【文章內容簡介】 020 428 萬 m3/a 車用燃料 撫順生活垃圾填埋氣回收精制天然氣項目 2020 432 萬 m3/a 車用燃料 遼寧大連東泰夏家河污泥消化項目 2020 25000 m3/d N/A 海口沼氣清潔公交新能源示范項目（一期） 2020 20200 m3/d 車用燃料 遼寧鐵嶺工業(yè)沼氣禁止天然氣項目 2020 15000 m3/d N/A 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 5 沼氣是一種混合氣體，厭氧發(fā)酵的原料、發(fā)酵條件、操作方式 等決定了 其 組分 ， 一般情況下， 沼氣的主要成分為甲烷（ CH4）、二氧化碳（ CO2），水（ H2O）、氮氣（ N2），氧氣（ O2），以及微量的氨氣（ NH3）和硫化氫（ H2S） 。如表 11，為沼氣與天然氣的主要組分及特性對比，天然氣的華白數(shù)是沼氣的 ~ 倍，當沼氣中 CH4 的含量超過 95%以后， 提純后的 沼氣的華白數(shù)就可以達到天然氣的水平， 可 替代 天然氣 。 表 12 沼氣和天然氣部分組分及特性對比 參數(shù) 單位 沼氣 北海天然氣 荷蘭天然氣 低位熱值 MJ N1m3 23 40 密度 Kg N1m3 高華白數(shù) MJ N1m3 27 55 甲烷數(shù) 135 70 CH4 含量 % 63(53~70) 87 81 高碳氫化合物體積分數(shù) % 0 12 CO2 體積分數(shù) % 47(30~47) 1 N2 體積分數(shù) % 14 O2 體積分數(shù) % 0 0 0 H2S 體積分數(shù) 106 1000 NH3 體積分數(shù) 106 100 0 總氯（以 Cl–計） mg N1m3 0~5 0 壓力水洗法是利用 CO CH4 在水中溶解度的 巨大差異 實現(xiàn) 它們的 分離， 在 水中 ，CO2 在溶解度是 CH4 的 30 倍 左右 ， 加壓水洗時， CO2 水中溶解在水中，而 CH4 溶解量較 CO2 少太多，可認為 CH4 在水中幾乎不溶解， CH4 在水洗塔頂部富集后被收集 ， 降壓時， 溶解在水中的 CO2 解吸出來 ，實現(xiàn) CH CO2 的分離，完成沼氣提純 [3]，含有 CO2和 CH4 的廢水可以通過空氣吹托再 生 以 循環(huán)利用。水洗時，沼氣從水洗塔的底部進入，通常會安裝氣體彌散裝置，將沼氣分散為大量的小氣泡，均勻分布在水中，沼氣泡在上升的過程中，其中的 CO2 溶解在水中； 水從頂部 流入，與沼氣流方向相反。在加壓水洗時，一般會在 水洗塔內部 安裝 填料 ，用來 增加 氣、液傳質 面積，提高 沼氣提純的效果 。 水洗法的優(yōu)勢非常明顯，一是 水洗法效率較高， CH4 損失率低，二是 采用水做吸收劑， 較為廉價 ，其經濟性 非常 明顯。 但是 加壓水洗法 也有缺點，長期水洗后， 水洗塔內的填料 會滋生大量微生物 ，造成填料堵塞，因此，需要 定期對水洗塔進行清理 ，或者加氯殺常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 菌。 在 水洗過程 中，也 可以 同時去除 H2S，但是為了避免 H2S 會對 壓縮設備產生腐蝕，應在脫 CO2 之前 使用脫硫裝置 將其 去除。同時由于采取水洗工藝，所以提純后的沼氣還需要干燥處理 圖 11 常見的 壓力水洗法提純沼氣示意圖 沼氣提純技術發(fā)展到現(xiàn)在， PSA 法、加壓水洗法、化學吸收法以及膜分離法已經實現(xiàn)了在商業(yè)上的應用。 