1、常熟理工学院毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目 沼气压力水洗提纯控制系统研究 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 11 级 专 业 自动化 班 级 自动化 111 学 号 160111116 学生姓名 孙敏杰 校内导师 孟翔飞 职 称 讲 师 校外导师 职 称 论文提交日期 2015-5-15 常熟理工学院毕业设计（论文）常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的
2、个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人学号（9 位）：本人签名： 日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文） ，并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守
3、此规定。本人签名： 日期：导师签名： 日期：沼气压力水洗提纯控制系统研究摘要随着经济的发展，全球已经进入能源危机的时代。煤炭，石油天然气等传统化石燃料消耗量在不断增大，这不仅加剧了化石资源的枯竭速度，还带来了许多严重的环境问题。日益增长的能源需求和日渐严重的环境污染迫使我们寻找解决能源危机的突围之路。其中，发展替代能源，实现传统能源之间，传统能源与新能源之间的替代，是解决我国能源供需瓶颈、供需结构性矛盾以及减轻环境压力的有效途径。开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效手段，发达国家都在致力开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源
4、资源，保障国家经济的可持续发展。在可再生能源中，生物天然气是一种重要的生物质能源，它以甲烷为主要成分，主要通过沼气净化提纯得到。由于生物天然气可以直接作为石化天然气的替代燃料，所以可以发展沼气增加天然气供应从而缓解能源危机。本文主要介绍了国内外常见沼气提纯方法中的水洗法，它是利用 CO2、CH4 在水中溶解度的差异实现分离，是一种相对廉价的提纯方法，尤其在不需要对水进行再生处理的时候其经济性更加明显。研究了其控制系统来有效的节省人力物力，提高效率，减少人员失误，提高产品质量。带来安全方便的操作。关键词：沼气提纯 压力水洗法 控制系统Gas pressure control system for
5、 water purificationAbstractWith economic development, the world has entered the era of energy crisis. Coal, oil, natural gas and other traditional fossil fuel consumption continues to increase, which only exacerbated the depletion of fossil resources speed, but also brought many serious environmenta
6、l problems. Growing energy needs and increasingly serious environmental pollution forced us to look for the way out to solve the energy crisis. Development and production of a variety of renewable energy sources to replace coal, oil and natural gas and other fossil fuels in the world to solve the en
7、ergy shortage in the future an effective means, developed countries are committed to the development of efficient, non-polluting biomass utilization technology to protect national fossil energy resources, and ensure the sustainable development of the national economy. Bio-gas is an important source
8、of biomass in renewable energy sources, which methane as the main component, mainly obtained through biogas purification. Since bio-gas can be an alternative fuel of petrochemical natural gas, it is possible to increase the development of methane gas supplies to alleviate the energy crisis. This pap
