CN102445052A - 一种用于零散气源点的沼气液化工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种用于零散气源点的沼气液化工艺及装置，包括多元混合制冷剂预冷单元、多元混合制冷剂循环单元和液化与贮存单元。多元混合制冷剂预冷单元与混合制冷剂循环单元组成类复叠式制冷循环，获得低温，冷却冷凝液化与贮存单元中流动的原料沼气成液体；液化与贮存单元由回热器、原料沼气压缩机、冷箱、贮罐进口截止阀及贮罐组成；多元混合制冷剂循环单元由主压缩机、油分离器、主冷凝器、回热器、预冷换热器、冷箱、主节流阀和回油电磁阀组成；多元混合制冷剂预冷单元由副压缩机、副冷凝器、预冷换热器、副节流阀组成。本发明采用回热器、多股流板式换热器，大大提高了装置效率，采用节流阀一次节流，流程简单，控制和调节方便，投资少，便于移动、撬装。

Description

一种用于零散气源点的沼气液化工艺及装置

技术领域

本发明属于生物质能源及绿色制造关键技术领域，具体地说，涉及一种用于零散气源点的沼气液化工艺及装置。

背景技术

能源的可持续发展是国民经济的重要支柱，开发和利用新兴能源，提高资源综合利用效率，是我国未来能源开发的方向。分析目前国家的资源配置、可持续发展对环境保护意识的要求，不难看出，天然气、沼气等洁净能源的开发利用正在并将逐渐成为中国能源业的重要组成。沼气——由多种气体包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、一氧化碳、氢、氧、氮等组成的混合气体，是一种洁净的生物质能源。沼气中甲烷含量约为50％～70％，二氧化碳次之，其余几种气体的含量很低。天然的沼气是一种低热值气体，使用极其有限，一些国家或地区现行生产的沼气主要用于改良的锅炉及发动机产热或发电，作为能源供当地用户消费。而国内许多养殖场在“无害化”处理“三废”时，生产出的大量沼气，除少部分用做养殖场本身的照明、生活燃料外，其余大部分因难以囤积，只能任其散发在空中，造成了巨大的浪费和污染。由于沼气点分布较为零散，生产规模小，管网输送远距离使用成本较高；使用罐装的常态沼气，则因沼气密度小，每罐中存储的沼气量太少，以及常态沼气的相对热值低，无法满足用户需要。为了能够充分利用沼气资源，将沼气液化是推广其广泛应用的重要途径。沼气液化可以借助于主要成分与之相同的天然气的液化工艺，如较为成熟的复叠式制冷液化工艺、混合制冷剂制冷液化工艺和膨胀制冷液化工艺。但这些工艺各有其特点，不能直接应用于零散气源点的沼气液化。复叠式制冷循环液化工艺，能耗较低，但流程设备较为复杂；混合制冷剂制冷循环液化工艺，流程相对简单，压缩机组少，对制冷剂纯度要求不高，但能耗比复迭式制冷循环高20％左右；膨胀制冷循环液化工艺能耗最低，流程简单，处理能力大，但设备初期投入大，需要大的供气量。对于小型规模的沼气液化装置而言，常常要求设备简单，同时又要求能耗低。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种充分利用混合制冷剂循环流程简单和复叠式制冷循环能耗低的优点而实现高效节能、适用于零散气源点的沼气液化工艺及装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种用于零散气源点的沼气液化工艺，包括多元混合制冷剂预冷单元21、多元混合制冷剂循环单元20、液化与贮存单元19。所述多元混合制冷剂预冷单元21与所述多元混合制冷剂循环单元20组成类复叠式制冷循环，获得低温，将液化与贮存单元19中流动的原料沼气冷却冷凝成液体；所述多元混合制冷剂预冷单元21将主压缩机3压缩增压后经主冷凝器1冷却后输出的多元混合制冷剂气体进一步冷却，并使其中的高沸点制冷剂气体冷却冷凝成液体；所述多元混合制冷剂循环单元20通过主节流阀7将冷却冷凝后的多元混合制冷剂节流降压，在冷箱6的g-g1管内蒸发，吸收主压缩机3压缩增压后流经油分离器2、主冷凝器1、回热器4、预冷换热器14、到达冷箱6的h-h1管内多元混合制冷剂的热量，逐步将多元混合制冷剂中的气体全部冷却冷凝成液体，并由主节流阀7节流，在冷箱6的g-g1管内蒸发形成能够液化沼气的低温；所述液化与贮存单元19将经过预处理的原料沼气通入回热器4的a-a1管预冷，再由原料沼气压缩机5增压输送至冷箱6的f-f1管中吸收g-g1管内多元混合制冷剂蒸发产生的冷量冷凝成液体，进一步送入贮罐10贮存。

