旋轉(zhuǎn)填充床分離沼氣中的CO2

許碧璇，張 良，王奎升，李秀金

（1. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2. 北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

旋轉(zhuǎn)填充床分離沼氣中的CO2

許碧璇1，張 良2，王奎升1，李秀金2

（1. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2. 北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

以水為吸收液，采用旋轉(zhuǎn)填充床分離微生物厭氧發(fā)酵沼氣中的CO2，考察了工藝條件對(duì)CO2吸收效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)液量越大、氣液比越小、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)越小、操作壓力越大、進(jìn)液溫度越低則CO2的吸收效果越好，而床轉(zhuǎn)速以適中為宜；在進(jìn)液量60 L/h、氣液比3.3、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、操作壓力1.2 MPa、進(jìn)液溫度5 ℃的條件下，CO2吸收率為57.4%，提純后氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)為17%。

旋轉(zhuǎn)填充床；沼氣；CO2；分離

有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)微生物的發(fā)酵作用而生成的沼氣，主要成分為甲烷和CO2，具有熱值高、清潔、抗爆性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。除可作為普通燃?xì)馐褂猛猓撜託饨?jīng)分離凈化處理后可替代化石燃料或用作車用燃料，這已成為其高值利用的重要方向之一［1-2］，但CO2的存在嚴(yán)重影響了燃燒效率。

目前，常用的沼氣脫碳方法有物理吸收法、化學(xué)吸收法、變壓吸附法、膜分離法、低溫分離法等［3］。其中，物理吸收法中以加壓水洗法應(yīng)用最為廣泛［4］，其沼氣提純成本相對(duì)于其他方法大幅降低。但目前采用加壓水洗法的設(shè)備是塔器，不僅占地面積大，長(zhǎng)期使用后還會(huì)出現(xiàn)微生物堵塔的情況［5-6］。化學(xué)吸收法中最常見的是醇胺法，其吸收劑解吸過程要求的溫度條件很高，生產(chǎn)成本相應(yīng)增加［7］。變壓吸附法工藝流程簡(jiǎn)單，脫碳效果好，但甲烷損失率較高，尾氣中的甲烷不易處理［8-9］。膜分離法是近期國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其技術(shù)還不成熟，目前僅處于實(shí)驗(yàn)室階段［10-12］。低溫分離法所需工藝條件苛刻，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)［13］。因此，開發(fā)新的沼氣脫碳提純?cè)O(shè)備及工藝成為當(dāng)務(wù)之急。

旋轉(zhuǎn)填充床具有較強(qiáng)的傳遞和微觀混合特性，作為一種強(qiáng)化傳質(zhì)過程的設(shè)備，已在能源、環(huán)境、制藥、生化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［14-15］。但該技術(shù)從未應(yīng)用于沼氣提純領(lǐng)域。

本工作開發(fā)了旋轉(zhuǎn)填充床作為吸收和解吸裝置，采用成本較低且環(huán)境友好的水洗法提純沼氣，CO2脫除效率高、裝置能耗低、操作安全、設(shè)備體積小、易清洗維修。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用沼氣由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的微生物厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生，平均甲烷體積分?jǐn)?shù)57%，平均CO2體積分?jǐn)?shù)40%。吸收劑為自來水并在吸收裝置中循環(huán)使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

采用旋轉(zhuǎn)填充床回收沼氣中的CO2，實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖見圖1。沼氣經(jīng)原料氣流量計(jì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)吸收床的填料層，在填料層內(nèi)氣液進(jìn)行傳質(zhì)，提純后的氣體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)填充吸收床（以下簡(jiǎn)稱吸收床）上部的氣體出口排出；流入平衡罐的液體經(jīng)球閥勻速進(jìn)入富液罐，再由齒輪泵將富液打入旋轉(zhuǎn)填充解吸床（以下簡(jiǎn)稱解吸床）；在解吸床中，由旋渦鼓風(fēng)機(jī)吹入的空氣和富液進(jìn)行傳質(zhì)，使富液中的CO2析出，得到的貧液從解吸床出口流入貧液罐循環(huán)使用，析出氣體經(jīng)過解吸床上部的氣體出口排出。根據(jù)脫除效果與設(shè)備情況，選擇吸收床氣液比（吸收床進(jìn)口氣體與進(jìn)口吸收液的流量比）1.8～11.5，吸收床進(jìn)液量20～100 L/h，吸收床進(jìn)液溫度5～27℃，旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)速（以下簡(jiǎn)稱床轉(zhuǎn)速，兩床轉(zhuǎn)速一致）600～1 400 r/min，吸收床操作壓力0.4～1.2 MPa，解吸床為常壓操作。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖

