CN106554838A - 一种复合型垃圾填埋气纯化装置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合型垃圾填埋气纯化装置系统，包括混合装置、预处理单元、低温装置及三段气体分离膜单元，所述混合装置两端分别与填埋气及预处理单元连通，气体经预处理单元后进入第一段气体分离膜单元进气口，第一段分离膜单元非渗透气与第二段分离膜单元进气口连通，第二段分离膜单元非渗透气与第三段分离膜单元进气口连通。第二段与第三段分离膜单元的渗透气回流至混合装置。第一段分离膜单元的渗透气为尾气，第三段分离膜单元非渗透气为产品气。本发明提供的装置系统具有低能耗、抗污染、低投资和高甲烷收益率的特性；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。

Description

一种复合型垃圾填埋气纯化装置系统
技术领域
本发明涉及气体纯化，特别涉及一种复合型垃圾填埋气纯化装置系统。
背景技术
垃圾填埋气是指在垃圾填埋场中，填埋的城市生活垃圾中所含的有机物在微生物作用下降解所产生的气体。根据填埋垃圾的来源和组成不同，填埋气体中含有30％～60％体积比的甲烷，含有30％～50％体积比的二氧化碳，此外，还含有少量的空气、恶臭气体和挥发性有机物等其他微量气体。长期以来，垃圾填埋气被视为有害气体，容易引发危险，主要包括：甲烷以5％～15％体积比与空气混和极易引起爆炸；甲烷温室效应是二氧化碳的21倍，加剧全球变暖；挥发性有机物产生的环境污染等。但同时，填埋气中的甲烷又是一种极有利用价值的能源物质，通过工艺技术将填埋气纯化到清洁能源的生物天然气，不但是我国环境保护的要求，而且是城市垃圾处理技术的组成部分和发展趋势。
目前的填埋气纯化工艺主要包括变压吸附(PSA)工艺、胺吸收(Amine Scrubbing)工艺以及膜工艺等。
变压吸附(PSA)工艺的原理是利用固体吸附剂对不同气体的吸附能力不同而实现气体纯化。当气体通过吸附床层，让混合气体中的一种(或几种)气体的大部分被吸附在床层上，小部分流出；让混合气体中的另外一种(或几种)气体大部分流出，小部分被吸附在床层上；从而达到提高气体纯度的目的。变压吸附属于批次处理工艺，固体吸附剂需要进行再生，因此工艺控制较复杂，同时变压吸附工艺的回收率相对较低。
胺吸收(Amine Scrubbing)工艺是利用有机胺溶液(一级胺、二级胺、三级胺、空间位阻胺等)与二氧化碳的物理化学吸收特性来实现填埋气脱碳的过程。该工艺能实现甲烷的高回收率，但需要蒸汽进行胺溶液再生，能耗较高，工艺控制较复杂。
膜分离工艺的原理是利用各气体组分在膜材料中的溶解扩散速率不同，在膜两侧分压差的作用下导致不同气体通过膜壁的渗透速率不同而分离。气体膜分离技术具有工艺简单、操作维护方便、投资成本和运行费用较低、不使用化学品和无废水排放等优点，相比其他工艺，膜分离工艺有明显的优势。
由于高分子材料气体分离膜受到罗布森上限(Robeson Bound)的限制，不能同时实现高渗透系数P和高分离系数α，通常商业化的气体分离膜可以分为高渗透系数低分离系数类别和低渗透系数高分离系数类别。
渗透系数P的单位是GPU：
单位膜组件的渗透通量F为：渗透系数P和单位膜组件分离膜表面积A(cm2)的乘积。
分离系数为需要分离混合气体中气对应气体渗透系数的比值：
高分子材料气体分离膜性能受温度影响，渗透系数P随着温度的上升而增大，而分离系数α随着温度的下降而上升。
现有专利文献CN103068466A公开了一种沼气纯化系统，专利采用了三级膜分离技术，能够同时实现低能耗和高甲烷回收率，但由于采用了低渗透系数P高分离系数α(典型二氧化碳/甲烷分离系数为50)的膜组件，膜投资成本较高。现有专利文献CN104003238B公开了一种从沼气同时纯化甲烷和二氧化碳的装置系统和工艺，专利采用了两段膜分离技术，采用高渗透系数P低分离系数α(典型二氧化碳/甲烷分离系数为25)膜组件，虽然能够降低膜投资成本、但无法实现低能耗和高甲烷回收率。另外，由于填埋气中富含挥发性有机物，而挥发性有机物进入膜组件冷凝将导致膜组件性能下降，因此需要额外增加活性炭等装置用于去除有机挥发性气体，这将使整个纯化装置系统变得复杂，增加装置系统投资和运行成本。
发明内容
