CN114806664A - 用于沼气净化脱碳系统的冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，包括如下步骤：S1、将沼气通入预冷器进行预冷；S2、将经预冷后的沼气通入冷冻干燥机，完成沼气的冷却；所述预冷器由水源热泵提供冷物流，预冷所述沼气；所述冷冻干燥机包括制冷剂、蒸发器、冷凝器；所述制冷剂在冷凝器与蒸发器之间流动，在冷凝器与蒸发器之间传递热量；所述冷凝器由所述水源热泵提供冷物流，以降低由所述蒸发器带来的制冷剂的热量；所述沼气在所述蒸发器中完成冷却。本发明冷冻干燥机的冷凝器散热介质由现有技术中较高温的沼气变成温度较低的冷却水，冷冻干燥机运行COP有大幅度提高。

Description

用于沼气净化脱碳系统的冷却方法

技术领域

本发明涉及沼气处理领域，具体地，涉及一种用于沼气净化脱碳系统的冷却方法。

背景技术

沼气中成分较多较杂，有一些气体夹杂在沼气中，在应用过程中对工艺、设备、环境都将造成一定的影响；沼气中的二氧化碳是一种无色无味气体，溶于水形成碳酸，对金属有腐蚀作用，并且会导致放热或做功过程中成本增加，因此在沼气的使用过程中，只有将二氧化碳降低到较低的含量，才能达到使用要求，提高设备效率，因此在沼气提纯中须进行脱碳处理。

现有的脱碳系统如图1所示，脱氨脱硫后的沼气经过缓冲罐后进行螺杆增压，沼气气体压力由1-2KPaG增压至＞1.5MPaG，此过程由油螺杆压缩机完成，然后加压后的沼气经过冷冻干燥、气体净化、气体加热等一系列气体净化处理过程，然后进入膜系统进行沼气气体的提纯，生产出天然气产品气体。

所述冷冻干燥机又称冷冻干燥器，冷冻干燥器就是将含水物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的冷干设备。冷冻式干燥机(简称冷干机)是根据冷冻除湿原理，将压缩空气强制冷却到要求的露点温度以下，从而将其中所含的大量水蒸气冷凝成液滴，由排水器排出机外，使空气干燥的一种新型设备。所述冷冻干燥机的作用为：对压缩沼气进行冷干脱水。首先利用其冷能降低工艺气体露点，经过处理的气体的带压露点为3℃-10℃。其中，冷冻干燥机中的蒸发器对沼气进行降温除湿，冷冻干燥机中的冷凝器对沼气进行加热；蒸发器与冷凝器间还通过制冷剂进行换热。

气体加热的作用为：为沼气加热。气体加热系统的热量来源于螺杆压缩机润滑油的热量，经过热能循环系统将螺杆压缩机润滑油的热量传至膜前端的气路部分，对沼气进气加热。

油冷却器的作用为：给螺杆压缩机润滑油降温的同时也给冷却水进行加热。升温后的冷却水对净化后的沼气进行加热。

所述风机的作用为将多余的热量排放到空气中。由于沼气所需的加热量远小于螺杆压缩机的散热量，需要风机将多余的热量排放到空气中。

但现有的脱碳系统中冷冻干燥机具有如下缺点：制冷负荷大，运行COP较低。

专利文献CN 203342628 U型公开了一种集装箱式沼气净化膜法提纯系统，其包括：设置在可移动集装箱内依次连接的脱硫脱水单元、压缩机、净化单元、热交换器和膜组提纯制气单元，所述脱硫脱水单元连接厌氧发酵罐产生的沼气气源。该方案中的冷冻干燥机仍具有制冷负荷大，运行COP较低的缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种沼气脱碳系统的冷却管路及沼气脱碳系统。

根据本发明提供的一种用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将沼气通入预冷器进行预冷；

S2、将经预冷后的沼气通入冷冻干燥机，完成沼气的冷却；

所述预冷器由水源热泵提供冷物流，预冷所述沼气；

所述冷冻干燥机包括制冷剂、蒸发器、冷凝器；所述制冷剂在冷凝器与蒸发器之间流动，在冷凝器与蒸发器之间传递热量；所述冷凝器由所述水源热泵提供冷物流，以降低由所述蒸发器带来的制冷剂的热量；

