CN111471500A - 一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法，包括制氧机、厌氧罐、冷干机Ⅰ、离心风机、活性炭过滤器Ⅰ、压缩机Ⅰ、变压吸附装置、压缩机Ⅱ、冷干机Ⅱ、换热器、油过滤器、活性炭过滤器Ⅱ、颗粒物过滤器、膜组件和CO2回收装置，本发明涉及沼气提纯技术领域。该一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法，可实现将所有设备装在一个或两个集装箱内，占地面积小，安装方便且便于运输，操作维护方便，能耗较低，设备稳定性高，自动化程度高，可以通过自动控制膜组件的数量来应对不同规模的沼气提纯项目，通过一级膜就可以同时得到高含量的CH4和CO2通过膜分离后CH4的含量达到97％以上。

Description

一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法
技术领域
本发明涉及沼气提纯技术领域，具体为一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法。
背景技术
沼气是有机生物质经过厌氧发酵产生的，是一种宝贵的可再生清洁能源，其成分是CH4(50％-75％)、CO2(25％-45％)和少量的H2O、N2、O2、H2、H2S等气体。将CO2和其他杂质从混合气体中分离出去而得到高纯度的甲烷，成分几乎与石化天然气无异，被称为生物天然气。由于生物天然气可以直接作为石化天然气的替代燃料，所以开发生物天然气已成为增加天然气供应量的一个重要方向。沼气提纯制取生物天然气可高值化利用沼气，生物天然气可压缩用于车用燃料、并入天然气管网、热电联产、燃料电池以及化工原料等领域。
目前沼气提纯的工艺方法有化学吸收法、变压吸附法、水洗法和膜分离法等，其中化学吸收法、变压吸附法和水洗法的设备和工艺较为成熟，在沼气提纯领域的市场份额超过90％，但是这些方法都存在投资成本较高、运行费用较高、维护费用高、占地面积大、污染环境、甲烷纯度不高等问题。膜分离法有投资成本较低、操作简单、设备稳定性高、占地面积小、不产生污水、不需要添加化学药剂、CH4回收率高、可分别得到纯度较高的CH4和CO2等优点，但受限于膜分离法的核心部件(沼气分离膜)的制约，单一的单级膜分离法无法实现稳定的高纯度产气，已有的沼气膜提纯制取生物天然气技术均采用多级膜分离技术，多级膜分离不可避免的带来了更高的投资及运行成本，因此有必要采用一种基于单级膜分离法的沼气提纯制取生物天然气成套***及其沼气提纯的工艺方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法，利用变压吸附法对沼气初步提纯和膜分离法对沼气深度提纯，解决了现有传统沼气提纯技术的不足，以克服投资成本较高、运行费用较高、维护费用高、占地面积大、污染环境等缺陷，在同等规模下处理效果、投资及运行成本均优于单纯的变压吸附法或多级膜分离法，实现了投资成本较低、操作简单、设备稳定性高、占地面积小、环境友好、提纯的甲烷纯度高等的生物天然气制取解决方案，现在市场上基于膜分离法的沼气提纯装置都是通过二级或三级膜组件来实现的，本发明通过变压吸附法和单级膜分离来实现分离CH4和CO2。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种单级膜分离法沼气提纯的***，包括制氧机、厌氧罐、冷干机Ⅰ、离心风机、活性炭过滤器Ⅰ、压缩机Ⅰ、变压吸附装置、压缩机Ⅱ、冷干机Ⅱ、换热器、油过滤器、活性炭过滤器Ⅱ、颗粒物过滤器、膜组件和CO2回收装置，所述制氧机的出气口通过管道与厌氧罐的进气口连通，且厌氧罐的出气口通过管道与冷干机Ⅰ的进气口连通，所述冷干机Ⅰ的出气口通过管道与离心风机的进气口连通，且离心风机的出气口通过管道与活性炭过滤器Ⅰ的进气口连通，所述活性炭过滤器Ⅰ的出气口通过管道与压缩机Ⅰ的进气口连通，且压缩机Ⅰ的出气口通过管道与变压吸附装置的进气口连通。
