沼气脱硫吸附分离工艺研究

李坤亮

摘要：指出了随着能源消耗的日益增长，由此引发的环境污染问题也越来越多，寻求可以替代传统化石能源的新能源引起了人们越来越浓厚的兴趣。生物废料经过厌氧发酵得来的沼气是一种可再生能源，主要包括CH4、C02、以及微量的H2S等杂质。为了将生物沼气转化成生物甲烷，满足车用燃料以及天然气燃料替代品的条件，需提前除去H2S，因此，探讨了沼气多元体系中H2S气体的去除分离工艺，以期提供参考。

关键词：沼气;H2S吸附;脱硫

中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（ 2020） 2-015 6-02

1 引言

在全球化日益加快的今天，人类生存活动对能源的消耗以及依赖越来越大。随着化石资源的不断消耗，世界各国的能源枯竭问题日益严重。生物质能源主要包含沼气、农作物秸秆、木屑等燃料，是一种清洁的环境友好型可再生能源。沼气中H2S杂质的存在不仅造成能量利用效率的下降，还会增加压缩以及运输过程中的能耗。而经过沼气提纯脱除CO2及H2S等杂质后，得到的纯度大于90%的生物甲烷可以用来替代传统天然气，具有重要的战略意义，

2 沼气脱硫吸附分离工艺研究

目前已经有很多含H2S多元体系脱除H2S变压吸附方面[1-6]的研究。以下分别从实验[1-3]以及模拟[4-7]两个角度进行阐述。Truong等人从实验角度利用反应吸附技术从垃圾填埋场或厌氧消化池生产的沼气中去除H2S。发现吸附剂的性质、气体的流率、H2S的组成浓度以及沼气中的湿度都会影响H2S的去除效率[1]。曹达鹏等人以碳纳米管为吸附剂探究了碳纳米管管径、温度、压力、羰基官能团对二元混合气体中，如H2S-CH4、HZS-C02等二元气体吸附分离的影响。结果发现温度为303K时，大直径的碳纳米管CNT（ 20，20）对纯H2S、S02的吸附容量更大。但是303K，100 kPa下，碳纳米管CNT（6，6）对于含有硫气体的二元混合物的吸附选择性最大。在纯碳管中，H2S- CO2、H2S-CH4二元气体的分离存在最优孔尺寸，值为0. 81 m。进一步在最优孑L尺寸处研究压力和温度的影响，发现压力对H2 S/CO2、H2 S/CH4二元气体吸附选择性几乎没有影响，但是随着温度的升高，选择性明显降低[6]。俞汉青等人利用蒙特卡罗模拟研究石墨层的距离和MGN表面Li掺杂对沼气中甲烷的储存和酸性气体（H2S和C02）分离的影响。结果表明，以锂掺杂的MGNs为吸附剂的用于分离沼气中的非烃物质存在最佳层距离0. 68 nm[5]。Paolo Cosoli等人以沸石为吸附剂（如FAU，LTA，MFI）研究沼气分离H2S，通过比较纯H2S气体和混合气体吸附量，结果显示亲水性沸石更利于H2 S吸附，FAU，NAY是吸附剂最好的选择，优于NAX[6]。仲崇立等人采取巨正則系综蒙特卡罗模拟方法研究天然气中H2S/CH4二元体系在33种具有代表性的稳定金属一有机骨架（ MOF）材料中的吸附分离，通过观察高吸附选择性和高工作容量吸附材料的结构特征，结果发现亲疏水改性官能团如- COOH、-CH3等以及小孔作用的出现是影响选择性的关键因素[7]。曹达鹏等人对碳纳米管表面进行官能团羰基修饰，官能团密度增加时，H2S- CH4的吸附选择性会成倍的增加[6]。在实验上，Hafez Maghsoudi等人以高二氧化硅CHA型沸石膜为吸附剂同时去除H2S/CO2/CH4三元体系中的H2S和CO2。Alonso - Vicario等人以合成沸石和天然沸石为吸附剂利用变压吸附法分离沼气中的H2S和CO2。Jing等人用蒙特卡罗模拟方法以MIL一47为吸附剂研究H2S/CH4/N2体系中H2S的吸附和分离性质。Saeid Ye ganegi等人用GCMC探究受限狭缝孑L内三元组分H2S/CO2/CH4酸性气体的吸附分离，发现受限狭缝孔内纯气体的吸附量和吸附热高于简单狭缝孔。以上都是基于含H2S多元体系的研究，得出外部条件，吸附剂结构，官能团修饰都是影响H：S脱除率的重要因素。

3 结论

有关以分子筛、金属有机骨架化合物、碳质材料等为吸附剂吸附分离沼气多元体系中H2S的研究还有很多。本文论述的沼气脱硫吸附分离方法对沼气中含HzS多元体系H2S的脱除具有重要意义。

参考文献

[1]Truong I_V， Abatzoglou N. A HzS reactive adsorption process forthe purification of biogas prior to its use as a bioenergy vector [J].Biomass and Bioenergy， 2005， 29（2） ：142-151.

[2]Nagl G. Controlling HzS emissions [J]. Chemical Engineering，1997， 104（3） ：125～31.

[3]Feng WG， Kwon S， Borguet E， et al. Adsorption of hydrogensulfide onto activated carbon fibers： Effect of pore structure andsurface chemistry [J]. Environmental Science &Technology，2005 . 39（24） ： 9744-9749.

[4]Qiao ZW， Ren SH， Zhou J. Molecular Simulations of Adsorptionand Separation of H2S and N2 Mixture by Single Wall CarbonNanotubes [Jl. Chemical Journal of Chinese Universities - Chi-nese， 2012（33） ： 800一805.

[5]Gholampour F， Yeganegi S. Molecular simulation study on the ad-sorption and separation of acidic gases in a model nanoporous car-bon [J]. Chemical Engineering Science， 2014 （117） ： 426-435.

[6]Wang WJ， Peng X， Cao DP. Capture of Trace Sulfur Gases fromBinary Mixtures by Single- Walled Carbon Nanotube Arrays： AMolecular Simulation Study [Jl. Environmental Science&Technology， 2011， 45（ 11） ： 4832-4838.

[7]Xu H， Tong MM， Wu D， et al. Computational Study of Metal-Organic Frameworks for Removing HzS from Natural Gas [J].ActaPhysico- ChimicaSinica， 2015 ， 31 （ 1） ： 41- U290.

作者简介：李珅亮（ 1992-），男，助理工程师，研究方向为化工、环保。