CN106554831B - 一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备及工艺，属于生物质利用及碳减排领域。该设备包括脱硫装置、缓冲罐、压缩机、冷干机、膜组件、预热装置、甲烷化装置和换热装置，使用该设备抽取原始粗沼气，先后经过脱硫装置、缓冲罐及压缩机后，进入冷干机脱水，脱水后的沼气进入膜组件进行分离，分离成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳部分经过预热后，进入甲烷化装置***，部分转化为甲烷，通过换热降温后回到缓冲罐与原沼气混合，最终得到的产品气甲烷纯度达到97％。本发明的工艺和设备将所有沼气全部转化为甲烷产品，实现碳资源的全利用，同时实现无尾气排放、温室气体近零排放。

Description

一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备及工艺
技术领域
本发明涉及生物质利用及碳减排领域，特别是指一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备及工艺。
背景技术
当今世界面临着能源和环境双重压力，特别是化石能源消耗带来的大量碳排放，导致了温室效应、大气污染等诸多全球性的危害。寻求新的、安全的、可靠的、清洁的、可持续的能源***变得十分紧迫。沼气作为一种新型可再生生物质能源，与其他能源相比，具有资源容易获得和温室气体负净排放的特点，是一种“零碳排放”的绿色能源，已成为新型能源替代和碳减排的重要选择。现代沼气技术通过提纯分离、转化CO2将沼气净化为高热值的生物甲烷(CH4)，达到车用或管道天然气的质量，替代煤炭、石油和天然气用于现代工业和社会发展，是国内外目前沼气开发利用的主要趋势。
沼气的主要成份是50--70％甲烷(CH4)、30--50％二氧化碳(CO2)和少量的硫化氢(H2S)、水(H2O)、氮(N2)、氢(H2)、氧(O2)、氨(NH3)和一氧化碳(CO)等气体。目前沼气提纯方式主要有物理吸收工艺、PSA工艺、化学吸收工艺、膜分离工艺以及甲烷化法等，其中物理/化学吸收法利用溶剂来吸收沼气中的CO2，以提纯甲烷；而PSA工艺和膜法分别利用选择吸附性和选择透过性，使混合气体组分分离。以上沼气提纯技术各有优势且发展较为成熟，但也存在较多弊端和对环境的不利影响。物理吸收和化学吸收存在废水或废液的排放，无疑增大了经济和环境成本；变压吸附和膜法为得到高纯度的甲烷气体，需要多级分离，设备成本高且能耗增加。除此之外，以上提纯方法均没有考虑CO2出路问题，通常是将CO2及少量残余甲烷直接排入大气，对温室效应的影响不容小觑。因此，如何充分利用被分离出来的CO2，减少碳排放量及对环境的其他不利影响，相关技术的研发迫在眉睫。
甲烷化法是利用Sabatier反应解决提纯过程中尾气问题的一种沼气工艺，即：CO2经输入高能量并提供电子给体进行活化后，加入活泼的还原剂H2，发生甲烷化反应，如式(1)。
CO2(g)+4H2(g)—→CH4(g)+2H2O(g) ΔrHm(298.15K)＝-164.9kJ/mol (1)
通常沼气甲烷化需要达到较高的CO2转化率才能够满足现代工业应用要求。但甲烷化法与膜法的组合，两种工艺可形成互补，甲烷化反应装置处理膜分离出来的尾气，从而减少膜组件的级数；同时膜组件对甲烷化产生的CO2残余形成闭路循环，使甲烷化能在更低的压力、温度以及较低的CO2转化率下运行，降低了甲烷化的能耗和设备成本。该技术具有对碳的高效利用、温室气体近零排放、环境危害小等诸多优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备及工艺。
该设备包括脱硫装置、缓冲罐、压缩机、冷干机、膜组件、预热装置、甲烷化装置和换热装置，其中脱硫装置的一端与缓冲罐的一端连接，缓冲罐的另一端通过压缩机与冷干机的一端连接，冷干机另一端与膜组件入口相连，膜组件渗透气出口经过预热装置与甲烷化装置连接，甲烷化装置通过换热装置与缓冲罐连接。
其中，膜组件级数为一级或二级，膜组件材质为聚酰亚胺，CO2/CH4选择性为50，承压<2.5MPa。
脱硫装置出口气体，要求H2S<10ppM；当出口H2S达到10ppM而硫容尚未达到30％，则应进行脱硫剂的再生。
预热装置中的二氧化碳预热至160℃，预热热源来自于甲烷化装置出口的热气体释放出来的热量。
冷干机出口气体压力露点达到5℃。
换热装置通过导热流体以三段式换热方式将热量传递给预热装置，第一段导热流体温度60℃，第二段导热流体温度120℃，第三段导热流体温度200℃。
甲烷化装置采用三段控温，压力<10MPa，反应温度<500℃,反应器材质不锈钢，采用N159型催化剂。
甲烷化装置包括炉体、催化层、入口、出口、反应管和中间层，入口位于甲烷化装置上部，出口位于甲烷化装置下部，反应管位于炉体中心，反应管上部设置催化层，中间层包裹在反应管外部。
采用该沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化设备的工艺，包括步骤如下：
(一)预处理：粗沼气经过脱硫装置脱去硫化氢、粗颗粒等成分，与循环气体混合后共同进入缓冲罐，经过压缩机增压到1.0-1.6MPa，经过冷干机去除水分，得到甲烷和二氧化碳的混合气体；
(二)甲烷分离：通过膜组件对甲烷和二氧化碳的分离，二氧化碳穿透膜进入渗透气组分，而甲烷被膜截留成为保留气组分；
