却管内为气流通道,管外为冷却水流通道,本次试验冷却水是一次性使用。

    3 灌装试验

    按照工艺流程图将设备组接完毕,试验初期一次性向180m3沼气池投1000斤牛粪并发酵1天后,检验沼气池和储气柜是否已富集沼气,之后对装备进行氮气排空后开始试验。安全起见,压缩初期最高压力控制在1CMPJ,一段时间后罐装收集2瓶(50L和81L)气体。隔2天后进行同样试验,适当加大千赢app注册手机版排气压力,使之最终达到20 MPa,

    4 组分检测结果

    (2) 试验产生的突出问题及对应分析

    2 1突出问题

    [1] 氢氧化钠溶液脱碳效率低,造成大量的 二氧化碳气体混进灌装气瓶中,极大地影响了最 终压缩气体的热质品味。同时发现二氧化碳在气 瓶中常温下是液体状态,甲烷是气体状态,产生两 相状态。

    [2] 装置灌装压缩运行一段时间后,检查2V -0 14/1 5- 200高压千赢app注册手机版第三、四级气缸,发 现三级、四级气缸有少量磨损,并且气缸顶部有小 斑点产生,导致千赢app注册手机版损伤,不能正常工作。

    2分析研究

    沼气中的二氧化碳体积占到总体积的40% 左右,且不能燃烧,这很大程度上降低了沼气的热 质品味。因此沼气热值提升的最核心环节就是脱 碳。在试验室中利用氢氧化钠溶液脱除沼气中的 二氧化碳效率较高,接近100%。但在工业应用 中,由于千赢app注册手机版等流体机械的作用,沼气气流速度 大,沼气在脱碳塔中的停留时间短,导致二氧化碳 和氢氧化钠溶液的接触时间及面积少,结果使得 脱碳效率大大降低。

    由表2可知,二氧化碳临界温度为3L 1°C, 临界压强为7 38MP?相比于甲烷气体来说,二 氧化碳气体易于液化。2V- 0 14/1. 5- 200型沼

    气千赢app注册手机版的三级额定排气压力超过了二氧化碳的 临界压强,由于操作中控制气缸温度较低,使得三 级气缸温度稳定在或低于二氧化碳临界温度,导

    液体与气缸壁接触,使润滑恶化,增加气缸的磨 损。当二氧化碳液体排不顺畅时会越积越多,当 气缸内液体容积超过千赢app注册手机版余隙容积时便造成液 击现象[3],从而使机器遭到破坏。从三级气缸排 出的压缩气体变成了气液二相流状态,进入外部 冷却盘管装置,由于外部盘管温度控制的更低,使 得二氧化碳基本全部液化。当二相流随输气管道 进到第四级气缸后,继续对气缸产生破坏。

    4 2V- 0 14/1. 5 - 200千赢app注册手机版中间级的气液分 离改进

    1改进思想

    工业应用中脱碳工艺基本分为化学方法和物 理方法两种。化学方法一般应用于大中型塔设 备,通过层层反应及吸附,使得二氧化碳气体逐步 被吸收。而对于小塔设备,由于气流速度较快,很 难保证二氧化碳和反应物质充分接触,进而难以 使得二氧化碳气体被高效率脱除。物理方法则是 利用复合气体中的物化性质差异而进行分离[5]。

    净化压缩后的沼气主要成分是甲烷和二氧化 碳,由表2可知,两种气体最大的差异是液化的难 易程度。甲烷液化临界温度低,为-82 15°C,属 于较难液化物质。而二氧化碳恰恰相反,液化临 界温度较高,为31 rc,属于易液化物质。因此 采用物理方法分离是一种较好的方法[6]。