1.3 分析方法

采用科隆公司H250型金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定氣相和液相流量。采用舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司GC1120型氣相色譜儀測(cè)定進(jìn)出口氣體中CO2和甲烷的體積分?jǐn)?shù)。通過吸收床進(jìn)出口CO2體積分?jǐn)?shù)的差值與吸收床進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)之比計(jì)算CO2吸收率。

2 結(jié)果與討論

以下所述操作條件均針對(duì)吸收床。

2.1 進(jìn)液量對(duì)CO2吸收率的影響

在氣液比1.8、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、操作壓力0.6 MPa、進(jìn)液溫度23 ℃的條件下，進(jìn)液量對(duì)CO2吸收率的影響見圖2。由圖2可見，隨進(jìn)液量的增加，CO2吸收率逐漸提升。進(jìn)液量增加導(dǎo)致液體在床體內(nèi)的平均停留時(shí)間縮短，不利于傳質(zhì)。但旋轉(zhuǎn)填充床持液量增加，使氣液接觸面積增大；且床中液體的流速加快，使氣液表面更新速率加快，降低了氣液傳質(zhì)阻力；此外，吸收液被填料打碎成細(xì)小的液滴、液膜或液絲，有利于傳質(zhì)。綜合作用的結(jié)果是提高了CO2的脫除效率。孫寶昌［16］的研究也得到相同的結(jié)論。當(dāng)進(jìn)液量為60 L/h時(shí)，流量處于柱塞泵最大流量的3/5處，對(duì)于實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制的準(zhǔn)確性和吸收液用量的經(jīng)濟(jì)性來說均較適宜，綜合考慮，選擇該進(jìn)液量為優(yōu)化值。

圖2 進(jìn)液量對(duì)CO2吸收率的影響

2.2 氣液比對(duì)CO2吸收率的影響

在進(jìn)液量60 L/h、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、進(jìn)液溫度24 ℃的條件下，氣液比對(duì)CO2吸收率的影響見圖3。由圖3可見，氣液比越小，CO2吸收率越高，并且吸收率的升高速率也逐漸增加。這是因?yàn)闅庖罕仍叫。瑔挝惑w積CO2分配到的吸收液越多，氣液接觸時(shí)間變長(zhǎng)，有利于CO2吸收。但液層加厚帶來的氣液相傳質(zhì)阻力的增大對(duì)CO2的吸收不利［17］。有利因素和不利因素的共同作用，決定了吸收率的最終變化趨勢(shì)。由圖3還可見，在氣液比一定的情況下，操作壓力越高，CO2的吸收效果越好。考慮到氣液比為1.8時(shí)，吸收單位體積氣體需要更多的吸收液，提純的經(jīng)濟(jì)性較差，且在氣液比大于3.3時(shí)，CO2吸收率下降速度開始增大，吸收效果變差較明顯，故選擇氣液比為3.3較適宜。

圖3 氣液比對(duì)CO2吸收率的影響

2.3 床轉(zhuǎn)速對(duì)CO2吸收率的影響

在進(jìn)液量60 L/h、氣液比3.3、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、進(jìn)液溫度24 ℃的條件下，床轉(zhuǎn)速對(duì)CO2吸收率的影響見圖4。由圖4可見：當(dāng)床轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min時(shí)，CO2吸收率隨床轉(zhuǎn)速的加快而提高；而當(dāng)床轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時(shí)，CO2吸收率有所降低。這是因?yàn)椋捍厕D(zhuǎn)速較小時(shí)，液體在床體中停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，吸收過程相對(duì)充分，床轉(zhuǎn)速的加快使液體在填料層中的加速度增大，液體的湍流加劇，導(dǎo)致液體被剪切為更小的單元，增加了氣液傳質(zhì)面積；而床轉(zhuǎn)速較大時(shí)，液體停留時(shí)間較短，部分液體還未與氣體反應(yīng)就被甩出填料層，導(dǎo)致CO2吸收率降低。綜上，床轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，CO2的吸收效果最佳。易飛［18］也獲得了相同的研究結(jié)果。由圖4還可見，當(dāng)床轉(zhuǎn)速一定時(shí)，操作壓力越高，CO2的吸收效果越好。

