CN101648843A - 一种甲烷提纯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲烷提纯系统，包括：沼气集气单元、甲烷收集单元，以及设置在所述沼气集气单元和甲烷收集单元之间、相互串联连接的脱硫单元、脱碳单元和干燥单元，该系统还包括：氮氧脱除单元，所述氮氧脱除单元内部设置有将氮气、氧气与甲烷进行分离的吸附剂，所述氮氧脱除单元设置在所述沼气集气单元与甲烷收集单元之间的串联通路中。本发明具有如下显著优点：(1)最终得到的提纯甲烷气体纯度很高，可达到甲烷高纯利用的标准；(2)无需投入较高的费用；(3)整个系统可以是一体化设计，也可以将该系统整体地设置成通过撬装件实现的撬装式。
Description
技术领域
本发明涉及沼气处理，特别地涉及一种甲烷(CH4)提纯系统，属于环境保护和可再生能源利用领域。
背景技术
沼气，是各种有机物质(例如，秸秆、杂草、树叶、人畜粪便等废弃物)，在隔绝空气(还原条件)，以及适宜的温度、湿度条件下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体，其主要成分甲烷是一种无色无味、与适量空气混合后即能燃烧的理想气体燃料。
基于沼气的上述特性，近年来随着全球化石能源的日益减少以及人们环保意识的逐渐增强，沼气作为一种新型可再生能源受到越来越多的关注，随着人们对沼气中甲烷提纯的技术不断发展，对沼气的利用已经不仅仅局限于炊事、供暖等低端模式，近年来，利用净化处理后的沼气进行发电的模式也开始逐步在有条件的地区推广，而对沼气提纯净化后用来制备车用燃料的高值模式也正再为越来越多的科研机构和厂家进行研究，这必将进一步地扩大沼气的应用范围，提高沼气的利用率。
目前，常用的沼气提纯处理方式包括化学吸收、膜分离和变压吸附等，其中，变压吸附技术实现简单、调节能力强、能耗低、维护工作量小并且可靠性也较高，因此在国内外应用中应用较广。变压吸附技术是将气体通过吸附床层，利用不同的吸附剂对不同气体的吸附能力不同，让混合气体中的一种(或几种)气体的大部分被吸附在床层上，小部分流出；而混合气体中的另外一种(或几种)气体的大部分流出，小部分被吸附在床层上；从而达到提高出端气体浓度的目的。但是目前利用变压吸附技术进行沼气提纯的过程中，通常不考虑从作为原料气体的沼气中脱除氮气，而氮气通常在沼气中的含量为0～5％，在某些情况下甚至能达到10％，由此通常很难只通过变压吸附处理直接得到纯度99％以上的甲烷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种甲烷提纯系统，使得能够从沼气中直接提纯得到纯度99％以上的甲烷。
为了达到上述目的，本发明提供一种甲烷提纯系统，包括：沼气集气单元、甲烷收集单元，以及设置在所述沼气集气单元和甲烷收集单元之间、相互串联连接的脱硫单元、脱碳单元和干燥单元，该系统还包括：氮氧脱除单元，所述氮氧脱除单元内部设置有将氮气、氧气与甲烷进行分离的吸附剂，所述氮氧脱除单元设置在所述沼气集气单元与甲烷收集单元之间的串联通路中。
进一步地，所述氮氧脱除单元设置在所述脱碳单元与所述甲烷收集单元之间。
进一步地，所述氮氧脱除单元是变压吸附塔。
更进一步地，所述变压吸附塔是2～8个，且相互并联。
进一步地，所述脱硫单元是填装有脱硫剂的两个并联吸附塔。
进一步地，该系统还包括，气体压缩单元，所述气体压缩单元设置在所述沼气集气单元与脱碳单元之间的串联通路中。
进一步地，所述脱碳单元为填装有脱碳吸附剂的变压吸附塔，所述变压吸附塔的解吸气输出端与所述气体压缩单元的输入端连接。
更进一步地，所述变压吸附塔是2～8个，且相互并联。
进一步地，所述干燥单元为填装有用于干燥的吸附剂的两个并联吸附塔。
进一步地，该系统还包括：撬装板，所述沼气集气单元、甲烷收集单元，脱硫单元、脱碳单元、干燥单元和氮氧脱除单元设置在所述撬装板上。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)利用本发明所提出的甲烷提纯系统对沼气进行提纯，除了与现有技术类似地对甲烷进行提纯，还先后对原料气进行了脱硫、脱水、脱氮氧等气体净化处理，所以最终得到的提纯甲烷气体纯度很高，应用范围更广。
(2)利用本发明所提出的甲烷提纯系统对沼气进行提纯，可以直接对沼气中的氮气、氧气进行脱除，省去了外部脱氧设备的投资，显然在得到高纯度甲烷的同时，无需投入较高的费用；