所述液化与贮存单元19包括液化单元和贮存单元；所述液化单元包括沼气预冷子单元和沼气冷凝子单元；所述沼气预冷子单元由输送预处理的原料沼气管道和回热器4构成；所述回热器4有3条通道，一条用于从冷箱6过来回入主压缩机3的低压混合制冷剂的流通，一条用于从主冷凝器1过来送往主节流阀7的高压混合制冷剂的流通，还有一条用于原料沼气的流通与预冷；原料沼气以及从主压缩3机排出经主冷凝器1冷却的多元混合制冷剂分别进入回热器4中的各自通道内，与从冷箱6流来将回入到主压缩机3中去的多元混合制冷剂成逆流布置；所述沼气冷凝子单元由原料沼气压缩机5和冷箱6组成。

本发明中液化单元的工作原理为：经过预处理后的原料沼气，进入沼气预冷子单元的回热器4，在回热器4中与来自冷箱6的多元混合制冷剂进行能量交换，使其温度从t1降低至t2；预冷后温度为t2的沼气进入沼气冷凝子单元的冷箱6，吸收经过主节流阀7节流降压后的多元混合制冷剂的冷量，变成温度为t3的液体，并被送入贮罐10。

其中沼气预冷子单元的工作原理为：利用从多元混合制冷剂循环单元20的冷箱6中流过来的、将要进入主压缩机3吸气口的低压低温多元混合制冷剂的冷量，在回热器4的a-a1管中冷却经过预处理的将要送往冷箱6的原料沼气，使其温度降低，以便在冷箱6中冷凝液化；从冷箱6流过来的低压低温多元混合制冷剂在回热器4的b-b1管中吸收经过预处理的将要送往冷箱6的原料沼气的热量，温度升高，被完全气化或过热由主压缩机3吸入进入下一次循环，在回热器4中提供源源不断的、预冷原料沼气所需的冷量。

其中沼气冷凝子单元的工作原理为：原料沼气压缩机5将经过回热器4预冷的原料沼气增压后送入冷箱6的f-f1管中，吸收冷箱6的g-g1管中的由多元混合制冷剂循环系统20提供的冷量，冷凝成液体，而g-g1管中的多元混合制冷剂被f-f1管中原料沼气的加热后气化。气化后的多元混合制冷剂(低压回气)被多元混合制冷剂循环单元20的主压缩机3吸入，进入下一个循环，在冷箱6中提供源源不断的、冷冻原料沼气所需的冷量。

其中多元混合制冷剂循环单元20的工作原理为：压缩机将吸入的多元混合制冷剂压缩后排出至油分离器2，滤油后的气态多元混合制冷剂(高压排出气)从油分离器2顶部流出，进入主冷凝器1，其中的高凝点制冷剂气体冷凝成液体，低凝点制冷剂气体仍保持气态，并一同流入回热器4，在回热器4中吸收从冷箱6来的多元混合制冷剂(低压回气)的冷量，(高压排出气)温度下降，再进入预冷换热器14，吸收多元混合制冷剂预冷单元21提供的冷量，多元混合制冷剂(高压排出气)温度进一步下降，然后被送入冷箱6，吸收冷箱6中的冷量，多元混合制冷剂(高压排出气)完全液化，经主节流阀7节流降压后低压多元混合制冷剂液体在冷箱6内吸收自预冷换热器14来的多元混合制冷剂(高压排出气)和自回热器预冷处理后而来的原料沼气中的热量而蒸发气化，气化后多元混合制冷剂(低压回气)经回热器4进一步升温，被主压缩机3吸入。依此，进入下一个循环。

