沼气压力水洗提纯控制系统研究毕业论文(编辑修改稿)

沼气压力水洗提纯控制系统研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

020 428 万 m3/a 车用燃料 抚顺生活垃圾填埋气回收精制天然气项目 2020 432 万 m3/a 车用燃料 辽宁大连东泰夏家河污泥消化项目 2020 25000 m3/d N/A 海口沼气清洁公交新能源示范项目（一期） 2020 20200 m3/d 车用燃料 辽宁铁岭工业沼气禁止天然气项目 2020 15000 m3/d N/A 常熟 理工学院毕业设计（论文） 5 沼气是一种混合气体，厌氧发酵的原料、发酵条件、操作方式 等决定了 其 组分 ， 一般情况下， 沼气的主要成分为甲烷（ CH4）、二氧化碳（ CO2），水（ H2O）、氮气（ N2），氧气（ O2），以及微量的氨气（ NH3）和硫化氢（ H2S）。 如表 11，为沼气与天然气的主要组分及特性对比，天然气的华白数是沼气的 ~ 倍，当沼气中 CH4 的含量超过 95%以后， 提纯后的 沼气的华白数就可以达到天然气的水平， 可 替代 天然气。 表 12 沼气和天然气部分组分及特性对比 参数 单位 沼气 北海天然气 荷兰天然气 低位热值 MJ N1m3 23 40 密度 Kg N1m3 高华白数 MJ N1m3 27 55 甲烷数 135 70 CH4 含量 % 63(53~70) 87 81 高碳氢化合物体积分数 % 0 12 CO2 体积分数 % 47(30~47) 1 N2 体积分数 % 14 O2 体积分数 % 0 0 0 H2S 体积分数 106 1000 NH3 体积分数 106 100 0 总氯（以 Cl–计） mg N1m3 0~5 0 压力水洗法是利用 CO CH4 在水中溶解度的 巨大差异 实现 它们的 分离， 在 水中 ，CO2 在溶解度是 CH4 的 30 倍 左右 ， 加压水洗时， CO2 水中溶解在水中，而 CH4 溶解量较 CO2 少太多，可认为 CH4 在水中几乎不溶解， CH4 在水洗塔顶部富集后被收集 ， 降压时， 溶解在水中的 CO2 解吸出来 ，实现 CH CO2 的分离，完成沼气提纯 [3]，含有 CO2和 CH4 的废水可以通过空气吹托再 生 以 循环利用。 水洗时，沼气从水洗塔的底部进入，通常会安装气体弥散装置，将沼气分散为大量的小气泡，均匀分布在水中，沼气泡在上升的过程中，其中的 CO2 溶解在水中； 水从顶部 流入，与沼气流方向相反。 在加压水洗时，一般会在 水洗塔内部 安装 填料 ，用来 增加 气、液传质 面积，提高 沼气提纯的效果。 水洗法的优势非常明显，一是 水洗法效率较高， CH4 损失率低，二是 采用水做吸收剂， 较为廉价 ，其经济性 非常 明显。 但是 加压水洗法 也有缺点，长期水洗后， 水洗塔内的填料 会滋生大量微生物 ，造成填料堵塞，因此，需要 定期对水洗塔进行清理 ，或者加氯杀常熟 理工学院毕业设计（论文） 6 菌。 在 水洗过程 中，也 可以 同时去除 H2S，但是为了避免 H2S 会对 压缩设备产生腐蚀，应在脱 CO2 之前 使用脱硫装置 将其 去除。 同时由于采取水洗工艺，所以提纯后的沼气还需要干燥处理 图 11 常见的 压力水洗法提纯沼气示意图 沼气提纯技术发展到现在， PSA 法、加压水洗法、化学吸收法以及膜分离法已经实现了在商业上的应用。 其中 PSA 法、加压水洗法大约各占了欧洲沼气提纯市场 33%的市场 份额。 如表 12 所示，为几种主要沼气提纯方法的对比 [3]。 通过对比，可以发现沼气水洗提纯有以下几个优点： ，无毒，不会对 环境产生污染，而且水较廉价，尤其是水洗后的废水可以利用空气吹托再生，循环利用，这样不仅节约了水资源，而且能够减少沼气提纯成本。 ，无须对水进行加热，不用额外增加温度调节设备，节省了水洗设备的费用，而且水洗时，可以同时去除沼气中含有的少量 H2S，可进一步去除脱硫设备未完全去除的 H2S。 ，工程数量较多，可为国内的沼气水洗提纯提供参考的实例。 