CN103113946B - 沼气净化系统及沼气净化方法 - Google Patents
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Abstract
一种沼气净化系统，包括：一级入口分离器，用于脱除沼气源产生的沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气；一级压缩机，与所述一级入口分离器连通，用于压缩所述第一净化沼气形成第一压缩沼气；二级压缩机，与所述一级压缩机连通，用于压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气；二级入口分离器，与所述二级压缩机连通，用于脱除所述第二压缩沼气中的颗粒状固体物质及水分形成第二净化沼气；及提纯装置，与所述二级入口分离器连通，用于脱除所述第二净化沼气中的二氧化碳和水分得到提纯后的沼气。上述沼气净化系统可以提高沼气中甲烷的含量。本发明还提供一种沼气净化方法。
Description
技术领域
本发明涉及沼气能源利用领域，特别是涉及一种沼气净化系统及沼气净化方法。
背景技术
沼气是有机质在厌氧条件下经微生物发酵产生的一种可燃性气体，其主要组分为甲烷。一般的，沼气由50%~80%甲烷(CH4)、20%~40%二氧化碳(CO2)、0%~5%氮气(N2)、小于1%的氢气(H2)、小于0.4%的氧气(O2)与0.1%~3%硫化氢(H2S)等气体组成。
沼气中的甲烷成分热值高、污染少，因此沼气是一种清洁能源。我国在二十世纪二十年代开始推广应用，目前已经取得可喜成绩。但是传统的沼气源，比如沼气池，产生的沼气中甲烷的含量较低，限制了沼气的使用。
发明内容
基于此，有必要提供一种提高沼气中甲烷含量的沼气净化系统及沼气净化方法。
一种沼气净化系统，包括：
一级入口分离器，用于脱除沼气源产生的沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气；
一级压缩机，与所述一级入口分离器连通，用于压缩所述第一净化沼气形成第一压缩沼气；
二级压缩机，与所述一级压缩机连通，用于压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气；
二级入口分离器，与所述二级压缩机连通，用于脱除所述第二压缩沼气中的颗粒状固体物质及水分形成第二净化沼气；及
提纯装置，与所述二级入口分离器连通，用于脱除所述第二净化沼气中的二氧化碳和水分得到提纯后的沼气。
在其中一个实施例中，所述提纯装置为变压吸附装置或胺液吸附装置。
在其中一个实施例中，还包括一级缓冲罐，所述一级缓冲罐与所述一级压缩机及所述第二压缩机连通，用于缓冲所述第一压缩沼气的压力。
在其中一个实施例中，还包括二级缓冲罐，所述二级缓冲罐与所述提纯装置连通，用于缓冲所述提纯后的沼气的压力。
在其中一个实施例中，还包括：
三级压缩机，与所述提纯装置连通，用于压缩所述提纯后的沼气形成高压沼气；
沼气储存装置，与所述三级压缩机连通，用于灌装所述高压沼气。
在其中一个实施例中，还包括与所述一级压缩机及所述二级压缩机连通的脱氧塔，所述脱氧塔用于脱除所述第一压缩沼气中的氧气。
一种沼气净化方法，包括以下步骤：
脱除沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气；
压缩所述第一净化沼气形成第一压缩沼气；
压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气；
脱除所述第二压缩沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第二净化沼气；及
脱除所述第二净化沼气中的二氧化碳和水分得到提纯后的沼气。
在其中一个实施例中，所述第一压缩沼气的气压为0.1Mpa~0.8Mpa；所述第二压缩沼气的气压为2.5Mpa~8Mpa。
在其中一个实施例中，压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气前先将所述第一压缩沼气进行缓冲处理。
在其中一个实施例中，还包括以下步骤：
压缩所述提纯后的沼气形成高压沼气；
灌装所述高压沼气。
在其中一个实施例中，压缩所述提纯后的沼气形成高压沼气前先将所述提纯后的沼气进行缓冲处理。
