CN104043318A

CN104043318A - 用于从沼气中提取高纯度甲烷的方法和实施该方法的设备

Info

Publication number: CN104043318A
Application number: CN201410086773.6A
Authority: CN
Inventors: L·格拉夫
Original assignee: Eisenmann SE
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-09-17
Also published as: US9309476B2; DE102013004079A1; US20140251128A1; EP2777798A1

Abstract

本发明涉及用于从沼气中提取高纯度甲烷的方法和设备。来自发酵原料的沼气在压缩之后被输送到至少一个具有选择性透过膜的膜单元，能通过已知的方式获得包含提高的甲烷份额的气流和包含降低的甲烷份额的气流。为了持久地确保所获得的甲烷份额的保持不变的质量，在导出高纯度产物气体的出口管路中布置有质量传感器。功率可调节的真空泵与膜单元之一的低压侧相连。该真空泵由控制单元控制，该控制单元从出口管路中的质量传感器获得其输入信号。如果由质量传感器测得的甲烷份额下降到一特定的值之下，则调高真空泵的功率，因此膜单元的膜上的压力差升高，这改进了分离过程的选择性。通过这种方式永久性地保持了产物气体的质量。

Description

用于从沼气中提取高纯度甲烷的方法和实施该方法的设备

技术领域

本发明涉及一种用于从沼气中提取高纯度甲烷的方法，其中，

a）压缩来自发酵原料的沼气；

b）借助于至少一个选择性透过膜将经过压缩的沼气分成至少两个气流，所述至少两个气流之一包含提高的甲烷份额，而另一气流包含降低的甲烷份额；

其中

c）在所述膜上产生压力差；

d）输送包含充足的甲烷份额的气流作为产物气体以便进一步的应用；

以及

本发明还涉及一种用于从沼气中提取高纯度甲烷的设备，包括：

a）压缩机，在所述压缩机中压缩来自发酵原料的沼气；

b）至少一个膜单元，其具有：

ba）用于待分离的气体混合物的入口；

bb）选择性透过膜，在工作时其一侧承受较高的压力，而其另一侧承受较低的压力；

bc）在膜单元的高压侧上的滞留物出口，通过所述滞留物出口能获得包含提高的甲烷份额的气流；

bd）在所述膜单元的低压侧上的渗透物出口，通过所述渗透物出口能获得包含降低的甲烷份额的气流；

c）第一出口管路，通过该第一出口管路能输送由高纯度甲烷组成的产物气流以便进一步的应用；

d）第二出口管路，通过该第二出口管路能将仅还具有低甲烷份额的废气流排出到周围环境。

背景技术

这种类型的方法以及这种类型的设备由WO2012/000727A1已知。在该出版文献中首先描述了多个膜单元的各种不同的连接方式，由此能获得一种产物气体，该产物气体包含非常高的甲烷份额。同时，废气流应仅还包含尽可能少的甲烷。尽管在该出版文献中描述了在选择性透过膜上的压力差影响其选择性。但这种认识没有其它用途。相反，该文献中的用于提高处理过程中的选择性的方法是一种特定类型的气流循环方法。在这里没有持久地监测产物气体的质量和特别是没有调节到特定的甲烷份额。

在EP1324815B1中，在一种产生高纯度氮气的设备的实施例中描述了，能通过传感器持续地监测产物气体的质量，随后相应地改变在至少一个膜单元上的压力差以便确保特定的产物气体质量。这种变化在EP1324815B1中通过改变对所输送的气体混合物进行压缩的压缩机的转速来进行，也就是说在膜的高压侧上进行这种改变，这导致：在再调节过程中，贯穿设备的体积流量改变。这一般是不被期望的。

