CN109593582A - 沼气膜提纯集成装置及其沼气提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沼气膜提纯集成装置，该装置包括：依次连接的沼气冷却与活性炭除硫单元、气体增压单元、气体冷却单元、气体过滤单元、膜处理单元，本发明能够有效的去除沼气中的有害杂质，达到天然气品质要求。实现启动迅速、低成本、集成化以及机动灵活的要求。

Description

沼气膜提纯集成装置及其沼气提纯方法

技术领域

本发明涉及沼气提纯，具体地指一种沼气膜提纯集成装置及其沼气提纯方法。

背景技术

当前各种规模的沼气工厂的得到有效推广和建立。但是所生产出来的沼气由于含有杂质较多，品质较低，难以在工业和日常生活中得到大规模应用。因此为了保护环境、节约化石能源，就需要对沼气进行深度加工以满足生产和生活需要。

沼气是一种以甲烷为主的混合型气体，提纯的目的主要是去除二氧化碳、水、氨氮、硫化氢等杂质，使得沼气中甲烷的成分占比达到天然气的要求。当前一些沼气工厂建立一些基础的去除杂质的工艺流程，但是工艺流程复杂、占地面积大、投入成本过高、不能有效的去除杂质、靠性差、没有的达到天然气品质要求，以至于导致了管道腐蚀、设备损坏，使得沼气不能循环生产利用。

因此需要发明一种净化效率高、占地小、操作简单，成本低且机动性好的提纯技术。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种高效的沼气提纯技术，可以有效的去除沼气中的有害杂质，达到天然气品质要求。实现启动迅速、低成本、集成化以及机动灵活的要求。

实现本发明目的采用的技术方案是一种沼气膜提纯集成装置，该装置包括：

沼气冷却与活性炭除硫单元，与输入的沼气管道连接，用于对沼气进行冷却和脱硫处理；

气体增压单元，与所述沼气冷却与活性炭除硫单元连接，用于对冷却和和脱硫处理后的沼气进行压缩至工作压力；

气体冷却单元，与所述气体增压单元连接，用于将压缩后的气体冷却和干燥；

气体过滤单元，与所述气体冷却单元连接，用于对冷却干燥后的气体进行二次过滤；

膜处理单元，与气体过滤单元连接，用于对二次过滤后的气体进行脱硫、脱水、脱碳后达到提纯要求。

进一步地，所述的沼气膜提纯工艺集成装置还包括工艺控制系统，所述工艺控制系统分别与所述沼气冷却与活性炭除硫单元、气体增压单元、气体冷却单元、气体过滤单元和膜处理单元连接；所述工艺控制系统包括：

沼气分析模块，与输入的沼气和最后的输出气体通过旁通管连接，用于分析监测；

气体体积测量模块，安装在气体增压单元之前的管道上，用于测量发酵时产生的沼气量；

测量、控制和调节技术模块，用于调节与控制各单元。

进一步地，所述沼气冷却与活性炭除硫单元包括依次连接的管式热交换器5性炭过滤器6，管式热交换器用于气体冷却和干燥，活性炭过滤器用于去除沼气中的硫化氢以及含硫气体。

进一步地，所述气体增压单元为大于16Bar压力的压缩机7，压缩机7将气体的压缩至一定压力，维持气体的增压功能。

进一步地，所述气体过滤单元为活性炭过滤器。

进一步地，膜处理单元包括膜组件，所述膜组件包括外机架，外机架设有一级膜组件、二级膜组件、三级膜组件和真空泵组成，每级膜组件有三个接口，分别为进口、渗透物口和滞留物出口；

所述一级膜组件与二级膜组件串联，一级膜组件的滞留物出口与二级膜组件进口连接，二级膜组件和三级膜组件的渗透物出口分别与一级膜组件进口并联，一级膜组件的渗透物出口与三级膜组件的进口连接，其中二级膜组件和三级膜组件的渗透物口设置有一只压力调节阀；

在上述技术方案中，所述每级膜组件为中空纤维膜，材料为聚酰亚，膜组件寸为100mm，长度1200mm。

进一步地，所述三级膜组件的渗透物口连接有热再生氧化单元，热再生氧化单元用于甲烷燃烧产热、热量传热存储和气体净化排放。

进一步地，所述的沼气膜提纯工艺集成装置还包括集成集装箱，所有单位均设于集成集装箱内；所述集成集装箱内还设有低温传感器、通风机、气体传感器。

此外，本发明还提供一种通过上述集成装置的沼气提纯方法，该方法包括：

沼气输入沼气冷却与活性炭除硫单元后进行冷却和脱硫处理；

冷却和和脱硫处理后的沼气经过气体增压单元进行压缩至工作压力；

将压缩后的气体经过气体冷却单元进行冷却和干燥；

冷却干燥后的气体经过气体过滤单元进行二次过滤；

对二次过滤后的气体经过膜处理单元进行脱硫、脱水、脱碳后达到提纯要求。

本发明的主要组成设备集中在集装箱内，设备布置紧凑，以便于转运和就地安装，能够有效的节省厂房的投入，减少占地面积。使用本发明能够使甲烷损失率小于0.5％，在截留物中甲烷的浓度可大于97％，能耗约为每立方米沼气0.28kWh，产气压力略低于16巴工作压力，提纯系统模块化，占地面积小，不需要其他干燥系统，可以回收热能，系统快速启动，部分荷载情况下运行，提供压力和流量准确控制，低运行维护成本，无药剂和热消耗。

