CN104190201A - 垃圾填埋气分离提纯工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垃圾填埋气分离提纯工艺，包括：采用甲基二乙醇胺法分离垃圾填埋气；将分离得的气体脱水、变压吸附而获得甲烷产品气；对分离得的溶液进行闪蒸、脱水后经变压吸附而获得二氧化碳产品气。一种垃圾填埋气分离提纯装置，包括设置有甲基二乙醇胺溶液的吸收塔、甲烷脱水装置、甲烷变压吸附装置、闪蒸塔、二氧化碳脱水装置、二氧化碳变压吸附装置；吸收塔进气口与原料气源相连接，吸收塔上段的出气口依次连接甲烷脱水装置与甲烷变压吸附装置；吸收塔下段的出液口依次连接闪蒸塔、二氧化碳脱水装置、二氧化碳变压吸附装置。本发明的工艺和装置可以由垃圾填埋气中同时回收二氧化碳和甲烷，从而减少温室气体的排放并提高气体的纯度。

Description

垃圾填埋气分离提纯工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种对垃圾填埋气进行分离提纯，以获得纯度较高的甲烷气体和二氧化碳气体来便于利用的垃圾填埋气分离提纯的工艺及装置。
背景技术
在21世纪的今天，人类正面临两个严重的环境问题挑战，一方面是垃圾管理问题，另一方面是温室效应加剧问题。
常用生活垃圾处理方式有：（1）卫生填埋；（2）堆肥化处理；（3）焚烧处理。其中卫生填埋是处理城市生活垃圾的主要方式。目前，我国有80%以上的生活垃圾采取卫生填埋方式处理。垃圾填埋所产生的垃圾填埋气的组成成分为二氧化碳、甲烷、氮气、氧气、氨气、硫化氢以及其他有机气体。该垃圾填埋气是一种潜在的清洁能源，其热值一般为7450~22350KJ/m3，脱水除去CO2等杂质组分后，可将热值进一步提高，达到或接近天然气的热值。典型的垃圾填埋气中，甲烷含量约为45%~55%，二氧化碳含量约为40%~55%。如果垃圾填埋气直接排放会产生较强的温室效应。据统计，在美国、德国等一些发达国家，垃圾填埋场已经成为第一大温室气体排放源。然而，目前大部分净化设备只对垃圾填埋气中的甲烷进行提纯，而二氧化碳被当成废气排入到大气中，加剧温室效应。
例如专利号为ZL200410081272.5的发明专利，其采用了脱硫、冷冻分液、变温吸附、变压吸附的集成工艺从垃圾填埋气中提纯甲烷，该工艺采用低温操作，能耗高，投资大，并且无法进一步脱除垃圾填埋气中的O2，造成产品气甲烷纯度低，仅为80%～90%。专利号为ZL200510004873.0的发明专利，其对填埋气进行压缩，冷冻干燥，多级过滤，吸附干燥后，再进行高压吸附，并流均压，常压再生的变压吸附循环工艺，产品气甲烷纯度96％左右，但其仍然是仅针对甲烷气体。专利号为ZL200910085020.2的发明专利，其对垃圾填埋气进行脱硫、一级变压吸附、变温吸附、二级变压吸附来制取甲烷，但无法获得高纯度的CO2。
如果对垃圾填埋气进行分离提纯，可以同时回收二氧化碳和甲烷，从而保护环境，同时实现废弃物资源化利用，这在能源日益紧张、大力提倡节约型社会的今日尤其具有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时提纯回收二氧化碳和甲烷，从而便于其利用的垃圾填埋气分离提纯工艺以及该工艺采用的装置
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种垃圾填埋气分离提纯工艺，包括如下流程：
