CN111961509B

CN111961509B - 一种沼气膜提纯系统及方法

Info

Publication number: CN111961509B
Application number: CN202010831298.6A
Authority: CN
Inventors: 葛芳州; 刘成; 彭光霞; 李彩斌
Original assignee: Beijing Sustainable Green Energy Environmental Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Sustainable Green Energy Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2040-08-18
Also published as: CN111961509A

Abstract

本发明公开了一种沼气膜提纯系统及方法，系统包括：冷干机设有净化沼气入口，该冷干机后端的出气口与所述过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器、提纯膜组和天然气压缩机顺次连接；天然气压缩机设有成品天然气出口；缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组和天然气压缩机上均设有排放空气的放空口。通过在提纯膜组前端设置依次连接的冷干机、过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器，能使经脱硫净化的原料沼气依次进行脱水干燥‑过滤‑压缩‑加热等处理再进入提纯膜组的膜系统，通过过滤将水滴、油滴、气溶胶等截留下来以免对膜造成污染。具有工艺流程简单，能耗低，设备维护简单等优点。

Description

一种沼气膜提纯系统及方法

技术领域

本发明涉及沼气提纯领域，尤其涉及一种沼气膜提纯系统及方法。

背景技术

近年来，受中国的减煤增气政策推动，天然气成为中国近年来需求增长最快的能源产品。面对我国天然气消费需求快速上涨的形势，发展生物天然气有助于优化天然气供给结构，发展现代新能源产业。发展生物天然气，立足国内，内生发展，作为常规天然气的重要补充，有利于补齐天然气供需短板，降低进口依存度，提高能源安全保障程度。推进生物质能转型升级，加快可再生能源在燃气领域应用，培育发展可再生能源新兴产业。

生物天然气在我国发展已经十余年，但由于重视度不够以及商业模式不清晰，盈利水平低等因素影响，导致我国生物天然气发展十分缓慢。生产生物天然气的关键一步是将沼气净化、压缩后作为天然气。沼气的主要成分是甲烷(CH₄)和二氧化碳(C0₂)。甲烷占50％～70％，二氧化碳占30％～50％，还有少量其他惰性气体。甲烷是天然气的主要成份，容易燃烧、热值较高，燃烧时不会产生烟尘，是一种清洁能源。对沼气进行提纯处理，提纯后的沼气中CH₄含量为95％以上，CO₄含量为2％～5％，使之达到与天然气一样的品质，可实现与天然气的互联互通。因此，沼气净化提纯将成为沼气高附加值利用的一种主要途径。目前沼气高附加值利用的主要方法有：化学吸收法(胺液吸收法为主导)、PSA(变压吸附法)、压力水洗法、膜法等，每种方法各有千秋，最终都是要将沼气中的甲烷含量提升至95％以上。其中，气体膜分离是指在压力差或压力比的作用下，利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程。气体膜分离过程的关键是膜材料，理想的气体分离膜材料应该同时具有良好的分离性能、优良的热和化学稳定性、较高的机械强度。现有利用气体膜分离进行沼气提纯的系统构成主要包括：沼气压缩系统、膜前气体净化系统、膜组分离系统、生物燃气增压系统和加气系统；其中，沼气压缩系统的作用是：为了实现膜组的最佳分离效果，原料气必须被压缩到适合膜组工作的工艺压力。该系统采用无油润滑压缩机，保证沼气不被润滑油二次污染，为膜分离单元提供洁净的气体；膜前气体净化系统的作用是：沼气中除甲烷和二氧化碳等气体外，一般还包含多种自由液体、固体颗粒和微生物等杂质，气体净化系统进一步将沼气中的水、油、固体颗粒等杂质去除，从而达到膜组分离系统的运行要求。气体净化系统是保证净化装置稳定工作的条件，并可提高膜组分离系统的使用寿命；膜组分离系统的作用是：采用进口膜组件，将沼气中含有的二氧化碳气体和水蒸气分离出来，得到较高纯度的甲烷气体。通过科学设计的多级分离工艺，膜组分离系统出口的甲烷纯度可达97％以上，甲烷回收率可达97％以上；生物燃气增压系统的作用是：为保证净化后的生物燃气达到车用燃气或者其它用气端的压力要求，需要对净化后的生物燃气进一步增压，系统采用运行稳定可靠的压缩机，可将生物燃气增压到25MPa或者其它用气端的压力要求；加气系统的作用是：系统配置加气柱一台，将生物燃气增压系统排出的高压气体输送给CNG集装管束车进行储存，当管束车加气压力达到设定压力时，生物燃气增压系统自动停止压缩供气。

