便攜沼氣分析儀的應用范圍1-在沼氣凈化提純工藝中的應用

沼氣的主要成分是CH4和CO2，此外，還含有微量的H2S、水等雜質(zhì)。利用沼氣生產(chǎn)管道燃氣、GNG和LNG，其技術(shù)難點在于沼氣的凈化提純。因此，需要通過必要的便攜沼氣分析儀沼氣凈化提純技術(shù)，使沼氣成為甲烷含量高，熱值和雜質(zhì)等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標準要求的高品質(zhì)生物天然氣。而要達到標準所規(guī)定的氣體質(zhì)量，凈化提純工藝過程監(jiān)測必不可少。便攜沼氣分析儀的沼氣凈化提純技術(shù)沼氣中出CH4以外的雜質(zhì)氣體成分往往會對沼氣的利用造成不利影響，必須將其除去。主要原因如下：CO2使沼氣的能量密度降低，并且減緩燃燒速度。H2S的活性較強，會使壓縮機、管道、發(fā)動機等受到腐蝕，并造成催化劑中毒。水在導氣管道中積累后會溶解H2S、CO2等酸性氣體而腐蝕管道。O2含量過高，當混合氣濃度到達甲烷的爆炸極限水平可能發(fā)生爆炸。與其他燃料相比，沼氣抗爆性能較好，是有一種很好的清潔燃料。目前大量的沼氣利用還是以低品位的熱利用為主，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，沼氣的中高端利用途徑不斷擴展。沼氣發(fā)電，熱電聯(lián)產(chǎn)，作燃料電池，純化后代用管道天然氣和用作汽車燃料，用作生產(chǎn)燃料乙醇等。沼氣組分復雜，凈化難度遠大于天然氣，因此，利用沼氣生產(chǎn)管道燃氣、GNG和LNG，其技術(shù)難點在于沼氣的凈化提純，即要把利用便攜沼氣分析儀沼氣凈化提純到符合國標要求的天然氣標準。通過便攜沼氣分析儀的沼氣凈化一般是去除沼氣中微量的有害組分，如沼氣脫硫、脫氧、干燥技術(shù)等。便攜沼氣分析儀的沼氣提純是去除沼氣中的二氧化碳，以提高燃氣的適用性和熱值。經(jīng)過便攜沼氣分析儀凈化提純得到的生物天然氣，通常含有95%~97%的甲烷和1%~3%的二氧化碳，可以作為替代天然氣使用。1、便攜沼氣分析儀沼氣脫硫沼氣中的硫主要以H2S形式存在，所含有機硫較少。脫除硫化氫的方法很多，一般可分為干法脫硫、濕法脫硫和生物脫硫。干法脫硫通常用于低含硫氣體處理，特別是用于氣體精細脫硫。大部分干法脫硫工藝由于需要更換脫硫劑而不能繼續(xù)操作，還有一些干法如錳礦法、氧化鋅法、氧化鐵、活性炭等，脫硫劑不能再生或再生次數(shù)很少，脫硫飽和后要廢棄，這樣一方面會造成環(huán)境問題，另一方面會增加脫硫成本。濕法脫硫是利用特定的溶劑與氣體逆流接觸而脫除其中的H2S，溶劑通過再生后重新進行吸收，根據(jù)吸收機理的不同，又分為化學吸收法、物理吸收法、物理化學吸收法以及濕式氧化法。濕式氧化法脫硫效率高，單質(zhì)硫可回收，流程較簡單，大多數(shù)脫硫劑可以再生，運行成本低等；同時該法流程復雜、投資大、適用于氣體處理量大，H2S含量高的場合。生物脫硫系統(tǒng)以各種微生物的容納力為基礎(chǔ)，利用微生物的生命活動將有機污染轉(zhuǎn)化為對人體健康和生態(tài)環(huán)境無害的化合物、生物法常用于污水處理工程中產(chǎn)生的硫化物。生物脫硫技術(shù)包括生物過濾法、生物吸附法和生物滴濾法，三種系統(tǒng)均屬開放系統(tǒng)，其微生物種群隨環(huán)境改變而變化。在生物脫硫過程中，氧化態(tài)的含硫污染物必須先經(jīng)生物還原作用生成硫化物或H2S，然后再經(jīng)生物氧化過程生成單質(zhì)硫，才能去除。