CN102698563B - 一种高纯度、高回收率甲烷浓缩生产工艺及实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯度、高回收率甲烷浓缩生产工艺及实现装置，生产工艺包括膜分离、变压吸附、再生等，甲烷浓缩装置包括进气管（1）、第一膜组件（2）、第一缓冲罐（3）、至少3个吸附塔（4）、第二膜组件（6）、第二缓冲罐（7）、出气管（8）以及逆放管（9），进气管（1）、第一膜组件（2）、第一缓冲罐（3）通过管道依次连通，第一缓冲罐（3）、第二缓冲罐（7）、出气管（8）、逆放管（9）分别通过设有气动切断阀的管道与吸附塔（4）连通。本发明采用上述工艺及实现装置，能减少变压吸附装置的规模，提高甲烷收率，减小成本。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷浓缩领域，具体是一种高纯度、高回收率甲烷浓缩生产工艺及实现装置。
背景技术
沼气、填埋气等均是富含甲烷的气体，其甲烷含量一般在45%~65%之间，具有极高的利用价值，但其中还含有40%左右的CO2,及少量的N2、H2S和O2等，使得直接利用效率不高，不适合远距离运输，无法作为民用和工业原料实用。只有通过分离提纯，去除杂质，得到浓缩甲烷，其热值与天然气相当，可以实现安全、方便、经济的远距离运输。不仅是可以直接使用的洁净、高效能源，也可以液化成车用燃料，还可以作为工业原料使用。
沼气的工业化生产主要是工厂污水处理的产物，收集后一般直接燃烧，因为甲烷纯度关系，利用率不高，所含硫化物燃烧排空后也污染环境。填埋气主要来自垃圾填埋场，所说它是一种利用价值较高的清洁燃料，但一直不能得到很好的利用。全球每年都有大量来自垃圾填埋场的CH4排入大气，污染环境的同时也浪费了大量可再生能源。中国的城市垃圾主要处理方式仍为卫生填埋，城市垃圾的产生量以每年8%~10%的速度递增，据此可以推测，中国填埋气的产量正在日益增加，因此，填埋气的利用开发具有很高的社会效益、环保效益和经济效益。
变压吸附法是从混合气体中分离、提纯一种气体的技术，是以吸附剂在高低压下对气体的吸附容量差异为工作原理，由选择吸附和解吸再生组成的循环工艺，是节能、环保、安全、高效的甲烷浓缩方法，但因再生过程中，逆放抽空气的排出，导致收率不高。膜分离是利用膜对二氧化碳、甲烷的不同渗透性来实现CO2与CH4分离，但成品甲烷纯度不太高，并且在较高的纯度要求下，膜分离过程就需在1.7~5.5MPa的高压力下完成，运行成本高。
发明内容
本发明提供了一种高纯度、高回收率甲烷浓缩生产工艺及实现装置，相比传统的甲烷浓缩生产工艺，可减少变压吸附装置的规模，提高甲烷收率，减小成本。
本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现：一种高纯度、高回收率甲烷浓缩生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、膜分离：将成分约为60%甲烷、39%二氧化碳和少量氧气、氮气及其他气体的原料气送入膜分离单元，利用膜对二氧化碳和甲烷的不同渗透性，使二氧化碳从膜分离单元的渗透侧脱出，而膜分离单元的非渗透侧则得到中间气，并将该中间气暂存于缓冲罐内，此时中间气中甲烷含量为82%、二氧化碳含量为17%，其余为氧气、氮气及其他气体；
b、变压吸附：将缓冲罐内的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入吸附塔内，吸附塔内装填甲烷浓缩吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中的二氧化碳吸附，有效气成分甲烷则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品甲烷气送出装置给用户，此时甲烷气的含量为96%~99%；
c、再生：中间气在吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对吸附塔进行均压降，接着进行逆放，并将逆放气暂存于缓冲罐内，然后将逆放气回补到吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程。
所述步骤c的具体过程为：
c1、均压降：吸附过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的吸附塔内；这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间内的有效气的过程，床层死空间，即吸附完成后，吸附塔内未能有效利用的部分，此床层空间内所含气体组分为有效气体甲烷。