常熟 理工学院毕业设计（论文） 7 表 13 几种沼气提纯方法性能对比 参数 水洗法 有机溶解吸收法 胺吸收法 PSA法 膜分离法 生物天然气中 CH4体积分数（ %） ~ ~ ~ ~ 甲烷回收率（ %） 80~ 输气压力（ bar） 4~8 4~8 0 4~7 4~7 消耗电能（ kWh/m3） ~ ~ 加热需求和温度 70~80℃ 120~160℃ 脱硫需求 取决于工艺 需要 需要 需要 需要 消耗品需求 防污剂、干燥剂 有机溶剂（无毒） 胺溶液 (有毒，有腐蚀性 ) 活性炭（无毒） 可参考工程数 多 少 中等 多 少 本章详细的写了课题的研究背景和意义，指出沼气提纯有着巨大的发展前景。 并叙述了目前国内外的沼气提出技术的发展现状，最后介绍了 沼气 压力 水洗提纯技术。 2 系统方案设计 一 以 单片机为基础开发，将二氧化碳传感器和甲烷传感器检测水洗塔内的二氧化碳和甲烷的浓度 ，将传感器采集到的模拟信号通过 AD转换模块转换成数字信号 输入到单片机中，单片机将采集到的信号与预设的值进行对照，从而输出开关量信号控制电磁继电器的开闭来控制 3 个电磁阀，一个真空泵，一个压缩机的开关。 预计使用的元器件 传感器 为 红外甲烷浓度检测仪，红外二氧化碳检测仪 信号转换 为 AD 转换模块 数据处理模块 为 单片机 常熟 理工学院毕业设计（论文） 8 执行器 为 电磁阀，真空泵，压缩机 图 控制方案一示意图 该控制方案以单片机最小系统为基础，只需要加上 AD 转换模块即可实施控制，另外根据实际要求可以添加显示模块和报警模块，简单方便， 成本低廉， 但是 这一方案只能实行简单的控制，遇到复杂的情况可靠性并不高，考虑到沼气压力水洗控制系统控制要求比较简单，在数据采集的频率与精度的规定上要求 不高。 故可以直接采用单片机控制方案。 控制方案二是以数据采集卡为基础进行开发的，通过采集卡将甲烷浓度检测仪、二氧化碳检测仪、压力检测仪检测到的模拟信号到采集卡中，由于采集卡内部集成有数模转换功能，通过编程可对模拟数据数字化，采集卡会对输入值与设定值进行比较，输出开关量信号，从而控制电磁阀、压缩机、真空泵的开关。 利用采集卡，可用 LabVIEW 开发虚拟界面，对采集结果进行显示，并可对运行情况进行监控，并可开发多个按钮，对压缩机、真空泵进行控制。 为 红外甲烷浓度测量仪、红外二氧化碳测量仪。 转换及控制 使用 采集卡、基于 LabVIEW 的虚拟控制界面。 为 电磁阀、真空泵、压缩机。 常熟 理工学院毕业设计（论文） 9 图 控制方案二示意图 方案一，以单片机最小系统为基础，加上 A/D 转换模块即可实现，且可外加显示模块和预警模块，简单易行，成本较低，缺点是只能实现简单控制，复杂情况可靠性较低，适于小规模简单控制。 方案二，通过数据采集卡配合 LabVIEW 的虚拟界面，可实时显示，并对运行情况进行监视，同时开发的虚拟界面方便查看及控制，也更加智能化，并可实现复杂的控制，缺点是采集卡成本高，且需要搭配笔 记本实现控制，进一步增加了成本，适合大中规模复杂控制。 考虑到设计的沼气压力水洗系统控制简单，规模较小，成本也较低，同时也能满足控制要求，所以利用单片机开发控制系统更加合理。 甲烷，二氧化碳检测仪均为 MOT500 系列的气体检测仪， 信号输出方式有两种，分别为 420ma 的电流信号和 RS485 信号， 配合 RS232 转接卡可在电脑上存储数据 ，（由于经济原因并未购买通讯协议，故无法实现 RS485 的通讯）。 仪器自带 LCD 显示，能够直接显示气体的浓度，类型，单位，工作状态等 ，可以自动根据的温度进行气体 浓度数值的补偿。 常熟 理工学院毕业设计（论文） 10 精度误差与零点漂移在正负 1%以内，响应时间小于 10 秒，工作电源为 1230VDC（本实验使用 15V 电源）。 具体参数如表 所示，实物图如图 所示。 表 CO CH4浓度检测仪器主要参数 项目 参数 测量范围： 二氧化碳 检测仪 ： 050%Vol；红外甲烷 检测仪 ： 0100%Vol 分 辨 率： （ 0～ 100%VOL） 检测精度： ≤177。 1%（实际浓度，更高精度视传感器而定） 响应时间： ≤10秒（ T90） 线性误差： ≤177。 1% 恢复时间： ≤10秒 零点漂移： ≤177。 1%（ ） 重 复 性： ≤177。 1% 零点漂移： ≤177。 