但目前这种气体膜分离技术主要的问题是：膜元件价格昂贵，易损坏，塑化和老化会缩短膜的寿命，维护费用较高；膜元件对油和粉尘敏感，前期除油除尘要求苛刻；CH4回收率(≥95％)偏低。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种沼气膜提纯系统及方法，能解决现有利用气体膜分离进行沼气提纯的系统，所存在的膜元件价格昂贵，易损坏，塑化和老化会缩短膜的寿命，维护费用较高；膜元件对油和粉尘敏感，前期除油除尘要求苛刻；CH4回收率偏低问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种沼气膜提纯系统，包括：

冷干机、过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器、提纯膜组和天然气压缩机；其中，

所述冷干机设有净化沼气入口，该冷干机后端的出气口与所述过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器、提纯膜组和天然气压缩机顺次连接；

所述天然气压缩机设有成品天然气出口；

所述缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组和天然气压缩机上均设有排放空气的放空口。

本发明实施方式还提供一种沼气膜提纯方法，采用本发明所述的沼气膜提纯系统，包括以下步骤：

使待提纯的净化沼气进入所述沼气膜提纯的系统冷干机进行冷冻干燥去除水分；

去除水分后的沼气进入所述沼气膜提纯系统的过滤器过滤去除杂质和油类；

过滤后的沼气进入所述沼气膜提纯系统的缓冲罐与回流沼气混合后进入沼气压缩机压缩，压缩后的沼气依次经所述沼气膜提纯的第二冷干机、换热器、加热器进行干燥、过滤和加热到预设温度后，均匀进入提纯膜组进行膜分离提纯，提纯后的成品气通过天然气压缩机压缩到需要的压力输出进行后续利用；

处理过程中，所述缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组、天然气压缩机内的空气经放空口排出。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的沼气膜提纯系统及方法，其有益效果为：

通过在提纯膜组前端设置依次连接的冷干机、过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器，能使经脱硫净化的原料沼气依次进行脱水干燥-过滤-压缩-加热等处理再进入提纯膜组的膜系统，通过过滤将水滴、油滴、气溶胶等截留下来以免对膜造成污染。具有工艺流程简单，能耗低，设备维护简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的沼气膜提纯系统的构成示意图；

图2为本发明实施例提供的沼气膜提纯系统的提纯膜组的二级膜组的示意图；

图3为本发明实施例提供的沼气膜提纯系统的提纯膜组的三级膜组的示意图；

图中各标记对应的部件为：1-冷干机；2-过滤器；3-缓冲罐；4-沼气压缩机；5-第二冷干机；6-换热器；7-加热器；8-提纯膜组；811-二级膜组的原料沼气入口；812-一级膜组件；813-二级膜组件；814-产品气出口；815-一级膜组件的放空口；D-二级膜组件的渗透气回流口；821-三级膜组的原料沼气入口；822-一级膜组件；823-二级膜组件；824-三级膜组件；825-三级膜组件的放空口；826-二级膜组件的产品气出口；D-二级膜组件的渗透气回流口；E-一级膜组件的渗透气回流口；F-三级膜组件的渗透气回流口；9-天然气压缩机；A-待提纯净化沼气入口；B-成品天然气出口；C-总放空口。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种沼气膜提纯系统，包括：

所述天然气压缩机设有成品天然气出口；

所述缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组和天然气压缩机上均设有排放空气的放空口。优选的，各放空口连接成总放空口。

所述的沼气膜提纯系统中，所述提纯膜组采用二级膜组或三级膜组。

所述的沼气膜提纯系统中，所述二级膜组由顺次连接的一级膜组件和二级膜组件组成；

所述一级膜组件上设置排放空气的放空口；

所述二级膜组件设有产品气出口和渗透气回流口，该渗透气回流口回连至所述一级膜组件的入口。

上述二级膜组中，产品气出口连接后续的天然气压缩机。

所述的沼气膜提纯系统中，所述三级膜组包括：一级膜组件、二级膜组件和三级膜组件；其中，

所述一级膜组件与二级膜组件顺次连接；

所述一级膜组件设有渗透气回流口，该渗透气回流口与所述三级膜组件连接；

所述二级膜组件设有第二渗透气回流口和产品气出口，该第二渗透气回流口回连至所述一级膜组件的入口；

所述三级膜组件上设有排放空气的放空口和第三渗透气回流口，该第三渗透气回流口回连至所述一级膜组件的入口。

上述三级膜组中，产品气出口连接后续的天然气压缩机。

本发明实施例还提供一种沼气膜提纯方法，采用上述的沼气膜提纯系统，包括以下步骤：

所述的沼气膜提纯系统中，所述待提纯的净化沼气是指经过净化处理后的二氧化碳的体积百分含量应不高于42％，硫化氢的体积百分含量不高于10ppm，氧气的体积百分含量小于0.3％，NH₃小于10ppm，VOCs小于10ppm，饱和水；温度小于45℃的沼气。