发明内容

本发明的目的是，这样设计本文开头所述类型的方法和设备，使得在工作期间能持久地保持产物气体的特定质量，而在调节过程中不会出现明显的体积流量变化。

就方法而言，该目的由此实现，

e）在所述产物气体中持续地测量甲烷气体份额；

f）当所述产物气体中甲烷份额低于预设值时，通过在膜的低压侧上产生真空或提高现存的真空来提高膜上的压力差。

在思想上，本发明采用了在EP1324815B1中提出的方法的一部分，EP1324815B1中的方法用于非沼气的气体：本发明提出一种传感器，该传感器监测所产生的产物气体的质量。但是，对于改变选择性透过膜的选择性所需的压力差的变化现在不在膜的高压侧上产生，而是在低压侧上产生。这导致：在再调节过程中不出现体积流量的明显变化。根据本发明的工作步骤的令人吃惊的效果还在于，在低压侧上的压力变化和在高压侧上相比显然要少得多。根据本发明得出，对于期望的调节过程的可能的压力变化在制造高纯度甲烷时是足够的。

就设备而言，上述目的由此实现，

e）在所述第一出口管路中设置有第一质量传感器，该第一质量传感器产生代表产物气流中的甲烷份额的信号；

f）设置有真空泵，该真空泵在抽吸侧与膜单元的低压侧相连和在压力侧直接地或间接地与所述压缩机的入口相连；

g）设置有第一控制装置，能向所述第一控制装置输送所述第一质量传感器的信号，而所述第一控制装置的输出信号调节所述真空泵的抽吸功率，使得产物气体中甲烷份额不低于预设值。

根据本发明的设备的优点对应于根据本发明的方法的上述优点。

在本发明的一个优选的实施方式中，设置有至少两个膜单元，其中

第一膜单元的入口与所述压缩机的出口相连；

所述第一膜单元的滞留物出口与第二膜单元的入口相连；

所述真空泵与所述第二膜单元的渗透物出口相连；

所述第二膜单元的滞留物出口与用于产物气体的第一出口管路相连。

两个串联的膜单元的连接方式由上述的WO2012/000727A1已知。该连接方式用于产生含有更多甲烷的产物气体。然而在本文背景下重要的是，根据本发明，在低压侧上产生的负压（Unterdruck）不对第一膜单元产生影响而是对第二膜单元产生影响。

最后特别优选的是一种具有两个膜单元的设备，其中，所述第一膜单元的渗透物出口与第三膜单元的入口相连，第三膜单元的滞留物出口通过可控制的调节阀直接地或间接地与所述压缩机的入口相连，第三膜单元的渗透物出口与用于废气的第二出口管路相连；

其中，

在用于废气的第二出口管路中设置有第二质量传感器，所述第二质量传感器产生代表废气中甲烷份额的信号；

设置有第二控制单元，能向所述第二控制单元输送所述第二质量传感器的信号，而所述第二控制单元的输出信号控制所述调节阀，使得不超过废气中甲烷份额的预设值。

两个膜单元的连接方式同样在WO2012/000727A1中描述，即，把第一膜单元的渗透物连接端引向另一膜单元的入口。该连接方式用于获取在第一膜单元的渗透物中还包含的并且否则就会丢失的甲烷。根据本发明，和该出版文献不同的是，监测废气的质量，其中在此重要的是，甲烷份额不会过高地上升。但是，对第三膜单元的选择性的调节现在强制性地在压力侧进行，然而不通过压缩机转速的变化而是通过调节阀进行该调节，该调节阀打开得越大，则相应膜的高压侧上的压力就越小。

附图说明

下面根据附图详细说明本发明的一个实施例；唯一的附图示意性地示出用于从沼气中提取高纯度甲烷的设备的平面布局图。

具体实施方式

在附图中示出了整体上用附图标记1表示的、用于提取高纯度甲烷的设备，通过管路2从未示出的发酵原料获得沼气、也就是主要部分由氮气、氧气、CO₂、CO和甲烷组成的混合气体。在设备1中通过下面还要详细描述的方式基本上将沼气中除了甲烷之外的所有组成成分分离，而甲烷被以高纯度形式通过第一出口管路3排出。在此输出的甲烷的含量超过96%，优选超过98%，因此可以根据需要将甲烷直接输入到天然气供给系统中。少量剩余的其它气体组成成分可以是2%的CO₂和/或2%的N₂，这些剩余组成成分不会妨碍天然气系统中的提纯过的气体的应用。