本发明的目的是要提供一种具有低能耗、抗污染、低投资和高甲烷收益率的特性，复合运用低温和高渗透系数P低分离系数α气体分离膜进行垃圾填埋气纯化的装置系统，可以解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本发明提供的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，包括混合装置、预处理单元、低温装置，第一段气体分离膜单元、第二段气体分离膜单元、第三段气体分离膜单元。
第一段气体分离膜单元、第二段气体分离膜单元和第三段气体分离膜单元分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口。
其中，混合装置的进气口与原料气源连通，混合装置的出气口与预处理单元的进气口连通，预处理单元出气口与第一段气体分离膜单元的进气口连通。
第一段气体分离膜单元的非渗透气出气口与第二段气体分离膜单元的进气口连通，第一段气体分离膜单元的渗透气出口即为尾气出口。第二段气体分离膜单元的非渗透气出气口与第三段气体分离膜单元的进气口连通，第二段气体分离膜单元的渗透气出气口和混合装置连通。第三段气体分离膜单元的非渗透气出口即为产品气出口，第三段气体分离膜单元的渗透气出气口和也混合装置连通。
其有益效果是，由于采用了低温装置，因此可以去除挥发性有机物，防止气体分离膜受污染。
其有益效果是，由于采用高渗透系数P和低分离系数α气体分离膜，可以降低气体分离膜使用数量，从而降低投资费用。
其有益效果是，由于采用了三段气体分离膜的纯化工艺，因此可以逐段实现对填埋气的的纯化，提高甲烷的回收率。
在一些实施方式中，第一段气体分离膜单元、第二段气体分离膜单元和第三段气体分离膜单元分别包括一个或者多个并联或者串联连通的气体分离膜组件。其有益效果是，由于在每一段气体分离膜单元之间，分离膜组件的个数存在一个较佳的组合方案，通过计算得出每一段气体分离膜单元的分离膜组件的较佳数量，不仅可以提高气体纯化效率和回收率，同时也可以避免分离膜组件的浪费，降低工艺成本。
在一些实施方式中，低温装置将入膜前的混合气体冷却至较低压力露点温度，同时实现了气体干燥和挥发性有机物的去除。
在一些实施方式中，低温装置将第一段膜单元进口前的混合气体调节至设定的干球温度，该干球温度对应第一段膜单元采用膜组件的二氧化碳/甲烷的分离系数在35-50之间，有利于降低第一段膜单元的渗透气(即尾气)的甲烷浓度，从而提高装置的总体甲烷回收率。
在一些实施方式中，在低温装置出口还可设置活性炭吸附装置，用于吸附残余的有机挥发性气体。
在一些实施方式中，由于气体膜组件工作过程中的二氧化碳渗透产生的焦耳-汤普生冷却效应，使第二段和第三段膜组件的工作温度继续降低，对应的膜组件的二氧化碳/甲烷的分离系数α也将在35-50之间，并且是逐段升高，有利于减少第二段膜组件和第三段膜组件的渗透气量，从而减少装置回流气量，达到减小压缩机排气量以及节能的效果。
在一些实施方式中，第一段和第二段膜组件型号相同并且数量相同，可以实现定期切换，有利于延长膜组件的平均使用寿命。
在一些实施方式中，第一段和第二段膜和第三段膜组件型号相同尺寸相同，并且数量比例在1：1：1到1：1：10之间。在运行过程中如果发生膜组件污染事故，通常是逐段污染，由于前段膜组件对后段膜组件有保护作用，能够避免尤其是数量较多的第三段膜的污染。
在一些实施方式中，装置系统所述装置系统能够应用于垃圾填埋气、沼气、合成气或天然气的纯化。
本发明提供的装置系统复合使用低温和气体分离膜的纯化工艺，具有低能耗、抗污染、低投资和高甲烷收益率的特性能；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。
附图说明
图1为本发明一实施方式的复合型垃圾填埋气纯化装置系统的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明复合运用低温和气体分离膜进行填埋气纯化的装置系统的一实施方式，主要包括混合装置1、预处理单元5、第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元8。
