沼气压力水洗提纯设备及工艺研究

【摘要】：在能源危机与环境污染的双重背景下,世界各国都意识到发展可再生能源是一个必然的选择。在可再生能源中,沼气是一种重要的生物质能源,沼气经净化提纯后,其中的甲烷浓度达到90%以上就可得到生物甲烷,实现天然气的替代。目前,主要的沼气提纯方法有PSA法、水洗法、化学吸收法、有机溶解吸收法、膜分离法,而且已经实现了商业上的应用。通过几种提纯方法的对比发现水洗法的优势明显。本文通过沼气水洗机理的研究,发现了沼气水洗提纯的三大主要影响因素:温度、气水比、压力。通过沼气常压雾化水洗试验得到了温度、气水比对沼气提纯效果的具体影响,为了得到压力对沼气水洗的影响,对沼气常压水洗提纯系统进行了改造,提出了间歇式沼气压力水洗提纯系统,并设计了水洗控制系统。沼气水洗提纯原理主要包括两个方面,一是CH4、CO2在水中的溶解度差异,相同条件下CO2在水中的溶解度是CH4的30倍左右;二是CO2在水中的传质。通过分析得出,温度、压力主要是通过溶解度对沼气水洗效果产生影响,气水比通过对气液传质的影响对水洗效果产生影响。同时本文还分析了水的振动、水位高度以及水体的酸碱度对沼气提纯的影响。为了得到温度、气水比对沼气水洗效果的影响,本文开展了沼气常压雾化水洗提纯试验,通过对比试验,得到了温度、气水比对沼气水洗效果的影响,温度对沼气水洗效果的影响十分明显,在试验中,水温为3.5℃时,沼气水洗后其中的CH4浓度升高值为8个百分点,而当水温为22℃以后,水溶解CO2的能力大大下降,CH4浓度升高值仅为4个百分点左右。在一定的温度下,气水比有一个最佳值,当气水比在达到最佳值后继续增大时,水洗效果开始降低。由于沼气常压雾化水洗提纯效果有限,同时也为了得到压力对沼气水洗提纯的影响,所以对沼气常压系统进行了改造,提出了间歇式沼气压力水洗提纯方案及水洗流程;确定了主要设备的参数;对压力管道进行了设计;改进了气雾化器;设计了水雾化器。根据沼气压力水洗提纯系统的工艺流程要求,本文提出了两种水洗控制方案,并对方案进行了对比与选择,确定了采用单片机进行控制的方案;使用Proteus绘制了测控系统硬件原理图,使用C语言编写了控制程序,并对控制系统进行了测试,验证了测控方案可行性。针对所设计的沼气压力水洗提纯系统,提出了试验所要获得的参数;提出了试验方案;并且详细罗列了试验步骤。本文对沼气水洗提纯做出了详细研究,得到了不同温度、压力下CO2、CH4在水中的溶解度;通过沼气常压雾化水洗提纯试验,得到了温度、气水比对沼气水洗提纯效果以及该套系统的工艺参数,该系统处理量为5~16m3/h,可直接应用于生产实际中;同时本文针对沼气常压雾化水洗的缺点,提出了间歇式沼气水洗系统,与连续式水洗提纯相比,对设备的要求较低,设计压力为0.7Mpa,设计处理量为100m3/h。本文提出的沼气气雾化水洗法及间歇式沼气压力水洗提纯法可为沼气水洗提纯提供范例及新的思路,为国内研究沼气水洗的科研人员提供参考。 【关键词】：沼气提纯 常压气雾化水洗 间歇式压力水洗
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 沼气组分及特性14
• 1.3 国内外沼气提纯技术发展现状14-22
• 1.3.1 沼气提纯技术发展现状14-19
• 1.3.2 水洗法优势19-20
• 1.3.3 国外沼气提纯发展现状20-21
• 1.3.4 我国沼气提纯发展现状21-22
• 1.4 本课题研究概况22-23
• 1.4.1 研究内容22
• 1.4.2 研究目标22-23
• 1.5 本章小结23-24
• 第二章 沼气压力水洗提纯原理24-32
• 2.1 溶解度的差异24-25
• 2.2 二氧化碳在水中的传质25-29
• 2.2.1 双膜理论26-27
• 2.2.2 溶质渗透理论27
• 2.2.3 表面更新理论27
• 2.2.4 三种模型对比27-28
• 2.2.5 气膜吸收速率28
• 2.2.6 液膜吸收速率28
• 2.2.7 总的吸收速率28-29
• 2.3 强化水吸收CO_2的途径29
• 2.3.1 提高吸收系数Lk29
• 2.3.2 增大吸收推动力sc29
• 2.3.3 增大单位吸收传质面积A29
• 2.4 沼气水洗提纯影响因素29-31
• 2.4.1 温度、压力30
• 2.4.2 气水比30
• 2.4.3 气、液接触面积30
• 2.4.4 其他的因素30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 沼气常压雾化水洗提纯技术32-40
• 3.1 雾化水洗提纯原理32-33
• 3.2 气雾化器的应用33
• 3.3 试验设备33-34
• 3.4 试验步骤34-35
• 3.5 试验结果35-39
• 3.5.1 温度的影响36
• 3.5.2 气水比的影响36-37
• 3.5.3 沼气提纯工艺参数37
• 3.5.4 沼气提纯效率及能耗37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 沼气压力水洗改造40-56
• 4.1 沼气压力水洗化工系统40-44
• 4.1.1 沼气压力水洗提纯流程图40-41
• 4.1.2 水洗过程41
• 4.1.3 主要设备参数确定41-43
• 4.1.4 压力管道安装设计43-44
• 4.2 水洗塔内部装置及部件44-47
• 4.2.1 气雾化器设计44-45
• 4.2.2 填料的选用与安装45-47
• 4.3 水雾化器设计47-55
• 4.3.1 基本参数47
• 4.3.2 管道尺寸47-48
• 4.3.3 雾化喷嘴48
• 4.3.4 容器壁厚48-49
• 4.3.5 连接方式49-50
• 4.3.6 容器筒体高度确定50-52
• 4.3.7 支座、液位控制52-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 沼气压力水洗控制系统56-69
• 5.1 控制系统方案56-58
• 5.1.1 控制系统方案一56
• 5.1.2 控制系统方案二56-57
• 5.1.3 控制系统的对比及选择57-58
• 5.2 控制系统的设计要求58-59
• 5.3 控制系统的设计59-62
• 5.3.1 检测仪器59-60
• 5.3.2 控制部分硬件设计60-62
• 5.4 控制系统的软件设计62-63
• 5.5 控制系统的试验63-68
• 5.5.1 测试校核63-64
• 5.5.2 控制试验64-68
• 5.6 本章小结68-69
• 第六章 沼气压力水洗提纯试验方案69-73
• 6.1 试验目的69
• 6.2 试验原理69-70
• 6.3 试验仪器70-71
• 6.4 试验步骤71-72
• 6.5 本章小结72-73
• 第七章 结论及展望73-74
• 7.1 总结73
• 7.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 攻读学位期间本人出版或公开发表论著、论文78-79
• 致谢79-80
• 附录80-92

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