(3)用本发明所提出的甲烷提纯系统进行较高纯度甲烷提纯时，整个系统可以是一体化设计，固定设置在某个确定地点；也可以将该系统整体地设置成通过撬装件实现的撬装式，便于实现车载、移动式等不同的应用场景，尽可能扩大设备的应用范围和频率。
附图说明
图1为本发明实施例中一种甲烷提纯系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的介绍，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种甲烷提纯系统，包括沼气集气单元1、脱硫单元2、气体压缩单元3、脱碳单元4、干燥单元5、氮氧脱除单元6以及甲烷收集单元7，其中：
所述沼气集气单元1，用于存储作为原料气的沼气，其输入端可以通过管道与沼气发生器、沼气池等外部沼气发生装置连通，根据外部控制来收集原料气(沼气)，输出端通过管路与脱硫单元2连通；示例性地，所述沼气集气单元1可以选用气体集气罐，而进一步地，为了使甲烷提纯系统能够持续运行，其可以采用可控的方式(例如，在管路中设置压力调节阀)在集气罐内形成某一压力值，并且该压力值足以使得沼气集气单元1内部相对于与其输入端连通的外部沼气采集装置是负压，而相对于与其输出端连通的脱硫单元是正压；
所述脱硫单元2，用于对原料气进行脱硫净化处理，其输入端通过管路与所述沼气集气单元1的输出端连通，其输出端与所述气体压缩单元3的输入端连通，在该单元内部脱硫的方式可以采用现有技术中的催化脱硫、吸附脱硫或者生物脱硫的方式，且在较优的实施方式中，所述脱硫单元2可以采用如图1中所示的两个吸附塔并联的方式，使得其中一个吸附塔再生或者替换脱硫剂时，另一个吸附塔继续工作，仍能保证所述甲烷提纯系统的持续正常工作；
所述气体压缩单元3，用于对原料气进行压缩，使其达到预定的理想压力值，其输入端与所述脱硫单元2的输出端连接，输出端与所述脱碳单元4的输入端连通；
所述脱碳单元4，利用变压吸附的方式进行原料气中的甲烷提纯，其中，所述脱碳单元4中填装有脱碳吸附剂，且在较优的实施方式中，所述脱碳单元4可以采用2～8个吸附塔并联的方式(图1中仅示出2塔的方式)，根据处理量和技术指标的要求，来确定吸附塔的数量，从而实现一次或多次均压，以及单塔或多塔吸附等工序，保证各塔交替连续稳定运行。例如，2个吸附塔并联装置，当其中一塔吸附时，另一塔则处于再生状态，两塔完成一次均压以回收塔中残留的甲烷气体；类似的，对于6个塔并联时，每个塔依次完成吸附、均压降、逆放、抽真空、均压升和终充等过程，为了有效回收甲烷气体，均压过程可以是多次，吸附方式也可以是单塔或多塔同时吸附，另外在各个吸附塔中的吸附剂再生可以采用抽真空或吹扫方式来实现；原料气经过所述脱碳单元4中的变压吸附处理后，净化气通过净化气输出端输出至干燥单元5，而解吸气则可以从解吸气输出端输出，在不同的实例中，解吸气可以采用不同的后续处理方式，例如，将其输入到外部其他净化装置中进行处理(未示出)，或者将其重新输入到气体压缩单元3中，即，如图1中所示，将所述脱碳单元4的解吸气输出端与所述气体压缩单元3的输入端连通，将解吸气进行回流；
所述干燥单元5，用于对净化气进行干燥，如图1所示，该单元示例性地可以选用填装有分子筛干燥吸附剂的双吸附塔结构，两个塔内的吸附剂交替间歇干燥，其中，一个吸附塔对气体进行干燥，另一个吸附塔可以进行吸附剂脱水再生，从而能够保证整个甲烷提纯系统的连续可靠运行；经过干燥后的气体从所述干燥单元5的出端输出；
所述氮氧脱除单元6，其可以利用变压吸附的方式对混合气体中的甲烷继续进行分离提纯，具体地说，可以在吸附塔中填装有对甲烷和氮氧具有较好分离性能的吸附剂(例如活性炭或碳分子筛)，在该吸附剂的作用下，甲烷可以作为吸附质被吸附，而利用解吸过程使高纯度甲烷从吸附塔底部的解吸气输出端输出；示例性地，所述氮氧脱除单元6可以采用2～8个吸附塔并联的方式(图1中仅示出2塔的方式)，其设计方式与所述脱碳单元4中塔数设置方式类似，每个吸附塔依次完成吸附、均压降、逆放、吹扫、抽真空、均压升和终充等过程，为了有效回收甲烷气体，均压过程可以是多次，吸附方式也可以是单塔或多塔同时吸附，产品气吹扫过程气体可以回流到气体压缩单元3进行循环(未标出)；
所述甲烷收集单元7，用于收集及存储所述氮氧脱除单元6中得到的较高纯度的甲烷。