所述预处理单元5包括压缩装置2、过滤装置3、低温装置4，其中，压缩装置2可为压缩机，过滤装置3可为气体过滤器，低温装置4可实现气体干燥、挥发性有机物脱除和第一段入膜干球温度调节等功能。
所述第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元8分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口。
所述第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元9分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件。每一个气体分离膜组件都含有进口、渗透气出口及非渗透气出口所述的气体分离膜组件结构为中空纤维膜、卷式膜和板式膜中的一种。
所述第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元8中采用相同型号相同尺寸的高渗透系数P低分离系数α的气体分离膜组件，常温下二氧化碳/甲烷分离系数α为20到35之间。
所述第一段气体分离膜单元6、第二段气体分离膜单元7和第三段气体分离膜单元8膜组件数量比值为1：1：4。
所述第一段气体分离膜单元6的非渗透气出气口即是尾气出口，尾气出口可接气体收集装置或者直通大气。
所述第三段气体分离膜单元8的非渗透气出气口即为产品气出口，产品气质量满足GB17820-2012《天然气》中的二类天然气标准。
以下为采用图1所示的装置系统典型垃圾填埋气的纯化工艺，包括以下步骤：
(1)1000Nm3/h填埋气(组成：约65％vol甲烷、约35％vol二氧化碳和约1000ppm二甲苯为主的有机挥发物)进入混合装置1混合，混合装置1出口处流量为1330Nm3/h(组成：约58％vol甲烷、约42％vol二氧化碳和约750ppm二甲苯为主的挥发性有机物)，经压缩装置2压缩增压至10Bar后，然后进入过滤装置3去除粉尘和油份，粉尘和油份浓度满足压缩空气ISO8573-1中的一级标准。
(2)过滤装置3出口和低温装置4入口连通。通过低温装置4处理，低温装置4出口处气体干球温度调节为设定温度，压力露点温度低至零下40摄氏度，二甲苯为主的有机挥发物浓度降低至10ppm，同时液态水分也完全去除。经过处理后无尘无油无有机挥发物的气体，气体进入第一段气体分离膜单元6的进气口进行二氧化碳和甲烷的初次纯化。
(3)第一段气体分离膜单元6的非渗透气出气口可得到约972Nm3/h气体(组成：约78％vol甲烷、约22％vol二氧化碳和约13ppm二甲苯为主的挥发性有机物)，该非渗透气出气口的气体进入第二段气体分离膜单元7的进气口进行气体二次纯化。第一段气体分离膜单元6的渗透气出气口可得到约358Nm3/h气体(组成：约7％vol甲烷、约93％vol二氧化碳)，该气体即为尾气，尾气出口可接气体收集装置或者直通大气。
(4)第二段气体分离膜单元7的非渗透气出气口得到约830Nm3/h(组成：88％vol甲烷、12％vol二氧化碳和15ppm二甲苯为主的挥发性有机物)，然后该出气口的气体进入第三段气体分离膜单元8的进气口进行气体再次纯化；第二段气体分离膜单元7的渗透气出气口可得到约142Nm3/h气体(组成：约20％vol甲烷、约80％vol二氧化碳)，该气体由于含有较多的甲烷将回流至混合罐1进行再纯化，以提高甲烷回收率。
(5)第三段气体分离膜单元8的非渗透气出气口得到约641Nm3/h(组成：约97％vol甲烷、约3％vol二氧化碳和约20ppm二甲苯为主的挥发性有机物)，该出气口的气体即为产品气，质量满足GB17820-2012《天然气》中的二类天然气标准。第三段气体分离膜单元8的渗透气出气口可得到约188Nm3/h气体(组成：约57％vol甲烷、约43％vol二氧化碳)，该气体由于含有较高的甲烷将回流至混合罐1进行再纯化，以提高甲烷回收率。
本发明的装置系统能够应用于垃圾填埋气、沼气、合成气或天然气的纯化。本发明提供的装置系统复合使用低温和三段气体分离膜的纯化工艺，具有低能耗、抗污染、低投资和高甲烷收益率的特性能够；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。