生物凈化工藝與上述傳統(tǒng)工藝相比具有運行成本低、反應條件溫和、能耗少和有效減少環(huán)境污染等優(yōu)點，但脫硫微生物都是需要氧型的，氧氣或空氣的加入可能會導致沼氣中氧含量上升影響沼氣的安全性，因此采用生物脫硫是要時刻監(jiān)控反應器中的氧含量。表1.常見的幾種脫硫方法及其特點碳酸丙烯酯法提純效率高(>97%CH4)，吸收能力大，相比水洗法更節(jié)能。溶劑可再生；可同時去除H2S、有機硫化物和水。聚乙二醇法提純效率高(>97%CH4)，吸收能力大，甲烷損失小；可同時去除H2S、有機硫和水；相比水洗法更節(jié)能，溶劑可再生、揮發(fā)性小。醇胺法提純效率高(>97%CH4)，吸收能力大，甲烷損失小(<0.1%)；溶劑可再生、操作成本低。膜分離法可靠，操作簡單；同時去除H2S和水；處理量小時不增加單位成本；氣/氣去除效率：<92%CH4(一步)或者>96%；CH4氣/液去除效率：>96%CH4，可得到純CO2。變壓吸附法提純效率高(95%~98%CH4)；能耗低；高壓但可回收；同時去除O2和N2，耐受一定的雜質(zhì)，也適合低處理量。低溫分離法提純效率高(90%~98%CH4)；易得到液化生物甲烷。5、便攜沼氣分析儀——其他雜質(zhì)的脫除除了水、硫化氫、氧、二氧化碳外，其他雜質(zhì)氣體通常含量較少，且可以在已有的凈化或提純單元中去除。如硅氧烷和鹵代烴主要存在于垃圾填埋場沼氣或混合原料發(fā)酵沼氣，均可通過活性炭吸附去除，少量的氨也可被活性炭吸附，或者在二氧化碳脫除單元(如加壓水洗法)去除。二、凈化提純工藝過程監(jiān)測沼氣的主要成分是CH4和CO2，此外，還含有微量的H2S、水等雜質(zhì)。沼氣并入天然氣管網(wǎng)，或用于車用燃料、燃料電池等，其氣質(zhì)一般有著嚴格的要求。因此，需要通過必要的沼氣凈化提純技術(shù)，使沼氣成為甲烷含量高，熱值和雜質(zhì)等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標準要求(車用天然氣相關(guān)標準見表3)的高品質(zhì)生物天然氣。而要達到標準所規(guī)定的氣體質(zhì)量，氣體組分監(jiān)控特別是燃燒特性的監(jiān)控必不可少。其中用于測量氣體組分的方法一般可以采用非分光紅外(NDIR)氣體分析技術(shù)，如銳意自控紅外氣體分析儀Gasboard-3500，使用Gasboard-3500監(jiān)測凈化提純氣體的CH4、H2S、CO2、O2含量，業(yè)主可掌握甲烷回收率、脫硫與脫碳效率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并據(jù)此進行厭氧發(fā)酵、凈化提純工藝的過程優(yōu)化，以提高生物天然氣工程的經(jīng)濟效益。下面以山東省某大型生物質(zhì)天然氣提純項目為例，簡要敘述沼氣成分檢測在沼氣提純中的應用。表3.車用天然氣相關(guān)標準項目壓縮天然氣(CNG)液化天然氣(LNG)主要成分甲烷(含量≥90%)甲烷(含量≥90%)外觀與性狀無色氣體無色、無味、無毒且無腐蝕性總硫(以硫計)≤200mg/m3≤200mg/m3(二類)H2S≤15mg/m3≤20mg/m3(二類)CO2≤3%≤3%(二類)O2≤0.5%—(二類)標準(中國)《車用壓縮天然氣》(GB18047-2000)《液化天然氣(LNG)汽車加氣站技術(shù)規(guī)范》項目概況項目總投資12100萬元，總占地面積55畝(36666.85㎡)，建筑物面積21605㎡(利用現(xiàn)有建筑)，構(gòu)筑物16692m3(主要包含厭氧消化罐、貯氣柜以及其它地面硬化貯存場等)。