CN112708487B - 一种旋转膜分离装置及转化沼气制合成气系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体分离技术领域，本发明涉及一种旋转膜分离装置及转化沼气制合成气系统和方法。旋转膜分离装置，包括柱体膜分离组件、板式膜分离组件，板式膜分离组件分布在柱体膜分离组件外侧的周向上分布，沿着柱体膜组件的圆周方向上独立分为若干空腔，柱体膜分离组件和板式膜分离组件分别为空心的结构，柱体膜分离组件和板式膜分离组件的侧壁均为透气性材料，外表面包覆吸附膜。包括旋转膜分离装置、氮气分离装置、放电装置，混合气出口与氮气分离装置连接，氮气分离装置与放电装置连接。分离出沼气中的硫化氢和氮气，甲烷和二氧化碳制成合成气，分离效率高，减少污染，节约能源。
Description
技术领域
本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种旋转膜分离装置及转化沼气制合成气系统和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
对大量废弃物进行处理后制得的沼气为混合气体，其主要成分为甲烷、二氧化碳和少量的氮气、硫化氢。甲烷和二氧化碳等温室气体的排放是造成温室效应的重要原因、氮气排放会造成环境污染、硫化氢为有毒气体，对环境产生污染。沼气进行处理后排放，现有技术中，沼气采用深冷处理的方法进行分离沼气中的硫化氢和二氧化碳但是能耗较大，并且对少量的气体成分的分离效果较差。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种旋转膜分离装置及转化沼气制合成气系统和方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种旋转膜分离装置，包括柱体膜分离组件、板式膜分离组件，板式膜分离组件分布在柱体膜分离组件外侧的周向上分布，沿着柱体膜组件的圆周方向上独立分为若干空腔，柱体膜分离组件和板式膜分离组件分别为空心的结构，柱体膜分离组件和板式膜分离组件的侧壁均为透气性材料，外表面包覆吸附膜，板式膜分离组件的底部与柱体膜分离组件相通。
利用分离气体法，利用不同的气体组分在膜表面的吸附能力及在膜孔的扩散速率不同，从而达到分离不同气体的目的。分离效率高，分离时间长，可以连续进行沼气的分离处理。
第二方面，一种转化沼气制合成气系统，包括上述的旋转膜分离装置、氮气分离装置、放电装置，混合气出口与氮气分离装置连接，氮气分离装置与放电装置连接。
第三方面，利用上述转化沼气制合成气系统进行转化沼气制合成气的方法，
将沼气通入旋转膜分离装置，分离出沼气中的硫化氢气体，硫化氢气体被碱液吸收后排出；
然后将分离出硫化氢后的混合气体通入氮气分离装置，甲烷和二氧化碳进入氮气分离装置的内管中，氮气由外管排出；
内管中的混合气进入到放电装置中，将甲烷和二氧化碳转化为合成气后排出。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
旋转膜分离装置，利用不同的气体组分在膜表面的吸附能力及在膜孔的扩散速率不同，从而达到分离不同气体的目的。并且实现了连续循环进行气体分离的目的。
氮气分离装置利用膜分离氮气，利用内管的透气性膜材料，使甲烷和二氧化碳与氮气分离。减少了氮气的污染。
在放电装置中，在电极的作用下，得到等离子体，等离子体由中性原子、分子、自由基、激发态、离子和电子等组成。能够利用等离子体与催化剂的相互作用和协同效应，提高能源转化效率，在转化温室气体制备合成气等方面具有重要的应用价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为旋转膜分离装置的结构图；
图2为旋转膜分离装置碱液流通管的结构图；
图3为旋转膜分离装置吸附膜的结构图；
