CN113061475B - 一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺方法及装置，沼气经过脱水脱硫预处理后，经过多级压缩至沼气中二氧化碳的分压达到6.5MPa且在温度≤25℃临界状态，再通过冷凝器对沼气进行冷却至温度＜25℃，将沼气中的二氧化碳气体液化分离回收。并且，通过设置旁路调节增加二氧化碳的浓度，保证二氧化碳分压在6.5MPa以上，使得二氧化碳在25℃常温下液化，便于储存。分离了液态二氧化碳之后余下的气体，经过增压和净化，得到高浓度的甲烷。本发明的方法和装置，能使沼气中分离甲烷的含量高达98％以上，加压常温液化的二氧化碳气体净化富集达98％纯度以上，适合规模连续性生产，系统结构简单、连续，操作方便，节约能耗，具有广阔的技术应用前景。
Description
技术领域
本发明属于沼气综合利用技术领域，尤其涉及一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺方法及装置。
背景技术
能源是世界各国经济发展的战略资源，是社会生产力的核心和动力源泉。沼气是一种性能优良的清洁燃料，不仅原料来源丰富、价廉，而且具有燃烧热效率髙成本低、绿色、低排放、可再生、较其它燃气抗爆性能好的优点，是一种优质可再生生物质能源。
沼气中通常含有60％左右的甲烷，40％左右的二氧化碳、硫化氢和水蒸汽等少量杂质气体。因此将沼气净化，提髙沼气中甲烷的纯度以提高其热值、实现沼气的高品质利用是很有必要的；同时可通过提纯系统将沼气中的二氧化碳分离出收集、净化富集至98％以上可供工业使用。这对节约利用可再生的清沽生物质能源、降低碳排放和改善生态环境具有重要的现实意义。
当前在沼气工程中，主要的脱除二氧化碳方法有:物理吸收法、化学吸收法和变压吸附法、膜法四类。
1)、物理吸收法有冷甲醇法、聚乙二醇二甲醚法和碳酸烯丙酯法。物理吸收法需要在压力为2～5MPa和较低温度条件下进行，溶液的再生依靠减压解吸。该方法能耗较低，但是净化度较低。在净化度要求较高的沼气净化工艺中应用，还有待于进一步完善。
2)、化学吸收法可以在较低压力的环境下，吸收气体中的二氧化碳，脱除二氧化碳程度很高。目前常用的化学吸收法主要是热钾碱法。热钾碱法是有效除去二氧化碳的方法，其原理为利用少量有机物或大量无机物作为热碳酸钾法的活化剂，用以去除二氧化碳。然而，实际应用过程中，存在吸收剂再生工艺操作复杂不利于连续生产，能耗较大，投资较高等缺点。因此，化学吸收法也不宜在沼气净化压缩罐装工艺中使用。
3)、变压吸附法是近年来兴起的一种新气体分离工艺。该工艺基于吸附单元操作，通常用于混合气体中某种气体的分离与精制。吸附的工艺原理是利用吸附剂对不同气体的吸附力不同，对气体混合物中的某种组分进行选择性吸附，使之与其他气体得到分离。由于在该工艺操作过程中，不仅需要多套吸附装置并联使用，才能保持工艺生产的连续性；而且能耗、占地、运行成本和设备投资成本较高。因此，该技术的应用推广，有待于工艺进一步改进和技术的提高。
4)、膜法是将无液态水、无油的压缩沼气沿中空纤维管内腔流动时，各种气体的分压在中空纤维丝管的高压侧(原料侧)与低压侧(渗透侧)所形成的驱动力——分压差作用下，溶解系数和扩散系数大的气体(如CO2、H2S)优先透过管壁，其余气体(CH4)相对透过困难，从而达到分离的目的，但是价格昂贵，投入与回收不成正比，推广困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种常温液化高效分离沼气中的二氧化碳和其它杂质气休，同时制取高纯度液态二氧化碳和甲烷，使沼气中的二氧化碳和甲烷得以充分利用，达到降低碳排放和常温液化分离和提纯沼气中二氧化碳的目的。
本发明采用以下技术方案：
一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺方法，包括以下工艺步骤：