c2、逆放：吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中含35%甲烷和65%二氧化碳；
c3、逆放气经膜分离单元后进入缓冲罐内暂存，此时甲烷含量约为60%；
c4、逆放完成后，对吸附塔进行抽真空处理；
c5、抽空完成后，对吸附塔进行升压，最初的一次就是将缓冲罐中的逆放气回补至吸附塔内，称为初步升压。
c6、在初步升压完成后，用其它吸附塔内压力较高的甲烷气依次对该吸附塔进行升压；这一过程与均压降过程相对应，既是升压过程，也是回收其它吸附塔内床层死空间的甲烷气的过程。
c7、在完成最后一次均压升后，通过终充调节阀缓慢而平稳地用产品气将吸附塔压力升至吸附压力。这样做是为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附，并保证产品纯度和压力在这一过程中不发生波动。
一种实现上述的高纯度、高收率甲烷浓缩生产工艺的装置，包括进气管、第一膜组件、第一缓冲罐、至少3个吸附塔、第二膜组件、第二缓冲罐、出气管以及逆放管，所述进气管、第一膜组件、第一缓冲罐通过管道依次连通，所述第一缓冲罐、第二缓冲罐、出气管、逆放管分别通过设有气动切断阀的管道与吸附塔连通，所述第二膜组件通过设有气动切断阀的管道与逆放管连通，所述第二膜组件还通过设有气动切断阀的管道与第二缓冲罐连通，所述逆放管通过设有气动切断阀的管道还连通有真空泵，所述真空泵与第二膜组件之间通过设有气动切断阀的管道连通，所述吸附塔通过设有气动切断阀的管道还连接有均压管。
所述均压管与出气管相连通，且均压管与出气管的连通处设有气动调节阀。
所述出气管上设有气动调节阀。
所述吸附塔有4个。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本实用新型具有膜分离技术和变压吸附技术的双重特点，原料气经预处理后，通过膜组件将杂质气体CO2在渗透侧排空，中间气由非渗透侧进入第一缓冲罐，而后进入吸附塔进行变压吸附。变压吸附系统的逆放管上加装第二膜组件，并在第二膜组件的非渗透侧设置第二缓冲罐，第二缓冲罐中非渗透气回补到抽完真空的吸附塔中，完成终充，这样不仅提高了甲烷收率，还减小了变压吸附装置的规模，从而使成本较低。
附图说明
图1为甲烷浓缩装置的结构示意图。
附图标记所对应的名称为：1、进气管，2、第一膜组件，3、第一缓冲罐，4、吸附塔，5、真空泵，6、第二膜组件，7、第二缓冲罐，8、出气管，9、逆放管，10、均压管，11、气动调节阀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例的高纯度、高收率甲烷浓缩生产工艺，包括以下步骤：
a、膜分离：将成分约为60%甲烷、39%二氧化碳和少量氧气、氮气及其他气体的原料气送入膜分离单元，利用膜对二氧化碳和甲烷的不同渗透性，使二氧化碳从膜分离单元的渗透侧脱出，而膜分离单元的非渗透侧则得到中间气，并将该中间气暂存于缓冲罐内，此时中间气中甲烷含量为82%、二氧化碳含量为17%，其余为氧气、氮气及其他气体；
b、变压吸附：将缓冲罐内的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入吸附塔内，吸附塔内装填甲烷浓缩吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中的二氧化碳吸附，有效气成分甲烷则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品甲烷气送出装置给用户，此时甲烷气的含量为96%~99%；
c、再生：中间气在吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对吸附塔进行均压降，接着进行逆放，并将逆放气暂存于缓冲罐内，然后将逆放气回补到吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程。
本实施例的步骤c的具体过程为：
c1、均压降：吸附过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的吸附塔内；
c2、逆放：吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中含35%甲烷和65%二氧化碳；