所述沼气在所述蒸发器中完成冷却。

优选的，所述沼气净化脱碳系统包括过滤缓冲罐、螺杆压缩设备；

所述沼气依次经过滤缓冲罐、螺杆压缩设备后，进入所述预冷器进行预冷。

优选的，所述沼气净化脱碳系统还包括取热管路、螺杆压缩设备冷却管路以及第二冷却水；

所述取热管路包括取热冷却水、第一换热器与第二换热器；

所述螺杆压缩设备冷却管路包括油冷却器、第一冷却水与润滑油；

所述第二冷却水从所述第一换热器的热物流入口流入，从所述第一换热器的热物流出口流出，流入所述水源热泵入口；所述取热冷却水从所述第一换热器的冷物流入口进入，经第一换热器的冷物流出口流入第二换热器；

所述螺杆压缩设备将所述沼气压缩过程产生的热量通过润滑油传递给油冷却器；所述第一冷却水在所述油冷却器中吸收来自润滑油的热量，再把来自润滑油的热量在第二换热器中传递给取热冷却水。

优选的，沼气净化脱碳系统还包括气体净化系统、气体加热系统、膜处理系统、气体减压系统；

所述沼气在蒸发器中完成冷却后，依次进入气体净化系统、气体加热系统、膜处理系统、气体减压系统，最后达到产品气使用点；

气体加热系统用于加热所述沼气，所述水源热泵、冷凝器、所述预冷器一同为气体加热系统加热所述沼气提供热物流，所述气体加热系统为第一换热器提供热物流，以提高从第一换热器入口进入的取热冷却水的热量。

优选的，所述膜处理系统包括一级膜以及二级膜，所述沼气依次进入一级膜与二级膜中。

优选的，沼气经过一级膜后，一部分流入二级膜中，另一部分被排至大气；

流进二级膜后的沼气，一部分流入气体减压系统中，另一部分通过管道回流至螺杆压缩设备前，重新进入螺杆压缩设备。

优选的，所述沼气净化脱碳系统还包括第一风机，所述第一风机用于给第一换热器散热。

优选的，所述沼气净化脱碳系统还包括第二风机，所述第二风机用于给第二换热器散热。

优选的，所述一级膜以及二级膜均采用中空纤维膜。

优选的，所述的气体净化系统为多级过滤系统；所述多级过滤系统包括过滤器，所述过滤器能够将固体颗粒物降至≤0.01μm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在冷冻干燥机前设置了预冷器，并且利用水源热泵的设置保证了预冷器、冷冻干燥机的进水温度不会大幅度受取热冷却水的温度影响，保证了预冷器中的预冷效果以及冷冻干燥机的稳定运行。

2、本发明冷冻干燥机的冷凝器散热介质由现有技术中较高温的沼气变成温度较低的冷却水，冷冻干燥机运行COP有大幅度提高。

3、本发明利用水源热泵的降温出口与冷凝器连接，回收了冷凝器的热量，将此部分热量用于气体加热系统，达到了节约能量，降低能耗的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术的流程示意图；

图2为本发明的流程示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，包括如下步骤：

S1、将沼气通入预冷器17进行预冷；

S2、将经预冷后的沼气通入冷冻干燥机13，完成沼气的冷却；

所述预冷器17由水源热泵18提供冷物流，预冷所述沼气；

如图2所示，所述预冷器17设置在所述冷冻干燥机13前端；所述冷冻干燥机13包括制冷剂、蒸发器14、冷凝器15；

所述沼气净化脱碳系统包括过滤缓冲罐5、螺杆压缩设备1、取热管路、螺杆压缩设备冷却管路、第二冷却水；气体净化系统7、气体加热系统8、膜处理系统9、气体减压系统10、第一风机6以及第二风机4；

如图2所示，所述沼气依次经过滤缓冲罐5、螺杆压缩设备1后，进入所述预冷器17进行预冷。

如图2所示，所述预冷器17的热物流出口与所述蒸发器14的热物流进口连接；所述制冷剂在冷凝器15与蒸发器14之间流动，在冷凝器15与蒸发器14之间传递热量；所述冷凝器15由所述水源热泵18提供冷物流，以降低由所述蒸发器14带来的制冷剂的热量；所述沼气在所述蒸发器14中完成冷却。具体的，所述蒸发器14与冷凝器15通过管道连接，所述蒸发器14的冷物流入口与冷凝器15的热物流出口连接，所述蒸发器14冷物流出口与冷凝器15的热物流入口连接；所述蒸发器14的热物流为沼气，所述蒸发器14的冷物流为所述制冷剂；所述冷凝器15的热物流为所述制冷剂，所述冷凝器15的冷物流为所述第二冷却水。