所述变压吸附装置的废气出口端通过管道与CO2回收装置的进气口连通，且变压吸附装置的气体输出端通过管道与压缩机Ⅱ的进气口连通，所述压缩机Ⅱ的出气口通过管道与冷干机Ⅱ的进气口连通，且换热器通过冷却液管道与从压缩机Ⅱ出来的热的冷却液管道相连，所述换热器的出气口通过管道与油过滤器的进气口连通，且油过滤器的出气口通过管道与活性炭过滤器Ⅱ的进气口连通，所述活性炭过滤器Ⅱ的出气口通过管道与颗粒物过滤器的进气口连通，且颗粒物过滤器的出气口通过管道与膜组件的进气口连通，所述膜组件的渗透气口输出的气体循环回送至压缩机Ⅰ的进气端，且膜组件的渗余气口输出的气体作为产品气输出。
优选的，所述压缩机Ⅰ的类型为活塞式压缩机，且压缩机Ⅱ的类型为喷油螺杆压缩机。
优选的，所述膜组件只有一级，由数支中空纤维膜并联而成，且膜组件有三个接口，分别为进气口、渗透气口和渗余气口。
优选的，所述膜组件膜的材料为聚酰亚胺。
本发明还公开了利用一种单级膜分离法沼气提纯***进行沼气提纯的工艺方法，具体包括以下步骤：
S1、首先通过将制氧机中产生的高纯度的氧气进入厌氧罐内，对沼气进行预脱硫处理，再将厌氧罐内产生的沼气输出到冷干机Ⅰ内，降低沼气的露点，从而去除沼气中的饱和水蒸气；
S2、然后冷干机Ⅰ输出的沼气通过离心风机对沼气进行预增压处理后，送至活性炭过滤器Ⅰ，去除沼气中的悬浮颗粒物杂质、H2S和VOC杂质气体，活性炭过滤器Ⅰ输出的沼气进入压缩机Ⅰ内进行压缩；
S3、通过变压吸附装置输出的气体中CH4的纯度达到80％-90％，使大部分CO2被分离出来，输出的气体通过CO2回收装置对CO2提纯回收，即可得到满足工业标准的CO2产品，同时变压吸附装置输出的沼气进入压缩机Ⅱ进行压缩，压缩机Ⅱ通过冷却液管道与外置的风冷或水冷冷却器连接，能够对压缩机Ⅱ进行润滑油降温；
S4、经过步骤S3降温处理后，使沼气的温度从70-80℃降至5-10℃，冷凝水从冷干机Ⅱ的排水口排出，利用余热将沼气的温度从5-10℃升至40℃，以满足进入沼气分离膜的温度要求。
S5、换热器通过冷却液管道与从压缩机Ⅱ出来的热的冷却液管道相连，换热器输出的沼气依次进入油过滤器、活性炭过滤器Ⅱ和颗粒物过滤器，去除压缩沼气中的油和细小的颗粒物杂质，从而使沼气各项指标均达到膜分离装置的设计标准；
S6、从颗粒物过滤器输出的沼气进入膜组件的进气口，从膜组件的渗透气口输出的气体循环回送至压缩机Ⅰ的进气端，从膜组件的渗余气口输出的气体作为产品气输出，提纯后得到的生物天然气中CH4纯度达到97％以上，CH4损失率小于0.5％，经过净化提纯后得到的生物天然气并入现有的天然气管网或再次加压至CNG用作车用燃料。
优选的，所述步骤S2中离心风机预增压后的沼气压力为5--10kPa。
优选的，所述步骤S2中经压缩机Ⅰ压缩后的沼气压力为0.5-1MPa。
优选的，所述步骤S3中经压缩机Ⅱ压缩后的沼气压力为1.2-1.6MPa。
(三)有益效果