(1)、将沼气进行脱硫和脱水的预处理，然后进行预压缩至沼气压力为2.5MPa，再经过三级压缩机一、二、三级增压后，沼气压力增至25.0MPa,当沼气中二氧化碳的分压达到6.5MPa且在温度≤25℃临界状态时，通过冷凝器对压缩机冷却将沼气降温至＜25℃，使沼气中的二氧化碳气体被液化；当经过所述三级压缩机增压但沼气中的二氧化碳的分压不足导致不能液化时，向沼气中补充二氧化碳，保证增压后二氧化碳的分压达6.5MPa以上；
(2)、将步骤(1)所得液态二氧化碳和沼气中其余气体的混合物输入气液分离器，将液态二氧化碳分离回收；
(3)、将步骤(2)分离了液态二氧化碳之后余下的气体，经过甲烷压缩机增压至25MPa，再经过除油净化，得到甲烷产品。
所述步骤(1)将沼气进行脱硫和脱水的预处理，使沼气中甲烷含量为50％～60％、二氧化碳含量为30％～40％、氮气及其他气体含量为10％。
一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺装置，采用如上所述的工艺方法，包括预压缩机、冷凝器、主压缩机、气液分离器、甲烷压缩机和二氧化碳补充旁路；脱硫和脱水后的沼气通过管道输入预压缩机，预压缩机连接主压缩机，冷凝器和气液分离器分别连接主压缩机，气液分离器分别连接液态二氧化碳储罐和甲烷压缩机；所述二氧化碳补充旁路为：所述液态二氧化碳储罐通过管路连接二氧化碳补充罐，在所述液态二氧化碳储罐和二氧化碳补充罐的连接管路上设有节流阀；所述二氧化碳补充罐管路连接离心式压缩机，所述离心式压缩机连接所述主压缩机的输入管道。
所述预压缩机连接除尘过滤器，再通过流量计连接所述主压缩机。
所述冷凝器连接太阳能电池。
所述预压缩机和主压缩机型号均为DW-5.16/2.5-250型沼气压缩机。
所述甲烷压缩机型号为Z-0.07/170-250型。
本发明的优点在于：
本发明采用常温液化的方法，分离沼气中二氧化碳气体及其它杂质组分气体，使沼气中甲烷的含量达98％以上，实现沼气的高品质利用；同时，采取常温液化并通过脱水提纯方法将二氧化碳气体净化富集达纯度98％以上，提供给广泛的领域使用。本发明方法适合较大规模连续性生产，本发明的装置结构简单、连续，操作方便，节约能耗，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明装置的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。
一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺方法，采用如图1所示的装置，包括以下工艺步骤：
(1)将沼气进行脱硫、脱水预处理，经预处理净化后的沼气输入预压缩机，将沼气预压缩至2.5MPa，从预压缩机出来的沼气，经过除尘过滤器除尘，再用流量计控制流量送入主压缩机，在主压缩机中分别经过一、二、三级增压后，沼气压力增至25.0MPa，当沼气中二氧化碳的分压达到6.5MPa且在温度≤25℃临界状态时，再通过冷凝器对主压缩机进行冷却，将沼气降温至＜25℃，即可将沼气中的二氧化碳气体液化，此时沼气中的其他组分气体还是以气态的形式存在。
(2)将液化二氧化碳和沼气中的其他组分气体输入气液分离器，液态的二氧化碳被分离出来，并输入液化二氧化碳储罐；特别的，液化二氧化碳储罐的工作温度必须＜25℃、工作压力必须≥6.5MPa，否则二氧化碳会重新汽化，体积膨胀，影响储罐安全使用。
(3)气液分离器分离了液态二氧化碳之后的气体送入末级缓冲罐，该气体中甲烷组分含量高达90％以上，其压力下降到17.5MPa。再使用甲烷压缩机增压至25MPa，然后经过除油过滤器，得到净化的甲烷含量达98％以上，再输入甲烷气高压储罐。
本发明所处理的沼气为脱硫、脱水后的沼气，其中甲烷含量约为50％～60％、二氧化碳含量为30％～40％、氮气等其他气体含量约为10％。
输入本发明装置的沼气，必须是进行预处理脱硫、脱水后的干气，不含硫化氢和水蒸汽。否则会发生严重腐蚀，导致本装置无法正常使用。
