CN101671585A - 复合分离式沼气除杂纯化制车用天然气级燃料方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合分步分离方式的将沼气净化精制成民用天然气级气体燃料和车用天然气级燃料的方法。目前，我国沼气一般不进行深度脱水、脱硫和脱碳处理，常只进行初步脱硫和脱水，由于普通沼气含有硫、CO₂等杂质，其体积热值低、含有害气体杂质高、品位差，无法达到车用压缩天然气标准。本方法概括为：采用基于纳微米材料和组合优化配置技术的新型高效脱硫技术和具有渗透气回流和残气利用功能的多级膜分离复合分步分离的方法，将沼气进行高效去杂、纯化和深加工，使传统的沼气成为具有天然气同样的高热值和清洁品质的精制沼气——天然气的系统方法和技术，所生产的精制沼气各项指标达到国家标准《车用压缩天然气》标准的规定，以实现沼气的高值利用。

Description

复合分离式沼气除杂纯化制车用天然气级燃料方法

技术领域：

本专利涉及一种复合分步分离方式的将沼气除杂、纯化、浓缩制成车用天然气级精制沼气燃料的方法，属于生物化工分离工程技术，原沼气经过基于纳微米吸附材料和经过组合优化的脱硫单元和具有渗透气回流和残气利用的多级选择性气体分离膜分离单元脱除CO₂、H₂O和少量H₂S，实现对普通沼气的净化与精制目的，以做为民用天然气级燃料或由终端压缩工序压入车用天然气钢瓶做为车用天然气级燃料。

技术背景：

当前我国沼气开发利用主要集中在农村户用沼气推广应用上，也有少量规模略大的用于沼气发电及供暖，其利用水平基本处于较低档次。若大量生产沼气，则会由于其品质低下、体积热值低、存储和输送经济性差或技术不配套的原因，使其运至城镇或商业化利用几乎不可能；又由于普通沼气含有硫、大量CO₂、较多的杂质和较高的含水量等原因，因此，若将普通沼气商业化利用既不安全也不环保。

沼气净化精制技术，主要目的是脱除沼气中CO₂和少量H₂O、H₂S。目前，国内外沼气净化精制方式普遍采用的方法主要有：溶剂吸收法和固体吸附法。固体吸附法中变压吸附法(PSA)较为常见，它是以分子筛为吸附剂进行加压吸附和减压解吸。变压吸附法原理是在变压下利用分子筛对甲烷与二氧化碳吸附量存在差异的特性，达到分离的目的，该方法存在的问题是吸附剂的动态吸附量受限制，如处理大气量情况时，需要庞大的装置从而使成本大幅增加。

溶剂吸收法往往采用碱性溶液做吸收剂分离气体，其特点是技术操作较复杂、吸收剂再生费用较高、能耗大，而且采用该法分离气体容易产生废水污染。

综上所述，现有大多数方法的普遍特点是投资大、能耗大、运营成本高、环保性差，且需频繁更换吸收剂，不适用于中小规模生产和分布式作业的需要。我国农村沼气资源规模小，且分布分散，因此急需一种适合于中小规模、占地面积小、经济高效的沼气净化精制方式。

近几年，气体分离领域发展起来一项较新的技术——膜分离技术，其原理是利用气体中物质对膜的亲和力差异而产生有选择性的溶解扩散现象，实现分离气体的目的。利用该原理，可以将沼气中的CH₄和CO₂分离，具有较高的工业实用价值。其突出优点是投资运营成本低，日常维护方便，具有适用于中小型企业的优势。由于沼气中CO₂含量较高(可达30％以上)，简单的套用膜分离技术净化精制沼气效果并不理想。在膜分离技术实际应用时，需进一步研究膜分离技术的实施工艺和方法。

专利内容：本专利是针对我国农村沼气组分及其实际生产规模所提出的一种最新的有关沼气深度提纯精制技术和工艺，旨在提供一种可以将普通沼气净化提纯，精制成能够满足车用和民用天然气质量及安全、环保要求的新工艺和新技术，是一种以基于纳微米材料和组合优化配置技术的新型高效脱硫技术(含新型脱硫剂)和具有渗透气回流和残气利用功能的多级膜分离为主的联合脱水、脱硫、脱碳、脱氧、脱氨等全新的集成化、系统化的沼气净化精制技术和方法。

本专利基于纳微米吸附材料的组合优化配置脱硫关键技术及设备、多级膜分离与渗出气回流重脱技术相结合的高效脱碳等的集成工艺系统，可实现对普通沼气进行经济高效去杂、脱水、脱硫、脱碳，高效生产天然气级精制沼气。所提出的集成工艺系统，适用于日处理沼气500m³以上的规模，其甲烷回收率大于95％，所生产的精制沼气甲烷含量达到98％，其各项指标达到GB 18047-2000《车用压缩天然气》标准。

本专利的有益效果是：

1.本专利可为我国农村普通沼气的高值、高效利用提供有效支持，对拓宽我国普通沼气的应用领域，弥补车用燃料不足，具有突出的现实意义、环保意义和可观的经济、社会效益。

2.本专利是一种利用农村普通沼气生产可车用或民用的天然气级精制沼气的集成工艺和方法，尤其对于利用有机废弃物开发生物质能，代替天然气具有重要意义。

3.本专利所涉及的工艺系统集成度高，具有占地面积小、处理量灵活、设备寿命长、易于维护、自动化程度高的优势，是当今该领域的发展趋势。

4.本专利是到目前为止有关沼气净化精制方法中投资最省、效果最好的方法。

附图说明：

图1：沼气除杂、提纯生产民用及车用天然气级精制沼气集成工艺系统。

图中：(1)脱氨单元；(2)初步脱水、除尘单元；(3)脱硫单元；(4)脱碳单元；(5)脱氧单元；(6)深度脱水单元；(7)压缩集储单元；(8)市场、用户；(9)CO2富集及利用单元。