本发明提供了一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该一种单级膜分离法沼气提纯的***及工艺方法，通过利用变压吸附法对沼气初步提纯和膜分离法对沼气深度提纯，解决了现有传统沼气提纯技术的不足，以克服投资成本较高、运行费用较高、维护费用高、占地面积大、污染环境等缺陷，在同等规模下处理效果、投资及运行成本均优于单纯的变压吸附法或多级膜分离法，本发明通过变压吸附法和单级膜分离来实现分离CH4和CO2，可实现将所有设备装在一个或两个集装箱内，占地面积小，安装方便且便于运输，操作维护方便，能耗较低，设备稳定性高，自动化程度高，可以通过自动控制膜组件的数量来应对不同规模的沼气提纯项目，通过一级膜就可以同时得到高含量的CH4和CO2通过膜分离后CH4的含量达到97％以上，符合国家天然气标准，可并入天然气管网或用作车用燃料，提高了沼气的利用效率。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明膜组件的结构示意图。
图中，1制氧机、2厌氧罐、3冷干机Ⅰ、4离心风机、5活性炭过滤器Ⅰ、6压缩机Ⅰ、7变压吸附装置、8压缩机Ⅱ、9冷干机Ⅱ、10换热器、11油过滤器、12活性炭过滤器Ⅱ、13颗粒物过滤器、14膜组件、15CO2回收装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种技术方案：一种单级膜分离法沼气提纯的***，包括制氧机1、厌氧罐2、冷干机Ⅰ3、离心风机4、活性炭过滤器Ⅰ5、压缩机Ⅰ6、变压吸附装置7、压缩机Ⅱ8、冷干机Ⅱ9、换热器10、油过滤器11、活性炭过滤器Ⅱ12、颗粒物过滤器13、膜组件14和CO2回收装置15，制氧机1的出气口通过管道与厌氧罐2的进气口连通，且厌氧罐2的出气口通过管道与冷干机Ⅰ3的进气口连通，冷干机Ⅰ3的出气口通过管道与离心风机4的进气口连通，且离心风机4的出气口通过管道与活性炭过滤器Ⅰ5的进气口连通，活性炭过滤器Ⅰ5的出气口通过管道与压缩机Ⅰ6的进气口连通，且压缩机Ⅰ6的出气口通过管道与变压吸附装置7的进气口连通。
变压吸附装置7的废气出口端通过管道与CO2回收装置15的进气口连通，且变压吸附装置7的气体输出端通过管道与压缩机Ⅱ8的进气口连通，压缩机Ⅱ8的出气口通过管道与冷干机Ⅱ9的进气口连通，且换热器10通过冷却液管道与从压缩机Ⅱ8出来的热的冷却液管道相连，换热器10的出气口通过管道与油过滤器11的进气口连通，且油过滤器11的出气口通过管道与活性炭过滤器Ⅱ12的进气口连通，活性炭过滤器Ⅱ12的出气口通过管道与颗粒物过滤器13的进气口连通，且颗粒物过滤器13的出气口通过管道与膜组件14的进气口连通，膜组件14的渗透气口输出的气体循环回送至压缩机Ⅰ6的进气端，且膜组件14的渗余气口输出的气体作为产品气输出，压缩机Ⅰ6的类型为活塞式压缩机，且压缩机Ⅱ8的类型为喷油螺杆压缩机，膜组件14只有一级，由数支中空纤维膜并联而成，且膜组件14有三个接口，分别为进气口、渗透气口和渗余气口，膜组件14膜的材料为聚酰亚胺。
本发明还公开了利用一种单级膜分离法沼气提纯***进行沼气提纯的工艺方法，具体包括以下步骤：
S1、首先通过将制氧机1中产生的高纯度的氧气进入厌氧罐2内，对沼气进行预脱硫处理，再将厌氧罐2内产生的沼气输出到冷干机Ⅰ3内，降低沼气的露点，从而去除沼气中的饱和水蒸气；
S2、然后冷干机Ⅰ3输出的沼气通过离心风机4对沼气进行预增压处理后，送至活性炭过滤器Ⅰ5，去除沼气中的悬浮颗粒物杂质、H2S和VOC杂质气体，活性炭过滤器Ⅰ5输出的沼气进入压缩机Ⅰ6内进行压缩，离心风机4预增压后的沼气压力为5--10kPa，经压缩机Ⅰ6压缩后的沼气压力为0.5-1MPa；