在其中一个实施例中，还包括以下步骤：压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气前先脱除所述第一压缩沼气中的氧气及氮气中的至少一种。
上述沼气净化系统及沼气净化方法，通过一级入口分离器，脱除沼气中的颗粒状固体物质和部分水分形成第一净化沼气，通过一级压缩机能够将第一净化沼气压缩至0.1Mpa~0.8Mpa形成第一压缩沼气，再通过二级压缩机能够将第一压缩沼气压缩至2.5Mpa~8Mpa形成第二压缩沼气，通过二级入口分离器和提纯装置脱除第二压缩沼气中的颗粒状固体物质、水分和二氧化碳等杂质后得到提纯后的沼气，从而可以有效提高沼气中甲烷含量，该沼气净化系统能够将沼气中甲烷含量提高至95%（体积百分数）以上，可以作为天然气汽车的燃料，相比于传统的沼气装置，有效的扩宽了沼气的使用范围。
附图说明
图1为一实施方式的沼气净化系统的结构示意图；
图2为一实施方式的沼气净化方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，一实施方式的沼气净化系统10，包括一级入口分离器110、一级压缩机120、一级缓冲罐130、脱氧-氮塔140、二级压缩机150、二级入口分离器164、提纯装置166、二级缓冲罐170、三级压缩机180和沼气储存装置190。
一级入口分离器110与沼气源90连通，用于脱除沼气源90产生的沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气。一级入口分离器110的脱水率为50%以上。一级入口分离器110的结构类似于旋风分离器。沼气进入一级入口分离器110后，部分明显固相颗粒沉降分离，部分较大粒径的固相颗粒和液相颗粒通过旋风流道分离，更小的固液颗粒则通过丝网床层分离。
需要说明的是，沼气源90用于提供沼气。沼气源90可以是自然形成的沼气池，也可以是人工建设的沼气发生池或者是工业化的沼气罐等沼气产生装置，在此不作限定，只要能产生沼气即可。
一级压缩机120与一级入口分离器110连通，用于压缩第一净化沼气形成第一压缩沼气。本实施方式中，一级压缩机120将第一净化沼气压缩至0.1Mpa~0.8Mpa。当然，在其他实施例中，第一压缩沼气的气压也可以根据需要进行调整。需要说明的是，在其他实施例中，还可以在沼气源90及一级入口分离器110之间设置增压风机（图未示），可以提高进入一级入口分离器110的沼气的气压，这样可以使进入一级压缩机的原料气质量提高，从而延长一级压缩机120的使用寿命。
一级缓冲罐130与一级压缩机120连通，用于缓冲经过一级压缩机120处理后得到的第一压缩沼气的压力。一级缓冲罐130能够对第一压缩沼气起稳压、稳流的作用，起到平衡流程物料的作用，使第一压缩沼气被二级压缩机150压缩形成第二压缩沼气时更加安全。
脱氧-氮塔140与一级缓冲罐130连通，用于脱除从一级缓冲罐130输出的第第一压缩沼气中的氧气及氮气中的至少一种。脱氧-氮塔是一种用于脱除沼气中含有的氧气及氮气的一种塔式设备。其结构类似于：在塔器中按照格栅-陶瓷珠-不锈钢网-吸附剂（固定于床层上）-不锈钢网-陶瓷珠-格栅的顺序安置填料，气体下进上出。若以去除氧气为主，则可以采用铁系复合吸附剂、锰系复合吸附剂或者活性炭吸附剂，优选为铁系复合吸附剂；若以去除氮气为主，则可以选择硅氟石吸附剂（或硅氟石分子筛），或者活性铝球（Al2O3），若要氧氮都去除，则应根据各气体组分确定不同吸附剂，进行配比投料。
二级压缩机150与脱氧-氮塔140连通，用于将从脱氧-氮塔140中输出的第一压缩沼气压缩形成第二压缩沼气。本实施方式中，第二压缩沼气的气压为2.5Mpa~8Mpa，当然，在其他实施例中，第二压缩沼气的气压也可以根据需要进行调整。
二级入口分离器164与第二压缩机150连通，用于脱除第二压缩沼气中的颗粒状固体物质及水分形成第二净化沼气。二级入口分离器164的脱水率为30%以上。二级入口分离器164与一级入口分离器110结构类似，单更为精密，可以进一步脱除颗粒状固体物质及水分。