（1）采用甲基二乙醇胺法将垃圾填埋气分离为富含甲烷的气体和吸收有二氧化碳的溶液；
（2）将富含甲烷的气体脱水后经变压吸附而分离获得甲烷产品气；对吸收有二氧化碳的溶液进行闪蒸使其释放出含有二氧化碳的气体，将含有二氧化碳的气体脱水后经变压吸附而分离获得二氧化碳产品气。
优选的，所述的垃圾填埋气先经过压缩和脱硫后再采用甲基二乙醇胺法进行分离。
一种应用上述工艺的垃圾填埋气分离提纯装置，包括设置有甲基二乙醇胺溶液的吸收塔、甲烷脱水装置、甲烷变压吸附装置、闪蒸塔、二氧化碳脱水装置、二氧化碳变压吸附装置；
所述的吸收塔包括吸收塔上段和吸收塔下段；所述的吸收塔下段的进气口与原料气源相连接，所述的甲烷脱水装置的进气口与所述的吸收塔上段顶的出气口相连接，所述的甲烷脱水装置的出气口与所述的甲烷变压吸附装置的进气口相连接；所述的甲烷变压吸附装置具有甲烷产品气出气口和尾气出气口；
所述的闪蒸塔包括闪蒸塔上段和闪蒸塔下段；所述的吸收塔下段底的出液口与所述的闪蒸塔下段的进液口相连接，所述的闪蒸塔下段底的出液口与所述的闪蒸塔上段的进液口相连接，所述的闪蒸塔上段底的出液口与所述的吸收塔下段顶的进液口相连接；所述的闪蒸塔下段顶具有废气出口，所述的闪蒸塔上段顶的出气口与所述的二氧化碳脱水装置的进气口相连接，所述的二氧化碳脱水装置的出气口与所述的二氧化碳变压吸附装置的进气口相连接，所述的二氧化碳变压吸附装置具有产品气出气口和尾气出气口。
优选的，其还包括再生塔，所述的闪蒸塔上段底的出液口还与所述的再生塔的进液口相连接，所述的再生塔顶的出液口与所述的吸收搭上段顶的进液口相连接。
优选的，所述的再生塔顶的出液口经冷却器后与所述的吸收搭上段顶的进液口相连接。
优选的，所述的闪蒸塔上段顶的出气口经冷干机后与所述的二氧化碳脱水装置的进气口相连接，所述的冷干机的水汽出口回连至所述的闪蒸塔上段顶。
优选的，其还包括脱硫塔，所述的脱硫塔的进气口与原料气源相连接，所述的脱硫塔的出气口与所述的吸收塔下段的进气口相连接。
优选的，所述的脱硫塔中设置有脱硫剂，所述的脱硫剂为活性炭和氧化铁符合脱硫剂，其中活性炭和氧化铁的体积比例为1：2~1：11。
优选的，所述的二氧化碳脱水装置与所述的二氧化碳变压吸附装置之间、所述的甲烷脱水装置与所述的甲烷变压吸附装置之间分别设置有缓冲罐。
优选的，所述的甲烷变压吸附装置为至少四塔的变压吸附装置；所述的二氧化碳变压吸附装置为至少两塔的变压吸附装置。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的工艺和装置可以对垃圾填埋气进行分离提纯，同时回收二氧化碳和甲烷，从而一方面减少温室气体的排放、保护环境，另一方面能够提高气体的纯度，有利于对其的利用。
附图说明
附图1为本发明的垃圾填埋气分离提纯工艺的流程图。
附图2为本发明的垃圾填埋气分离提纯装置的示意图。
以上附图中：1、压缩机；2、脱硫塔；3、吸收塔；4、闪蒸塔；5、冷干机；6、再生塔；7、冷却器；8、二氧化碳脱水装置；9、缓冲罐；10、二氧化碳变压吸附装置；11、甲烷脱水装置；12、甲烷变压吸附装置；13、二氧化碳脱水装置的尾气出口；14、甲烷脱水装置的尾气出口；15、二氧化碳变压吸附装置的尾气出气口；16、甲烷变压吸附装置的尾气出气口；17、二氧化碳产品气；18、甲烷产品气。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：参见附图1所示，一种实现对垃圾填埋气分离提纯的工艺，包括如下步骤：首先，采用甲基二乙醇胺法（MDEA）将垃圾填埋气分离为富含甲烷的气体和吸收有二氧化碳的溶液；然后，将富含甲烷的气体脱水后经变压吸附而分离获得甲烷产品气；对吸收有二氧化碳的溶液进行闪蒸使其释放出含有二氧化碳的气体，将含有二氧化碳的气体脱水后经变压吸附而分离获得二氧化碳产品气。