其中 PSA 法、加壓水洗法大約各占了歐洲沼氣提純市場 33%的市場 份額。如表 12 所示，為幾種主要沼氣提純方法的對比 [3]。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)沼氣水洗提純有以下幾個優(yōu)點： ，無毒，不會對 環(huán)境產生污染，而且水較廉價，尤其是水洗后的廢水可以利用空氣吹托再生，循環(huán)利用，這樣不僅節(jié)約了水資源，而且能夠減少沼氣提純成本。 ，無須對水進行加熱，不用額外增加溫度調節(jié)設備，節(jié)省了水洗設備的費用，而且水洗時，可以同時去除沼氣中含有的少量 H2S，可進一步去除脫硫設備未完全去除的 H2S。 ，工程數(shù)量較多，可為國內的沼氣水洗提純提供參考的實例。 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 表 13 幾種沼氣提純方法性能對比 參數(shù) 水洗法 有機溶解吸收法 胺吸收法 PSA法 膜分離法 生物天然氣中 CH4體積分數(shù)（ %） ~ ~ ~ ~ 甲烷回收率（ %） 80~ 輸氣壓力（ bar） 4~8 4~8 0 4~7 4~7 消耗電能（ kWh/m3） ~ ~ 加熱需求和溫度 70~80℃ 120~160℃ 脫硫需求 取決于工藝 需要 需要 需要 需要 消耗品需求 防污劑、干燥劑 有機溶劑（無毒） 胺溶液 (有毒，有腐蝕性 ) 活性炭（無毒） 可參考工程數(shù) 多 少 中等 多 少 本章詳細的寫了課題的研究背景和意義，指出沼氣提純有著巨大的發(fā)展前景。并敘述了目前國內外的沼氣提出技術的發(fā)展現(xiàn)狀，最后介紹了 沼氣 壓力 水洗提純技術。 2 系統(tǒng)方案設計 一 以 單片機為基礎開發(fā)，將二氧化碳傳感器和甲烷傳感器檢測水洗塔內的二氧化碳和甲烷的濃度 ，將傳感器采集到的模擬信號通過 AD轉換模塊轉換成數(shù)字信號 輸入到單片機中，單片機將采集到的信號與預設的值進行對照，從而輸出開關量信號控制電磁繼電器的開閉來控制 3 個電磁閥，一個真空泵，一個壓縮機的開關。 預計使用的元器件 傳感器 為 紅外甲烷濃度檢測儀，紅外二氧化碳檢測儀 信號轉換 為 AD 轉換模塊 數(shù)據(jù)處理模塊 為 單片機 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 執(zhí)行器 為 電磁閥，真空泵，壓縮機 圖 控制方案一示意圖 該控制方案以單片機最小系統(tǒng)為基礎，只需要加上 AD 轉換模塊即可實施控制，另外根據(jù)實際要求可以添加顯示模塊和報警模塊，簡單方便， 成本低廉， 但是 這一方案只能實行簡單的控制，遇到復雜的情況可靠性并不高，考慮到沼氣壓力水洗控制系統(tǒng)控制要求比較簡單，在數(shù)據(jù)采集的頻率與精度的規(guī)定上要求 不高。故可以直接采用單片機控制方案。 控制方案二是以數(shù)據(jù)采集卡為基礎進行開發(fā)的，通過采集卡將甲烷濃度檢測儀、二氧化碳檢測儀、壓力檢測儀檢測到的模擬信號到采集卡中，由于采集卡內部集成有數(shù)模轉換功能，通過編程可對模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，采集卡會對輸入值與設定值進行比較，輸出開關量信號，從而控制電磁閥、壓縮機、真空泵的開關。利用采集卡，可用 LabVIEW 開發(fā)虛擬界面，對采集結果進行顯示，并可對運行情況進行監(jiān)控，并可開發(fā)多個按鈕，對壓縮機、真空泵進行控制。 為 紅外甲烷濃度測量儀、紅外二氧化碳測量儀。 