    2V-0. 14/1 5- 200型沼气千赢app注册手机版的第三级 额定压力达到了二氧化碳的液化临界压力,而如 果控制三级气缸内温度高于二氧化碳临界温度, 则未净化的二氧化碳气体在气缸内不会发生液 化,从而不会对三级气缸产生破坏作用。复合气 体从三级气缸排出后,进入外部冷却盘管装置,如 果外部温度在试验中控制的低于31_ rc,则使得 二氧化碳迅速液化。结果,压缩气体在盘管内变 成了气液二相流状态。之后将气液二相流引入到 高压气液分离器,其结构见图2切向进入后,由 于螺旋板的导流作用,使气体做旋转运动,在离心 作用下,液体被思到筒体内壁,向下流到底部。纯 净的甲烷气体则顺势引入到第四级气缸,压缩到 20MPa灌装进气瓶即可[7]。

    试验完毕后,关闭气瓶。为了避免二氧化碳 对大气的污染,将千赢app注册手机版第三、四级放空阀连接到 盛有石灰水的碱性溶液中,打开放空阀。由于压力减小高压气液分离器内的液体二氧化碳迅速变成气体逸出,通过管道引流到碱性溶液中反应去除掉。

    4 2实施方法

    (1)实施方法

    将千赢app注册手机版的第三级排气管打开,接入高压气 液分离器。并且将高压气液分离器放入到压缩介 质冷却系统中,以控制其温度。为了使第三级排 管内的气液二相流顺利进入到气液分离器,气液 分离器连入到三级排管的最低点。

    将并联式冷却系统改为两支独立的冷却系 统,以利于控制温度:一支为冷却水分别并联进入 到一、二、三、四级气缸的环形水隔层和油冷器后 排水,如图3所示;另一支冷却水先分别进入一、 二级冷却器所组成的水容器,然后进入三级冷却 器和高压气液分离器所组成的密闭水容器,最后 进入四级冷却器和油气分离器外夹层后排水。

    4 3现场运行状况

    装置在运行过程中,在上海冷干机

    升压过程中,从 0~ 7 38MPa这个压力范围内的二氧化碳没办法 脱除,但实践证明,灌装升压时间较短,经此过程 混入的二氧化碳气体对最终灌装气体的热品影响 很小,基本可以忽略不计。而在第四级气缸超过 7. 38MPa第三级气缸还未达到7 38 MPa这段时 间内,二氧化碳会由于第四级排气管道冷却产生 液化,然后进入油气分离器进行分离,这也是严格 控制第四级管道温度的最根本原因。第三级气缸 超过7. 38MPa后,则二氧化碳将由第三级管道后 的高压气液分离器分离。

    Publishir将设计改造后的千赢app注册手机版重新投入进行灌装试验,气瓶内最终气体成分检测结果显示,二氧化碳 气体基本脱除,最终气体的综合热值得到改善。

    试验完毕后,关闭气瓶。通过放空阀引流,碱 性溶液顺利的将分离出的二氧化碳去除反应掉。

    5 结论

    (1)利用生物质甲烷技术提高沼气热能品质 的关键在于脱除二■氧化碳,而在小型脱碳塔中,化 学方法很难较干净地脱除掉二氧化碳,脱碳效率 表现一般较低。

    (2)甲烷和二氧化碳二者的根本物理性质差 异在于液化能力的不同,因此可以通过液化一方, 另一方保持气态,然后采用机械方法进行分离。

    (3)根据千赢app注册手机版压缩和冷却的特点,对冷却 分离结构进行改进,合理控制冷却水流速度,进而 控制三级、四级排气管道温度,使二氧化碳液化, 然后将二相流引入到高压气液分离器进行分离。

    (4)试验完毕后,关闭气瓶。为避免二氧化 碳对大气的污染,将千赢app注册手机版第三、四级放空阀连接 到盛有石灰水的碱性溶液中,打开放空阀,由于压 力减小,高压气液分离器内的液体二氧化碳迅速 变成气体逸出,通过管道引流到碱性溶液中反应 去除掉。

    (5)实践证明,改造后的千赢app注册手机版在灌装工艺 中工作运行良好,沼气中的二氧化碳基本完全脱 除,沼气热能品质得到大大提高。

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