提纯装置166与二级入口分离器164连通，用于脱除第二净化沼气中的二氧化碳、水分和其他杂质，得到提纯后的沼气。提纯装置166可以为变压吸附装置，也可以为胺液吸附装置。变压吸附装置能够在温度相对恒定的状态下，在加压的情况下吸附，用减压（抽真空）或常压解吸的方法来实现混合气体的分离提纯效果。胺液吸附装置采用胺液吸附的方法实现脱除二氧化碳，其原理是在一个塔器中，气体从下部输入，气路在塔器中上行，从塔器顶部输送胺液，与气路方向相反，塔器中可以设计成多管结构以增加胺液和气体的接触面积，从而增加胺液对沼气中二氧化碳的洗涤效果。去除沼气中的水分、其他杂质主要依靠一级入口分离器110及二级入口分离器164，在使用胺液吸附的情况下，残存的水分和其他杂质会被胺液截留。在使用变压吸附的情况下，杂质和水份会被分子筛截留。当提纯装置166为胺液吸附装置时，因为相较于水，二氧化碳在胺液中的溶解度和溶解速率更高，更有利于脱除第二压缩沼气中的二氧化碳、水分和其他杂质。
二级缓冲罐170与提纯装置166连通，用于缓冲提纯后的沼气的压力。二级缓冲罐170能对提纯后的沼气起稳压、稳流的作用，使提纯后的沼气被三级压缩机180压缩形成高压沼气时更加安全。
三级压缩机180与二级缓冲罐170连通，用于将从二级缓冲罐170输出的提纯后的沼气压缩至15~30Mpa，形成高压沼气。
沼气储存装置190与三级压缩机180连通，用于灌装三级压缩机180压缩形成的高压沼气。沼气储存装置190为储存罐或储存瓶。
进一步的，沼气净化系统10还包括撬装式箱体（图未示），一级入口分离器110、一级压缩机120、一级缓冲罐130、脱氧-氮塔140、二级压缩机150、二级入口分离器164、提纯装置166、二级缓冲罐170、三级压缩机180和沼气储存装置190设置在撬装式箱体内，当沼气源90为沼气罐或可移动式的沼气池时，也可以将沼气源90设置在撬装式箱体内。这样沼气净化系统10可以较为方便的移动、运输。当然，在处理量较小（40000立方米/天）的情况下，本系统各装置可以集成在一个撬装式箱体中，但是在大处理量的情况下，可能本系统的一个单元或数个单元独立成撬，整个系统可有由多个撬拼成，从功能上并没有区别。
上述沼气净化系统，通过一级入口分离器110可以脱除第一压缩沼气中的颗粒状固体物质和部分水分得到第一净化沼气，通过一级压缩机120能够将一级净化沼气压缩至0.1Mpa~0.8Mpa形成第一压缩沼气，再通过二级压缩机150能够将第一净化沼气压缩至2.5Mpa~8Mpa形成第二压缩沼气，通过二级入口分离器164和提纯装置166脱除第二压缩沼气中的颗粒状固体物质、水分和二氧化碳等杂质后得到提纯后的沼气，该沼气净化系统能够将沼气中甲烷含量提高至95%（体积百分数）以上，使得沼气中甲烷的含量较高，将提纯后的沼气压缩至高压钢瓶中灌装，可以作为天然气汽车的燃料，有效的扩宽了沼气的使用范围。
该沼气净化系统压缩沼气终端压力范围在15~30Mpa，采用了三级压缩，使用一级压缩机120、二级压缩机150及三级压缩机180三者配合，即分次将气体压力提升至目标压力范围，这样每级压缩机较小，成本较低，同时，每级压缩机后的压力容器按照压力范围制作即可，避免若采用一次压缩到位，使用的压缩机将会非常庞大，价格非常昂贵，从而可以降低成本；此外，从一开始就将压力升至目标压力，其后所有的设备都必须按照该压力级别制作，代价非常大，且具有极大的安全隐患，使用三级压缩压缩的方式可以提高安全性，降低设备成本。
可以理解，当从沼气源90输出的沼气流量比较平稳时，一级缓冲罐130可以省略，此时脱氧-氮塔140与一级压缩机120连通，第一压缩沼气直接被通入脱氧-氮塔，如果沼气源90产生的沼气中氧含量及氮含量较低时，脱氧-氮塔140可以省略，此时一级压缩机120与二级压缩机150直接连通即可。二级缓冲罐170也可以省略，此时提纯装置166和三级压缩机180连通，经过提纯装置166提纯后的沼气直接被三级压缩机压缩至15~30Mpa。三级压缩机180和沼气储存装置190也可以省略，此时提纯后的沼气可以直接用作其他用途。
请参考图1和图2，一实施方式的沼气净化方法，包括以下步骤：
步骤S110、脱除沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气。
本实施方式中，使用一级入口分离器110脱除沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气。
沼气由沼气源90提供。沼气源90可以是自然形成的沼气池，也可以是人工建设的沼气发生池或者是工业化的沼气罐等沼气产生装置，在此不作限定，只要能产生沼气即可。
优选的，经过步骤S120处理的第一净化沼气的脱水率为50%以上。
需要说明的是，在步骤S110之前还可以对沼气进行增压处理。本实施方式中，增加处理时使沼气的气压增大，压力最高在150kPa以内，从而使原料气质量提高。