轉換及控制 使用 采集卡、基于 LabVIEW 的虛擬控制界面。 為 電磁閥、真空泵、壓縮機。 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 圖 控制方案二示意圖 方案一，以單片機最小系統(tǒng)為基礎，加上 A/D 轉換模塊即可實現(xiàn)，且可外加顯示模塊和預警模塊，簡單易行，成本較低，缺點是只能實現(xiàn)簡單控制，復雜情況可靠性較低，適于小規(guī)模簡單控制。 方案二，通過數(shù)據(jù)采集卡配合 LabVIEW 的虛擬界面，可實時顯示，并對運行情況進行監(jiān)視，同時開發(fā)的虛擬界面方便查看及控制，也更加智能化，并可實現(xiàn)復雜的控制，缺點是采集卡成本高，且需要搭配筆 記本實現(xiàn)控制，進一步增加了成本，適合大中規(guī)模復雜控制。 考慮到設計的沼氣壓力水洗系統(tǒng)控制簡單，規(guī)模較小，成本也較低，同時也能滿足控制要求，所以利用單片機開發(fā)控制系統(tǒng)更加合理。 甲烷，二氧化碳檢測儀均為 MOT500 系列的氣體檢測儀， 信號輸出方式有兩種，分別為 420ma 的電流信號和 RS485 信號， 配合 RS232 轉接卡可在電腦上存儲數(shù)據(jù) ，（由于經濟原因并未購買通訊協(xié)議，故無法實現(xiàn) RS485 的通訊）。 儀器自帶 LCD 顯示，能夠直接顯示氣體的濃度，類型，單位，工作狀態(tài)等 ，可以自動根據(jù)的溫度進行氣體 濃度數(shù)值的補償。常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 精度誤差與零點漂移在正負 1%以內，響應時間小于 10 秒，工作電源為 1230VDC（本實驗使用 15V 電源）。 具體參數(shù)如表 所示，實物圖如圖 所示。 表 CO CH4濃度檢測儀器主要參數(shù) 項目 參數(shù) 測量范圍： 二氧化碳 檢測儀 ： 050%Vol；紅外甲烷 檢測儀 ： 0100%Vol 分 辨 率： （ 0～ 100%VOL） 檢測精度： ≤177。1%（實際濃度，更高精度視傳感器而定） 響應時間： ≤10秒（ T90） 線性誤差： ≤177。1% 恢復時間： ≤10秒 零點漂移： ≤177。1%（ ） 重 復 性： ≤177。1% 零點漂移： ≤177。1%（ ） 信號輸出： 線制 標準 420mA模擬 電流信號輸出 ， 最遠可傳輸 2020 米（單芯 1mm178。屏蔽電纜） （ 標準 MODBUS RTU 協(xié)議） 數(shù)字信號輸出 、頻率信號（頻率范圍可調） 組繼電器輸出 （開關量），報警輸出高、低限可調， 無源觸 點 容量 220VAC，3A； 24VDC， 3A ，報警聲音： 90分貝（選配）， 可配 RS232轉接卡 連接電腦 存儲數(shù)據(jù)（選配） 3000 米遠距 離無線傳輸， IP 局域網傳輸，更遠距離可選 GPRS 傳輸、光釬傳輸 （選配） 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 圖 紅外甲烷檢測儀實物圖 控制系統(tǒng)的設計是以甲烷和二氧化碳兩個氣體傳感器為基礎的，由于兩個氣體檢測儀輸出的電流信號無法通過 AD 模塊直接輸入到單片機中，所以在氣體檢測儀和 AD 轉換模塊之間加入電流轉電壓模塊 ，將氣體檢測儀輸出的 420ma 電流信號線性轉化為 05v 的電壓信號，再將 05v的電壓信號通過 AD轉換模塊輸入到單片機中，對應為 0%100%的氣體濃度。與預設值比較，輸出開關量控制執(zhí) 行器執(zhí)行。 