圖4 床轉(zhuǎn)速對(duì)CO2吸收率的影響

2.4 進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響

沼氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)與工藝、溫度、壓力等因素有關(guān)，可以隨著環(huán)境的變化而改變。本實(shí)驗(yàn)使用配氣（甲烷）來改變沼氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。在進(jìn)液量60 L/h、氣液比3.3、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、操作壓力1.2 MPa、進(jìn)液溫度26 ℃的條件下，進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響見圖5。

圖5 進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響

由圖5可見，隨進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)的增大，CO2吸收率不斷下降。這是因?yàn)镃O2濃度的升高使反應(yīng)過程中熱效應(yīng)明顯，床內(nèi)溫度升高較快，由亨利定理可知溫度升高不利于CO2在水溶液中的吸收，導(dǎo)致處理效果變差。因此，進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)越小，CO2的吸收效果越好。這與李瑜輝［19］的研究結(jié)果相一致。

2.5 操作壓力對(duì)CO2吸收率的影響

在進(jìn)液量60 L/h、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、進(jìn)液溫度24 ℃的條件下，操作壓力對(duì)CO2吸收率的影響見圖6。由圖6可見，操作壓力對(duì)CO2的吸收效果有很大影響，壓力越大CO2吸收率越高。這是因?yàn)殡S著壓力的升高，更多的CO2與水結(jié)合形成水合相，為了達(dá)到平衡，更多的CO2從氣態(tài)進(jìn)入液態(tài)，而壓力對(duì)混合氣中其他氣體的影響則要小很多，從而使CO2與其他氣體分離［20］。

圖6 操作壓力對(duì)CO2吸收率的影響

2.6 進(jìn)液溫度對(duì)CO2吸收率的影響

在進(jìn)液量60 L/h、氣液比3.3、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、操作壓力1.2 MPa的條件下，進(jìn)液溫度對(duì)CO2吸收率的影響見圖7。

圖7 進(jìn)液溫度對(duì)CO2吸收率的影響

由圖7可見，隨進(jìn)液溫度的升高，CO2吸收率下降。這是因?yàn)椋瑴囟壬呤购嗬禂?shù)增大，降低了CO2的溶解度，不利于CO2的吸收［20］。

綜上所述，當(dāng)進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)固定為40%時(shí)，最佳工藝條件為進(jìn)液量60 L/h、氣液比3.3、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、操作壓力1.2 MPa、進(jìn)液溫度5℃。在此條件下，CO2吸收率為57.4%，提純后氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)為17%。

3 結(jié)論

a）以水為吸收液，采用旋轉(zhuǎn)填充床分離沼氣中的CO2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)液量越大、氣液比越小、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)越小、操作壓力越大、進(jìn)液溫度越低，則CO2的吸收效果越好；而床轉(zhuǎn)速以適中為宜。

b）在進(jìn)液量60 L/h、氣液比3.3、床轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)40%、操作壓力1.2 MPa、進(jìn)液溫度5 ℃的條件下，CO2吸收率為57.4%，提純后氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)為17%。

［1］譚風(fēng)光. 沼氣發(fā)酵及分離提純技術(shù)研究 ［D］. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

［2］張存勝. 厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾產(chǎn)沼氣的研究［D］. 北京：北京化工大學(xué)，2013.

［3］江皓，吳全貴，周紅軍. 沼氣凈化提純制生物甲烷技術(shù)與應(yīng)用［J］. 中國(guó)沼氣，2012，30（2）：6-11，19.

［4］Tynell ?，B?rjesson G，Persson M. Microbial growth on pall rings：A problem when upgrading biogas with the water-wash absorption technique［J］. Appl Biochem Biotechnol，2007，141（2）：299-319.

