旋转填充床分离沼气中的CO2

许碧璇，张 良，王奎升，李秀金

（1. 北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2. 北京化工大学 化学工程学院，北京 100029）

旋转填充床分离沼气中的CO2

许碧璇1，张 良2，王奎升1，李秀金2

（1. 北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2. 北京化工大学 化学工程学院，北京 100029）

以水为吸收液，采用旋转填充床分离微生物厌氧发酵沼气中的CO2，考察了工艺条件对CO2吸收效果的影响。实验结果表明：进液量越大、气液比越小、进口CO2体积分数越小、操作压力越大、进液温度越低则CO2的吸收效果越好，而床转速以适中为宜；在进液量60 L/h、气液比3.3、床转速1 000 r/min、进口CO2体积分数40%、操作压力1.2 MPa、进液温度5 ℃的条件下，CO2吸收率为57.4%，提纯后气体的CO2体积分数为17%。

旋转填充床；沼气；CO2；分离

有机物质在厌氧条件下经微生物的发酵作用而生成的沼气，主要成分为甲烷和CO2，具有热值高、清洁、抗爆性好、使用方便等优点。除可作为普通燃气使用外，该沼气经分离净化处理后可替代化石燃料或用作车用燃料，这已成为其高值利用的重要方向之一［1-2］，但CO2的存在严重影响了燃烧效率。

目前，常用的沼气脱碳方法有物理吸收法、化学吸收法、变压吸附法、膜分离法、低温分离法等［3］。其中，物理吸收法中以加压水洗法应用最为广泛［4］，其沼气提纯成本相对于其他方法大幅降低。但目前采用加压水洗法的设备是塔器，不仅占地面积大，长期使用后还会出现微生物堵塔的情况［5-6］。化学吸收法中最常见的是醇胺法，其吸收剂解吸过程要求的温度条件很高，生产成本相应增加［7］。变压吸附法工艺流程简单，脱碳效果好，但甲烷损失率较高，尾气中的甲烷不易处理［8-9］。膜分离法是近期国内外研究的热点，其技术还不成熟，目前仅处于实验室阶段［10-12］。低温分离法所需工艺条件苛刻，不适宜大规模生产［13］。因此，开发新的沼气脱碳提纯设备及工艺成为当务之急。

旋转填充床具有较强的传递和微观混合特性，作为一种强化传质过程的设备，已在能源、环境、制药、生化等领域得到广泛应用［14-15］。但该技术从未应用于沼气提纯领域。

本工作开发了旋转填充床作为吸收和解吸装置，采用成本较低且环境友好的水洗法提纯沼气，CO2脱除效率高、装置能耗低、操作安全、设备体积小、易清洗维修。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用沼气由实验室自主研发的微生物厌氧发酵系统产生，平均甲烷体积分数57%，平均CO2体积分数40%。吸收剂为自来水并在吸收装置中循环使用。

1.2 实验装置及流程

采用旋转填充床回收沼气中的CO2，实验装置及流程图见图1。沼气经原料气流量计进入旋转吸收床的填料层，在填料层内气液进行传质，提纯后的气体经过旋转填充吸收床（以下简称吸收床）上部的气体出口排出；流入平衡罐的液体经球阀匀速进入富液罐，再由齿轮泵将富液打入旋转填充解吸床（以下简称解吸床）；在解吸床中，由旋涡鼓风机吹入的空气和富液进行传质，使富液中的CO2析出，得到的贫液从解吸床出口流入贫液罐循环使用，析出气体经过解吸床上部的气体出口排出。根据脱除效果与设备情况，选择吸收床气液比（吸收床进口气体与进口吸收液的流量比）1.8～11.5，吸收床进液量20～100 L/h，吸收床进液温度5～27℃，旋转填充床转速（以下简称床转速，两床转速一致）600～1 400 r/min，吸收床操作压力0.4～1.2 MPa，解吸床为常压操作。

图1 实验装置及流程图

1.3 分析方法

采用科隆公司H250型金属转子流量计测定气相和液相流量。采用舜宇恒平科学仪器有限公司GC1120型气相色谱仪测定进出口气体中CO2和甲烷的体积分数。通过吸收床进出口CO2体积分数的差值与吸收床进口CO2体积分数之比计算CO2吸收率。

