沼气吸附分离法提纯生物甲烷的试验研究
作者单位：河南农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：黄黎
授予年度：2024年
学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境]
摘 要：沼气的开发利用能够有效处理城乡有机废弃物,促进能源经济绿色转型,对于实现碳达峰与碳中和具有积极意义。《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》设定了明确的发展目标:即到2030年,我国生物天然气应实现稳定的发展,规模要跻身世界先进行列。然而,目前我国的生物天然气产业尚处于发展的初级阶段,面临技术尚未成熟、产业体系有待完善等多重挑战。因此,我们亟需研发出更加符合我国实际需求的沼气提纯生物甲烷技术,以推动产业的持续发展。变压吸附法是提纯生物天然气的有效方法之一,该技术具备高效、环保和可持续的特点。近年来,沼气变压吸附法脱碳技术在沼气提纯领域取得了显著进展,吸附流程和吸附材料作为沼气吸附法提纯甲烷的关键,受到了越来越多的关注。 本研究利用氨水改性活性炭作为吸附剂对模拟沼气中的CO2进行吸附分离,研究了常压条件下氨水改性椰壳炭与枣壳炭的改性效果以及对沼气中CO2的吸附效果,搭建了基于PLC可编程逻辑控制器的变压吸附脱碳装置,在该装置中进行不同压力和进料流量下的CO2穿透实验,并根据穿透实验的结果确定实际运行过程中的压力与进料流量,探究变压吸附实验对吸附效果的提升情况。主要研究结果如下: （1）沼气中CO2吸附分离的椰壳炭与枣壳炭氨水改性实验。氨水质量浓度设置4个梯度（6%、9%、12%、15%）,改性时间设置4个梯度（4 h、6 h、8 h、10 h）。经过氨水浸渍和超声波振荡改性后,表面碱性官能团增加,改性增强了对非极性物质的吸附。改性后活性炭的石墨化程度增强,ID/IG值最大为2.036,比表面积和总孔容均减小,而平均孔径增大,其中,对沼气中CO2和CH4吸附分离效果最好的椰壳炭样品AC4的比表面积为394.64 m2/g,微孔容积为0.1749 cm3/g,枣壳炭样品AC6的比表面积为75.16 m2/g,微孔容积为0.0355 cm3/g。在吸附脱碳沼气实验中,用12%氨溶液在超声波振荡下改性4 h的枣壳炭样品脱碳效果最好,CH4含量为89.2%,单位吸附容量为1.83mmol/g,与未改性枣壳炭相比,分别提高了15.6%和0.8 mmol/g;椰壳炭中,用9%氨溶液在超声波振荡下改性10 h的样品脱碳效果最好,CH4含量为87.29%,单位吸附容量为1.74 mmol/g,与未改性椰壳炭相比,分别提高了11.8%和0.599 mmol/g。 （2）基于PLC可编程逻辑控制器的变压吸附脱碳装置的搭建。本实验室变压吸附脱碳装置选取西门子LOGO!作为控制器,先后进行了定义IO地址、利用内置指令编程等步骤。在PLC程序设计中,使用了如数字量输入、输出、与、或、非、接通和关断延时定时器等许多指令。为了确保实验操控的安全性和稳定性,本装置特别设置了紧急停机按钮SB5。并在设计中还预留了添加其他电磁阀或其他现有设备的接口和空间以适应未来可能的设备扩展或改进。工艺流程时序包括进气、吸附、降压、解吸,解吸时长设置为180 s。 （3）沼气脱碳装置的变压吸附提纯实验。进料流量和压力是影响CO2穿透曲线的重要因素,穿透实验样品选取椰壳炭样品AC4和枣壳炭样品AC6,在进料流量为0.3 L/min,压力0.2～0.5 Mpa下探究压力对CO2穿透曲线的影响,结果表明随着压力的升高,穿透曲线逐渐后移,且椰壳炭样品AC4相对枣壳炭样品AC6穿透时间更久。在压力为0.4 Mpa,进料流量为0.2～0.7 L/min下探究进料流量对CO2穿透曲线的影响,结果表明二氧化碳的穿透时间随着进料流量的增加而减少,基于穿透实验数据,沼气变压吸附提纯实验设置压力为0.4 Mpa,进料流量为0.3 L/min,吸附步骤时长为320 s。采用此装置进行变压吸附沼气脱碳,在氨水浓度为12%,超声振荡浸渍改性时间为8h的条件下的枣壳炭,提升效果最大,吸附后甲烷含量由76.44%提升至82.16%,提升了5.72%,使用本装置能够提高沼气脱碳效果。
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