所述取热管路包括取热冷却水、第一换热器16与第二换热器3；所述螺杆压缩设备冷却管路包括油冷却器2、第一冷却水与润滑油；所述第二冷却水从所述第一换热器16的热物流入口流入，从所述第一换热器16的热物流出口流出，流入所述水源热泵18入口；所述取热冷却水从所述第一换热器16的冷物流入口进入，经第一换热器16的冷物流出口流入第二换热器3；具体的，所述第一换热器16的热物流出口与所述水源热泵18入口连接；所述水源热泵18的降温出口同时与所述预冷器17的冷物流入口、冷凝器15的冷物流入口连接；所述预冷器17的冷物流、热物流分别为第二冷却水、沼气；所述第一换热器16的冷物流与热物流分别为取热冷却水、第二冷却水。

所述螺杆压缩设备1将所述沼气压缩过程产生的热量通过润滑油传递给油冷却器2；所述第一冷却水在所述油冷却器2中吸收来自润滑油的热量，再把来自润滑油的热量在第二换热器3中传递给取热冷却水。所述油冷却器2为换热器结构；所述螺杆压缩设备1润滑油出口与所述油冷却器2热物流进口连接；所述油冷却器2热物流出口与所述螺杆压缩设备1的润滑油入口连接；第二换热器3的热物流进口与所述油冷却器2的冷物流出口连接，所述第二换热器3的热物流出口与所述油冷却器2的冷物流入口连接；所述油冷却器2热物流为螺杆压缩设备1的润滑油；所述油冷却器2的冷物流为第一冷却水；第二换热器3的热物流为第一冷却水，第二换热器3的冷物流为取热冷却水。所述第二风机4设置在所述第二换热器3旁，用于给第二换热器3散热。第一换热器16设置在第二换热器3的前端，第一换热器16的冷物流出口与所述第二换热器3冷物流入口连接。所述水源热泵18的升温出口、所述预冷器17的冷物流出口以及冷凝器15的冷物流出口均与气体加热系统8热物流入口连接。所述第一换热器16的热物流入口与所述气体加热系统8的热物流出口连接。所述预冷器17的冷物流、热物流分别为第二冷却水、沼气；所述第一换热器16的冷物流与热物流分别为取热冷却水、第二冷却水。水源热泵的设置保证了预冷器、冷冻干燥机的进水温度不会大幅度受取热冷却水的温度影响，即使取热冷却水温度较高或无取热冷却水时，经过水源热泵蒸发器的水依旧可以保持在一个较低的水平，保证了预冷器中的预冷效果以及冷冻干燥机的稳定运行。

所述沼气在蒸发器14中完成冷却后，依次进入气体净化系统7、气体加热系统8、膜处理系统9、气体减压系统10，最后达到产品气使用点；其中，气体加热系统8的输出端连接所述膜处理系统9的输入端，所述膜处理系统9的输出端与所述气体减压系统10的输入端连接。

所述的气体净化系统7为多级过滤系统；所述多级过滤系统包括过滤器，所述过滤器能够将固体颗粒物降至≤0.01μm。

气体加热系统8用于加热所述沼气，所述水源热泵18、冷凝器15、所述预冷器17一同为气体加热系统8加热所述沼气提供热物流，所述气体加热系统8为第一换热器16提供热物流，以提高从第一换热器16入口进入的取热冷却水的热量。

如图2所示，所述膜处理系统9包括一级膜11以及二级膜12，所述沼气依次进入一级膜11与二级膜12中；优选的，沼气经过一级膜11后，一部分流入二级膜12中，另一部分被排至大气。流进二级膜12后的沼气，一部分流入气体减压系统10中，另一部分通过管道回流至螺杆压缩设备1前，重新进入螺杆压缩设备1。具体的，所述一级膜11、二级膜12均具有进气端，出气端以及排气端；所述一级膜11的出气端与所述二级膜12的进气端连接，所述二级膜12的出气端与所述气体减压系统10连接；所述一级膜11的排气端与大气连接，二级膜12的排气端通过回路与增压入口连接。在一个优选例中，所述一级膜11以及二级膜12均采用中空纤维膜。

所述第一风机6用于给第一换热器16散热。所述第二风机4用于给第二换热器3散热。

所述第一换热器16的作用为：已经回收了冷冻干燥机13、水源热泵18热量的第二冷却水在第一换热器16中对取热冷却水进行加热，达到热能回收的目的。当无取热冷却水或无需回收热量时，第一风机6启动，将回收的热量排到空气中。

所述第二换热器3的作用为：已经回收了螺杆压缩设备1热量的第一冷却水在第二换热器3中对取热冷却水进行加热，达到热能回收的目的。当无取热冷却水或无需回收热量时，第二风机4启动，将回收的热量排到空气中。

