CN104745260B - 一种沼气制取高品质天然气并储存的方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沼气净化提纯技术领域，特指一种沼气制取高品质天然气并储存的方法及其设备。该工艺包括：抽取沼气进行一级过滤，再进入冷干机进行初步干燥，干燥后的气体进入二、三级过滤器净化，其过滤精度达到0.01μm，过滤效率达到99.999%。经过预处理后，将原料气通过换热器加热，进入膜分离系统，除去大部分酸性气体，得到较高纯度的甲烷，再经过压缩机增压，通入变压吸附系统，深度净化得到纯度为98%以上的甲烷，并将甲烷通入高压搅拌式反应釜，生成稳定的气体水合物，储存天然气。本发明的工艺和装置可从沼气（或类沼气气源）中提纯制取甲烷，从而减少温室气体的排放，实现废弃物资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及沼气净化提纯技术领域，特指一种沼气制取高品质天然气并储存的方法及其设备；对沼气进行净化提纯获得高纯度的甲烷气体，并通过水合物法对气体进行储存，以便于对沼气进行高值利用的沼气净化提纯工艺及装置。
背景技术
沼气是一种可再生能源，是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷（CH4,55%~65%）和二氧化碳(CO2，30%~45%)，其余为少量氢气、氮气、一氧化碳、硫化氢、氨气和有机硫，如果直接排放，会造成较强的温室效应；沼气的热值一般为7450~22350KJ/M3，经过净化可提高到22360~26000KJ/M3，是一种潜在的能源，为了扩大沼气的应用范围，必须对沼气进行净化和提纯。
在沼气工程发展较快的发达国家德国、瑞典、丹麦等国，都制定了促进沼气发展的政策，中国作为农业大国，有丰富的生物质资源(如农作物秸秆、畜禽粪便、有机废水等)以及大量城市垃圾，在厌氧过程中降解产生大量沼气；近年来，沼气工程获得国家法律法规的大力支持，《中华人民共和国可再生能源法》明确提出可再生能源发展规划，《可再生能源中长期发展规划》提出，到2020年，可再生能源消费量占能源总消费量的15%。
如果对沼气进行净化提纯，可以减少温室气体的排放，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净化提纯沼气制取高品质天然气，并将其安全、稳定储存，从而便于其运输和进行高值利用的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：
膜分离与变压吸附集成技术净化沼气制取高品质天然气的工艺，包括如下流程：
将抽取的沼气压缩后进行一级过滤，滤除粉尘及颗粒杂质，使过滤精度达到25μm；通入冷干机，使水露点降低到5~10℃，并通过气液分离器除去凝结的水分。
将初步干燥后的气体通入二、三级过滤器，使过滤精度达到0.01μm，过滤效率达到99.999%。
将经过预处理的气体通过加热器，加热至20℃~40℃。
将加热后的气体通入膜分离系统，在高压差条件下，大多数的酸性气体被渗透分离出来，从而得到富甲烷气。
富甲烷气通过压缩机增压进入变压吸附循环系统，吸附压力为2~3MPa，吸附时间为30s~100s，使产品气纯度达到98%以上并通入缓冲罐。
将缓冲罐中的甲烷通过压缩机通入水合物生成装置，使反应压力维持在4~8MPa，反应釜内温度控制在2~4℃，并开启搅拌促进水合物生成。
一种应用上述工艺的沼气净化提纯装置，其特征在于：其包括压缩机、一、二、三级过滤器、原料气脱水装置、膜分离净化装置、甲烷变压吸附装置、高压搅拌式水合物生成装置。