主要產(chǎn)品為：生物天然氣401萬Nm3、固態(tài)有機肥1萬t、有機葉面肥1.5萬t、液體二氧化碳0.42萬t。項目主體工程組成見表4。表4.項目主體工程組成一覽表項目工程內(nèi)容有機肥生產(chǎn)線包括原料好氧發(fā)酵池，生產(chǎn)裝置區(qū)(上料系統(tǒng)、攪拌烘干及造粒包裝系統(tǒng))以及成品倉庫。沼氣發(fā)生系統(tǒng)除上料部分為半包圍形式外，全部為露天設備裝置區(qū)，包括原料摻兌區(qū)、半地下上料口(設棚罩)、厭氧發(fā)酵罐(4個)、脫硫及干燥裝置、CO2提純裝置以及軟性儲氣囊、沼氣壓縮裝置等。液態(tài)肥生產(chǎn)線廠區(qū)西南側(cè)三層生產(chǎn)樓內(nèi)，其中3F布置調(diào)配罐、輸送泵等，2F布設反應釜罐等，1F布置灌裝機、儲存區(qū)域。圖1.項目厭氧發(fā)酵區(qū)其中，沼氣經(jīng)脫硫、脫碳后再經(jīng)壓縮機壓縮成壓縮天然氣CNG)，根據(jù)訂單情況，選擇性進行降溫成液態(tài)天然氣(LNG)，后暫存于鋼瓶或撬車內(nèi)，以備出售外運。其主要成分一致，僅為物理形態(tài)上的變化，主要組成一覽表見表5。表5.生物質(zhì)燃氣組成一覽表燃氣組分體積濃度(%)CH494.83CO20.28H2O2.17H2S10ppmO20.19N22.48圖2.壓縮燃氣裝車現(xiàn)場2、便攜沼氣分析儀凈化提純主要工藝1）脫硫工藝發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣體經(jīng)過干燥柜重力除水和高能離子除臭設備除水、除臭后進入雙膜貯氣囊暫存。由于沼氣原氣中含有一定量的H2S氣體，需經(jīng)過“無定型羥基氧化鐵”脫硫工序?qū)2S氣體脫除凈化。氣體從干法脫硫塔的底部進入，頂部排出，氣體在干法脫硫塔內(nèi)與干法脫硫劑接觸，使得H2S被脫除。2）沼氣脫碳脫硫后的沼氣經(jīng)過氣柜穩(wěn)壓后，經(jīng)高效過濾器去除飽和水蒸氣和微塵粒后，進入膜分離裝置，使得CH4、CO2混合氣體彼此分離，分離后最終沼氣中CO2濃度在3%以下，分離出的CO2幾乎不含CH4。項目CO2提純裝置采用的是北京三益能源環(huán)保發(fā)展股份有限公司的膜分離裝置，其工作原理為：壓縮沼氣在沿中空纖維管(即SEPURAN膜)內(nèi)腔流動時，各種氣體的分壓在中空纖維絲管的高壓側(cè)(原料側(cè))與低壓側(cè)(滲透側(cè))所形成的分壓差作用下，溶解系數(shù)和擴散系數(shù)大的氣體(如CO2、H2S)優(yōu)先透過管壁，其余氣體(CH4)相對受到阻隔，從而達到分離的目的。工藝監(jiān)測解決方案項目采用了銳意自控便1臺便攜式紅外沼氣分析儀Gasboard-3200L和1臺防爆型紅外氣體分析儀Gasboard-3500，用于發(fā)酵罐出口、脫硫設備出口和脫硫裝置出口等各個監(jiān)測點CH4、CO2、H2S、O2濃度的實時與在線監(jiān)測，其中Gasboard-3500委托北京三益能環(huán)集成配套，現(xiàn)場安裝。表6.