其中多元混合制冷剂预冷单元21的工作原理为：预冷压缩机15将气态单一制冷剂(低压回气)吸入压缩成高压气体，然后送入至副冷凝器13，冷凝成液体；液态单一制冷剂经副节流阀12节流降压，在预冷换热器14中吸收来自主压缩机3送出、流向主节流阀7的多元混合制冷剂的热量而气化，气化后的单一制冷剂再次被预冷压缩机15吸入，进入进入下一个循环。

本发明中贮存单元的工作原理为：贮罐10内放置一定量的丙烷或丁烷或其异构体类助溶剂，从冷箱6的f-f1管流来的液化沼气直接送入贮罐10内助溶剂中，部分溶解于其中，产生的少量闪蒸气从贮罐上方的出口经电磁阀流回到压缩机5的入口p，与从回热器的a-a1管来的新鲜原料沼气混合一起被压缩机吸入压缩，进一步送入冷箱6冷凝液化。

本发明还揭示了上述的沼气液化工艺的液化装置：

所述一种用于零散气源点的沼气液化装置包括多元混合制冷剂预冷单元21、多元混合制冷剂循环单元20和液化与贮存单元19；所述多元混合制冷剂预冷单元21和多元混合制冷剂循环单元20通过预冷换热器14相连，所述多元混合制冷剂循环单元20和液化与贮存单元19通过冷箱6、回热器4相连；所述液化与贮存单元19由回热器4、原料沼气压缩机5、冷箱6、贮罐进口截止阀9及贮罐10按顺序并通过流通管路串接形成；所述回热器4具有原料气通道a-a1、多元混合制冷剂回气通道b-b1、多元混合制冷剂冷却通道c-c1；所述原料沼气压缩机5设置在回热器4的原料气通道a-a1和冷箱6的原料气冷凝通道f-f1之间的通路上；所述冷箱6具有原料气冷凝通道f-f1、混合制冷剂蒸发通道g-g1、混合制冷剂冷凝通道h-h1；所述贮罐10具有液化沼气的进口n、闪蒸气体出口m和排液口k；在所述的冷箱6的原料气冷凝通道f-f1与贮罐10之间连接有贮罐进口截止阀9，在所述的贮罐10和原料沼气压缩机5的进气口之间连接有贮罐10内的闪蒸气体引出管道p-m，在所述的闪蒸气体引出管道p-m上连接有通气电磁阀8。

所述多元混合制冷剂循环单元20由主压缩机3、油分离器2、主冷凝器1、回热器4、预冷换热器14、冷箱6、主节流阀7和回油电磁阀18组成，所述油分离器2底部与主压缩机3进气口之间的管路上连接有回油电磁阀18和抽真空截止阀17。

所述多元混合制冷剂预冷单元21由预冷压缩机15、副冷凝器13、预冷换热器14、副节流阀12组成。所述预冷换热器有2条通道，一条用于来自主冷凝器1的混合制冷剂的流通，另一条用于对多元混合制冷剂进行预冷循环的单一制冷剂的流通。

所述冷箱，由板式换热器26、真空腔壳体24、保温层23和保护层外壳22组成。所述板式换热器26立置于真空腔壳24内，用带有波纹管27的6根接管分别将板式换热器26的进、出口引出至保护层外壳22外侧，在真空腔壳体24内采用柱状的木垫板25支承板式换热器26的上、下表面；板式换热器26与真空腔壳体24的间隙空间抽真空并封焊；在真空腔壳体24外加设保温层23，再在保温层23上加装保护层外壳22。