S3、通过变压吸附装置7输出的气体中CH4的纯度达到80％-90％，使大部分CO2被分离出来，输出的气体通过CO2回收装置15对CO2提纯回收，即可得到满足工业标准的CO2产品，同时变压吸附装置7输出的沼气进入压缩机Ⅱ8进行压缩，压缩机Ⅱ8通过冷却液管道与外置的风冷或水冷冷却器连接，能够对压缩机Ⅱ8进行润滑油降温，经压缩机Ⅱ8压缩后的沼气压力为1.2-1.6MPa；
S4、经过步骤S3降温处理后，使沼气的温度从70-80℃降至5-10℃，冷凝水从冷干机Ⅱ9的排水口排出，利用余热将沼气的温度从5-10℃升至40℃，以满足进入沼气分离膜的温度要求。
S5、换热器10通过冷却液管道与从压缩机Ⅱ8出来的热的冷却液管道相连，换热器10输出的沼气依次进入油过滤器11、活性炭过滤器Ⅱ12和颗粒物过滤器13，去除压缩沼气中的油和细小的颗粒物杂质，从而使沼气各项指标均达到膜分离装置的设计标准；
S6、从颗粒物过滤器13输出的沼气进入膜组件14的进气口，从膜组件14的渗透气口输出的气体循环回送至压缩机Ⅰ6的进气端，从膜组件14的渗余气口输出的气体作为产品气输出，提纯后得到的生物天然气中CH4纯度达到97％以上，CH4损失率小于0.5％，经过净化提纯后得到的生物天然气并入现有的天然气管网或再次加压至CNG用作车用燃料。
综上，本发明通过利用变压吸附法对沼气初步提纯和膜分离法对沼气深度提纯，解决了现有传统沼气提纯技术的不足，以克服投资成本较高、运行费用较高、维护费用高、占地面积大、污染环境等缺陷，在同等规模下处理效果、投资及运行成本均优于单纯的变压吸附法或多级膜分离法，本发明通过变压吸附法和单级膜分离来实现分离CH4和CO2，可实现将所有设备装在一个或两个集装箱内，占地面积小，安装方便且便于运输，操作维护方便，能耗较低，设备稳定性高，自动化程度高，可以通过自动控制膜组件14的数量来应对不同规模的沼气提纯项目，通过一级膜就可以同时得到高含量的CH4和CO2通过膜分离后CH4的含量达到97％以上，符合国家天然气标准，可并入天然气管网或用作车用燃料，提高了沼气的利用效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种单级膜分离法沼气提纯的***，其特征在于：包括制氧机(1)、厌氧罐(2)、冷干机Ⅰ(3)、离心风机(4)、活性炭过滤器Ⅰ(5)、压缩机Ⅰ(6)、变压吸附装置(7)、压缩机Ⅱ(8)、冷干机Ⅱ(9)、换热器(10)、油过滤器(11)、活性炭过滤器Ⅱ(12)、颗粒物过滤器(13)、膜组件(14)和CO2回收装置(15)，所述制氧机(1)的出气口通过管道与厌氧罐(2)的进气口连通，且厌氧罐(2)的出气口通过管道与冷干机Ⅰ(3)的进气口连通，所述冷干机Ⅰ(3)的出气口通过管道与离心风机(4)的进气口连通，且离心风机(4)的出气口通过管道与活性炭过滤器Ⅰ(5)的进气口连通，所述活性炭过滤器Ⅰ(5)的出气口通过管道与压缩机Ⅰ(6)的进气口连通，且压缩机Ⅰ(6)的出气口通过管道与变压吸附装置(7)的进气口连通；
所述变压吸附装置(7)的废气出口端通过管道与CO2回收装置(15)的进气口连通，且变压吸附装置(7)的气体输出端通过管道与压缩机Ⅱ(8)的进气口连通，所述压缩机Ⅱ(8)的出气口通过管道与冷干机Ⅱ(9)的进气口连通，且换热器(10)通过冷却液管道与从压缩机Ⅱ(8)出来的热的冷却液管道相连，所述换热器(10)的出气口通过管道与油过滤器(11)的进气口连通，且油过滤器(11)的出气口通过管道与活性炭过滤器Ⅱ(12)的进气口连通，所述活性炭过滤器Ⅱ(12)的出气口通过管道与颗粒物过滤器(13)的进气口连通，且颗粒物过滤器(13)的出气口通过管道与膜组件(14)的进气口连通，所述膜组件(14)的渗透气口输出的气体循环回送至压缩机Ⅰ(6)的进气端，且膜组件(14)的渗余气口输出的气体作为产品气输出。