附图说明

图1为本发明沼气膜提纯集成装置的结构示意图。

图2为本发明所用三级膜组件的结构示意图。

图3为本发明沼气提纯方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明沼气膜提纯集成装置为集装箱式的操作系统主要包括集成集装箱、沼气冷却与活性炭除硫单元、气体增压单元、气体冷却单元、气体过滤单元、膜处理单元、热再生氧化单元、工艺控制系统等。

集成集装箱主要用于存放和安装所有组成单元的设备，主要包括低温传感器1、通风机2、气体传感器3组成。

工艺控制系统主要是对提纯过程进行全方面监测和控制，包含沼气分析模块4.1、气体体积测量模块4.2、测量、控制和调节技术模块4.3等。工艺控制系统可以调节沼气品质问题，使得生产在负荷过低的情况下仍然可以进行，系统可以在几分钟内启动和停止。

沼气分析模块4.1的作用为沼气通过系统旁通管送至沼气分析仪进行连续测量。沼气仪用来对工艺中各个部分进行监测。

检测数据可在仪器的显示屏上显示，亦可通过可视系统显示。如果沼气中有关参数超标，安全系统将会报警。

气体体积测量模块4.2安装在沼气压缩机之前的管道上，用于测量发酵时产生的沼气量。

测量、控制和调节技术模块4.3用于整个系统的调节与控制。

沼气冷却与活性炭除硫单元主要为输送过来的沼气进行冷却和脱硫处理，该单元包括1台管式热交换器5、1台活性炭过滤器6。管式热交换器5用于气体冷却和干燥，活性炭过滤器6去除沼气中的硫化氢以及含硫气体。

气体增压单元用于将沼气压缩至工作压力，主要设备包括1台大于16Bar压力的压缩机7。压缩机7将气体的压缩至一定压力，维持气体的增压功能。

气体冷却单元主要用于经过压缩后的气体冷却和干燥，主要设备包括1台制冷机8。制冷机8主要是实现压缩后的高温气体降温和干燥功能，以便于进行后续的膜提纯单元时，不至于损失膜组件。

气体过滤单元主要用于增压冷却后的气体的二次过滤，主要包括3台活性炭过滤器6，用于去除沼气中的油汽、硫化氢等。为保护膜处理单元的膜组件和其他设备，必须降低沼气中的硫化氢含量。使用专门的活性炭过滤来分离沼气中的硫化氢。在需要时，可以更换过滤器。

膜处理单元主要用于前述流程后沼气中的进一步的大规模的脱硫、脱水、脱碳的提纯要求，主要包括1台膜组件9。膜组件7由1套外机架9.1、1套一级膜组件9.2、1套二级膜组件9.3、1套三级膜组件9.4、1台真空泵9.5组成。每个膜组件有三个接口，分别为进口、渗透物口和滞留物出口。

膜组件为中空纤维膜，材料为聚酰亚，膜组件寸为100mm，长度1200mm。膜组件9的连接原则为适当数量的膜件以并联方式相互连接为三级。本发明中一级膜组件9.2与二级膜组件9.3串联，一级膜组件9.2的滞留物出口与二级膜组件9.3进口连接。二级膜组件9.3和三级膜组件9.4的渗透物出口分别与一级膜组件9.2进口并联。一级膜组件9.2的渗透物出口与三级膜组件9.4的进口并联如下图2所示。其中二级膜组件9.3和三级膜组件9.4的渗透物口设置有一只压力调节阀。

沼气从膜组件9.2进口开始进入，由三级膜组件9.4渗透物口排放出最终未能完全过滤的杂质气体，该杂质气体为富二氧化碳废气(渗透气体)，含有非常少量的甲烷，泵送至再生热氧化单元进行处理。三级膜组件的示意图如图2所示。

每个膜组件安装在各自的槽内，如有需要，可在整个系统保持运转的情况下单个更换。为应对在整个运行过程中膜性能下降的情况，在二级膜组件9.3后安装了可连续调节的真空泵9.5，该泵用于增加二级的压力比。

热再生氧化单元主要用于处理三级膜组件9.4渗透物口排放出含有非常少量的甲烷、富二氧化碳以及硫化氢等混合废气。

热再生氧化单元包括两台再生机10.1和10.2，里面填充了陶瓷作为热交换元件，陶瓷贮存热量、释放热量，并定时变换方向。再生机10.1和10.2内有燃烧室、热交换室、净化室以及烟囱，以便于甲烷燃烧产热、热量传热存储和气体净化排放。

