高压水洗法沼气脱二氧化碳工艺介绍

高压水洗法沼气脱二氧化碳工艺介绍

沼气是一种可燃的混合气体，其主要成分为甲烷（CH4，约占60%）和CO2(约占40%)。其中，CO2的存在不仅使沼气的能量密度降低，而且在燃烧过程中会减少燃烧速度，因此研究开发高效去除沼气中的CO2等杂质的提纯工艺技术，有效提高沼气能源品质和利用效率已成为当前沼气工程技术领域的热点问题之一。纯化沼气的方法主要有水洗、有机溶剂吸收、变压吸附分离、膜分离和低温分离等，其中水洗法进气无需预处理，运行费用低且无污染。

水洗法脱除CO2是物流吸收过程，是根据CO2和CH4等烃类在水中具有不同的溶解度这一基本原理进行的。由表1可知，在相同条件下，CO2在水中的溶解度比烃类气体大。因此，水洗法可用于沼气或天然气脱除二氧化碳。由于硫化氢在水中溶解度比较大，因此水洗法在脱除二氧化硫的同时，也可脱除硫化氢。由图1知，压力越高，CO2溶解度越高，水洗效果也越好。但若压力过高，会使得设备结构复杂，造价高，能耗增大，因此水洗压力不应过高。

（g/100g H2O）(1.01×105Pa，20℃)

表1.常见气体在水中的溶解度

图1.不同压力和温度下CO2在水中的溶解度对照图

一、沼气脱碳工艺介绍

如图2所示，图2为沼气脱碳工程水洗法脱碳工艺流程图，当原料气（组成表见表2）先进入沼气储罐缓冲，然后进入沼气压缩机将气体压缩至2.0MPa，进入吸水洗塔下部，与上部喷淋下来的冷却水逆流接触进行热质交换，吸收CO2气体，直至满足工艺要求，达到负荷要求的气体浓度，水洗塔塔顶出来的湿脱碳沼气，先进入天然气储罐，然后去后续的脱水系统。水洗塔塔底出来的吸收CO2的水进行两级减压，一次减压到0.6MPa后进入一级解析塔，塔顶气中CH4浓度较高，返回沼气储罐；一级解析塔塔底出来的溶有CO2的水进一步减压到2KPa后进入二级解析塔，放出的气体主要是CO2，进入CO2回收虚脱。解吸后的水再经水泵增压送入水洗塔进行再次循环吸收CO2。吸收CO2的高压水，具有一定的能量，通过水力透平减压，回收部分能量。

图2.沼气脱碳工程水洗法脱碳工艺流程图

表2.原料气组成（注：温度30℃；压力3KPa）

二、在工艺流程中可能遇到的问题

在工艺运行流程中可能会出现一些问题，在设备运行一段时间后，水洗塔顶的脱碳沼气中二氧化碳含量越来越高，工艺运行不到一小时可能会出现净化气中二氧化碳含量不符合GB17820-2012《天然气》中CO2体积含量不大于3%的要求，从而产生不合格沼气。

当水洗塔中二氧化碳溶解于冷却水发生放热反应，水洗塔温度随塔板变化曲线如图3所示。经过多次循环之后，由于温度累积效应，进入水洗塔的循环水温度将越来越高。此外，当水温度达到71℃时，水洗塔顶湿脱碳沼气中二氧化碳体积分数达到26%。如图1,随着温度的升高，二氧化碳溶于水的溶解度将降低，在2.0MPa下，当水温度达到45℃时，二氧化碳在水中的溶解度将突然下降，这将影响水洗效率，使得水洗塔顶脱碳沼气不符合要求。如图4，当水洗塔进口冷却水的温度大于35℃时，水洗塔顶的脱碳沼气中二氧化碳的体积分数将骤增，不满足GB17820-2012标准钟3%（v）要求。

图3.水洗塔温度温度随塔板位置变化曲线

图4.冷却水温度对产品气中CO2体积分数的影响

三、如何控制水洗塔内的温度

针对上述问题需对脱碳工艺流程进行改进，方案如图5所示，在循环水泵后加冷却器，使得循环水温温度冷却到30℃，冷却器参数如表3所示。经过改进之后，保证了水洗塔内温度不过高，脱碳

沼气中CO2的含量（v）降低，可达到国标要求。

图5.改进后的脱碳工艺流程图

表3.新加冷却器运行参数参考

四、结语

针对沼气脱碳或油气田天然气脱碳工艺的水洗法，在工艺实际运行时常出现因温度累积效应英气的水洗塔内溶液温度不断升高而导致的产品气中二氧化碳含量不合格的问题，面对这种情况，应在冷却水循环泵后加一冷却器，控制冷却水的循环温度，从而使得工艺正常运行。