图4为转化沼气制合成气系统的结构图。
其中，1、柱体膜分离组件，2、板式膜分离组件，3、空腔，4、吸附膜，5、碱液流通管，6、外壳，7、转轮，8、电机，9、外管，10、内管，11、氮气收集装置，12、放电装置，13、供二氧化碳装置，14、气体预混装置，15、脱硫装置，16、自动加碱装置，17、供沼气装置，18、混合气入口，19、混合气出口，20、第一气体分析仪，21、第一电脑终端，22、第二气体分析仪，23、第二电脑终端，24、合成气收集装置。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种旋转膜分离装置，包括柱体膜分离组件、板式膜分离组件，板式膜分离组件分布在柱体膜分离组件外侧的周向上分布，沿着柱体膜组件的圆周方向上独立分为若干空腔，柱体膜分离组件和板式膜分离组件分别为空心的结构，柱体膜分离组件和板式膜分离组件的侧壁均为透气性材料，外表面包覆吸附膜，板式膜分离组件的底部与柱体膜分离组件相通。
在本发明的一些实施方式中，旋转膜分离装置的一个独立空腔的顶部设置为混合气入口，旋转方向下游相邻的独立空腔设置混合气出口。
在本发明的一些实施方式中，板式膜分离组件及柱体膜分离组件的空心结构的顶部分别设置碱液流通管，碱液流通管上设置碱液流出孔。
在本发明的一些实施方式中，板式膜分离组件设置四个，形成4个独立空腔，四个独立空腔的空间大小相同。
在本发明的一些实施方式中，还包括外壳，为圆柱型空腔结构，包括顶盖、底盖和侧壁，柱体膜分离组件位于外壳内部的中心位置，板式膜组件位于外壳的内部，板式膜组件的外边缘紧挨外壳的顶盖、底盖和侧壁。
在本发明的一些实施方式中，还包括电机，外壳的底部外边缘设置圆形的转轮，电机与转轮连接，外壳的顶盖覆盖在侧壁的顶部，并与侧壁不相接。
在本发明的一些实施方式中，柱体膜分离组件和板式膜分离组件的侧壁为透气性玻璃材质。
在本发明的一些实施方式中，包覆的吸附膜材料为疏水性聚丙烯中空纤维膜。
第二方面，一种转化沼气制合成气系统，包括上述的旋转膜分离装置、氮气分离装置、放电装置，混合气出口与氮气分离装置连接，氮气分离装置与放电装置连接。
在本发明的一些实施方式中，氮气分离装置包括同轴的内管和外管，内管位于外管的内部，外管和内管为空心的管状结构，外管与混合气出口连接，内管侧壁为透气性玻璃管，外表面包覆分离膜。
可选的，分离膜的材质为Pebax/SBS复合膜(嵌段聚醚酰胺/聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)。
在本发明的一些实施方式中，还包括氮气收集装置，氮气收集装置与外管的出气口连接。
在本发明的一些实施方式中，放电装置与内管连接。
在本发明的一些实施方式中，放电装置为直流供电，放电装置内部设置5根高压电极，接地极上放置催化剂。
在本发明的一些实施方式中，还包括供二氧化碳装置和气体预混装置，供二氧化碳装置和气体预混装置连接，气体预混装置的进气口与内管连接，气体预混装置的出气口与放电装置连接。
在本发明的一些实施方式中，还包括脱硫装置，脱硫装置与旋转膜分离装置的底部出气口连接，脱硫装置的出气口与旋转膜分离装置的碱液入口连接。
在本发明的一些实施方式中，供沼气装置，供沼气装置与旋转膜分离装置的混合气入口连接。
在本发明的一些实施方式中，还包括气体分析装置，气体分析装置分别与氮气分离装置的入口端和放电装置连接。
第三方面，利用上述转化沼气制合成气系统进行转化沼气制合成气的方法，具体步骤为：
将沼气通入旋转膜分离装置，分离出沼气中的硫化氢气体，硫化氢气体被碱液吸收后排出；
然后将分离出硫化氢后的混合气体通入氮气分离装置，甲烷和二氧化碳进入氮气分离装置的内管中，氮气由外管排出；
内管中的混合气进入到放电装置中，将甲烷和二氧化碳转化为合成气后排出。
在本发明的一些实施方式中，硫化氢气体被碱液吸收排出后，进入到脱硫装置，脱硫装置排出的碱液返回到旋转膜分离装置中。