上述的甲烷提纯系统中各个单元的实现装置可以根据需要固定设置在某个确定位置；或者也可以将各个单元的实现装置固定在撬装板上，使得其能够通过车载等方式移动应用，由此利用同一个系统在不同的时刻应用于不同的场景。
需要补充说明的是，在上述实施例中所提到的沼气集气单元1、脱硫单元2、气体压缩单元3、脱碳单元4、干燥单元5、氮氧脱除单元6以及甲烷收集单元7的连接方式仅是示意性的，在其他实施例中，也可以采用其它的布置方式，只要将所述脱硫单元2、气体压缩单元3、脱碳单元4、干燥单元5、氮氧脱除单元6设置在所述沼气集气单元和甲烷收集单元之间，且构成相互串联连接的通路即可。但是优选的，所述氮氧脱除单元6设置在所述脱碳单元4与所述甲烷收集单元6之间，因为此时氮氧脱除单元6是对已经经过提纯的甲烷气体进行深度提纯，提纯效果将更好。
此外，在其他的实施例中，气体压缩单元3也可以不是必须的，设置气体压缩单元3的目的是为了使气体在进入脱碳单元4之前达到合适的理想压力值，而如果在甲烷提纯系统的管路中传输的气体压力值已经是理想压力值时，所述气体压缩单元3可以省略。
对于上述实施例需要补充说明的是，在上述甲烷提纯系统中，对于管路及各个单元的实现装置中的压力控制、流量控制都可以采用本领域人员所公知的技术来实现，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)利用本发明所提出的甲烷提纯系统对沼气进行提纯，除了与现有技术类似地对甲烷进行提纯，还先后对原料气进行了脱硫、脱水、脱氮氧等气体净化处理，所以最终得到的提纯甲烷气体纯度很高，可达到甲烷高纯利用的标准；
(2)利用本发明所提出的甲烷提纯系统对沼气进行提纯，可以直接对沼气中的氮气、氧气进行脱除，省去了外部脱氧设备的投资，显然在得到高纯度甲烷的同时，无需投入较高的费用；
(3)用本发明所提出的甲烷提纯系统进行高纯度甲烷提纯时，整个系统可以是一体化设计，固定设置在某个确定地点；也可以将该系统整体地设置成通过撬装件实现的撬装式，便于实现车载、移动式等不同的应用场景，尽可能扩大设备的应用范围和频率。
需要说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种甲烷提纯系统，包括：沼气集气单元、甲烷收集单元，以及设置在所述沼气集气单元和甲烷收集单元之间、相互串联连接的脱硫单元、脱碳单元和干燥单元，其特征在于，所述甲烷提纯系统还包括：氮氧脱除单元，所述氮氧脱除单元内部设置有将氮气、氧气与甲烷进行分离的吸附剂，所述氮氧脱除单元设置在所述沼气集气单元与甲烷收集单元之间的串联通路中。
2.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述氮氧脱除单元设置在所述脱碳单元与所述甲烷收集单元之间。
3.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述氮氧脱除单元是变压吸附塔。
4.如权利要求3所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述变压吸附塔是2～8个，且相互并联。
5.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述脱硫单元是填装有脱硫剂的两个并联吸附塔。
6.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，该系统还包括，气体压缩单元，所述气体压缩单元设置在所述沼气集气单元与脱碳单元之间的串联通路中。
7.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述脱碳单元为填装有脱碳吸附剂的变压吸附塔，所述变压吸附塔的解吸气输出端与所述气体压缩单元的输入端连接。
8.如权利要求7所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述变压吸附塔是2～8个，且相互并联。
9.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，所述干燥单元为填装有用于干燥的吸附剂的两个并联吸附塔。
10.如权利要求1所述的甲烷提纯系统，其特征在于，该系统还包括：撬装板，所述沼气集气单元、甲烷收集单元，脱硫单元、脱碳单元、干燥单元和氮氧脱除单元设置在所述撬装板上。
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