步骤S120、压缩第一净化沼气形成第一压缩沼气。
优选的，第一压缩沼气的气压为0.1Mpa~0.8Mpa，当然，在其他实施例中，第一压缩沼气的气压也可以根据需要进行调整。
本实施方式中，使用一级压缩机120将沼气压缩至0.1Mpa~0.8Mpa形成第一压缩沼气。
步骤S130、将第一压缩沼气进行缓冲处理。
本实施方式中，使用一级缓冲罐130中进行缓冲处理。
将第一净化沼气进行缓冲处理能够对第一净化沼气起稳压、稳流的作用，使第一净化沼气压缩形成第二压缩沼气时更安全。
步骤S140、脱除第一压缩沼气中的氧气及氮气中的至少一种。
本实施方式中，使用脱氧-氮塔140脱除第一压缩沼气中的氧气及氮气中的至少一种。
脱氧-氮塔是一种用于脱除沼气中含有的氧气及氮气的一种塔式设备。其结构类似于：在塔器中按照格栅-陶瓷珠-不锈钢网-吸附剂（固定于床层上）-不锈钢网-陶瓷珠-格栅的顺序安置填料，气体下进上出。若以去除氧气为主，则可以采用铁系复合吸附剂、锰系复合吸附剂或者活性炭吸附剂，优选为铁系复合吸附剂；若以去除氮气为主，则可以选择硅氟石吸附剂（或硅氟石分子筛），或者活性铝球（Al2O3），若要氧氮都去除，则应根据各气体组分确定不同吸附剂，进行配比投料。
当原料气中氧含量高，氮含量低时，进气压力≤0.1Mpa,一般采用铁系复合吸附剂或Mn系复合吸附剂吸附，进气温度30℃~80℃。
步骤S150、压缩第一压缩沼气形成第二压缩沼气。
本实施方式中，第二压缩沼气的气压为2.5Mpa~8Mpa，当然，在其他实施例中，第二压缩沼气的气压也可以根据需要进行调整。
本实施方式中，使用二级压缩机150将从脱氧-氮塔140输出的第一压缩沼气进行压缩。
步骤S160、脱除第二压缩沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第二净化沼气。
本实施方式中，使用二级入口分离器164将经过脱氧-氮塔140脱除了氧气的第二净化沼气进一步脱除其中的颗粒状固体物质和水分。
优选的，步骤S160中第二净化沼气的脱水率为30%以上。
步骤S170、脱除第二净化沼气中的二氧化碳和水分得到提纯后的沼气。
本实施方式中，将经过二级入口分离器164净化的第二净化沼气，使用提纯装置166进一步脱除其中包含的二氧化碳和水分等杂质，得到提纯后的沼气。提纯装置166可以为变压吸附装置，也可以为胺液吸附装置。变压吸附装置能够在温度相对恒定的状态下，在加压的情况下吸附，用减压（抽真空）或常压解吸的方法来实现混合气体的分离提纯效果。胺液吸附装置采用胺液吸附的方法实现脱除二氧化碳，其原理是在一个塔器中，气体从下部输入，气路在塔器中上行，从塔器顶部输送胺液，与气路方向相反，塔器中可以设计成多管结构以增加胺液和气体的接触面积，从而增加胺液对沼气中二氧化碳的洗涤效果。去除沼气中的水分、其他杂质主要依靠一级入口分离器110及二级入口分离器164，在使用胺液吸附的情况下，残存的水分和其他杂质会被胺液截留。在使用变压吸附的情况下，杂质和水份会被分子筛截留。当提纯装置166为胺液吸附装置时，因为相较于水，二氧化碳在胺液中的溶解度和溶解速率更高，更有利于脱除第二压缩沼气中的二氧化碳、水分和其他杂质。
步骤S180、将提纯后的沼气进行缓冲处理。
本实施方式中，使用二级缓冲罐170进行缓冲处理。二级缓冲罐170能对提纯后的沼气起稳压、稳流的作用，以使三级压缩机180将提纯后的沼气压缩形成高压沼气时更安全。
将提纯后的沼气输入二级缓冲罐170进行缓冲处理后，还可以进行以下步骤：
步骤S190、压缩提纯后的沼气形成高压沼气。
本实施方式中，使用三级压缩机180将提纯后的沼气压缩形成高压沼气。
本实施方式中，高压沼气的气压为15~30Mpa。
步骤S200、灌装高压沼气。
本实施方式中，使用沼气储存装置190将经过三级压缩机180压缩后的提纯后的沼气进行灌装，灌装的提纯后的沼气可以用作天然气汽车的燃料。
上述沼气净化方法通过将沼气压缩到0.1Mpa~0.8Mpa形成第一压缩沼气，再脱除第一压缩沼气中的颗粒状固体物质和部分水分形成第一净化沼气，再压缩第一净化沼气至2.5Mpa~8Mpa形成第二压缩沼气，脱除第二压缩沼气中的氧气、颗粒状固体物质、水分和二氧化碳等杂质后得到提纯后的沼气。该方法提纯工艺较简单，能够将沼气中甲烷含量提高至95%（体积百分数）以上，压缩至高压钢瓶中灌装，可以作为天然气汽车的燃料。