在本发明的一些实施方式中，甲烷和二氧化碳在进入到放电装置前，进入到预混装置中与加入的二氧化碳进行混合，然后进入放电装置。
如图1所示，旋转膜分离装置，包括柱体膜分离组件1、板式膜分离组件2，板式膜分离组件2在柱体膜分离组件1的周向上分布，像叶片一样，在柱体膜分离组件的带动下，板式膜分离组件随着进行旋转。
柱体膜分离组件1和板式膜分离组件2的侧壁均为透气性材料，外表面包覆吸附膜4。所以气体能够通过板式膜分离组件2和柱体膜分离组件1的侧壁。在透过的过程中，利用不同气体组分在膜表面的吸附能力及在膜孔的扩散速率不同，从而达到分离不同气体的目的。
板式膜分离组件1在周向上分隔为若干独立的空腔3，先由1号空腔进入，然后旋转经过2号空腔和3号空腔原来的位置，到达4号空腔原来的位置，然后通过混合气出口排出。经过2号空腔和3号空腔原来所在的位置的过程中，延长了旋转的时间，延长了吸附的时间，气体吸附后，到达4号空腔原来的位置通过混合气出口排出。(1号空腔为混合气入口正对的空腔，4号空腔为混合气出口正对的空腔，1号空腔和4号空腔之间按照旋转方向依次为2号空腔和3号空腔)
在1号空腔中，由于其中的一种气体或两种气体可以优先通过吸附膜，所以气体基本不能穿过吸附膜进入到空心结构内，留在1号空腔中，然后到达4号空腔原来的位置通过混合气出口排出。
旋转膜分离装置采用膜分离气体法，在气体压力的推动下，气体分子向表面膜孔扩散分离的过程。在旋转过程中，加强了吸附膜与气体的接触，并且延长了气体在空腔中的分离时间。
板式膜分离组件的底部与柱体膜分离组件相通，所以被吸附进入空心结构内部的气体进入到柱体膜分离组件的内部，最后排出。
旋转膜分离装置的一个独立空腔的顶部设置为混合气入口18，旋转方向下游相邻的独立空腔设置混合气出口19，即混合气从一个空腔进入后旋转一周后排出，并且可以实现连续的进料出料。
板式膜分离组件2及柱体膜分离组件1的空心结构的顶部分别设置碱液流通管5。碱液流通管5用于向空心结构的内部喷入碱液，碱液遇到硫化氢后，硫化氢进入碱液中，然后排出。
本发明的一种实施方式中，板式膜分离组件2设置四个，形成4个独立空腔，四个独立空腔的空间大小相同。
还包括外壳6，为圆柱型空腔结构，包括顶盖、底盖和侧壁，柱体膜分离组件位于外壳内部的中心位置，板式膜组件位于外壳的内部，板式膜组件的外边缘紧挨外壳的顶盖、底盖和侧壁。外壳形成一个封闭的空间，使气体沿着板式膜组件和柱体膜分离组件进行吸附。
还包括电机8，外壳6的底部外边缘设置圆形的转轮7，电机8与转轮7连接，外壳6的顶盖覆盖在侧壁的顶部，并与侧壁不相接。电机8的转轴与转轮7通过皮带连接。外壳6的顶盖固定不动，顶盖和侧壁之间可以设置滑动环，顶盖和柱体膜分离组件的顶部之间设置轴承。使顶盖基本保持不动，这样混合气入口和混合气出口的位置不变，当旋转一周后，通过混合气入口通入沼气，由混合气出口19排出混合气。
柱体膜分离组件1和板式膜分离组件2的侧壁为透气性玻璃材质。包覆的吸附膜材料为疏水性聚丙烯中空纤维膜。吸附膜可以优先使硫化氢气体通过。使硫化氢气体从沼气中分离。提高了沼气中的分离效率。1号位空腔、2号位空腔、3号位空腔、4号位空腔的板式膜分离组件及柱体膜分离组件的外表面均包覆吸附膜，这样不仅可以阻止当前位中的沼气与其它位的沼气混合；还可增加气体与吸附膜的接触和气体的分离时间。
一种转化沼气制合成气系统，包括上述的旋转膜分离装置、氮气分离装置、放电装置12，混合气出口与氮气分离装置连接，氮气分离装置与放电装置12连接。旋转膜分离装置分离出硫化氢，剩余的甲烷、二氧化碳经过氮气分离装置分离出氮气，然后进入放电装置转化为合成气。
氮气分离装置包括同轴的内管10和外管9，内管10位于外管9的内部，外管9和内管10为空心的管状结构，外管9与混合气出口19连接，内管侧壁为透气性玻璃管，外表面包覆分离膜。可选的，分离膜的材质为Pebax/SBS复合膜。混合气进入外管的内部后，甲烷和二氧化碳优先通过内管的分离膜进入到内管的内部，实现了分离氮气的目的，提高分离效率。