9、er describes a washing method is a common method for purifying biogas abroad. It uses CO2, CH4 difference in solubility in water to separate, is a relatively inexpensive method of purification, in particular it does not need to be regenerated water when its economy is more obvious. Study its control
10、 system to effectively save resources, improve efficiency, reduce human error, improve product quality. Bring safe and convenient operation.Keyword： Biogas purification Biogas upgrading with water Control sys1 引言 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外沼气提纯技术的发展现状 .31.3 沼气组分及特性 .51.4 沼气水洗提纯技术介绍 .51.5 本章小结 .72 系统方案
11、设计 .72.1 控制方案一 .72.2 控制方案二 .82.3 控制方案选择 .92.4 传感器参数 .92.5 控制系统设计方案优化 .112.6 沼气压力水洗提纯流程图 .122.7 本章小结 .133 硬件电路设计 .133.1 总体硬件电路原理图 .133.2 单片机最小系统 .143.3 电流转电压模块 .153.4AD 转换模块 .163.5 显示模块 .173.6 本章小结 .184 控制系统软件设计 .184.1 控制系统控制要求 .184.2 系统软件主流程图 .194.3 控制部分主程序 .194.4 延时子程序 .214.5AD 转换程序 .214.6 本章小结 .21
12、5 系统调试 .21常熟理工学院毕业设计（论文）25.1 线性度确认 .215.2 工作流程验证 .225.3 本章小结 .236 总结与展望 .236.1 总结 .236.2 问题展望 .24参考文献 .25致谢 .26附录 .27附录 1,软件代码 .27附录 2 模块实物图 .34常熟理工学院毕业设计（论文）11 引言1.1课题研究背景及意义经济的发展总是伴随着能源的消耗，发展越快，能源消耗的也就越快。如今地球的煤，石油，天然气等不可再生资源的储存量来说，已经渐渐跟不上其消耗的速度。即能源危机的时代已经到来了。除了能源枯竭的问题之外，大量化石燃料的使用还给地球的环境带来了巨大的考验。为此
13、，世界各国不得不寻找解决之道。开发新能源，寻找替代能源，提高能源利用效率等等，不一而足。在全世界应对气候变换的大背景之下，减少化石燃料的消耗，发展清洁高效的可再生能源成为世界各国的关注热点。据各方面的统计资料来看，全球的风电装机容量，太阳能发电容量，生物乙醇，生物柴油等的产量一直是在大步提升的。就中国而言，除了水电以外的可再生电力一直快速增长，同比增幅仅次于美国。因为中国作为一个人口大国，一个能源消耗大国，有必要花大投资来改善能源结构，事实也是如此，仅 2010 一年，中国在可再生能源资源上的投资就超过了 500 亿美元，所以在现今社会，在我国发展可再生能源是完全可行的，或者说是受到大力扶持的
14、。可再生能源之中，生物天然气是一种十分重要的生物质能。它的主要成分为甲烷，可以通过沼气的净化提纯来制得。生物天然气可以作为石化天然气的重要替代燃气，使得发展沼气成为增加天然气供应的突破口。根据供需关系，有需求，又会有供应。在我国现在阶段，特别是近年来，对生物天然气的需求高速增加，使得需求远大于供应。这大大加快了沼气产业的发展速度。而且，沼气是一种比较清洁的能源，由各类禽畜，以及人们的粪便，工农业的有机废弃物，生活垃圾等在厌氧环境下产生。其产生过程本身就是一种可再生能源的制造过程。不仅如此，对这些垃圾的处理还起到了环境保护的作用。我国发展沼气的历史要追溯到 50 多年以前，经过这些年的发展，截止
15、至 2011 年底，我国的民用沼气池差不多有 3500w 口， ，其他的大型中型沼气工程更是接近有 3000 处.若是能将这些沼气进行净化提纯后并入天然气网，差不多能节省 10%的天然气消耗量。沼气提纯后还能用于车用燃料，其生产成本低廉，在与石化天然气燃料的对比中有着巨大的价格优势。沼气的资源是丰富的，然而天然气的缺口却是非常巨大。这些都预示着沼气提纯有着巨大的发展前景，沼气提纯技术的发展有着重大的意义。常熟理工学院毕业设计（论文）2首先，沼气提纯技术的发展带来的最直观影响，沼气的产量增加了，越来越多的沼气工程正在被建设中。相对的，平时没有什么作用生活垃圾，粪便，工农业有机废物等有了去处生产沼
16、气，而不用吃力不讨好的集中焚烧，填埋。不光减少了处理垃圾的成本，反而能产生巨大的经济利益，同时减少了环境的破坏。有资料显示，每年我国城市的人均垃圾产量有 440kg 之多。在农村，禽畜粪便，农作物秸秆等也在源源不断的产生。光 2003 年，我国农村的农作物秸秆的产量差不多达到了 5.5 亿吨。这是一个非常巨大的数字。若是能够处理得当，所产生的经济效率会非常可观。举个例子，将我国在2003 年产生的禽畜粪便，人类尿液，作物秸秆这三项用于生产沼气，转化为原煤产量的话，相当于 1.8 亿吨原煤，是该年度原煤产量的 11.5%。富含杂质的沼气利用率并不高，但是提纯后这一现状改变了，随着沼气生产的规模化