本发明的有益效果

(1)本发明所述液化工艺，吸取了复叠式制冷循环和多元混合制冷剂循环的优点，降低了沼气液化的能耗和处理成本；

(2)液化单元的多元混合制冷剂循环子系统采用节流阀一次节流，没有专用的汽液分离设备；流程简单，控制和调节方便，投资少，便于移动、撬装。

(3)采用高效多股流板式换热器，换热效率高；多股流板式换热器放置于外壳为不锈钢圆筒内，外壳与冷箱之间抽真空，绝热；不锈钢圆筒外壳的外层加设发泡层保冷。

(4)内置波纹管降低温差应力，保证真空腔的安全；上下木块固定真空腔内板式换热器，减少了冷桥的形成。

(5)加压液化沼气，有利于提高液化温度。

(6)将液化沼气通入贮罐内的丙烷助溶剂中，减少了闪蒸量，稳定了液化率。

(7)利用回热器，使高压多元混合制冷剂进一步冷却冷凝和低压多元混合制冷剂完全气化，大大降低了能耗。

附图说明

图1是一种用于零散气源点的沼气液化工艺及装置示意图。

其中1-主冷凝器，2-油分离器，3-主压缩机，4-回热器，5-原料沼气压缩机，6-冷箱，7-主节流阀，8-通气电磁阀，9-贮罐进口截止阀，10-贮罐，11-贮罐出口截止阀，12-副节流阀，13-副冷凝器，14-预冷换热器，15-预冷压缩机，16-单一制冷剂加注截止阀，17-混合制冷剂加注截止阀，18-回油电磁阀，19-液化与贮存单元，20-多元混合制冷剂循环单元，21-多元混合制冷剂预冷单元。

图2是冷箱结构图。

22-保护层外壳，23-保温层，24-真空腔壳体，25-木垫板，26-板式换热器，27-波纹管，28-接管口f，29-接管口f1，30-接管口g1，31-接管口h1，32-接管口h，33-接管口g。

图3是贮罐结构图。

34-液化沼气进口；35-闪蒸沼气出口；36-保温层外壳；37-贮罐壳体；38-人孔；39-丙烷加注口；40-保温层；41、42-液面计接口；43-出液口；44-排污口

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本发明沼气液化工艺及装置，是利用多元混合制冷剂循环单元20和多元混合制冷剂预冷单元21组成的类复叠式制冷循环系统，在冷箱6中形成低温，冷凝并液化原料沼气的。单一制冷剂采用丙烷，多元混合制冷剂为丙烷、乙烷、甲烷和氮气按一定质量比组成的混合物。所述多元混合制冷剂循环单元20由主压缩机3、油分离器2、主冷凝器1、回热器4、预冷换热器14、冷箱6、主节流阀7采用管道依次相连组成；所述多元混合制冷剂预冷单元21由预冷压缩机15、副冷凝器13、副节流阀12、预冷换热器14采用管道依次相连组成；两个彼此独立的多元混合制冷剂循环单元20和多元混合制冷剂预冷单元21，通过预冷换热器14连接，构成类复叠式制冷循环系统。

通过下列4步可以将经预处理过的原料沼气转化为液体并贮存。

(1)多元混合制冷剂预冷单元21的启动。

采用带有真空-压力表的修理阀和加液软管将真空泵(外接)连接于单一制冷剂加注截止阀16上，打开单一制冷剂加注截止阀16，开启真空泵，先对多元混合制冷剂预冷单元21抽真空。当修理阀上的真空-压力表到达-0.1MPa时，关闭单一制冷剂加注截止阀16，再关闭真空泵电源；拧开与真空泵连接的接头螺母，并将这一接头螺母连接至丙烷钢瓶的截止阀上；打开丙烷钢瓶的截止阀，拧松与丙烷钢瓶的截止阀相连的连在修理阀上的接头螺母，让丙烷钢瓶中的丙烷从此处泄漏出来，待微量的液态丙烷漏出时，拧紧修理阀上的加液管的接头螺母。开启修理阀，向多元混合制冷剂预冷单元21加注一定量的丙烷；不断调节副节流阀12，直到预冷换热器14获得预定的温度为止。

