沼氣凈化提純的程度取決于沼氣的用途。沼氣供熱需要脫硫化氫、水，沼氣發(fā)電需要脫硫化氫、水、有機(jī)鹵化物；沼氣作汽車燃料需要脫硫化氫、水、有機(jī)鹵化物、二氧化碳；沼氣并入天然氣網(wǎng)需要脫硫化氫、水、有機(jī)鹵化物、二氧化碳以及金屬。本文將就沼氣脫水、脫硫和脫碳的常用工藝進(jìn)行匯總詳述。
一、脫硫工藝
沼氣脫硫是為了避免硫化氫腐蝕設(shè)備、硫化氫中毒，以及防止沼氣燃燒時(shí)，硫化氫被氧化成二氧化硫或三氧化硫造成更大的危害。其脫除方法如下：
生物降解工藝
沼氣中的硫可以通過微生物被去除，即他們利用沼氣中的二氧化碳來滿足其C營養(yǎng)的需要，主要生成物是單質(zhì)硫，也有部分硫酸根，在溶液中形成硫酸會(huì)造成腐蝕。根據(jù)沼氣中不同不同的硫化氫含量，可以往沼氣中通入2%-6%的空氣，以滿足生物氧化硫化物的需要。
最直接和簡單的方法是直接往厭氧消化罐或儲(chǔ)氣罐中通入一定量的氧或空氣并保持一定時(shí)間，且不需要接種。適當(dāng)?shù)臏囟取⒎磻?yīng)時(shí)間和空氣量可以使硫化氫減少至50ppm。
對(duì)于不同的甲烷含量，沼氣在空氣中的爆炸范圍為6%-12%，所以必須采取一定的安全措施以避免給沼氣中通入過量的空氣。
生物濾床工藝
在大型厭氧消化罐生產(chǎn)沼氣中，水洗和生物脫硫常常被聯(lián)合起來用以去除硫化氫。可以使用廢水或者消化罐中的上清液從濾床頂部通入，沼氣從底部通入，進(jìn)入濾床前的沼氣中通入4%-6%的空氣，濾床為水吸收硫化氫和脫硫微生物的生長都提供了一個(gè)充足的接觸面。
消化污泥中加氯化鐵工藝
直接往消化污泥中加入氯化鐵，氯化鐵會(huì)和硫化氫反應(yīng)而形成硫化鐵鹽顆粒。這種方法可以使硫化氫的產(chǎn)生量大為減少，但不能減少到天然氣或汽車燃料所要求的水平，需要再進(jìn)一步處理。這種去除工藝的投資成本較少，只需要一個(gè)盛氯化鐵溶液的罐子和一個(gè)定量泵，主要成本是氯化鐵產(chǎn)生的。
氧化鐵吸收工藝
硫化氫易于氫氧化鐵、氧化鐵反應(yīng)成硫化鐵，此反應(yīng)是略微的吸熱反應(yīng)，溫度要求12℃，反應(yīng)溫度需要一定量的水，所以沼氣不能太干，但是應(yīng)該避免生成冷凝水使球狀氯化鐵粘在一起，減少了反應(yīng)表面。
產(chǎn)生的硫化鐵可被空氣氧化再生，生成氧化鐵或者氫氧化鐵和硫單質(zhì)，再生過程中會(huì)放出大量的熱，因此常常會(huì)發(fā)生自燃。由于在氧化鐵的表面上會(huì)覆蓋一層硫單質(zhì)，所以在經(jīng)過很多次重復(fù)使用后，就需要更換氧化鐵和氫氧化鐵。通常，一個(gè)裝置中配有兩個(gè)反應(yīng)床，當(dāng)一個(gè)在進(jìn)行脫硫的過程中，另一個(gè)可以進(jìn)行再生。
氧化鐵木片吸收工藝
在木片上覆蓋一層氧化鐵相對(duì)于相同量的氧化鐵有更大的比表面積和較低的密度，大約100g的氧化鐵木片可以吸收20g的硫化氫。這種方法在美國很流行，價(jià)格相對(duì)較低，但是必須注意再生氧化鐵過濾器的時(shí)候溫度不能太高。
赤泥顆粒吸收工藝
氧化鋁生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢物赤泥可以被做成顆粒狀用來吸收硫化氫，它有著更大的比表面積，不足之處就是密度比氧化鐵木片大得多。
活性炭吸附工藝
在變壓吸附系統(tǒng)中硫化氫可通過用碘化鉀浸泡過的活性炭去除，硫化氫被轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫和水，硫被活性炭吸收，此反應(yīng)條件為：壓力7-8×105Pa，溫度50℃到70℃，在壓縮氣體的過程中很容易使溫度到達(dá)50℃以上。通常氣體停留時(shí)間為4-8小時(shí)。在連續(xù)運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)要包含兩個(gè)吸附裝置，如果硫化氫的濃度在3ppm以上，需要進(jìn)行再生。
二、脫水工藝
沼氣脫水是因?yàn)閷?dǎo)氣管中如果積累了水會(huì)溶解硫化氫腐蝕管道。此外，當(dāng)沼氣被加壓儲(chǔ)存時(shí)，沼氣中的水會(huì)凝結(jié)凍壞儲(chǔ)氣罐。其脫除方法如下：
冷凝法
針對(duì)不同的凈化工藝，在各個(gè)階段有不同的方法。在壓縮之前需除去冷凝水，這樣，在洗滌去除二氧化碳和硫化氫工藝中就不需要再針對(duì)氣體進(jìn)行干燥。