以上的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (9)

1.一种复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，包括混合装置(1)、预处理单元(5)、第一段气体分离膜单元(6)、第二段气体分离膜单元(7)、第三段气体分离膜单元(8)，所述第一段气体分离膜单元(6)、所述第二段气体分离膜单元(7)和所述第三段气体分离膜单元(8)分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口，其中：
所述混合装置(1)的进气口与原料气源连通，所述混合装置(1)的出气口与预处理单元(5)的进气口连通，所述预处理单元(5)的出气口与第一段气体分离膜单元(6)的进气口连通；
所述第一段气体分离膜单元(6)的非渗透气出气口与所述第二段气体分离膜单元(7)的进气口连通，所述第二段气体分离膜单元(6)的非渗透气出口与所述第三段气体分离膜单元(7)的进气口连通。所述第二段气体分离膜单元(7)和第三段气体分离膜单元(8)的非渗透气出气口分别通过管道回流到所述混合装置(1)的进气口，所述第一段气体分离膜单元(6)的非渗透气出气口即尾气出气口，所述第三段气体分离膜单元(8)的渗透气出气口即产品气口。
2.根据权利要求1所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，所述的预处理单元(5)依次包括压缩装置(2)、过滤装置(3)和低温装置(4)，所述的压缩装置(2)的进气口即预处理单元(5)的进气口，所述低温装置(4)的出气口即预处理单元(5)的出气口，所述压缩装置(2)的出气口与所述过滤装置(3)进气口连通，所述过滤装置(3)的出气口与所述低温装置(4)进气口连通。
3.根据权利要求1所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，特征在于第一段气体分离膜单元(6)、第二段气体分离膜单元(7)和第三段气体分离膜单元(8)中采用的气体分离膜组件在常温下二氧化碳/甲烷分离系数α为10到50之间，较优为20-35之间。
4.根据权利要求3所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，所述第一段气体分离膜单元(6)、第二段气体分离膜单元(7)和第三段气体分离膜单元(8)分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件。
5.根据权利要求4所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，所述第一段气体分离膜单元(6)总渗透通量F、第二段气体分离膜单元(7)和第三段气体分离膜单元(8)膜组件总渗透通量F比值为1：1到1：10之间，较优为1：2到1：5之间。
6.根据权利要求5所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，第一段气体分离膜单元(6)、第二段气体分离膜单元(7)膜组件总渗透通量F比值为1：1到1：10间，较优为1：1到1：5之间。
7.根据权利要求1所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，温度调节装置(4)可以调节第一段气体分离膜单元(6)入膜压力露点温度，以去除冷凝性气体，入膜压力露点温度在零下70摄氏度到25摄氏度之间，较优在零下40摄氏度到10摄氏度之间。
8.根据权利要求1所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，通过低温装置(4)同时能调节第一段气体分离膜单元(6)进口干球温度，进口干球温度在零下70摄氏度到50摄氏度之间，较优在0摄氏度到25摄氏度之间。使该工作温度下对应的二氧化碳/甲烷分离系数α在20到50之间，较优在35到50之间。
9.根据权利要求1所述的复合型垃圾填埋气纯化装置系统，其特征在于，所述装置系统能够应用于垃圾填埋气、沼气、合成气或者天然气的纯化。
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