本发明的整个系统比较灵活，可以根据处理量等工况，能调整切换使用二级膜组或三级膜组，实现膜组件的合理利用效率，提高膜组件使用寿命，提高CH4回收率。

本发明可以通过设置在撬装设备上，便于移动，能灵活调整沼气处理量，可以进行短期项目的处理应用。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本发明实施例一种沼气膜提纯系统，是一种能对净化后沼气进行提纯处理，得到生物天然气的系统，该系统如图1所示，包括：顺次连接的冷干机、过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器、提纯膜组和天然气压缩机；其中，冷干机引入待提纯的净化沼气，天然气压缩机输出提纯后的成品天然气。系统中的缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组、天然气压缩机均设有气体的排空放散口，通过放空口将放空气排空。

上述系统中的采用图2所示的两级膜组或图3所示的三级膜组。

利用上述沼气膜提纯系统提纯沼气的方法如下：

沼气经过脱硫等净化后，原料沼气中二氧化碳应不高于42％，硫化氢含量不高于10ppm，氧气＜0.3％，NH₃＜10ppm，VOCs＜10ppm，饱和水；温度小于45℃；

表1原料沼气参数

组分*

甲烷

二氧化碳

硫化氢

氧气

NH<sub>3</sub>

VOCs

水分

单位

V/V

ppm

V/V

ppm

V/V

数值

55-70％

≤42％

≤10

≤0.3％

＜10

饱和

净化后的沼气中仍还有较多饱和水，对后续沼气压缩机的运行存在不利的影响，因此需要增加冷干机进行水分的去除；之后沼气在经过过滤器去除冷干机带入的一些杂质和油类，与回流沼气的缓冲罐内混合后，进入沼气压缩机压缩，压缩气体经干燥、过滤和加热到适宜的温度后，均匀进入提纯模组，提纯后的成品气通过天然气压缩机进一步压缩到需要的压力进行后续的利用。处理中的缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组、天然气压缩机均设有气体的排空放散口，通过放散口将放空气排空。

上述方法中，若提纯膜组采用图2所示的两级膜组，其分离工艺为：原料气首先进入一级膜组进行分离，透过膜组件的气体主要成分为二氧化碳，可直接排入大气也可进入二氧化碳回收装置，未透过膜组件的气体进入二级膜组进行分离，由此分离出高纯度甲烷，透过二级膜组的气体回流至压缩机吸入口，再进入膜分离系统；制得的所需浓度的甲烷气可通过城市管网作为燃气使用也可通过加压后作为汽车燃料使用。

若提纯膜组采用图3所示的三级膜组，则分离在两级膜分离的基础上，对一级膜组的透过气进一步处理，减少了放空气中的甲烷含量，提高了总体甲烷回收率。具体分离工艺如下：原料气首先进入一级膜组进行分离，透过膜组件的气体进入三级膜组进行分离，未透过膜组件的气体进入二级膜组进行分离，由此分离出高纯度甲烷，透过二级膜组件的气体回流至压缩机吸入口，再进入膜分离系统；制得的所需浓度的甲烷气可通过城市管网作为燃气使用也可通过加压后作为汽车燃料使用。透过三级膜组的气体进行可直接排入大气也可进入二氧化碳回收装置，未透过膜组件的气体回流至压缩机吸入口，再进入膜分离系统。

本发明的系统至少具有以下有益效果：通过在提纯膜组前端设置依次连接的冷干机、过滤器、缓冲罐、沼气压缩机、第二冷干机、换热器、加热器，能使经脱硫净化的原料沼气依次进行脱水干燥-过滤-压缩-加热等处理再进入提纯膜组的膜系统，通过过滤将水滴、油滴、气溶胶等截留下来以免对膜造成污染。具有工艺流程简单，能耗低，设备维护简单等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种沼气膜提纯系统，其特征在于，包括：

所述天然气压缩机设有成品天然气出口；

所述缓冲罐、沼气压缩机、提纯膜组和天然气压缩机上均设有排放空气的放空口；

所述提纯膜组采用三级膜组，所述三级膜组包括：一级膜组件、二级膜组件和三级膜组件；其中，

所述一级膜组件与二级膜组件顺次连接；

2.一种沼气膜提纯方法，其特征在于，采用权利要求1所述的沼气膜提纯系统，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的沼气膜提纯方法，其特征在于，所述待提纯的净化沼气是指经过净化处理后的二氧化碳的体积百分含量应不高于42%，硫化氢的体积百分含量不高于10ppm，氧气的体积百分含量小于0.3%，NH₃小于10ppm，VOCs小于10ppm，含有饱和水，温度小于45℃的沼气。