三级膜组件9.4渗透物口排放出含有非常少量的甲烷、富二氧化碳以及硫化氢等混合废气经过预热后，甲烷在与再生机10.1的空气混合稀释后进入燃烧室。上述混合废气在此被进一步加热后得到充分氧化，甲烷完全燃烧，废气中的硫化氢在燃烧室内氧化成二氧化硫，最终气体内只有二氧化硫、二氧化碳和水蒸气的混合气。经过再生机10.1净化后的热气进入第二台再生机10.2，将其热量交换给贮存介质后，最终热再生氧化单元的净化室净化气体后直接排放。

燃烧放热反应使得再生氧化单元可以从热量角度自动运行，如废气中含有足够的甲烷，则只需在需要启动添加补偿燃料。本单元的存储的热量可以用于沼气厂其他单元设备的加热。

如图3所示，通过本发明沼气膜提纯集成装置实现沼气提纯方法包括：

沼气输入沼气冷却与活性炭除硫单元后进行冷却和脱硫处理；

冷却和和脱硫处理后的沼气经过气体增压单元进行压缩至工作压力；

将压缩后的气体经过气体冷却单元进行冷却和干燥；

冷却干燥后的气体经过气体过滤单元进行二次过滤；

对二次过滤后的气体经过膜处理单元进行脱硫、脱水、脱碳后达到提纯要求。

本发明针对厌氧罐内发酵生产的原始沼气进行甲烷提纯，能够使沼气提纯至天然气品质，并满足并网的要求。

Claims (10)

1.一种沼气膜提纯集成装置，其特征在于，包括：

沼气冷却与活性炭除硫单元，与输入的沼气管道连接，用于对沼气进行冷却和脱硫处理；

气体增压单元，与所述沼气冷却与活性炭除硫单元连接，用于对冷却和和脱硫处理后的沼气进行压缩至工作压力；

气体冷却单元，与所述气体增压单元连接，用于将压缩后的气体冷却和干燥；

气体过滤单元，与所述气体冷却单元连接，用于对冷却干燥后的气体进行二次过滤；

膜处理单元，与气体过滤单元连接，用于对二次过滤后的气体进行脱硫、脱水、脱碳后达到提纯要求。

2.根据权利要求1所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：还包括工艺控制系统，所述工艺控制系统分别与所述沼气冷却与活性炭除硫单元、气体增压单元、气体冷却单元、气体过滤单元和膜处理单元连接；所述工艺控制系统包括：

沼气分析模块，与输入的沼气和最后的输出气体通过旁通管连接，用于分析监测；

气体体积测量模块，安装在气体增压单元之前的管道上，用于测量发酵时产生的沼气量；

测量、控制和调节技术模块，用于调节与控制各单元。

3.根据权利要求1或2所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：所述沼气冷却与活性炭除硫单元包括依次连接的管式热交换器5性炭过滤器6，管式热交换器用于气体冷却和干燥，活性炭过滤器用于去除沼气中的硫化氢以及含硫气体。

4.根据权利要求3所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：所述气体增压单元为大于16Bar压力的压缩机7，压缩机7将气体的压缩至一定压力，维持气体的增压功能。

5.根据权利要求4所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：所述气体过滤单元为活性炭过滤器。

6.根据权利要求5所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：膜处理单元包括膜组件，所述膜组件包括外机架，外机架设有一级膜组件、二级膜组件、三级膜组件和真空泵组成，每级膜组件有三个接口，分别为进口、渗透物口和滞留物出口；

所述一级膜组件与二级膜组件串联，一级膜组件的滞留物出口与二级膜组件进口连接，二级膜组件和三级膜组件的渗透物出口分别与一级膜组件进口并联，一级膜组件的渗透物出口与三级膜组件的进口连接，其中二级膜组件和三级膜组件的渗透物口设置有一只压力调节阀。

7.根据权利要求6所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：所述每级膜组件为中空纤维膜，材料为聚酰亚，膜组件寸为100mm，长度1200mm。

8.根据权利要求7所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：三级膜组件的渗透物口连接有热再生氧化单元，热再生氧化单元用于甲烷燃烧产热、热量传热存储和气体净化排放。

9.根据权利要求8所述的沼气膜提纯工艺集成装置，其特征在于：还包括集成集装箱，所有单位均设于集成集装箱内；所述集成集装箱内还设有低温传感器、通风机、气体传感器。

10.一种通过权利要求1所述集成装置的沼气膜提纯方法，其特征在于，包括：

沼气输入沼气冷却与活性炭除硫单元后进行冷却和脱硫处理；

冷却和和脱硫处理后的沼气经过气体增压单元进行压缩至工作压力；

将压缩后的气体经过气体冷却单元进行冷却和干燥；

冷却干燥后的气体经过气体过滤单元进行二次过滤；

对二次过滤后的气体经过膜处理单元进行脱硫、脱水、脱碳后达到提纯要求。