17、，标准化，工业化，生产成本降低了沼，利用效率提高了，经济效益增加了。以我国的农村常见的沼气池举例，其技术比较落后，生产沼气的量较少，纯度也不高。一般只能用于家庭取暖，燃烧，供家庭使用，惠及的只是个人还有家庭，或者一些个小团体。无法做到远距离传输，产生不了什么经济效益。如果用于发电，同样只能在直接使用，无法储存。将发的电并入电网因为上网费用非常高额，在现阶段不做考虑。或许在将来同样会因为投入大大高于收益而不予采用。只有中大规模的沼气生产提纯，将沼气中甲烷的含量提升到 95%以上，才能达到生物天然气的标准，并入天然气网络，实现沼气的高效利用，带来更大的经济利益。目前国内外的沼气提纯方法大致分为以下
18、几种：吸附法，吸收法，膜分离法，低温分离法，甲烷富集法，生物技术提纯等。其中吸收法之下的压力水洗法在国际社会之中应用比较广泛。在欧洲一些国家已经有了多个应用此法的大型沼气提纯工程。这种方法利用沼气中甲烷和二氧化碳在水中溶解度的差异将它们分离，从而提高沼气中甲烷的浓度。它有很大优势，其一，此法效率很高，其次，因为甲烷在水中的溶解率与二氧化碳相比来说非常低，所以沼气中甲烷的流失量很少，最重要的一点是，该法利用随处可见的水作为吸收剂，花费在吸收剂中的成本会非常低。这三点确保了水洗法的经济利益。现今的社会，工业发展非常之快，各种大中型的工程基本都实现了自动化的操作。沼气压力水洗提纯的工程自然不可能全靠
19、人工来操作。研究其控制系统，实现沼气提纯的自动化操作有着重要的意义。第一，这能节省大量的人力物力，如今的人工费一年比一年高，减少人员的投入也是变相的增加收益。第二，人为的操作变少了，失误也就变少了，这算是减少安全隐患的一个有效措施。第三，研究控制系统，实现沼气提纯自动常熟理工学院毕业设计（论文）3化大大提高了工作效率。1.2国内外沼气提纯技术的发展现状目前，欧洲各国都开展了沼气提纯技术的应用，沼气提纯工程数量和规模不断扩大，2011 年，欧洲沼气提纯工程达到了 172 座，处理总规模达到 198,200m3/h。瑞典和德国是欧洲各国中沼气提纯产业发展最快的两个国家，沼气工程数量约占欧洲总体数量
20、的84%。1996 年，瑞典就开始对沼气进行净化提纯，并得到甲烷含量在 95%以上的沼气提纯气，作为汽车燃料使用，而且制定了相关标准，以衡量沼气提纯气否能够作为汽车燃料。2008 年，瑞典的车用天然气消费总量为 5.3107m，其中 55%是沼气提纯后得到的生物天然气。2010 年，瑞典的沼气总产量折合天然气为 1.3108m，占全国燃气消费总量的13%。 2010 年瑞典全国使用压缩生物天然气的车辆有 7104 辆，加气站 500 个。据统计，2011 年，德国沼气工程数量以达 7103 个。在德国，沼气工厂生产的沼气主要用来发电上网36 。2010 年，德国沼气的发电总装机量达到了 2.3
21、109W，年发电量为 21010KWh，占整个德国发电量的 1.5%。随后，德国对沼气的利用由热电联产开始向管道生物天然气及车用燃气方向转变。从 2006 年开始，并入国家天然气管网甲烷工厂仅有两家，但到 2011 年时，已经有 83 处沼气工程将沼气提纯为生物甲烷，每年甲烷提纯量约为 4.6108m，预计未来将有更多的沼气提纯计划项目实施。此外德国制定了2020 年和 2030 年生物甲烷产量分别达到 6109m和 11010m的目标，计划到 2020 年，全国天然气总消费量的 6%将由生物甲烷替代。此外，当前国际上沼气净化提纯技术发展较快的国家还有瑞士、丹麦、 加拿大等国家，他们拥有先进的
22、净化提纯技术和设备。近年来我国天然气需求高速增长，据估计，20002020 年中国天然气的需求量将以每年 10.8%的速度增长，而国内天然气产量年均增长率仅为 7.5%。据估计，到 2020 年中国天然气的年需求量将达到 2.51011m，缺口将达到 9.01010m。面对严峻的形势，中国提出了“十二五 ”期间将加速天然气配套基础设施建设，开展“分布式能源利用项目”，为生物天然气的产业提供基础与便利。通过引进瑞典、德国等国家的沼气工程技术和设备，近年来，我国已建成一批沼气热电联产工程和发电并网的大型沼气工程，变压吸附法和水洗法也已经开始应用在工程中。但作为一个新型产业，我国沼气净化提纯工程及技
23、术还处于发展阶段，沼气关键技常熟理工学院毕业设计（论文）4术还需要投资研发或从国外引进。目前在我国的广西南宁、山东博兴、内蒙古通辽等地已建成了一批沼气净化提纯制取生物天然气示范项目。近年来，中国在沼气提纯技术和设备研发领域展开了研究，主要集中在化学吸收和物理吸附提纯方向。河南农业大学在沸石填料水洗法方面开展了研究42，中国石油大学在天然气水合物提纯方面开展了研究，华北电力大学在甲烷原位富集方面开展了研究。目前，中国在化学吸收、变压吸附等技术领域已开发有可商业化应用的提纯设备。但与世界先进水平相比，中国在基础研究、设备成套化开发方面所做的研究还有很大差距。表 1-1 我国部分沼气项目工程项目名称
24、 投产时间（年份） 规模 提纯沼气用途山东日照酒精废醪厌氧沼气回收精制天然气项目 2007 540 万 m3/a 车用和生活通辽淀粉废水厌氧沼气回收精制天然气项目 2008 165 万 m3/a 接入市政燃气管网山东博兴淀粉废水厌氧沼气回收天然气精制项目 2009 410 万 m3/a 车用和工业燃料河南安阳贞元车用生物天然气项目（一期） 2009 400 万 m3/a 车用燃料北京市安定垃圾填埋气精制项目 2010 239.4 万 m3/a 车用燃料郑州王新庄污水处理厂污泥消化项目 2010 20000 m3/d 接入市政燃气管网伊川县彭婆镇朱村工业园区秸秆能源化综合利用 2010 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 2011 432 万 m3/a 车用燃料辽宁大连东泰夏家河污泥消化项目 2012 25000 m3/d N/A海口沼气清洁公交新能源示范项目（一期） 2011 20000 m3/d 车用燃料