所述的第一压缩机进气口与原料气相连接，所述的第一压缩机出气口与所述的一级过滤器相连接；所述的原料气脱水装置进气口与所述的一级过滤器相连接，所述的原料气脱水装置出气口与所述的二、三级过滤器依次相连接；所述的加热器底部进气口与所述的第三级过滤器相连接；所述的膜分离装置进气口与所述的加热器顶部出气口相连接，所述的膜分离装置出气口包括产品气出气口与渗透气出气口，所述的渗透气出气口与外界相连，所述的膜分离装置出气口与所述的变压吸附装置进气口相连接。所述的变压吸附装置解析气出气口与所述的二级过滤器进气口相连接，所述的变压吸附装置产品气出气口与缓冲罐相连接，所述的缓冲罐经过第二压缩机与高压搅拌式反应釜相连接。
所述一级过滤器采用过滤精度为25μm的A级过滤器；二级过滤器采用过滤精度为1μm的B级过滤器；三级过滤器采用过滤精度为0.01μm的C级过滤器。
所述的原料气脱水装置为冷干机。
优选的，所述的第一压缩机与原料气相连接，将原料气通入所述的一级过滤器。
优选的，气体从所述的加热器底部进气口经加热后从所述的加热器顶部出气口进入所述的膜分离装置。
优选的，其包括三级过滤器，所述的一级过滤器设置在所述的第一压缩机与所述的脱水装置之间；所述的二、三级过滤器串联在所述的脱水装置与所述的加热器之间。
优选的，所述的加热器将气体温度加热到20℃~40℃。
优选的，所述的膜分离装置中采用高分子材料为薄膜，所述的高分子材料为聚偏氟乙烯。
优选的，所述的膜分离装置中膜两侧压差为0.02~0.03MPa。
优选的，所述的变压吸附装置设置有4个吸附塔，所述的吸附塔分别循环工作，至少有1个吸附塔处于产气阶段，使设备能连续工作。
四个吸附塔相互并联，气体从膜分离装置出来后通过一根管线进入变压吸附系统，由于有4个吸附塔，进气管线分为4条支线分别与4个吸附塔连接，每条进气支线上都设有阀门，用于控制进气；阀门与吸附塔之间还设有旁通管路，用于逆放阶段对吸附塔进行反向降压和解析阶段进行抽真空解析，4条旁通管路分别装有一个阀门，根据每个吸附塔所处阶段进行阀门开关，4条旁通管路汇聚至一条主管线，主管线上安装一个真空泵，真空泵抽取解析气并将气体输送至二级过滤器进气端，这样可以提高气体的收率。
4个吸附塔每个塔产气端分别有3条支路，左侧支路的管线用于高压吸附阶段收集产品气体，4个吸附塔的4条左侧支线的管线汇聚至一条主管线，并通入缓冲罐；中间支路的管线用于顺放阶段，阀门开度较小，顺放阶段缓慢产气并通过主管线输送至缓冲罐；右侧支路的管线用于均压阶段，吸附塔在自身减压过程中对下一吸附塔进行增压，为了有效回收气体。
优选的，所述的吸附塔中设置有复合式吸附剂，所述的吸附剂为活性碳和活性氧化铝复合吸附剂，其中活性碳和活性氧化铝的体积比为1：5~1：10。
优选的，所述的变压吸附装置中解析气出气口与所述第二级过滤器相连接。
优选的，所述的变压吸附装置中产品气出气口与一个缓冲罐相连接。
优选的，所述的水合物生成装置反应温度为2~4℃，反应压力为4~8MPa，并采用磁力搅拌。
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简便，操作灵活，投资成本小，收率高，可以获得高品质的天然气并将其通过水合物法稳定储存，运输安全灵活，从而实现对沼气的高值利用，保护环境。
附图说明
附图1为本发明的沼气净化提纯工艺的流程图。
附图2为本发明的沼气净化提纯装置的示意图。
以上附图中：1、压缩机；2、过滤器；3、冷干机；4、加热器；5、膜分离系统；6、吸附塔；7、产品气缓冲罐；8、冷凝水出口；9、渗透气出口；10、高压搅拌式反应釜。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明做进一步描述。