通过三次压缩，即分次将气体压力提升至目标压力范围，这样每级压缩机较小，成本较低，同时，每级压缩机后的压力容器按照压力范围制作即可，避免若采用一次压缩到位，使用的压缩机将会非常庞大，价格非常昂贵，从而可以降低成本；此外，从一开始就将压力升至目标压力，其后所有的设备都必须按照该压力级别制作，代价非常大，且具有极大的安全隐患，使用三级压缩压缩的方式可以提高安全性，降低设备成本。
可以理解，当从沼气源90输出的沼气流量比较平稳时，步骤S130可以省略，此时经过一级入口分离器110净化的第一净化沼气直接输出到二级压缩机150。步骤S180也可以省略，此时经过提纯装置166净化的提纯后的沼气直接输出到三级压缩机180。步骤S190和步骤S200也可以省略，此时经过提纯装置166处理的提纯后的沼气可以直接用作其他用途。当沼气中含氧量较低时，步骤S140可以省略。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种沼气净化系统，其特征在于，包括：
一级入口分离器，用于脱除沼气源产生的沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气；
一级压缩机，与所述一级入口分离器连通，用于压缩所述第一净化沼气形成第一压缩沼气；
二级压缩机，与所述一级压缩机连通，用于压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气；
二级入口分离器，与所述二级压缩机连通，用于脱除所述第二压缩沼气中的颗粒状固体物质及水分形成第二净化沼气；及
提纯装置，与所述二级入口分离器连通，用于脱除所述第二净化沼气中的二氧化碳和水分得到提纯后的沼气；
还包括一级缓冲罐，所述一级缓冲罐与所述一级压缩机及所述第二压缩机连通，用于缓冲所述第一压缩沼气的压力；
还包括与所述一级压缩机及所述二级压缩机连通的脱氧-氮塔，用于脱除从所述一级缓冲罐输出的所述第一压缩沼气中的氧气及氮气中的至少一种，所述脱氧-氮塔是一种用于脱除沼气中含有的氧气及氮气的一种塔式设备，其结构为在塔器中按照格栅-陶瓷珠-不锈钢网-吸附剂-不锈钢网-陶瓷珠-格栅的顺序安置填料，所述吸附剂固定于床层上，气体下进上出；
还包括设置在一级入口分离器之前的增压风机；
还包括二级缓冲罐，所述二级缓冲罐与所述提纯装置连通，用于缓冲所述提纯后的沼气的压力；
三级压缩机，与所述二级缓冲罐连通，用于压缩所述提纯后的沼气形成高压沼气；
沼气储存装置，与所述三级压缩机连通，用于灌装所述高压沼气。
2.根据权利要求1所述的沼气净化系统，其特征在于，所述提纯装置为变压吸附装置或胺液吸附装置。
3.一种使用权利要求1～2中任意一项所述的沼气净化系统的沼气净化方法，其特征在于，包括以下步骤：
脱除沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气；
压缩所述第一净化沼气形成第一压缩沼气；
压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气；
脱除所述第二压缩沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第二净化沼气；及
脱除所述第二净化沼气中的二氧化碳和水分得到提纯后的沼气；
压缩所述提纯后的沼气形成高压沼气；
灌装所述高压沼气；
压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气前先脱除所述第一压缩沼气中的氧气及氮气中的至少一种，所述脱氧-氮塔是一种用于脱除沼气中含有的氧气及氮气的一种塔式设备，其结构为在塔器中按照格栅-陶瓷珠-不锈钢网-吸附剂-不锈钢网-陶瓷珠-格栅的顺序安置填料，所述吸附剂固定于床层上，气体下进上出；
在脱除沼气中的颗粒状固体物质和水分形成第一净化沼气之前还包括对沼气进行增压处理；
压缩所述提纯后的沼气形成高压沼气前先将所述提纯后的沼气进行缓冲处理。
4.根据权利要求3所述的沼气净化方法，其特征在于，所述第一压缩沼气的气压为0.1Mpa～0.8Mpa；所述第二压缩沼气的气压为2.5Mpa～8Mpa。
5.根据权利要求3所述的沼气净化方法，其特征在于，压缩所述第一压缩沼气形成第二压缩沼气前先将所述第一压缩沼气进行缓冲处理。
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