摘 要

沼气液化体系具体涵盖沼气的预处理、液化、储存、输送、利用这5个举措。普遍的操作举措是，将甲烷含量大于90%的沼气，经过净化处置后，采取比较现代的膨胀制冷加工流程，使甲烷气态物质变为-162℃的低温液体状态物质。现今为止关键性的有3种类型的沼气气态物质液体状态化装置加工流程路线:阶式制冷加工流程、混合制冷加工流程和膨胀制冷加工流程。

沼气作为一种洁净能源，在国家环保安全和能源保障方面具有重要意义。但现状是，绝大部分沼气资源不能够得到充分利用，从而造成资源浪费。而将沼气气态物质液体状态化是推广其广泛应用的重要形式。但就目前的生产加工流程而言，按甲烷的临界点条件进行气态物质液体状态化是十分苛刻的。

本文根据学习实践和查阅大量国内外资料，寻找了与甲烷介电常数相近的物质作为添加剂，采用添加剂气态物质液体状态化法改善气态物质液体状态化条件。对气态物质液体状态化沼气加工流程进行了研发。

关键词：沼气；气态物质液体状态化；气态物质液体状态化装置；加工流程研发

Process design and optimization of biogas liquefaction equipment

ABSTRACT

Methane gas liquefaction system mainly includes the pretreatment of the biogas, liquefaction, storage, transportation and use of the five subsystems. Production process is commonly, will contain more than 90% of the methane gas, after "three off" (i.e., dewatering, hydrocarbon, acid gases, etc.) after purification treatment, adopts the advanced expansion refrigeration process or external cold source, make it become a - 162 ℃ cryogenic liquid methane. The biogas process routes of the liquefaction plant mainly has three types: cascade refrigeration process, mixed refrigeration technology and the expansion refrigeration process. Biogas is a kind of clean energy, is of great significance in the aspect of national environmental security and energy security. But the situation is that most of the methane resource can't be fully used, resulting in waste of resources. And methane liquefaction is the important form to promote its wide application. But in terms of the current production technology, according to the critical point of conditions for liquefied methane is very demanding. In this paper, according to the study and practice at home and abroad a large number of data, seeking the dielectric constant and methane similar material as additive, additive liquefaction method is used to improve the conditions of liquefaction. On the liquefied gas process design. 