上述分离提纯工艺通过附图2所示的分离提纯装置实现，此附图中较宽线条表示液体的通路，而较窄的线条表示气体的通路。该垃圾填埋气分离提纯装置，包括脱硫塔2、设置有甲基二乙醇胺溶液的吸收塔3、甲烷脱水装置11、甲烷变压吸附装置12、闪蒸塔4、再生塔6、二氧化碳脱水装置8、二氧化碳变压吸附装置10。
原料气源经过压缩机1而与脱硫塔2底部的进气口相连接，脱硫塔2中设置有脱硫剂，脱硫剂为活性炭和氧化铁符合脱硫剂，其中活性炭和氧化铁的体积比例为1：2~1：11。
吸收塔3包括吸收塔上段和吸收塔下段，其采用填料式结构，吸收塔上段顶和吸收塔下段顶分别设置有进液口，吸收塔下段底设置有出液口和进气口，吸收塔上段顶设置有出气口。脱硫塔2顶部的出气口与吸收塔下段底的进气口相连接，从而通过脱硫塔2实现与原料气源的连接。甲烷脱水装置11的进气口与吸收塔上段顶的出气口相连接，该甲烷脱水装置11还具有出气口以及尾气出口14，甲烷脱水装置11的出气口经缓冲罐9与甲烷变压吸附装置12的进气口相连接。其中，甲烷脱水装置11采用两脱水塔结构，其可以将气体脱水并过滤。而甲烷变压吸附装置12则采用至少四塔的变压吸附装置，本实施例中，采用四塔的变压吸附装置。该甲烷变压吸附装置12具有甲烷产品气出气口和尾气出气口16，其产品气出气口经缓冲罐9后，输出甲烷产品气18。
闪蒸塔4包括闪蒸塔上段和闪蒸塔下段，闪蒸塔上段顶具有进气口、出气口以及进液口，闪蒸塔上段底具有出液口和进气口；闪蒸塔下段顶具有进液口、进气口和废气出口，闪蒸塔下段底具有出液口。再生塔6的底部具有出液口，再生塔6的顶部具有进液口和出气口，再生塔6的底部具有出液口。吸收塔下段底的出液口经泵与闪蒸塔下段的进液口相连接，闪蒸塔下段底的出液口与闪蒸塔上段的进液口相连接，闪蒸塔上段底的出液口分别与吸收塔下段顶的进液口和再生塔6顶部的进液口相连接，再生塔6底的出液口经冷却器7后与吸收搭上段顶的进液口相连接，进入再生塔6的液体管路和由再生塔6引出的液体管路可以通过换向阀实现连接并控制液体流向。再生塔6顶的出气口与闪蒸塔上段底的进气口相连接，闪蒸塔上段顶的出气口经冷干机5后与二氧化碳脱水装置8的进气口相连接，冷干机5的冷凝水出口经回流泵回连至闪蒸塔上段顶和闪蒸塔下段顶。二氧化碳脱水装置8采用两脱水塔结构，其具有出气口以及尾气出口13，二氧化碳脱水装置8的出气口经缓冲罐9与二氧化碳变压吸附装置10的进气口相连接，而二氧化碳变压吸附装置10则采用至少两塔的变压吸附装置，二氧化碳变压吸附装置10具有产品气出气口和尾气出气口15，其产品气出气口经缓冲罐9后，输出二氧化碳产品气17。
上述分离提纯装置的工艺流程为：抽取原料气，即垃圾填埋气由原料气源供给分离提纯装置，原料气首先经过压缩机1增压至1.2Mpa至2MPa，压缩后的气体通入脱硫塔2中脱硫，脱硫后的气体中硫含量降至10mg/m3，使其符合管道天然气的标准。脱硫后的气体由底部通入装有甲基二乙醇胺溶液的填料式吸收塔3中，在该吸收塔3中，垃圾填埋气中的二氧化碳与甲基二乙醇胺溶液反应而被吸收形成吸收有二氧化碳的液体并由吸收塔3底部的出液口排出，其他主要为甲烷的气体，即富含甲烷的气体则由吸收塔3顶部的出气口排出。