2.根据权利要求1所述的一种单级膜分离法沼气提纯的***，其特征在于：所述压缩机Ⅰ(6)的类型为活塞式压缩机，且压缩机Ⅱ(8)的类型为喷油螺杆压缩机。
3.根据权利要求1所述的一种单级膜分离法沼气提纯的***，其特征在于：所述膜组件(14)只有一级，由数支中空纤维膜并联而成，且膜组件(14)有三个接口，分别为进气口、渗透气口和渗余气口。
4.根据权利要求1所述的一种单级膜分离法沼气提纯的***，其特征在于：所述膜组件(14)膜的材料为聚酰亚胺。
5.利用权利要求1-4任意一项所述的一种单级膜分离法沼气提纯***进行沼气提纯的工艺方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、首先通过将制氧机(1)中产生的高纯度的氧气进入厌氧罐(2)内，对沼气进行预脱硫处理，再将厌氧罐(2)内产生的沼气输出到冷干机Ⅰ(3)内，降低沼气的露点，从而去除沼气中的饱和水蒸气；
S2、然后冷干机Ⅰ(3)输出的沼气通过离心风机(4)对沼气进行预增压处理后，送至活性炭过滤器Ⅰ(5)，去除沼气中的悬浮颗粒物杂质、H2S和VOC杂质气体，活性炭过滤器Ⅰ(5)输出的沼气进入压缩机Ⅰ(6)内进行压缩；
S3、通过变压吸附装置(7)输出的气体中CH4的纯度达到80％-90％，使大部分CO2被分离出来，输出的气体通过CO2回收装置(15)对CO2提纯回收，即可得到满足工业标准的CO2产品，同时变压吸附装置(7)输出的沼气进入压缩机Ⅱ(8)进行压缩，压缩机Ⅱ(8)通过冷却液管道与外置的风冷或水冷冷却器连接，能够对压缩机Ⅱ(8)进行润滑油降温；
S4、经过步骤S3降温处理后，使沼气的温度从70-80℃降至5-10℃，冷凝水从冷干机Ⅱ(9)的排水口排出，利用余热将沼气的温度从5-10℃升至40℃，以满足进入沼气分离膜的温度要求。
S5、换热器(10)通过冷却液管道与从压缩机Ⅱ(8)出来的热的冷却液管道相连，换热器(10)输出的沼气依次进入油过滤器(11)、活性炭过滤器Ⅱ(12)和颗粒物过滤器(13)，去除压缩沼气中的油和细小的颗粒物杂质，从而使沼气各项指标均达到膜分离装置的设计标准；
S6、从颗粒物过滤器(13)输出的沼气进入膜组件(14)的进气口，从膜组件(14)的渗透气口输出的气体循环回送至压缩机Ⅰ(6)的进气端，从膜组件(14)的渗余气口输出的气体作为产品气输出，提纯后得到的生物天然气中CH4纯度达到97％以上，CH4损失率小于0.5％，经过净化提纯后得到的生物天然气并入现有的天然气管网或再次加压至CNG用作车用燃料。
6.根据权利要求5所述的利用一种单级膜分离法沼气提纯***进行沼气提纯的工艺方法，其特征在于：所述步骤S2中离心风机(4)预增压后的沼气压力为5--10kPa。
7.根据权利要求5所述利用一种单级膜分离法沼气提纯***进行沼气提纯的工艺方法，其特征在于：所述步骤S2中经压缩机Ⅰ(6)压缩后的沼气压力为0.5-1MPa。
8.根据权利要求5所述的利用一种单级膜分离法沼气提纯***进行沼气提纯的工艺方法，其特征在于：所述步骤S3中经压缩机Ⅱ(8)压缩后的沼气压力为1.2-1.6MPa。
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