Key words: Biogas; Liquefaction; Liquefaction plant; Process design

目 录

1 绪论 1

1.1我国沼气气态物质液体状态化技术现状 1

1.2 沼气气态物质液体状态化技术应用前景 1

1.3课题研究的关键性的内容 2

2 沼气特点概述 3

2.1 沼气的特点 3

2.2 沼气的组成及处理 3

2.2.1 脱水、脱去含硫物质加工流程 3

2.2.2 脱碳加工流程 4

2.3沼气气态物质液体状态化处理 4

2.3.1 阶式制冷加工流程 4

2.3.2 膨胀制冷加工流程 5

2.3.3 沼气利用举措比选 5

2.3.4助溶剂的选取 5

3 沼气气态物质液体状态化装置的方案研发及分析 8

3.1 沼气组分分析 8

3.2 沼气气态物质液体状态化加工流程研发 9

3.3 加工流程运行条件 9

3.3.1 加工流程反应式 9

3.3.2 有催化作用的物质激活再生过程 10

3.3.3 激活再生反应原理 10

3.4 沼气气态物质液体状态化设计基础 10

3.5 加工流程过程分析 11

4 沼气气态物质液体状态化装置相关加工流程参数核算 12

4.1 装置加工流程参数研发 12

4.1.1 研发压力 12

4.1.2 研发温度 12

4.1.3 进料量及处理量的设定 13

4.1.4 进气量核算 14

4.2 降低温度体系加工流程参数取舍 14

4.2.1 换热类型的取舍 14

4.2.2 确定换热管内流体流速 14

4.2.3 换热管尺寸核算 15

4.2.4 换热管数量核算 15

4.2.5 热负荷核算 16

4.2.6 传热系数核算 16

4.2.7 传热平均温度差核算 17

4.2.8 换热管尺寸核算 18

4.3 罐体参数确定 18

4.3.1 筒体厚度核算 18

4.3.2 封头厚度核算 19

4.3.3 罐体高度核算 19

4.4 确定进料时间 20

4.4.1 液体状态物质空间体积核算 20

4.4.2 进助溶剂时间 21

4.4.3 排空时间 21

4.5. 喷洒器相关参数确定 21

4.5.1 底部喷洒器参数设计 21

4.5.2 顶部喷洒器设计 23

4.6. 设备与管道绝热设计 24

4.6.1绝热材料及绝热结构选取 24

4.6.2绝热核算 25

5 加工流程技术要求 28

5.1 控制体系的研发 28

5.2 控制技术要求 28

5.3 控制体系的研发原则 29

5.4 流体机械体系要求 30

5.5 制造加工流程要求 31

5.6 防爆措施 32

6 结论与展望 33

6.1 结论 33

6.2 展望 34

致 谢 35

参考文献 36

1 绪论

1.1我国沼气气态物质液体状态化技术现状

四川^[1]天然气气态物质液体状态化装置充分利用输气管线进出口两端的压差能来实现制冷，以天然气为制冷工质，以气态物质轴承透平膨胀机为关键性的制冷部件。其关键性的特点有：①无需用商用压缩机及其辅助体系，节省了装置投入费用；利用天然气本身的压力能，在运行过程中除极少的仪表用电外，其它几乎不会另消耗电能；②利用天然气本身的压力能，在运行过程中除极少的仪表用电外，其它几乎不会另消耗电能；③采用体积小、重量轻、效率高、能长期可靠运行的气态物质轴承透平膨胀机。

浙江大学^[2]制冷与低温研究所的张爱民,陈光明,王勤研究的小型天然气气态物质液体状态化装置,在气态物质液体状态化环节，他们提出了一种新的带精馏的混合制冷剂气态物质液体状态化方法。混合制冷剂可以是氟利昂、烷烃类、氮等组成，以一定比例构成的多组分混合物。该流程结构简单,只需一台压缩机及相应附件就可搭建小型天然气气态物质液体状态化实验平台。并且在较低的循环压力下,就能得到-165.6℃的最低制冷温度,而且能将质量流量为0.54g/s 的氮气降低温度到-157.6℃,如果用来气态物质液体状态化压力为0. 14MPa 的天然气,单位能耗为0.69kW.h/kg。在第二十五届苏共大会上，明确指出天然气工业将是一个使用最冷、规模最大制冷装置的体系工程。因这种在能源匮乏的今天，必须把天然气气态物质液体状态化制冷工序的单位能耗量作为一个重要指标去衡量。

1.2 沼气气态物质液体状态化技术应用前景

我国的^[3]土地面积众多，相比于欧美,人口数量以及猪牛的年饲养量也要多很多，由这种可以推断，如果说欧盟27个国家的沼气数量的潜力大约是734亿立方米的天然气，那么中国沼气的现实潜力绝对不会少于欧美。沼气气态物质液体状态化的技术可以利用多种形态的生物质。中国虽然是地广人稀，但“地广”关键性的是耕地面积少，而林地面积是耕地面积的2倍，草地面积是耕地面积的3倍。从长远来看，如何充分利用这些自然条件，气态物质液体状态化沼气作为一种新的能源产业，在中国前途无量。

1.3课题研究的关键性的内容

本课题的研究工作关键性的将涵盖以下几方面：

1. 调研以研究沼气的组成、分析添加剂气态物质液体状态化法的可行性和根据科学论断大致确定助溶剂的组成种类范围；
2. 研发添加剂气态物质液体状态化法的加工流程，并作可行性分析，绘制加工流程图、管道仪表流程图；
3. 分析核算并确定该套装置的加工流程参数，即主体罐的研发压力、研发温度、热负荷及换热面积、单位时间处理量及核算机采集控制体系的控制要求等。做出可行性分析，历经可行性分析再对整个加工流程控制提出具体要求；
4. 撰写利用该套装置进行沼气气态物质液体状态化的加工流程、注意事项和该套装置的应用前景；
5. 编写毕业论文（涵盖中英文摘要、目录、绪论、文献综述、研发分析、方案分析、加工流程参数核算、加工流程要求、参考文献等），总计一万五千字以上。

2 沼气特点概述

2.1 沼气的特点

沼气的关键性的组分是甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）。还有氮，氢，氧和硫化氢的含量都较小。最常见的沼气利用方式，目前涵盖沼气能源电池技术和污染控制。

2.2 沼气的组成及处理

厌氧^[4]消化过程中产生的沼气是一种多种气态物质的混合体，关键性的组分是甲烷、二氧化碳和硫化氢。沼气历经提纯过程化处理之后可以作为燃气。沼气和燃气的组分对比如下表所示：