通过管路2输送的沼气的净化借助于以特定的下面所述方式相互连接的三个膜单元4、5和6进行。该膜单元4、5、6的构造是传统的，也就是说不需要详细描述。在此只需要知道以下情况就足够了：该膜单元4、5、6中的每个都具有选择性透过膜，该选择性透过膜将第一空间和另一空间分开，待分离的气体通过入口被输送到该第一空间，通过滞留物出口从该第一空间获取了难以渗透的气体（滞留物），更容易渗透的气体（渗透物）穿过膜进入该另一空间并且通过渗透物出口离开该另一空间。

膜单元4、5、6的滞留物侧处于比渗透物侧更高的压力下；这种压力差表现为分离过程的“驱动力”。已知的是，分离过程的选择性随着在膜上的压力差增加。

在该概述之后现在详细说明各个不同的膜单元4、5、6的详细连接方式。

通过管路2输送的沼气被首先输送到送气机7，该送气机在出口侧通过管路8与压缩机9相连。压力传感器10测量管路2中沼气的压力并且按比例控制压缩机9的转速、也就是其输送能力。

由压缩机9压缩的沼气现在被通过入口输送到第一膜单元4；这种输送通过管路11进行。第一膜单元4的渗透物出口通过另一管路12与第三膜单元6的入口相连。另一方面，第一膜单元4的滞留物被通过管路13输送到第二膜单元5。该膜单元5还在渗透物侧通过管路14与真空泵15的抽吸侧相连，该真空泵再通过管路16将从第二膜单元5抽吸的渗透物输送到管路2并且因此（该渗透物）重新与通过管路2流入的沼气一起被送风机7沿图中向右的方向输送到压缩机9。

第二膜单元5的滞留物出口与第一出口管路3相连，传感器17与该第一出口管路通信，该传感器测量流出的、净化过的产物气体的质量。在此，传感器优选为光学传感器，其对于测量甲烷是灵敏的。这种传感器是已知的且可在市场上购买；因此不需要对其详细说明。

传感器17的输出信号被输送到第一控制装置26，该第一控制装置发出输出信号，该输出信号确定真空泵15的抽吸功率。在将第二膜单元5的渗透物出口与真空泵15相连的管路14中还可以设有未示出的压力传感器，压力传感器的输出信号同样被引导到第一控制装置26并且其功能在后面明示。

现在说明第三膜单元6的其余连接方式：

第三膜单元6的滞留物被通过管路19输送到调节阀20。压力传感器21监测管路19中滞留物流动压力。

膜单元6的渗透物被通过第二出口管路22作为废气排出并摒弃。该废气的质量由第二质量传感器23控制，该第二质量传感器的类型可以与上述的第一质量传感器17相同。特别地，也就是在此涉及一种对甲烷灵敏的光学传感器。第二质量传感器23和压力传感器21的输出信号被引导到第二控制装置27，该第二控制装置原则上可以与上面已经描述过的第一控制装置26或上一级的设备控制器相结合并且将其输出信号以下面描述的方式加载到调节阀20。

调节阀20在输出侧通过位于管路25中的安全阀24同样与送风机7的输入端相连。

包括上述的三个相连的膜单元4、5、6的设备1的工作方式如下：

被从发酵原料中抽取的沼气如上所述地被通过送风机7抽吸并且在此在设备1稳定运行时与通过管路16和25分别从第二膜单元5和第三膜单元6回送的气体相混合。压缩机9的功率在此通过由压力传感器10测得的压力来确定。

通过压缩机9压缩的气体混合物到达第一膜单元4的入口；由于所应用的膜的选择性，富含甲烷的滞留物被通过管路13引导到第二膜单元5的入口，在那里重新进行选择性分离：第二级膜5的滞留物是所期望的产物气体、该滞留物通过需要的方式主要包含甲烷，该滞留物被通过第一出口管路3例如输送到天然气供给系统。