1%（ ） 信号输出： 线制 标准 420mA模拟 电流信号输出 ， 最远可传输 2020 米（单芯 1mm178。 屏蔽电缆） （ 标准 MODBUS RTU 协议） 数字信号输出 、频率信号（频率范围可调） 组继电器输出 （开关量），报警输出高、低限可调， 无源触 点 容量 220VAC，3A； 24VDC， 3A ，报警声音： 90分贝（选配）， 可配 RS232转接卡 连接电脑 存储数据（选配） 3000 米远距 离无线传输， IP 局域网传输，更远距离可选 GPRS 传输、光钎传输 （选配） 常熟 理工学院毕业设计（论文） 11 图 红外甲烷检测仪实物图 控制系统的设计是以甲烷和二氧化碳两个气体传感器为基础的，由于两个气体检测仪输出的电流信号无法通过 AD 模块直接输入到单片机中，所以在气体检测仪和 AD 转换模块之间加入电流转电压模块 ，将气体检测仪输出的 420ma 电流信号线性转化为 05v 的电压信号，再将 05v的电压信号通过 AD转换模块输入到单片机中，对应为 0%100%的气体浓度。 与预设值比较，输出开关量控制执 行器执行。 考虑到调试时的显示需要，再给它添加上显示模块。 因为 只有传感器是直接连接在沼气提纯塔的罐体之上，且其自身带有防爆 设计，所以控制系统不需要考虑防爆措施。 常熟 理工学院毕业设计（论文） 12 图 控制系统方案改进示意图 在设计控制系统之前，必须清楚沼气压力水洗的工作流程。 在常压水洗中，因为是常压，多以采用的是连续式水洗，但是在压力水洗中，普通水泵无法向高压的水洗塔中注水，高压下的连续式水洗对设备及仪器要求较高，成本较大。 所以本文提出了间歇式沼气压力水洗提纯方案，如图 41 所示，为沼气水洗提纯流程图。 水洗过程 需要说明的是，该水洗过程是在沼气中 CH4 浓度 70%， CO2 浓度 30%（依据于常压水洗试验时的沼气组分）时，仔细考虑制定的，当沼气中 CH CO2 浓度改变时，水洗过程中的控制参数要相应的改变。 压力为 7bar（约 ） 下进行，水洗时，水洗塔内装满一定量的水 ，由水泵提前输送进去的，根据需要会定期换水，换水在常压进行，在水洗过程中，水泵是不需要工作的。 ，电磁阀都处于关闭状态。 ， 电磁阀 1开，压缩机开机， 延时 30s 后，电磁阀 1 关闭，排空水洗塔内废气，电磁阀 1关闭后，压缩机 输送 的高压 沼气 的 使水洗塔内压力上升，处于高压状态。 CO2 溶解在水中， CH4 在水洗塔顶部富集，当 CH4 浓度检测仪检测到 CH4浓度大于 90%时，电磁阀 2开，将提纯后的沼气收集。 CH4检测仪检测到水洗塔中 CH4 浓度低于 85%，电磁阀 2关 闭， CH4 继续富集，直到超过 90%，电磁阀 2 才被打开。 常熟 理工学院毕业设计（论文） 13 CO2浓度检测仪检测到 CO2 的浓度大于 40%，压缩机关闭， 电磁阀 3 开，真空泵开始 抽真空 ， 溶解在水中的 CO2 被释放出来，并被收集。 CO2浓度检测仪检测到 CO2 的浓度低于 10%（ 由于杂质气体的存在， CH4 浓度不会超过 90%，无须担心电磁阀 2开），真空泵关，电磁阀 3关，完成一个水洗过程。 27，持续水洗过程，根据需要，对水洗塔内部的水定期进行更换。 图 沼气水洗流程图 本章介绍了设计初期提出了两个系统方案，然后根据两个方案的优缺点，确定本系统以单片机为基础开发，并且本系统是以已有的气体检测仪为主体进行设计的，有介绍了两个气体检测仪的一些基本参数，在此基础上对原定方案进行优化改进，最后介绍了本次水洗提纯的具体工作流程。 3 硬件电路设计 常熟 理工学院毕业设计（论文） 14 使用 Proteus 设计的沼气压力水洗提纯系统硬件原理图如图 53所示，控制系统的硬件组成主要包括三部分：单片机最小系统、电流转电压模块、 A/D 转换模块 、显示模块。 该硬件电路有两个 420mA 电流输入端口，可接收 CH CO2 浓度检测仪器的电流信号。 5个 led 灯用于模拟硬件电路输出的开关量。 从上往下 5个 led 灯， D1 表示电磁阀一 ， D2表示电磁阀 2， D3 表示电磁阀 3， D4 表示压缩机 ， D5 真空泵。 如图 53 表示。 由于在实际安装。