c3、逆放气经膜分离单元后进入缓冲罐内暂存，此时甲烷含量约为60%；
c4、逆放完成后，对吸附塔进行抽真空处理；
c5、抽空完成后，对吸附塔进行升压，最初的一次就是将缓冲罐中的逆放气回补至吸附塔内，称为初步升压；
c6、在初步升压完成后，用其它吸附塔内压力较高的甲烷气依次对该吸附塔进行升压；
c7、在完成最后一次均压升后，通过终充调节阀缓慢而平稳地用产品气将吸附塔压力升至吸附压力。
如图1所示，本实施例的高纯度、高收率甲烷浓缩生产工艺的装置，包括进气管1、第一膜组件2、第一缓冲罐3、至少3个吸附塔4、第二膜组件6、第二缓冲罐7、出气管8以及逆放管9，进气管1、第一膜组件2、第一缓冲罐3通过管道依次连通，第一缓冲罐3、第二缓冲罐7、出气管8、逆放管9分别通过设有气动切断阀的管道与吸附塔4连通。
本实施例的第二膜组件6通过设有气动切断阀的管道与逆放管9连通，第二膜组件6还通过设有气动切断阀的管道与第二缓冲罐7连通。
本实施例的逆放管9通过设有气动切断阀的管道还连通有真空泵5，真空泵5与第二膜组件6之间通过设有气动切断阀的管道连通。
本实施例的吸附塔4通过设有气动切断阀的管道还连接有均压管10，均压管10与出气管8相连通，且均压管10与出气管8的连通处设有气动调节阀11。
本实施例的出气管8上设有气动调节阀11。
本实施例的吸附塔4有4个。
本实施例的高纯度、高收率甲烷浓缩装置的工作原理为：首先，原料气从进气管1进入，接着依次进入第一膜组件2、第一缓冲罐3，然后进入吸附塔4，吸附塔4吸附气体中的杂质后，经出气管8将合格产品气送出装置给用户。吸附塔4在完成吸附过程后，进行再生，具体过程是，先打开均压管10与吸附塔4之间的气动切断阀进行均压降，然后打开逆放管9与吸附塔4之间的气动切断阀实现逆放，在逆放过程中，打开第二膜组件6与逆放管9之间的气动切断阀，关闭真空泵5与逆放管9之间的气动切断阀，在第二膜组件6的渗透侧回收逆放气中所含的甲烷，并暂存于第二缓冲罐7中；吸附塔4逆放完成后，关闭第二膜组件6与逆放管9之间的气动切断阀，打开真空泵5与逆放管9之间的气动切断阀进行抽真空，完成抽真空后，将第二缓冲罐7中的渗透气回补到已抽成真空的吸附塔4中，完成渗透气的回收；最后吸附塔4再由均压管10实现均压升，并由均压管10完成终充，从而完成整个再生过程。
Claims (1)
1.一种高纯度、高回收率甲烷浓缩生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、膜分离：将成分为60%甲烷、39%二氧化碳和少量氧气、氮气及其他气体的原料气送入膜分离单元，利用膜对二氧化碳和甲烷的不同渗透性，使二氧化碳从膜分离单元的渗透侧脱出，而膜分离单元的非渗透侧则得到中间气，并将该中间气暂存于缓冲罐内，此时中间气中甲烷含量为82%、二氧化碳含量为17%，其余为氧气、氮气及其他气体；
b、变压吸附：将缓冲罐内的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序送入吸附塔内，吸附塔内装填甲烷浓缩吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中的二氧化碳吸附，有效气成分甲烷则从吸附塔顶部输出，经出口阀将产品甲烷气送出装置给用户，此时甲烷气的含量为96%~99%；
c、再生：中间气在吸附塔内经过240秒吸附完成后，先对吸附塔进行均压降，接着进行逆放，并将逆放气暂存于缓冲罐内，然后将逆放气回补到吸附塔中，最后在吸附塔内完成均压升、终充，从而完成整个再生过程；
所述步骤c的具体过程为：
c1、均压降：吸附过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔内压力较高的气体放入其它已完成再生的压力较低的吸附塔内；
c2、逆放：吸附塔完成最后一次均压降之后，逆着吸附方向将吸附塔内的压力降至接近常压，此时得到的逆放气中含35%甲烷和65%二氧化碳；
c3、逆放气经膜分离单元后进入缓冲罐内暂存，此时甲烷含量为60%；
c4、逆放完成后，对吸附塔进行抽真空处理；
c5、抽空完成后，对吸附塔进行升压，最初的一次就是将缓冲罐中的逆放气回补至吸附塔内，称为初步升压；
c6、在初步升压完成后，用其它吸附塔内压力较高的甲烷气依次对该吸附塔进行升压；
c7、在完成最后一次均压升后，通过终充，缓慢而平稳地用产品气将吸附塔压力升至吸附压力。
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