2 结果与讨论

以下所述操作条件均针对吸收床。

2.1 进液量对CO2吸收率的影响

在气液比1.8、床转速1 000 r/min、进口CO2体积分数40%、操作压力0.6 MPa、进液温度23 ℃的条件下，进液量对CO2吸收率的影响见图2。由图2可见，随进液量的增加，CO2吸收率逐渐提升。进液量增加导致液体在床体内的平均停留时间缩短，不利于传质。但旋转填充床持液量增加，使气液接触面积增大；且床中液体的流速加快，使气液表面更新速率加快，降低了气液传质阻力；此外，吸收液被填料打碎成细小的液滴、液膜或液丝，有利于传质。综合作用的结果是提高了CO2的脱除效率。孙宝昌［16］的研究也得到相同的结论。当进液量为60 L/h时，流量处于柱塞泵最大流量的3/5处，对于实验参数控制的准确性和吸收液用量的经济性来说均较适宜，综合考虑，选择该进液量为优化值。

图2 进液量对CO2吸收率的影响

2.2 气液比对CO2吸收率的影响

在进液量60 L/h、床转速1 000 r/min、进口CO2体积分数40%、进液温度24 ℃的条件下，气液比对CO2吸收率的影响见图3。由图3可见，气液比越小，CO2吸收率越高，并且吸收率的升高速率也逐渐增加。这是因为气液比越小，单位体积CO2分配到的吸收液越多，气液接触时间变长，有利于CO2吸收。但液层加厚带来的气液相传质阻力的增大对CO2的吸收不利［17］。有利因素和不利因素的共同作用，决定了吸收率的最终变化趋势。由图3还可见，在气液比一定的情况下，操作压力越高，CO2的吸收效果越好。考虑到气液比为1.8时，吸收单位体积气体需要更多的吸收液，提纯的经济性较差，且在气液比大于3.3时，CO2吸收率下降速度开始增大，吸收效果变差较明显，故选择气液比为3.3较适宜。

图3 气液比对CO2吸收率的影响

2.3 床转速对CO2吸收率的影响

在进液量60 L/h、气液比3.3、进口CO2体积分数40%、进液温度24 ℃的条件下，床转速对CO2吸收率的影响见图4。由图4可见：当床转速小于1 000 r/min时，CO2吸收率随床转速的加快而提高；而当床转速大于1 000 r/min时，CO2吸收率有所降低。这是因为：床转速较小时，液体在床体中停留时间相对较长，吸收过程相对充分，床转速的加快使液体在填料层中的加速度增大，液体的湍流加剧，导致液体被剪切为更小的单元，增加了气液传质面积；而床转速较大时，液体停留时间较短，部分液体还未与气体反应就被甩出填料层，导致CO2吸收率降低。综上，床转速为1 000 r/min时，CO2的吸收效果最佳。易飞［18］也获得了相同的研究结果。由图4还可见，当床转速一定时，操作压力越高，CO2的吸收效果越好。

图4 床转速对CO2吸收率的影响

2.4 进口CO2体积分数对CO2吸收率的影响

沼气中CO2的体积分数与工艺、温度、压力等因素有关，可以随着环境的变化而改变。本实验使用配气（甲烷）来改变沼气中CO2的体积分数。在进液量60 L/h、气液比3.3、床转速1 000 r/min、操作压力1.2 MPa、进液温度26 ℃的条件下，进口CO2体积分数对CO2吸收率的影响见图5。

图5 进口CO2体积分数对CO2吸收率的影响

由图5可见，随进口CO2体积分数的增大，CO2吸收率不断下降。这是因为CO2浓度的升高使反应过程中热效应明显，床内温度升高较快，由亨利定理可知温度升高不利于CO2在水溶液中的吸收，导致处理效果变差。因此，进口CO2体积分数越小，CO2的吸收效果越好。这与李瑜辉［19］的研究结果相一致。

2.5 操作压力对CO2吸收率的影响

在进液量60 L/h、床转速1 000 r/min、进口CO2体积分数40%、进液温度24 ℃的条件下，操作压力对CO2吸收率的影响见图6。由图6可见，操作压力对CO2的吸收效果有很大影响，压力越大CO2吸收率越高。这是因为随着压力的升高，更多的CO2与水结合形成水合相，为了达到平衡，更多的CO2从气态进入液态，而压力对混合气中其他气体的影响则要小很多，从而使CO2与其他气体分离［20］。