富含甲烷的气体压力在1.2Mpa至2MPa，其通过吸收塔3顶部进入冷干机冷冻至5℃至8℃，除去大部分水分，然后在甲烷脱水装置11中用活性氧化铝进行吸附干燥，进一步去除残留的水蒸气，使常压下水露点降低到5℃以下；再将深度脱水后的气体进行过滤，滤除其中的颗粒物及杂质，最后通入至少为4塔的甲烷变压吸附装置12中。在每一个吸附塔中依次进行：1、高压吸附，吸附压力为1.2至1.5MPa，吸附时间为30至120s；2、顺放，缓慢打开原料气出口阀，回收利用纯度较高的产品气，节约原料，提高收率；3、并流均压，第一个吸附塔吸附结束后，吸附剂开始进入再生阶段，沿着吸附方向将塔内纯度较高的气体放入已再生完成的较低压力的吸附塔中（该过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间有效气体的过程）；4、逆放、沿着吸附方向的反方向将吸附塔压力降至接近常压；5、解析，在吸附塔进气端安装真空泵，进行抽真空解析，使吸附剂解析更彻底。
吸收有二氧化碳的液体，即富液从吸收塔3底流出，通过泵送至闪蒸塔下段，在高于进原料气CO2分压的条件下闪蒸，在此弛放出溶解的氢、氮等气体并由闪蒸塔下段的出气口排出，液体则到闪蒸塔上段在常压下弛放出大部分CO2并由闪蒸塔上段的出气口排出。闪蒸再生后的溶液为半贫液，其大部分用泵打回到吸收塔下段，小部分泵送至再生塔6加热再生。汽提再生后的贫液经过换热器、水冷器冷却后打入到吸收塔上段，而从再生塔6出来的汽提气则由再生塔6顶部的出气口进入闪蒸塔上段的下部，使低压闪蒸段溶液温度上升。从低压的闪蒸塔上段出来含水蒸气的CO2气体，经过冷干机5冷却，除去大部分水，冷凝水用回流泵输送至闪蒸塔4，而除水后的气体再通过二氧化碳脱水装置8中活性氧化铝深度除水；深度除水后的气体再通入另一套至少2塔的二氧化碳变压吸附装置10，吸附压力为1.2至1.5MPa，吸附时间为30至120s。在每一个吸附塔中分别进行升压、吸附、均压、逆放、解析等过程连续产气，并使CO2纯度达到99%以上。
上述装置及工艺首先采用甲基二乙醇胺法分离二氧化碳和甲烷，MDEA溶液从吸收塔3顶部进入，吸收CO2后的富液在闪蒸塔下段中间压力条件下闪蒸，闪蒸后的溶液经加热后减压至常压在闪蒸塔上段闪蒸，闪蒸后将溶剂用泵打回到吸收塔下段循环。这种方法适用于CO2分压高的原料气净化，因此，对于垃圾填埋气，其CO2含量占40%至55%，采用甲基二乙醇胺能节约投资成本。而变压吸附在分离制气方面展现出设备简单，操作、维护简便，节能经济，调节灵活，设备运行安全可靠等优点，是一种成熟的制气技术。其主要包括一套原料气的动力供应设备（如压缩机），两塔以上装有吸附剂的吸附塔，一套程序控制自动切换阀门以及一套检测仪表。通过程序，能设置吸附时间，调节自动切换定时开关，实现同时进行吸附和解析，达到连续产气的目的。原料气经过预处理后，进入变压吸附装置，通过升压、吸附、均压、顺放、逆放和解析等过程，获得高纯度的产品气。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垃圾填埋气分离提纯工艺，其特征在于：其包括如下流程：
（1）采用甲基二乙醇胺法将垃圾填埋气分离为富含甲烷的气体和吸收有二氧化碳的溶液；
