CN110813039B - 根据第三和/或第四渗透物中的甲烷浓度调节第一渗余物温度的膜渗透处理 - Google Patents

根据第三和/或第四渗透物中的甲烷浓度调节第一渗余物温度的膜渗透处理 Download PDF

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Abstract

用于至少含有甲烷和二氧化碳的原料气流的膜渗透处理设施，包括：用于压缩原料气流的压缩机、能够接收来自压缩机的气流并供应第一渗透物和第一渗余物的第一膜分离单元、能够接收第一渗余物并供应第二渗透物和第二渗余物的第二膜分离单元、能够接收第一渗透物并供应第三渗透物和第三渗余物的第三膜分离单元、能够接收第三渗余物并供应第四渗透物和第四渗余物的第四膜分离单元、用于测量第三渗透物或第四渗透物或组合有第三渗透物和第四渗透物的气流中的CH4浓度的至少一个第一测量装置及根据第一测量装置记录的测量值来调节第二膜分离单元入口处的第一渗余物的温度的至少一个调节装置，每个膜分离单元包括相比于甲烷更能使二氧化碳渗透的至少一个膜。

Description

根据第三和/或第四渗透物中的甲烷浓度调节第一渗余物温 度的膜渗透处理
本发明涉及一种通过至少含有甲烷和二氧化碳的气体流的膜渗透来进行处理以产生甲烷含量满足其使用要求的富含甲烷的气体流的设施，以及控制这种设施的方法。
本发明特别涉及沼气的净化，目的是产生符合注入到天然气管网的要求的生物甲烷。
沼气是在没有氧气的情况下有机物质分解(厌氧发酵)产生的气体，也称为甲烷化。这可以是自然分解物——因此在沼泽地或家庭垃圾排出物中发现有沼气——但沼气的产生也可以通过在称为甲烷化转化器(methanizer)或蒸煮器的专用反应器中对废物进行甲烷化而实现。
沼气由于其主要成分(甲烷和二氧化碳)而成为一种强大的温室气体；与此同时，它也构成了可再生能源的来源，在化石燃料日益稀缺的背景下，这种能源是很珍贵的。
沼气主要含有甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，其比例可根据获得方式而变化，但也含有较少比例的水、氮气、硫化氢、氧气和微量的其它有机化合物。
根据已分解的有机物质和所使用的技术，虽然基于平均沼气含量，各组分在干气中的比例会有所变化：甲烷30-75％，二氧化碳15-60％，氮气0-15％，氧气0-5％以及微量化合物。
沼气能以各种方式被投入盈利性使用。在光处理后，沼气可以在生产现场附近被投入盈利性使用，以供应热量、电力或两者的混合物(热电联产)；高二氧化碳含量降低了其热值，增加了压缩和运输的成本，并限制了以这种方式在附近将其投入盈利性使用的经济效益。
更大程度地净化沼气使其能够被更广泛地使用，特别是沼气的进一步净化产生已经被净化至天然气规格并且可以替代天然气的沼气；如此纯化的沼气被称为“生物甲烷”。因此，生物甲烷补充了在地区内以一定的可再生比例生产的天然气资源；它可以与化石来源的天然气用作完全相同的用途。它可以送入天然气管网、车辆加油站；它也可以被液化，以液化天然气(LNG)等形式储存。
生物甲烷投入盈利用途的方式根据当地情况而定：当地能源需求、将其作为生物甲烷燃料而被投入盈利性使用的可能性，以及特别是附近是否有天然气运输或配送管网。通过在给定地区中运作的各方(农业、工业、市政当局)之间建立协同作用，生物甲烷的生产有助于各地区在能源方面获得更大的自给自足。
在收集沼气和获得可压缩或液化的最终产品——生物甲烷——之间需要经历许多步骤。
特别地，在处理之前需要几个步骤，其目的在于分离二氧化碳以产生纯化的甲烷流。第一步是压缩已经产生且在大气压下被引入的沼气，并且可以使用压缩机以常规方式实现这种压缩。接下来的步骤旨在消除沼气中的硫化氢和挥发性有机化合物(VOC)等腐蚀性组分，所用的技术通常是变压吸附(PSA)和活性炭捕获。接下来是分离二氧化碳的步骤，以便最终获得用于后续使用所需纯度的甲烷。
二氧化碳是存在于天然气中的典型杂质，并且通常需要将其从天然气中除去。为此，根据情况而使用不同的技术；其中，膜(分离)技术在CO2含量高时表现特别好；因此，膜技术用于分离沼气中存在的CO2，特别是填埋气体中的CO2。
无论采用一个或多个膜级，用于净化气体的膜气体分离方法都需要能够以低成本生产所需质量的气体，同时最大限度地减少将被投入盈利性使用的气体的损失。因此，在沼气净化的情况下，进行的分离主要是CH4/CO2分离，其需要允许根据其用途生产含有超过85％、优选超过95％、更优选超过97.5％的CH4的气体，同时最小化残余气体中的CH4损失以及净化成本，该净化成本在很大程度上与用于在膜上游压缩气体的装置的电力消耗相关。
对于设施来说，优选的是允许产生富含甲烷的气体流以便能够控制甲烷损失。
从该观点出发，产生的一个问题是：提供一种能够获得恒定浓度的甲烷流以使得使用生物甲烷的设备具有持续运行的设施。
本发明的一个解决方案是用于至少含有甲烷和二氧化碳的原料气流的膜渗透处理的设施，该设施包括：
-压缩机，其用于压缩原料气流，
-第一膜分离单元，其能够接收来自压缩机的气流并供应第一渗透物和第一渗余物，
-第二膜分离单元，其能够接收第一渗余物并供应第二渗透物和第二渗余物，
-第三膜分离单元，其能够接收第一渗透物并供应第三渗透物和第三渗余物，
-第四膜分离单元，其能够接收第三渗余物并供应第四渗透物和第四渗余物，
-至少一个第一测量装置，其用于测量第三渗透物中、或第四渗透物中、或组合有第三渗透物和第四渗透物的气流中的CH4浓度，和
-至少一个调节装置，其用于根据由所述第一测量装置记录的测量值来调节在第二膜分离单元入口处的第一渗余物的温度；
每个膜分离单元都包括相比于甲烷来说更能使二氧化碳渗透的至少一个膜。
根据情况，根据本发明的设施可以具有下述特征中的一个或多个：
-所述第一测量装置采用气体分析仪进行测量；
-调节装置是热交换器，该热交换器使用温度比第一渗余物的温度高或低的次级流(secondary flow)。应当注意，该次级流可以是液体或气体。它的温度优选为更高并且优选为是第一渗余物的温度的1.2倍和100倍之间，更优选为在第一渗余物的温度的2-80倍之间，更优选为在第一渗余物的温度的2.5-50倍之间；图1示出了根据本发明的设施的一个示例，其中次级流的温度高于第一渗余物的温度；
-所述第四渗余物再循环到用于压缩所述原料气流的压缩机中。
-膜分离单元中使用的膜具有相同的选择性。
-至少一个膜分离单元包括至少两个具有相同选择性的膜。
-至少一个膜分离单元包括至少两个具有不同选择性的膜。
-至少一个膜分离单元使用的膜的选择性不同于其他膜分离单元的膜的选择性。
本发明的主题还是一种用于控制本发明所限定的设施的方法，包括以下步骤：
-测量第三渗透物中、或第四渗透物中、或组合有第三渗透物和第四渗透物的气流中的CH4浓度的步骤。该测量优选由气体分析仪进行；
-将测量值与设定值进行比较，并确定相对于该设定值的差值的步骤，以及
-调节第二膜分离单元入口处的第一渗余物的温度以减小所确定的差值的步骤。
图2示出了根据本发明的方法。
适当地，根据本发明的方法可以具有以下一个或多个特征：
-通过与具有比第一渗余物的温度高或低的温度的次级流的热交换来实现对第一渗余物的温度的调节。该热交换在根据本发明的设施的热交换器内进行；
-调节步骤包括升高或降低温度；
-所述原料气流是沼气；
-由数据传输和数据处理装置自动执行比较步骤和调节步骤。数据传输和数据处理装置例如可以是可编程控制类型的工业处理器。