还包括氮气收集装置11，氮气收集装置11与外管9的出气口连接。
放电装置12与内管10连接。甲烷和二氧化碳进入到放电装置，放电装置采用直流高压电源为直流电晕放电装置供电。高压电极均采用半径为1mm的钨针电极，5根高压电极中的4根呈正方形分布、1根分布在中心位置。接地极采用气体可通过的带有均匀空隙的不锈钢板。在接地极上均匀放置适量NiCo/La2O3-Al2O3催化剂颗粒。
还包括供二氧化碳装置13和气体预混装置14，供二氧化碳装置13和气体预混装置14连接，气体预混装置14的进气口与内管10连接，气体预混装置14的出气口与放电装置12连接。
通过供二氧化碳装置13向混合气中补充通入适量二氧化碳气体，可有效减少积碳、提高放电效率。气体预混瓶中的气体从直流电源放电装置下端通入上端流出。预混气体在放电间隙中完成放电、催化重整沼气制备合成气。
放电产生的气体从直流电晕放电装置上端出气口处流出，进入合成气收集装置24。流出的气体采样通入第二气体分析仪22。第二气体分析仪22检测产物性质并将检测得到的结果与数据传输至计算机(第二电脑终端23)，用于数据分析。
还包括脱硫装置15，脱硫装置15与旋转膜分离装置的底部出气口连接，脱硫装置的出液口与旋转膜分离装置的碱液入口连接。脱硫装置的出液口与旋转膜分离装置的碱液入口通过自动加碱装置16连接，自动加碱装置16可以为自动加碱机。脱硫装置15可以为生物脱硫塔，生物脱硫塔内填料为硫氧化微生物群落，利用微生物(如氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、脱氮硫杆菌等)的生命活动将有机污染物转化为对人体健康和生态环境无害的化合物。脱硫装置多余的碱性循环液从生物脱硫器流出由蠕动泵输送回自动加碱机，循环使用。
旋转膜分离装置与供沼气装置17连接，将沼气通入旋转膜分离装置中。
氮气分离装置的入口端，即靠近旋转膜分离装置的一端连接第一气体分析仪20和第一电脑终端21。
实施例1
将沼气通入旋转膜分离装置，沼气通入1号位空腔，在空腔内气体分离时间为60s，旋转至4号位后，由排气扇将分离后的气体排入同轴双管嵌套装置。该空腔再旋转至1号位通入气体，如此循环。分离出沼气中的硫化氢气体，硫化氢气体被碱液吸收后排出；
然后将分离出硫化氢后的混合气体通入氮气分离装置，甲烷和二氧化碳进入氮气分离装置的内管中，氮气由外管排出；
内管中的混合气进入到放电装置中，将甲烷和二氧化碳转化为合成气后排出。
沼气中各成分的含量分别为硫化氢(2.315％)、氮气(0.506％)、甲烷(68.407％)、二氧化碳(27.724％)，经过旋转膜分离装置、氮气分离装置后，混合气中硫化氢、氮气、甲烷、二氧化碳的含量分别为0.052％、0.033％、70.351％、28.506％。放电结束之后合成气、硫化氢、氮气的含量分别为63.7％、0.049％、0.032％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种旋转膜分离装置，其特征在于：包括柱体膜分离组件、板式膜分离组件，板式膜分离组件分布在柱体膜分离组件外侧的周向上分布，沿着柱体膜组件的圆周方向上独立分为若干空腔，柱体膜分离组件和板式膜分离组件分别为空心的结构，柱体膜分离组件和板式膜分离组件的侧壁均为透气性材料，外表面包覆吸附膜，板式膜分离组件的底部与柱体膜分离组件相通；
旋转膜分离装置的一个独立空腔的顶部设置为混合气入口，旋转方向下游相邻的独立空腔设置混合气出口；
板式膜分离组件及柱体膜分离组件的空心结构的顶部分别设置碱液流通管，碱液流通管上设置碱液流出孔。
2.如权利要求1所述的旋转膜分离装置，其特征在于：板式膜分离组件设置四个，形成4个独立空腔，四个独立空腔的空间大小相同。