（2）将富含甲烷的气体脱水后经变压吸附而分离获得甲烷产品气；对吸收有二氧化碳的溶液进行闪蒸使其释放出含有二氧化碳的气体，将含有二氧化碳的气体脱水后经变压吸附而分离获得二氧化碳产品气。
2.根据权利要求1所述的垃圾填埋气分离提纯工艺，其特征在于：所述的垃圾填埋气先经过压缩和脱硫后再采用甲基二乙醇胺法进行分离。
3.一种应用如权利要求1所述的工艺的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：其包括设置有甲基二乙醇胺溶液的吸收塔、甲烷脱水装置、甲烷变压吸附装置、闪蒸塔、二氧化碳脱水装置、二氧化碳变压吸附装置；
所述的吸收塔包括吸收塔上段和吸收塔下段；所述的吸收塔下段的进气口与原料气源相连接，所述的甲烷脱水装置的进气口与所述的吸收塔上段顶的出气口相连接，所述的甲烷脱水装置的出气口与所述的甲烷变压吸附装置的进气口相连接；所述的甲烷变压吸附装置具有甲烷产品气出气口和尾气出气口；
所述的闪蒸塔包括闪蒸塔上段和闪蒸塔下段；所述的吸收塔下段底的出液口与所述的闪蒸塔下段的进液口相连接，所述的闪蒸塔下段底的出液口与所述的闪蒸塔上段的进液口相连接，所述的闪蒸塔上段底的出液口与所述的吸收塔下段顶的进液口相连接；所述的闪蒸塔下段顶具有废气出口，所述的闪蒸塔上段顶的出气口与所述的二氧化碳脱水装置的进气口相连接，所述的二氧化碳脱水装置的出气口与所述的二氧化碳变压吸附装置的进气口相连接，所述的二氧化碳变压吸附装置具有产品气出气口和尾气出气口。
4.根据权利要求3所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：其还包括再生塔，所述的闪蒸塔上段底的出液口还与所述的再生塔的进液口相连接，所述的再生塔顶的出液口与所述的吸收搭上段顶的进液口相连接。
5.根据权利要求4所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：所述的再生塔顶的出液口经冷却器后与所述的吸收搭上段顶的进液口相连接。
6.根据权利要求3所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：所述的闪蒸塔上段顶的出气口经冷干机后与所述的二氧化碳脱水装置的进气口相连接，所述的冷干机的水汽出口回连至所述的闪蒸塔上段顶。
7.根据权利要求3所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：其还包括脱硫塔，所述的脱硫塔的进气口与原料气源相连接，所述的脱硫塔的出气口与所述的吸收塔下段的进气口相连接。
8.根据权利要求7所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：所述的脱硫塔中设置有脱硫剂，所述的脱硫剂为活性炭和氧化铁符合脱硫剂，其中活性炭和氧化铁的体积比例为1：2~1：11。
9.根据权利要求3所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：所述的二氧化碳脱水装置与所述的二氧化碳变压吸附装置之间、所述的甲烷脱水装置与所述的甲烷变压吸附装置之间分别设置有缓冲罐。
10.根据权利要求3所述的垃圾填埋气分离提纯装置，其特征在于：所述的甲烷变压吸附装置为至少四塔的变压吸附装置；所述的二氧化碳变压吸附装置为至少两塔的变压吸附装置。
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