Claims (14)

1.用于至少含有甲烷和二氧化碳的原料气流的膜渗透处理的设施，该设施包括：
-压缩机，该压缩机用于压缩所述原料气流，
-第一膜分离单元，该第一膜分离单元能够接收来自所述压缩机的气流并供应第一渗透物和第一渗余物，
-第二膜分离单元，该第二膜分离单元能够接收所述第一渗余物并供应第二渗透物和第二渗余物，
-第三膜分离单元，该第三膜分离单元能够接收所述第一渗透物并供应第三渗透物和第三渗余物，
-第四膜分离单元，该第四膜分离单元能够接收所述第三渗余物并供应第四渗透物和第四渗余物，
-至少一个第一测量装置，该第一测量装置用于测量第三渗透物中、或第四渗透物中、或组合有第三渗透物和第四渗透物的气流中的CH4浓度，和
-至少一个调节装置，该调节装置用于根据由所述第一测量装置记录的测量值来调节在所述第二膜分离单元入口处的所述第一渗余物的温度；
每个膜分离单元都包括至少一个相比于甲烷来说更能使二氧化碳渗透的膜。
2.根据权利要求1所述的设施，其特征在于，所述第一测量装置通过气体分析仪进行测量。
3.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，所述调节装置是热交换器，该热交换器使用温度比第一渗余物的温度高或低的次级流。
4.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，所述第四渗余物再循环到用于压缩所述原料气流的所述压缩机中。
5.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，各膜分离单元中使用的膜具有相同的选择性。
6.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，至少一个膜分离单元使用的膜的选择性不同于其它膜分离单元的膜的选择性。
7.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，至少一个膜分离单元包括至少两个具有相同选择性的膜。
8.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，至少一个膜分离单元包括至少两个具有不同选择性的膜。
9.用于控制根据权利要求1至8中任一项所述的设施的方法，包括以下步骤：
-测量第三渗透物中、或第四渗透物中、或组合有第三渗透物和第四渗透物的气流中的CH4浓度的步骤，
-将测量值与设定值进行比较并确定相对于该设定值的差值的步骤，和
-调节第二膜分离单元入口处的第一渗余物的温度以减小所确定的差值的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过与次级流的热交换来进行对第一渗余物的温度的调节，其中所述次级流的温度比所述第一渗余物的温度高或低。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，调节步骤包括升高或降低温度。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述原料气流是沼气。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，由数据传输和数据处理装置自动执行比较步骤和调节步骤。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该测量将由气体分析仪执行。
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