实施例一：参见附图1所示，一种实现对沼气净化提纯的工艺，包括如下步骤：首先，通过离心式压缩机从沼气池抽取沼气，将其通入一级过滤器、冷干机，得到初步净化的原料气；并将初步净化后的气体依次通过二、三级过滤器后加热器加热至一定温度，然后，将气体通入膜分离装置，除去其中大部分的CO2、H2S等酸性气体，得到纯度较高的富甲烷气体；将富甲烷气体通入变压吸附装置，得到高纯度的甲烷产品气，并通过水合物法进行储存和运输。
上述净化提纯工艺通过附图2所示的净化提纯装置实现，该净化提纯装置，包括压缩机1；过滤器2；冷干机3；加热器4；膜分离系统5；吸附塔6；产品气缓冲罐7和高压搅拌式反应釜10。
抽取原料气经过第一压缩机输送至第一级过滤器相连接，第一级过滤器的过滤精度为25μm，滤除其中粉尘及其他固体颗粒，然后通入冷干机3，脱除其中的水分，降低水露点到5~10℃，凝结水从冷干机3的冷凝水出口8排出，气体通过管道依次与第二、三级过滤器相连接，使气体的过滤精度达到0.01μm，第三级过滤器出气口与加热器4的入气口相连接，气体从加热器4底部通入换热器，将气体温度加热至20℃~40℃后从顶部进入膜分离系统5。
膜分离系统5中采用聚偏氟乙烯作为薄膜，MEDA溶液作为吸收液；吸收液浓度为0.5~0.8mol/L，控制气体流量在1000L/h，两侧压差控制在0.02~0.03
MPa；经过膜分离系统5，除去大部分CO2和H2S，得到较为纯净的甲烷气体，渗透气从膜分离系统5的渗透气出口9排出，未透过气经压缩机通入变压吸附装置，所述的变压吸附装置设置有4个吸附塔6，在每一个吸附塔6中依次进行：1、高压吸附，使吸附塔中增压至2~3MPa，吸附时间为30至100s；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，解析气通过管道连接至第二级过滤器进气口，进行回收利用，提高甲烷的收率。产品气甲烷纯度达到98%以上，从吸附塔顶部通入产品气缓冲罐7；缓冲罐中的高纯度甲烷经压缩机增压输送至高压搅拌式水合物生成装置10，使其压力维持在4~8MPa，温度维持在2~4℃，并通过搅拌促进水合物的生成，控制转速为500r/min。
上述装置及工艺首先采用过滤器、冷干机等设备对沼气进行初步净化，然后通过膜分离和变压吸附集成工艺对沼气进行净化和提纯，得到高纯度的甲烷，并将气体通过水合物法稳定储存。
本装置所采用的膜分离工艺可以有效地分离沼气中的CO2、H2S等酸气、提纯沼气中的CH4，膜分离过程不发生相变，是一种低能耗、低成本的单元操作，其适应性强，可以根据处理气体的规模增加或减少膜组件数量，可连续产气，膜分离是典型的物理分离过程，无化学试剂或添加剂，产品气不受污染，且易于操作，自动化程度高，拆装方便，占地面积小。
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。
本装置所采用的水合物法甲烷储存工艺，甲烷生成水合物后体积减小，在标准状况下，1m3的水合物可以储存约160~180m3的天然气；天然气水合物不仅有储存空间小的优点，而且它比气态、液态天然气等传统运输技术更安全；与传统天然气储运方式相比，天然气水合物储运技术只需要较低的固定投资和运行费用，对于储量不大，分布分散的沼气田，利用水合物进行收集、输送可发挥其灵活、经济的优势。
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 (8)
1.一种沼气制取高品质天然气并储存的方法，其特征在于：
将抽取的沼气压缩后进行一级过滤，滤除粉尘及颗粒杂质，使过滤精度达到25μm；通入冷干机，使水露点降低到5～10℃，并通过气液分离器除去凝结的水分；
将初步干燥后的气体通入二、三级过滤器，使过滤精度达到0.01μm，过滤效率达到99.999％；
将经过预处理的气体通过加热器，加热至20℃～40℃；
将加热后的气体通入膜分离系统，膜分离系统中采用聚偏氟乙烯作为薄膜，MEDA溶液作为吸收液；吸收液浓度为0.5～0.8mol/L，控制气体流量在1000L/h，两侧压差控制在0.02～0.03MPa，在高压差条件下，大多数的酸性气体被渗透分离出来，从而得到富甲烷气；