3.如权利要求1所述的旋转膜分离装置，其特征在于：还包括外壳，为圆柱型空腔结构，包括顶盖、底盖和侧壁，柱体膜分离组件位于外壳内部的中心位置，板式膜组件位于外壳的内部，板式膜组件的外边缘紧挨外壳的顶盖、底盖和侧壁。
4.如权利要求1所述的旋转膜分离装置，其特征在于：还包括电机，外壳的底部外边缘设置圆形的转轮，电机与转轮连接，外壳的顶盖覆盖在侧壁的顶部，并与侧壁不相接。
5.如权利要求1所述的旋转膜分离装置，其特征在于：柱体膜分离组件和板式膜分离组件的侧壁为透气性玻璃材质。
6.如权利要求1所述的旋转膜分离装置，其特征在于：包覆的吸附膜材料为疏水性聚丙烯中空纤维膜。
7.一种转化沼气制合成气系统，其特征在于：包括权利要求1-6任一所述的旋转膜分离装置、氮气分离装置、放电装置，混合气出口与氮气分离装置连接，氮气分离装置与放电装置连接。
8.如权利要求7所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：氮气分离装置包括同轴的内管和外管，内管位于外管的内部，外管和内管为空心的管状结构，外管与混合气出口连接，内管侧壁为透气性玻璃管，外表面包覆分离膜。
9.如权利要求8所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：分离膜的材质为Pebax/SBS复合膜。
10.如权利要求8所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：还包括氮气收集装置，氮气收集装置与外管的出气口连接。
11.如权利要求8所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：放电装置与内管连接。
12.如权利要求11所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：放电装置为直流供电，放电装置内部设置5根高压电极，接地极上放置催化剂。
13.如权利要求10所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：还包括供二氧化碳装置和气体预混装置，供二氧化碳装置和气体预混装置连接，气体预混装置的进气口与内管连接，气体预混装置的出气口与放电装置连接。
14.如权利要求13所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：还包括脱硫装置，脱硫装置与旋转膜分离装置的底部出气口连接，脱硫装置的出气口与旋转膜分离装置的碱液入口连接。
15.如权利要求14所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：还包括供沼气装置，供沼气装置与旋转膜分离装置的混合气入口连接。
16.如权利要求15所述的转化沼气制合成气系统，其特征在于：还包括气体分析装置，气体分析装置分别与氮气分离装置的入口端和放电装置连接。
17.利用权利要求7-16任一所述的转化沼气制合成气系统进行转化沼气制合成气的方法，其特征在于：具体步骤为：
将沼气通入旋转膜分离装置，分离出沼气中的硫化氢气体，硫化氢气体被碱液吸收后排出；
然后将分离出硫化氢后的混合气体通入氮气分离装置，甲烷和二氧化碳进入氮气分离装置的内管中，氮气由外管排出；
内管中的混合气进入到放电装置中，将甲烷和二氧化碳转化为合成气后排出。
18.如权利要求17所述的转化沼气制合成气系统进行转化沼气制合成气的方法，其特征在于：硫化氢气体被碱液吸收排出后，进入到脱硫装置，脱硫装置排出的碱液返回到旋转膜分离装置中。
19.如权利要求17所述的转化沼气制合成气系统进行转化沼气制合成气的方法，其特征在于：甲烷和二氧化碳在进入到放电装置前，进入到预混装置中与加入的二氧化碳进行混合，然后进入放电装置。
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