(三)甲烷化转化与换热：渗透气经过预热器装置预热后，进入甲烷化装置，在催化剂的作用下与氢气发生甲烷化反应，60％以上的二氧化碳转化为甲烷；甲烷化装置出口为高温混合气体，通过换热装置的热量交换后，气体温度降低，进入缓冲罐与沼气混合，继续参与运行。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明采用物理及化学方法，将甲烷化装置与膜组件串联，形成CO2转化的循环回路，保证沼气所有主要组分均转化为生物天然气，没有废气排放，实现温室气体近零排放，解决了现有提纯工艺中存在的存在高成本、高能耗，温室气体排放以及对环境的其他不利影响等。
附图说明
图1为本发明的沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备关系示意图；
图2为本发明中甲烷化装置结构示意图。
其中：1-脱硫装置；2-缓冲罐；3-压缩机；4-冷干机；5-膜组件；6-预热装置；7-甲烷化装置；8-换热装置；71-炉体；72-催化层；73-入口；74-出口；75-反应管；76-中间层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备及工艺。如图1所示，该设备中脱硫装置1的一端与缓冲罐2的一端连接，缓冲罐2的另一端通过压缩机3与冷干机4的一端连接，冷干机4的另一端与膜组件5入口相连，膜组件5渗透气出口经过预热装置6与甲烷化装置7连接，甲烷化装置7通过换热装置8与缓冲罐2连接。
其中，膜组件5级数为一级或二级，膜组件材质为聚酰亚胺，CO2/CH4选择性为50，承压<2.5MPa。
脱硫装置1出口气体，要求H2S<10ppM；当出口H2S达到10ppM而硫容尚未达到30％，则应进行脱硫剂的再生。
预热装置6中的二氧化碳预热至160℃，预热热源来自于甲烷化装置7出口的热气体释放出来的热量。
冷干机4出口气体压力露点达到5℃。
换热装置8通过导热流体以三段式换热方式将热量传递给预热装置6，第一段导热流体温度60℃，第二段导热流体温度120℃，第三段导热流体温度200℃。
甲烷化装置7采用三段控温，压力<10MPa，反应温度<500℃,反应器材质不锈钢，采用N159型催化剂。
如图2所示，甲烷化装置7包括炉体71、催化层72、入口73、出口74、反应管75和中间层76，入口73位于甲烷化装置7上部，出口74位于甲烷化装置7下部，反应管75位于炉体71中心，反应管75上部设置催化层72，中间层76包裹在反应管75外部。
采用上述设备进行沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的工艺，具体步骤如下：
(一)预处理：粗沼气经过脱硫装置1脱去硫化氢、粗颗粒，与循环气体混合后共同进入缓冲罐2，经过压缩机3增压到1.0-1.6MPa，经过冷干机4去除水分，得到甲烷和二氧化碳的混合气体；
(二)甲烷分离：通过膜组件5对甲烷和二氧化碳的分离，二氧化碳穿透膜进入渗透气组分，而甲烷被膜截留成为保留气组分；
(三)甲烷化转化与换热：渗透气经过预热器装置6预热后，进入甲烷化装置7，在催化剂的作用下与氢气发生甲烷化反应，60％以上的二氧化碳转化为甲烷；甲烷化装置7出口74的高温混合气体，通过换热装置8的热量交换后气体温度降低，进入缓冲罐2与沼气混合，继续参与运行。
粗沼气经过沼气提纯及二氧化碳同步转化工艺，所有碳全部转化为甲烷产品(CH4纯度>97％),可以用作车用或输入天然气管道等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备，其特征在于：包括脱硫装置(1)、缓冲罐(2)、压缩机(3)、冷干机(4)、膜组件(5)、预热装置(6)、甲烷化装置(7)和换热装置(8)，其中脱硫装置(1)的一端与缓冲罐(2)的一端连接，缓冲罐(2)的另一端通过压缩机(3)与冷干机(4)的一端连接，冷干机(4)的另一端与膜组件(5)入口相连，膜组件(5)渗透气出口经过预热装置(6)与甲烷化装置(7)连接，甲烷化装置(7)通过换热装置(8)与缓冲罐(2)连接；
所述膜组件(5)级数为一级或二级；
所述甲烷化装置(7)包括炉体(71)、催化层(72)、入口(73)、出口(74)、反应管(75)和中间层(76)，入口(73)位于甲烷化装置(7)上部，出口(74)位于甲烷化装置(7)下部，反应管(75)位于炉体(71)中心，反应管(75)上部设置催化层(72)，中间层(76)包裹在反应管(75)外部；
采用该设备的工艺，包括步骤如下：
(一)预处理：粗沼气经过脱硫装置(1)脱去硫化氢、粗颗粒，与循环气体混合后共同进入缓冲罐(2)，经过压缩机(3)增压到1.0-1.6MPa，经过冷干机(4)去除水分，得到甲烷和二氧化碳的混合气体；
(二)甲烷分离：通过膜组件(5)对甲烷和二氧化碳的分离，二氧化碳穿透膜进入渗透气组分，而甲烷被膜截留成为保留气组分；
(三)甲烷化转化与换热：渗透气经过预热器装置(6)预热后，进入甲烷化装置(7)，在催化剂的作用下与氢气发生甲烷化反应，60％以上的二氧化碳转化为甲烷；甲烷化装置(7)出口(74)的高温混合气体，通过换热装置(8)的热量交换后，气体温度降低，进入缓冲罐(2)与沼气混合，继续参与运行。
2.根据权利要求1所述的沼气提纯及二氧化碳同步甲烷化转化的设备，其特征在于：所述预热装置(6)中的二氧化碳预热至160℃，预热热源来自于甲烷化装置(7)出口的热气体释放出来的热量。
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