考慮到調試時的顯示需要，再給它添加上顯示模塊。 因為 只有傳感器是直接連接在沼氣提純塔的罐體之上，且其自身帶有防爆 設計，所以控制系統(tǒng)不需要考慮防爆措施。 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 圖 控制系統(tǒng)方案改進示意圖 在設計控制系統(tǒng)之前，必須清楚沼氣壓力水洗的工作流程。在常壓水洗中，因為是常壓，多以采用的是連續(xù)式水洗，但是在壓力水洗中，普通水泵無法向高壓的水洗塔中注水，高壓下的連續(xù)式水洗對設備及儀器要求較高，成本較大。所以本文提出了間歇式沼氣壓力水洗提純方案，如圖 41 所示，為沼氣水洗提純流程圖 。 水洗過程 需要說明的是，該水洗過程是在沼氣中 CH4 濃度 70%， CO2 濃度 30%（依據(jù)于常壓水洗試驗時的沼氣組分）時，仔細考慮制定的，當沼氣中 CH CO2 濃度改變時，水洗過程中的控制參數(shù)要相應的改變。 壓力為 7bar（約 ） 下進行，水洗時，水洗塔內裝滿一定量的水 ，由水泵提前輸送進去的，根據(jù)需要會定期換水，換水在常壓進行，在水洗過程中，水泵是不需要工作的。 ，電磁閥都處于關閉狀態(tài)。 ， 電磁閥 1開，壓縮機開機， 延時 30s 后，電磁閥 1 關閉，排空水洗塔內廢氣，電磁閥 1關閉后，壓縮機 輸送 的高壓 沼氣 的 使水洗塔內壓力上升，處于高壓狀態(tài) 。 CO2 溶解在水中， CH4 在水洗塔頂部富集，當 CH4 濃度檢測儀檢測到 CH4濃度大于 90%時，電磁閥 2開，將提純后的沼氣收集 。 CH4檢測儀檢測到水洗塔中 CH4 濃度低于 85%，電磁閥 2關 閉， CH4 繼續(xù)富集，直到超過 90%，電磁閥 2 才被打開。 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 CO2濃度檢測儀檢測到 CO2 的濃度大于 40%，壓縮機關閉， 電磁閥 3 開，真空泵開始 抽真空 ， 溶解在水中的 CO2 被釋放出來，并被收集 。 CO2濃度檢測儀檢測到 CO2 的濃度低于 10%（ 由于雜質氣體的存在， CH4 濃度不會超過 90%，無須擔心電磁閥 2開），真空泵關，電磁閥 3關，完成一個水洗過程。 27，持續(xù)水洗過程，根據(jù)需要，對水洗塔內部的水定期進行更換。 圖 沼氣水洗流程圖 本章介紹了設計初期提出了兩個系統(tǒng)方案，然后根據(jù)兩個方案的優(yōu)缺點，確定本系統(tǒng)以單片機為基礎開發(fā)，并且本系統(tǒng)是以已有的氣體檢測儀為主體進行設計的，有介紹了兩個氣體檢測儀的一些基本參數(shù)，在此基礎上對原定方案進行優(yōu)化改進，最后介紹了本次水洗提純的具體工作流程。 3 硬件電路設計 常熟 理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 使用 Proteus 設計的沼氣壓力水洗提純系統(tǒng)硬件原理圖如圖 53所示，控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括三部分：單片機最小系統(tǒng)、電流轉電壓模塊、 A/D 轉換模塊 、顯示模塊 。該硬件電路有兩個 420mA 電流輸入端口，可接收 CH CO2 濃度檢測儀器的電流信號。 5個 led 燈用于模擬硬件電路輸出的開關量。從上往下 5個 led 燈， D1 表示電磁閥一 ， D2表示電磁閥 2， D3 表示電磁閥 3， D4 表示壓縮機 ， D5 真空泵。如圖 53 表示。 由于在實際安裝