在吸收凈化工藝之前也常常需要對(duì)氣體進(jìn)行干燥，主要有冷凝法和吸附法，最常用的為冷凝法，即在熱交換系統(tǒng)中通過冷卻器冷卻氣體而除去冷凝水。
吸附干燥
吸附干燥是通過硅膠，氧化鋁或氧化鎂等干燥劑來吸收氣體中的水分，待干燥的氣體通過吸附床中的干燥劑被干燥。通常使用兩套裝置，當(dāng)一個(gè)工作的時(shí)候，另外一個(gè)可以再生。
干燥劑的再生可以通過兩種途徑。一種是可以用一部分(3%-8%)的高壓干燥氣體再生干燥劑，這部分氣體可重新回流至壓縮機(jī)人口。另外一種是在常壓下用空氣和真空泵來再生干燥劑，此法會(huì)把空氣混入沼氣中，一般不會(huì)有。
吸收法
水可以被乙二醇、三乙二醇和吸水性的鹽吸收，有許多種鹽都有不同的吸水性，通常在干燥吸附塔中填充上小顆粒鹽，待干燥沼氣從底部通入，被水溶解了的飽和鹽溶液積累在吸附塔的底部，通過閥門排除，然后換上新鹽顆粒，鹽一般不用再生。
三、綜合凈化提純工藝
水洗工藝
因?yàn)槎趸己土蚧瘹湓谒械娜芙舛缺燃淄榇螅运床坏梢匀コ趸迹�可以去除硫化氫。此吸收過程是純粹的物理反應(yīng)。通常沼氣通過壓縮后從吸收柱底部進(jìn)入，水從頂部進(jìn)入進(jìn)行反相流動(dòng)吸收。吸收了二氧化碳和硫化氫的水可以再生循環(huán)使用，可以在吸收柱中通過減壓或者用空氣吸脫再生，當(dāng)水中的硫化氫濃度比較高的時(shí)候，一般不推薦使用空氣吹脫，因?yàn)樗芸煊直涣蛭廴尽Ｈ绻袕U水可以利用，不推薦對(duì)水進(jìn)行再生。
聚乙二醇洗滌工藝
和在水中一樣，二氧化碳和硫化氫在Selexol中的溶解度比甲烷大，不同之處是需要的聚乙二醇的量比水減少，更加經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。另外水和鹵化烴(填埋場沼氣中的成分)也可以用Selexol洗滌去除。Selexol可以再生重復(fù)使用，可以使用水蒸汽或者惰性氣體吹脫聚乙二醇中的元素硫，但是不推薦使用空氣。
膜分離工藝
膜法分離主要有兩種方法：一種是膜的兩邊都是氣相的高壓氣體分離；另一種是通過液體吸收擴(kuò)散穿過膜的分子的低壓氣相-液相吸收分離。
1）高壓氣相分離
壓縮到36×105Pa的沼氣首先通過活性炭床以去除鹵化烴和硫化氫，接著便通入濾床和加熱器。膜是由醋酸纖維素制成，可以用來分離像二氧化碳、水蒸汽和殘留的硫化氫等極性分子，它有一定的選擇性。
2）氣相-液相吸收膜分離
其實(shí)質(zhì)是沼氣中的硫化氫和二氧化碳分子穿過一個(gè)多孔的熟睡膜在液相中被吸收去除。從下方進(jìn)入的氣體，其中的硫化氫和二氧化碳分子能夠擴(kuò)散穿過膜，然后被相反方向流過的液體吸收，吸收膜在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下工作。在25℃到35℃，可以非常有效地把沼氣中的硫化氫濃度從2%減少到小于250ppm，液相的吸收劑可用NaOH溶液。
碳分子篩工藝
分子篩適用于分離沼氣中特定的氣體組成。通常分子被松散地吸附在炭孔隙中，并且可以析出。通過不同的網(wǎng)孔大小或者壓力可進(jìn)行選擇性的吸收。當(dāng)壓力減小時(shí)，分子篩中吸收的化合物組分會(huì)釋放出來。所以這個(gè)過程常常被稱作“變壓吸附法”，可以用焦炭制作富有微米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的分子篩凈化沼氣。
PSA工藝
為了節(jié)省壓縮氣體的所需的能量，需要把一系列分子篩串聯(lián)在一起。氣體壓力從一組分子篩中釋放后加入接下來的一組。通常是將四組排為一列，可同時(shí)用來去除二氧化碳和水蒸汽。利用活性炭去除了硫化氫后，冷凝器在4℃下冷凝去除之后，沼氣在6×105Pa的壓力下通入吸收單元，通過個(gè)吸收柱后可以使沼氣中的水蒸汽分壓小于10ppm，甲烷含量超過96%以上。
第二個(gè)柱子壓力從6×105Pa釋放到接近3×105Pa，在接著減至常壓，釋放出的氣體再返回消化罐中以回收甲烷。第三個(gè)柱子壓力從1×105Pa減少到0.1×105Pa，放出的氣體主要含有二氧化碳，并有少量甲烷，通常都直接排放，也可以設(shè)置一個(gè)回收裝置來回收甲烷。
可以用紅外沼氣分析儀對(duì)個(gè)柱子分離的甲烷成份進(jìn)行在線連續(xù)檢測，如果不能滿足所需的沃泊指數(shù)，氣體需要再進(jìn)行變壓吸附，如果甲烷含量足夠高的話，可以輸送進(jìn)天然氣網(wǎng)或者通過壓縮機(jī)壓縮至250×105Pa進(jìn)行儲(chǔ)存。