富甲烷气通过压缩机增压进入变压吸附循环系统，吸附压力为2～3MPa，吸附时间为30s～100s，使产品气纯度达到98％以上并通入缓冲罐；
将缓冲罐中的甲烷通过压缩机通入水合物生成装置，使反应压力维持在4～8MPa，反应釜内温度控制在2～4℃，并开启搅拌促进水合物生成。
2.实施如权利要求1所述的一种沼气制取高品质天然气并储存的方法的装置，其特征在于：其包括压缩机、一、二、三级过滤器、原料气脱水装置、膜分离净化装置、甲烷变压吸附装置、高压搅拌式水合物生成装置；
第一压缩机进气口与原料气相连接，第一压缩机出气口与一级过滤器相连接；原料气脱水装置进气口与一级过滤器相连接，原料气脱水装置出气口与二、三级过滤器依次相连接；加热器底部进气口与第三级过滤器相连接；膜分离净化装置进气口与加热器顶部出气口相连接，膜分离净化装置出气口包括产品气出气口与渗透气出气口，渗透气出气口与外界相连，膜分离净化装置产品气出气口与所述的甲烷变压吸附装置进气口相连接；
甲烷变压吸附装置解析气出气口与二级过滤器进气口相连接，甲烷变压吸附装置产品气出气口与缓冲罐相连接，缓冲罐经过第二压缩机与高压搅拌式水合物生成装置相连接；膜分离净化装置中采用高分子材料为薄膜，高分子材料为聚偏氟乙烯；膜分离净化装置中膜两侧压差为0.02～0.03MPa。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述一级过滤器采用过滤精度为25μm的A级过滤器；二级过滤器采用过滤精度为1μm的B级过滤器；三级过滤器采用过滤精度为0.01μm的C级过滤器。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的原料气脱水装置为冷干机。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的甲烷变压吸附装置设置有4个吸附塔，所述的吸附塔分别循环工作，至少有1个吸附塔处于产气阶段，使设备能连续工作。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述四个吸附塔相互并联，气体从膜分离装置出来后通过一根管线进入变压吸附系统，由于有4个吸附塔，进气管线分为4条进气支线分别与4个吸附塔连接，每条进气支线上都设有阀门，用于控制进气；阀门与吸附塔之间还设有旁通管路，用于逆放阶段对吸附塔进行反向降压和解析阶段进行抽真空解析，4条旁通管路分别装有一个阀门，根据每个吸附塔所处阶段进行阀门开关，4条旁通管路汇聚至一条主管线，主管线上安装一个真空泵，真空泵抽取解析气并将气体输送至二级过滤器进气端，这样可以提高气体的收率；4个吸附塔每个塔产气端分别有3条支路，左侧支路的管线用于高压吸附阶段收集产品气体，4个吸附塔的4条左侧支线的管线汇聚至一条主管线，并通入缓冲罐；中间支路的管线用于顺放阶段，阀门开度较小，顺放阶段缓慢产气并通过主管线输送至缓冲罐；右侧支路的管线用于均压阶段，吸附塔在自身减压过程中对下一吸附塔进行增压，为了有效回收气体。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的吸附塔中设置有复合式吸附剂，所述的吸附剂为活性碳和活性氧化铝复合吸附剂，其中活性碳和活性氧化铝的体积比为1：5～1：10。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的高压搅拌式水合物生成装置反应温度为2～4℃，反应压力为4～8MPa，并采用磁力搅拌。
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