(2)多元混合制冷剂循环单元20的启动。

在多元混合制冷剂预冷单元21运行正常后，启动多元混合制冷剂循环单元20。采用带有真空-压力表的修理阀和加液软管将真空泵(外接)连接于混合制冷剂加注截止阀17上，打开混合制冷剂加注截止阀17，开启真空泵(外接)，先对多元混合制冷剂循环单元20抽真空。当修理阀上的真空-压力表到达-0.1MPa时，关闭混合制冷剂加注截止阀17，再关闭真空泵电源；拧开与真空泵连接的接头螺母，并将这一接头螺母连接至丙烷钢瓶的截止阀上；打开丙烷钢瓶的截止阀，拧松与丙烷钢瓶的截止阀相连的连在修理阀上的接头螺母，让丙烷钢瓶中的丙烷从此处泄漏出来，待微量液态丙烷漏出时，拧紧修理阀上的加液管的接头螺母。开启修理阀，向多元混合制冷剂循环单元20加注一定量的丙烷；不断调节主节流阀7，直到冷箱获得预定的阶段性温度为止。关闭修理阀和丙烷钢瓶上的截止阀，并从丙烷钢瓶上的截止阀接口拧下连接软管的接头螺母，连接到新换上的乙烷钢瓶的截止阀接口上，拧紧。如加注丙烷程序，分别加注乙烷、甲烷和氮气，进一步调节主节流阀7直到冷箱获得预定的最终温度。

(3)向贮罐10内加注丙烷助溶剂。

调节好冷箱6的温度后，向贮罐10内加注丙烷助溶剂。关闭贮罐10进口截止阀9、出口截止阀11、通气电磁阀8，在出口截止阀11上安装带有真空-压力表的修理阀，并用加液软管将修理阀与真空泵(外接)连接起来。打开修理阀、贮罐出口截止阀11，开启真空泵(外接)抽真空，当修理阀上的真空-压力表到达-0.1MPa时，关闭修理阀，再关闭真空泵电源；拧开与真空泵连接的加液软管的接头螺母，并将这一接头螺母连接至丙烷钢瓶的截止阀上；打开丙烷钢瓶的截止阀，拧松与丙烷钢瓶的截止阀相连的连接在修理阀上的接头螺母，让丙烷钢瓶中的丙烷从此处泄漏出来，待微量液态丙烷漏出时，拧紧修理阀上的加液软管的接头螺母。开启修理阀，向贮罐10内加注一定量的丙烷。

(4)液化沼气并贮存。

将预处理过的原料沼气，送至回热器4进行预冷，再由原料沼气压缩机5增压后送入冷箱6获取多元混合制冷剂循环单元20在其中释放出的冷量，冷冻液化；打开贮罐进口截止阀9，将液化沼气送入贮液器底部，与丙烷接触并充分溶解其中，贮存在贮罐10内；闪蒸出来的气体，在达到一定压力时通过电磁阀8流回到原料沼气压缩机5的进口，与新鲜的原料沼气混合，再次被压缩送入冷箱6、冷冻液化。

Claims (8)

1.一种用于零散气源点的沼气液化工艺，包括多元混合制冷剂预冷单元(21)、多元混合制冷剂循环单元(20)、液化与贮存单元(19)，其特征在于：由一闭合的制冷循环构成的多元混合制冷剂预冷单元(21)与另一闭合的多元混合制冷剂循环单元(20)组成类复叠式制冷循环，获得低温，冷却冷凝液化与贮存单元(19)中流动的原料沼气成液体；所述多元混合制冷剂预冷单元(21)将多元混合制冷剂循环单元(20)中主压缩机(3)压缩后经主冷凝器(1)冷却后输出的多元混合制冷剂气体进一步冷却，并使其中的高沸点制冷剂气体冷却冷凝成液体；所述多元混合制冷剂循环单元(20)通过主节流阀(7)将冷却冷凝后的多元混合制冷剂节流降压，在冷箱(6)的g-g1管内蒸发，吸收主压缩机(3)压缩后流经油分离器(2)、主冷凝器(1)、回热器(4)、预冷换热器(14)、到达冷箱(6)的h-h1管内多元混合制冷剂的热量，逐步将多元混合制冷剂中的气体全部冷却冷凝成液体，并由主节流阀(7)节流在冷箱(6)的g-g1管内蒸发形成能够液化沼气的低温；所述液化与贮存单元(19)将经过预处理的原料沼气通入回热器(4)的a-a1管预冷，再由原料沼气压缩机(5)增压输送至冷箱(6)的f-f1管中吸收g-g1管内多元混合制冷剂蒸发产生的冷量冷凝成液体，进一步送入贮罐(10)贮存。