图6 操作压力对CO2吸收率的影响

2.6 进液温度对CO2吸收率的影响

在进液量60 L/h、气液比3.3、进口CO2体积分数40%、操作压力1.2 MPa的条件下，进液温度对CO2吸收率的影响见图7。

图7 进液温度对CO2吸收率的影响

由图7可见，随进液温度的升高，CO2吸收率下降。这是因为，温度升高使亨利系数增大，降低了CO2的溶解度，不利于CO2的吸收［20］。

综上所述，当进口CO2体积分数固定为40%时，最佳工艺条件为进液量60 L/h、气液比3.3、床转速1 000 r/min、操作压力1.2 MPa、进液温度5℃。在此条件下，CO2吸收率为57.4%，提纯后气体的CO2体积分数为17%。

3 结论

a）以水为吸收液，采用旋转填充床分离沼气中的CO2。实验结果表明：进液量越大、气液比越小、进口CO2体积分数越小、操作压力越大、进液温度越低，则CO2的吸收效果越好；而床转速以适中为宜。

b）在进液量60 L/h、气液比3.3、床转速1 000 r/min、进口CO2体积分数40%、操作压力1.2 MPa、进液温度5 ℃的条件下，CO2吸收率为57.4%，提纯后气体的CO2体积分数为17%。

［1］谭风光. 沼气发酵及分离提纯技术研究 ［D］. 兰州：兰州理工大学，2012.

［2］张存胜. 厌氧发酵技术处理餐厨垃圾产沼气的研究［D］. 北京：北京化工大学，2013.

［3］江皓，吴全贵，周红军. 沼气净化提纯制生物甲烷技术与应用［J］. 中国沼气，2012，30（2）：6-11，19.

［4］Tynell Å，Börjesson 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. 沼气压力水洗提纯设备及工艺研究［D］. 苏州：苏州大学，2015.

［6］宋世昌，崔凯燕，宋龙杰，等. 水洗法沼气脱二氧化碳工艺流程技术改进［J］. 中国沼气，2014，32（3）：59-63.

［7］高涵，郭亚平，褚联峰，等. 醇胺法吸收二氧化碳在填料塔中的应用［J］. 过程工程学报，2010，10（6）：1091-1097.

［8］汤士勇. 变压吸附脱碳对甲烷、硫化氢等有害气体脱除的探讨［J］. 小氮肥设计技术，2005，26（6）：33-35.

［9］马国光，刘源海，牟雨. 变压吸附技术分离模拟油田火驱尾气中的CO2［J］. 化工环保，2015，35（6）：579-582.

［10］仲伟龙. CO2化学吸收技术研究［D］. 杭州：浙江大学，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］. Malmö：Swedish Gas Center，2001.

［14］陈建峰. 超重力技术及应用［M］. 化学工业出版社，2003：6-11.

［15］渠丽丽，刘有智，楚素珍，等. 超重力技术在气体净化中的应用［J］. 天然气化工：C1化学与化工，2011，36（2）：55-59.

［16］孙宝昌. 超重力环境下水耦合吸收NH3和CO2的研究［D］. 北京：北京化工大学，2009.

［17］邢银全，刘有智，王其仓，等. 超重力法脱除合成氨原料气中二氧化碳的实验研究［J］. 天然气化工，2008，33（1）：29-33.

［18］易飞. 超重力技术脱除二氧化碳的实验和模拟研究［D］. 北京：北京化工大学，2008.

［19］李瑜辉. 超重力法脱除高浓度二氧化碳的研究［D］.北京：北京化工大学，2011.

［20］范泓澈，黄志龙，袁剑，等. 高温高压条件下甲烷和二氧化碳溶解度试验［J］. 中国石油大学学报：自然科学版，2011，35（2）：6-11，19.

（编辑 魏京华）

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。

许碧璇（1990—），女，辽宁省阜新市人，硕士生，电话 15210936648，电邮 15210936648@163.com。联系人：王奎升，电话 010-64418684，电邮 kuishengw@163.com。

公益性行业（农业）科研专项（201303099）。