所述预压缩机和主压缩机选型均选择DW-5.16/2.5-250型沼气压缩机。本机为卧式、为两列、四级压缩、往复活塞式、气缸无油润滑、水冷、撬装式结构。进气压力0.25Mpa(G)，排气压力25.0Mpa(G)，理论排气量1000N m3/h。
所述甲烷压缩机选择Z-0.07/170-250型甲烷压缩机。本机为立式、两列、一级压缩、往复活塞式、注油润滑、水冷、撬装式结构。进气压力17.0Mpa(G)，排气压力25.0Mpa(G)，理论排气量700Nm3/h。
本实施例装置还添加二氧化碳补充旁路，所述二氧化碳补充旁路为：所述液态二氧化碳储罐通过管路连接二氧化碳补充罐，在所述液态二氧化碳储罐和二氧化碳补充罐的连接管路上设有节流阀；所述二氧化碳补充罐管路连接离心式压缩机，二氧化碳补充罐与离心式压缩机连接的管路上设置有阀门；所述离心式压缩机连接所述主压缩机的输入管道。当主压缩机进行增压但沼气中的二氧化碳的分压不足导致不能顺利液化时，使用所述二氧化碳补充罐向主压缩机的输入管路补充二氧化碳。液态二氧化碳从所述液态二氧化碳储罐经过节流阀时由液态变为气态，进入所述二氧化碳补充罐，再从所述二氧化碳补充罐经过离心式压缩机输入所述主压缩机，调高沼气中二氧化碳含量至30％～40％，保证经过所述主压缩机三级压缩后二氧化碳的分压在6.5MPa以上。
Claims (6)
1.一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺方法，其特征是，包括以下工艺步骤：
(1)、将沼气进行脱硫和脱水的预处理，然后进行预压缩至沼气压力为2.5MPa，再经过三级压缩机一、二、三级增压后，沼气压力增至25.0MPa，当经过所述三级压缩机增压但沼气中的二氧化碳的分压不足导致不能液化时，向沼气中补充二氧化碳，保证增压后二氧化碳的分压达6.5MPa以上，通过冷凝器对压缩机冷却将沼气降温至＜25℃，使沼气中的二氧化碳气体被液化；
(2)、将步骤(1)所得液态二氧化碳和沼气中其余气体的混合物输入气液分离器，将液态二氧化碳分离回收；
(3)、将步骤(2)分离了液态二氧化碳之后余下的气体，经过甲烷压缩机增压至25MPa，再经过除油净化，得到甲烷产品。
2.一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺装置，其特征是，采用如权利要求1所述的工艺方法，包括预压缩机、冷凝器、主压缩机、气液分离器、甲烷压缩机和二氧化碳补充旁路；脱硫和脱水后的沼气通过管道输入预压缩机，预压缩机连接主压缩机，冷凝器和气液分离器分别连接主压缩机，气液分离器分别连接液态二氧化碳储罐和甲烷压缩机；所述二氧化碳补充旁路为：所述液态二氧化碳储罐通过管路连接二氧化碳补充罐，在所述液态二氧化碳储罐和二氧化碳补充罐的连接管路上设有节流阀；所述二氧化碳补充罐管路连接离心式压缩机，所述离心式压缩机连接所述主压缩机的输入管道。
3.如权利要求2所述的一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺装置，其特征是，所述预压缩机连接除尘过滤器，再通过流量计连接所述主压缩机。
4.如权利要求2所述的一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺装置，其特征是，所述冷凝器连接太阳能电池。
5.如权利要求2所述的一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺装置，其特征是，所述预压缩机和主压缩机型号均为DW-5.16/2.5-250型沼气压缩机。
6.如权利要求2所述的一种可调二氧化碳浓度的从临界沼气中分离二氧化碳的液化工艺装置，其特征是，所述甲烷压缩机型号为Z-0.07/170-250型。
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