2.根据权利要求1所述的一种用于零散气源点的沼气液化工艺，其特征在于，所述多元混合制冷剂循环单元(20)中回热器b-b1管内的低温多元混合制冷剂被a-a1管内的原料沼气和c-c1管内的制冷剂复热完全气化，a-a1管内的原料沼气和c-c1管内的高压高温多元混合制冷剂得到冷却。

3.根据权利要求1所述的一种用于零散气源点的沼气液化工艺，其特征在于，所述液化与贮存单元(19)中的贮罐(10)内放置一定量的丙烷或丁烷或其异构体类助溶剂，从冷箱(6)的f-f1管流来的液化沼气直接送入贮罐(10)内助溶剂中，部分溶解于其中，产生的少量闪蒸气从贮罐上方的出口经电磁阀流回到压缩机(5)的入口p，与从回热器的a-a1管来的新鲜原料沼气混合一起被压缩机吸入压缩，进一步送入冷箱(6)冷凝液化。

4.一种使用权利要求1所述的沼气液化装置，其特征在于：所述多元混合制冷剂预冷单元(21)和多元混合制冷剂循环单元(20)通过预冷换热器相连，所述多元混合制冷剂循环单元(20)和液化与贮存单元(19)通过冷箱、回热器相连。

5.根据权利要求4所述的沼气液化装置，其特征在于：所述液化与贮存单元(19)由回热器(4)、原料沼气压缩机(5)、冷箱(6)、贮罐进口截止阀(9)及贮罐(10)按顺序并通过流通管路串接形成；所述回热器(4)具有原料气通道a-a1、多元混合制冷剂的回气通道b-b1、多元混合制冷剂的冷却通道c-c1；所述原料沼气压缩机(5)设置在回热器(4)的原料气通道a-a1和冷箱(6)的原料沼气冷凝通道f-f1之间的通路上；所述冷箱(6)具有原料沼气冷凝通道f-f1、多元混合制冷剂蒸发通道g-g1、多元混合制冷剂冷凝通道h-h1；所述贮罐(10)具有液化沼气的进口n、闪蒸气体出口m和排液口k；在所述的冷箱(6)的原料沼气冷凝通道f-f1与贮罐(10)之间连接有贮罐进口截止阀(9)，在所述的贮罐(10)和原料沼气压缩机(5)的进气口之间连接有贮罐(10)内的闪蒸气体引出管道p-m，在所述的闪蒸气体引出管道p-m上连接有通气电磁阀(8)。

6.根据权利要求4所述的沼气液化装置，其特征在于：所述多元混合制冷剂循环单元(20)包括主压缩机(3)、油分离器(2)、主冷凝器(1)、回热器(4)、预冷换热器(14)、冷箱(6)、主节流阀(7)和回油电磁阀(18)，所述的主压缩机(3)、油分离器(2)、主冷凝器(1)、回热器(4)、预冷换热器(14)、冷箱(6)、主节流阀(7)采用管道依次连接成闭环；所述油分离器(2)底部与主压缩机(3)进气口之间的管路上连接有回油电磁阀(18)和抽真空截止阀(17)。

7.根据权利要求4所述的沼气液化装置，其特征在于：所述多元混合制冷剂预冷单元(21)由预冷压缩机(15)、副冷凝器(13)、预冷换热器(14)、副节流阀(12)组成。

8.根据权利要求4所述的沼气液化装置，其特征在于：所述冷箱(6)，由板式换热器(26)、真空腔壳体(24)、保温层(23)和保护层外壳(22)组成。所述板式换热器(26)立置于真空腔壳(24)内，用带有波纹管(27)的6根接管分别将板式换热器(26)的进、出口引出至保护层外壳(22)外侧，在真空腔壳体(24)内采用柱状的木垫板(25)支承板式换热器(26)的上、下表面；板式换热器(26)与真空腔壳体(24)的间隙空间抽真空并封焊；在真空腔壳体(24)外加设保温层(23)，再在保温层(23)上加装保护层外壳(22)。

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