该气体的质量通过第一质量传感器17控制。如果该质量下降到期望值之下，则被输送了质量传感器17的信号的第一控制装置26用于提高真空泵15的抽吸功率。这引起：在第二膜单元5的渗透物侧上的压力进一步降低，这又引起位于第二膜单元5中的膜的更佳的选择性。结果是在第一出口管路3上产物气体的更好的质量，这由传感器17记录。该传感器17随后发出相应信号到第一控制装置26，该第一控制装置将真空泵15的抽吸功率保持为所需的值从而维持产物气体的质量。

通过可选的现有的、未示出的压力传感器得出以下情况：

对于在第二膜单元5的渗透物侧上的、通过该压力传感器测得的负压可以预设一确定的最低值。如果测量值低于该最低值，第二膜单元5的分离效果就不能再明显地通过借助于真空泵15继续降低真空而提升。在这种情况下必须在必要时有其它膜单元并联于第二膜单元5，或者必须中断设备1的运行，以便能更换第二膜单元5的膜。

第三膜单元6用于，尽量回收利用还存在于第一膜单元4的渗透物中的甲烷。如果第二质量传感器23在第二出口管路22中检测到丢失的甲烷的过高含量，则借助于调节阀20提高第三膜单元6的膜的压力差、也就是其选择性得到改进。为此，相应降低由压力传感器21测得的、在管路19上的压力。

上述调节过程的结果是，一方面通过第二出口管路22仅有非常少量的甲烷丢失到外界大气环境中，而另一方面通过第一出口管路3提取了高质量的产物气体，该产物气体包含可等同于天然气而继续使用的甲烷量。

Claims

1.一种用于从沼气中提取高纯度甲烷的方法，其中包括，

a）压缩来自发酵原料的沼气；

其中

c）在所述膜上产生压力差；

其特征在于，

e）在所述产物气体中持续地测量甲烷气体份额；

2.一种用于从沼气中提取高纯度甲烷的设备，包括：

a）压缩机（9），在所述压缩机中压缩来自发酵原料的沼气；

b）至少一个膜单元（4、5、6），其具有：

ba）用于待分离的气体混合物的入口；

bc）在膜单元（4、5、6）的高压侧上的滞留物出口，通过所述滞留物出口能获得包含提高的甲烷份额的气流；

bd）在所述膜单元（4、5、6）的低压侧上的渗透物出口，通过所述渗透物出口能获得包含降低的甲烷份额的气流；

c）第一出口管路（3），通过该第一出口管路能输送由高纯度甲烷组成的产物气流以便进一步的应用；

d）第二出口管路（22），通过该第二出口管路能将仅还具有低甲烷份额的废气流排出到周围环境；

其特征在于，

e）在所述第一出口管路（3）中设置有第一质量传感器（17），该第一质量传感器产生代表产物气流中的甲烷份额的信号；

f）设置有真空泵（15），该真空泵在抽吸侧与膜单元（5）的低压侧相连和在压力侧直接地或间接地与所述压缩机（9）的入口相连；

g）设置有第一控制装置（26），能向所述第一控制装置输送所述第一质量传感器（17）的信号，而所述第一控制装置的输出信号调节所述真空泵（15）的抽吸功率，使得不低于产物气体中甲烷份额的预设值。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，设置有至少两个膜单元（4、5），其中，

第一膜单元（4）的入口与所述压缩机（9）的出口相连；

所述第一膜单元（4）的滞留物出口与第二膜单元（5）的入口相连；

所述真空泵（15）与所述第二膜单元（5）的渗透物出口相连；

所述第二膜单元（5）的滞留物出口与用于产物气体的第一出口管路（3）相连。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第一膜单元（4）的渗透物出口与第三膜单元（6）的入口相连，第三膜单元（6）的滞留物出口通过可控制的调节阀（20）直接地或间接地与所述压缩机（9）的入口相连，第三膜单元（6）的渗透物出口与用于废气的第二出口管路（22）相连；

其中，

在用于废气的第二出口管路（22）中设置有第二质量传感器（23），所述第二质量传感器产生代表废气中甲烷份额的信号；

设置有第二控制装置（27），能向所述第二控制装置输送所述第二质量传感器（23）的信号，而所述第二控制单元的输出信号控制所述调节阀（20），使得不超过废气中甲烷份额的预设值。