氣體監(jiān)測方案產(chǎn)品型號數(shù)量測量組分測量點Gasboard-3200L1CH4/CO2/H2S/O2發(fā)酵罐出口、脫硫設備出口等Gasboard-35001脫硫裝置出口1）發(fā)酵罐出口監(jiān)測，測量CH4、CO2和O2含量，幫助業(yè)主掌握發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵狀況，從而能夠及時、準確地調(diào)節(jié)發(fā)酵罐進出料時間，保障厭氧消化高效、穩(wěn)定運行，提高沼氣工程產(chǎn)氣效率。2）脫硫設備出口監(jiān)測，測量H2S含量，幫助業(yè)主直觀地了解脫硫效率，有依據(jù)的進行脫硫工藝優(yōu)化，同時有效降低有毒氣體H2S排放污染。圖3/4.便攜沼氣分析儀監(jiān)測現(xiàn)場3）提純裝置出口監(jiān)測，測量CH4、H2S、CO2和O2含量，幫助業(yè)主準確了解凈化提純效率，為生物天然氣銷售以及環(huán)保排放監(jiān)測提供參考數(shù)據(jù)。圖5/6.紅外氣體分析儀監(jiān)測現(xiàn)場三、結(jié)語便攜沼氣分析儀沼氣凈化提純生產(chǎn)生物甲烷，品質(zhì)相當于化石天然氣，在條件允許下，便攜沼氣分析儀可直接并入管道燃氣，也可制成壓縮天然氣，用于汽車燃料等。這種利用特別適合于我國長江以南溫帶和亞熱帶地區(qū)，這些地區(qū)自然條件優(yōu)越、生物資源豐富、經(jīng)濟條件好。從國內(nèi)外的成功經(jīng)驗來看，管道燃氣效益最好，但需要沼氣工程附近有天然氣管網(wǎng)且能并入，否則另鋪設管網(wǎng)將不具經(jīng)濟性；用沼氣生產(chǎn)CNG具有一定的經(jīng)濟效益，特別是在中國東部和南部地區(qū)，是在沼氣工程附近無管網(wǎng)情況下的首選；把沼氣凈化生產(chǎn)成LNG，其工藝指標極為嚴格，理論上可行，但凈化處理難度大，成本高，經(jīng)濟效益有待驗證。沼氣凈化提純技術(shù)工藝較多，用戶可以根據(jù)自身資金成本和能源化利用目標進行選擇。但使沼氣凈化提純成為甲烷含量高，熱值和雜質(zhì)等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標準要求的高品質(zhì)生物天然氣，其工藝過程的氣體成分監(jiān)測必不可少。武漢四方光電科技有限公司2003年成立于“武漢-中國光谷”，是一家專業(yè)氣體傳感器制造商和國家級高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的便攜沼氣分析儀深受消費者青睞。公司以自主知識產(chǎn)權(quán)的核心傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，集研發(fā)、制造、銷售和服務于一體，現(xiàn)有六大類五十余款極具市場競爭力的產(chǎn)品，廣泛應用于家電及消費類電子、樓宇新風、汽車電子和健康醫(yī)療等領(lǐng)域，產(chǎn)品銷售覆蓋我國所有省份，并出口到世界80多個國家和地區(qū)。公司建設有省級企業(yè)技術(shù)中心，省級氣體分析儀器儀表工程技術(shù)研究中心、國家電子信息產(chǎn)業(yè)振興與技術(shù)改造項目、工信部物聯(lián)網(wǎng)專項、湖北省科技支撐計劃等多項科研項目，通過省級科技成果鑒定4項，擁有各項技術(shù)專利100余項(其中發(fā)明專利近30項)。公司占地36畝，擁有建筑面積22000平米的氣體傳感器生產(chǎn)基地及4500平米的