具体实施方式：

1.配套的沼气工程：本专利要求配套的沼气工程日产沼气量应在500Nm³以上，生产沼气的原料可以是粪污、秸杆、生活垃圾以及城市垃圾等任何生物质，以及高浓度有机废水、废渣等，如制酒厂、制糖厂等食品工业和发酵工业排出的废弃物。生产沼气的方法可以是湿法也可以是干法。

2.如图1中(1)脱氨单元所示，若沼气原气中氨的含量超过5ppm时，则首先经脱氨单元进行处理。否则，直接采用如图1中(2)初步脱水、除尘单元所示，旋风分离装置对沼气原气进行除尘和初步脱水。

3.如图1中的(3)脱硫单元所示，采用纳微米吸附材料和经过组合优化设计的脱硫装置进行高效脱硫，使脱硫后的沼气中H₂S的含量小于15ppm。并视脱硫单元入口处沼气压力的大小决定是否配置鼓风机。

4.如图1中的(4)脱碳单元所示，采用多级膜分离法脱碳，一级膜渗透气中CO₂含量为85～90％和少量CH₄、H₂等气体，采用低热值气特种燃烧机利用掉一级膜渗透气，产生的热为(3)和沼气池进行供热。二级膜渗透气中CH₄含量在40～50％，回流到(4)脱碳单元入口处，实施重脱，以提高沼气中CH₄的回收率，使脱碳后气体的CH₄含量达到98％以上。

5.如图1中的(5)脱氧单元所示，经过脱氧装置后，使O₂≤0.5％，以确保精制沼气压缩机及压缩过程的安全。

6.如图1中的(6)深度脱水单元所示，采用PSA变压吸附脱水，使H₂O≤7.8mg/Nm³，以确保精制沼气高压压缩储运的安全要求。

7.如图1中的(7)压缩集储单元所示，根据具体应用情况，分别将精制沼气压缩于气柜或气罐中，为如图1中(8)所示的市场或用户提供民用或车用燃料。

8.如图1中的(9)二氧化碳富集及利用单元所示，由一级膜渗透出的低热值燃气经特种燃烧机燃烧，产生的高浓度的二氧化碳可进行富集和深加工利用，实现生产过程二氧化碳的零排放。

9.实例说明：以设计日处理原沼气900立方米、生产车用精制沼气的装置为例，设备投资160万元，包括图1中所有设备、仪表、管线的购置与安装，不包括厂房、土地、设备基础，原料沼气柜中原沼气成份稳定在CH₄ 55-60％，CO₂ 30-38％，H₂O(g)2-3％，H₂S 500-1500PPm，经纯化浓缩制取的精制沼气，其中CH₄≥98％，CO₂≤3％，H₂S≤15ppm，O₂≤0.5％，H₂O≤7.8mg/m³，常压露点为-13℃，设备对甲烷的总收率达到95％以上，每日可生产天然气级车用精制沼气燃料495立方米，等价于500多kg汽油(约合630L)，可充装容积为70L(压力20MPa)的车用天然气钢瓶30个，可供100KM耗油8L的汽车行走7800KM。

Claims (6)

1.本专利涉及一种复合分步分离方式的将沼气经济、高效地精制成天然气级燃料的方法。其特征是：基于纳微米吸附材料和组合优化配置技术的脱除沼气中的H₂S和基于具有渗透气回流的多级膜分离技术高效去除沼气中的CO₂和残存H₂S，以及高效脱除沼气中的水。

2.按照权利要求1所述的一种复合分步分离方式的将沼气经济、高效地精制成天然气级燃料的方法，其特征是：经脱氨、旋风分离脱水，经过多级膜分离装置，经过变压吸附深度脱水，使最终精制沼气压缩前的含水量不超过7.8mg/Nm³。

3.按照权利要求1所述的一种复合分步分离方式的将沼气经济、高效地精制成天然气级燃料的方法。其特征是：基于纳微米材料和组合优化技术的新型高效脱硫技术和脱硫剂。

4.按照权利要求1所述的一种复合分步分离方式的将沼气经济、高效地精制成天然气级燃料的方法，其特征是：基于膜材料、膜组件技术及气体膜技术，以及具有渗透气回流再分离及低热值残气回收利用的多级膜分离CH₄/CO₂气体，高效深度脱除沼气中的CO₂。

5.按照权利要求1、2、3和4所述的一种复合分步分离方式的将沼气经济、高效地精制成天然气级燃料的方法，其特征是：以普通沼气为原气；提纯后的沼气中甲烷含量达到98％，甲烷回收率达到95％；H₂S含量不超过15ppm。

6.按照权利要求1、2、3、4和5所述的一种复合分步分离方式的将沼气经济、高效地精制成天然气级燃料的方法，其特征是：可以处理用各种生物质原料和用各种技术方式生产的原沼气，适用于日处理原沼气500Nm³及其以上规模。

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