［5］耿宏超. 沼氣壓力水洗提純?cè)O(shè)備及工藝研究［D］. 蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

［6］宋世昌，崔凱燕，宋龍杰，等. 水洗法沼氣脫二氧化碳工藝流程技術(shù)改進(jìn)［J］. 中國(guó)沼氣，2014，32（3）：59-63.

［7］高涵，郭亞平，褚聯(lián)峰，等. 醇胺法吸收二氧化碳在填料塔中的應(yīng)用［J］. 過程工程學(xué)報(bào)，2010，10（6）：1091-1097.

［8］湯士勇. 變壓吸附脫碳對(duì)甲烷、硫化氫等有害氣體脫除的探討［J］. 小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù)，2005，26（6）：33-35.

［9］馬國(guó)光，劉源海，牟雨. 變壓吸附技術(shù)分離模擬油田火驅(qū)尾氣中的CO2［J］. 化工環(huán)保，2015，35（6）：579-582.

［10］仲偉龍. CO2化學(xué)吸收技術(shù)研究［D］. 杭州：浙江大學(xué)，2008.

［11］Niesner J，Jecha D，Stehlík P. Biogas upgrading technologies：State of art review in european region［J］. Chem Eng Trans，2013，35：517-522.

［12］Wellinger A，Lindeberg A. Biogas upgrading and utilization：IEA bioenergy task 24 energy from biological conversion of organic waste［R］. Oxfordshire：IEA，2002.

［13］Hagen M，Polman E，Jensen J K，et al. Adding gas from biomass to the gas grid［R］. Malm?：Swedish Gas Center，2001.

［14］陳建峰. 超重力技術(shù)及應(yīng)用［M］. 化學(xué)工業(yè)出版社，2003：6-11.

［15］渠麗麗，劉有智，楚素珍，等. 超重力技術(shù)在氣體凈化中的應(yīng)用［J］. 天然氣化工：C1化學(xué)與化工，2011，36（2）：55-59.

［16］孫寶昌. 超重力環(huán)境下水耦合吸收NH3和CO2的研究［D］. 北京：北京化工大學(xué)，2009.

［17］邢銀全，劉有智，王其倉(cāng)，等. 超重力法脫除合成氨原料氣中二氧化碳的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 天然氣化工，2008，33（1）：29-33.

［18］易飛. 超重力技術(shù)脫除二氧化碳的實(shí)驗(yàn)和模擬研究［D］. 北京：北京化工大學(xué)，2008.

［19］李瑜輝. 超重力法脫除高濃度二氧化碳的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2011.

［20］范泓澈，黃志龍，袁劍，等. 高溫高壓條件下甲烷和二氧化碳溶解度試驗(yàn)［J］. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，35（2）：6-11，19.

（編輯 魏京華）

Separation of CO2from biogas by rotating packed bed

Xu Bixuan1，Zhang Liang2，Wang Kuisheng1，Li Xiujin2
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2. College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

CO2was separated from biogas in microbial anaerobic fermentation in a rotating packed bed using water as absorbent. The effects of process conditions on CO2absorption were investigated. The experimental results show that：The CO2absorption effect is increased with the rise of liquid inlet volume，the reduction of gas liquid ratio，the decrease of CO2volume fraction in biogas inlet，the rise of operation pressure，and the reduction of liquid inlet temperature，while the bed rotational rate should be appropriate；When the liquid inlet volume is 60 L/h，the gas liquid ratio is 3.3，the bed rotational rate is 1 000 r/min，the CO2volume fraction in biogas inlet is 40%，the operation pressure is 1.2 MPa and the liquid inlet temperature is 5 ℃，the absorption rate of CO2is 57.4%，and the volume fraction of CO2in gas outlet is 17%.

rotating packed bed；biogas；CO2；separation

X701

A

1006-1878（2016）06-0671-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.06.016

2016-03-25；

2016-09-12。

許碧璇（1990—），女，遼寧省阜新市人，碩士生，電話 15210936648，電郵 15210936648@163.com。聯(lián)系人：王奎升，電話 010-64418684，電郵 kuishengw@163.com。

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303099）。