所述油冷却器2的作用为：通过第一冷却水在油冷却器中给螺杆压缩设备1的润滑油进行降温。升温后的冷却水在第二换热器3中进行放热。

水源热泵18的作用为：已经在第一换热器16中放完热的第二冷却水分成两路，一路经过水源热泵18自身所具有的蒸发器进行降温，另一路经过水源热泵18自身所具有的蒸发器进行升温。降温后的第二冷却水对沼气进行预冷和对冷冻干燥机13的冷凝热进行热回收。升温后的第二冷却水对沼气进行加热。

预冷器17的作用为：利用流经水源热泵18自身所具有的蒸发器的第二冷却水对沼气进行预冷，降低冷冻干燥机13的冷负荷。

冷冻干燥机13的作用为：冷冻干燥机的蒸发器14对沼气进行降温除湿，冷凝器15对第二冷却水进行加热。

过滤缓冲罐5的作用为：为避免完成脱氨脱硫后的沼气中携带的水、脱硫剂颗粒粉尘的影响，在增压设备之前加置过滤缓冲罐5，用于去除原料沼气中的粉尘颗粒和液态水滴等。保证螺杆压缩设备1进口气体的纯净度。

螺杆压缩设备1作用为：提升原料气即沼气的压力。为了实现膜组的最佳分离效果，原料气即沼气必须被压缩到适合膜组工作的工艺压力。

气体净化系统7的作用为：对原料沼气进行净化。为提高膜处理系统9的使用寿命，需保证原料沼气进入膜处理系统9为洁净气体，因此采用气体净化系统7对原料沼气进行净化。在一个优选例中，气体净化系统7为多级过滤系统。所述多级过滤系统采用高效过滤器，将固体颗粒物降至≤0.01μm，并在过滤系统中设置碳床过滤器以提高油过滤精度，将气体中含油量降至≤0.01ppm。

优选的，选用凯德生产304不锈钢高效过滤器。

气体加热系统8作用：为保证膜组系统的工作温度恒定，进而保证系统甲烷回收效率的稳定性和高效性，需要对净化后的气体进行加热，即采用气体加热系统8实现对净化后的气体进行加热功能。

膜处理系统9作用：为沼气脱去大量二氧化碳。在一个优选例中，所述一级膜11以及二级膜12均采用中空纤维膜，中空纤维膜的工作原理是通过不同气体在高分子材料中空纤维膜内的渗透速率不同，将不同气体分子进行分离。所述一级膜11、二级膜12均具有进气端，出气端以及排气端，所述沼气从所述进口端进入，一部分气体被中空纤维膜阻挡从出气口流出，另一部分气体穿过中空纤维膜，从排气口排出。其中，渗透速率快的气体称为“快气”，渗透速率慢的气体称为“慢气”。“快气”因其渗透得快，大部分从中空纤维膜中透过，从排气端排出，“慢气”因其渗透得慢，所以大部分气体被中空纤维膜阻挡，从出气端至气体减压系统10，从而实现气体的分离。沼气、垃圾填埋气中的水、硫化氢、二氧化碳和氧气均为“快气”，而氮气、甲烷则为“慢气”。所以，膜的选择性、渗透吸附特性，决定了膜法沼气提纯不仅可以脱去大量二氧化碳，同时可以除去部分硫化氢和氧气杂质。沼气通过两级中空纤维膜组后，浓度达到输出要求。富集在一级膜11排气端的气体，在一级膜中被排放入空气中，成为排放气；富集在一级膜11出气端的气体，流入二级膜12中，继续脱碳。沼气经过二级膜12后，二级膜12的排气端气体通过回路返回增压入口，重新脱碳；二级膜12出气端的气体进入气体减压系统10中。

气体减压系统10的作用：用于给脱碳后的沼气减压。由于处理后沼气的压力较高，而正常使用的压力却较小，所以需要用气体减压设备来把较高压力的沼气降为低压气体。在一个优选例中，所述气体减压系统10包括气体减压器。

综上，本发明中沼气的处理流程为：脱氨脱硫后的沼气由过滤缓冲罐5进入，经螺杆压缩设备1压缩后，依次进入所述预冷器17、冷冻干燥机13、气体净化系统7、气体加热系统8及膜处理系统9，大部分沼气经过膜处理系统9后流至气体减压系统10，最后流出沼气脱碳系统，至外界气体使用点；小部分沼气经过膜处理系统9后被排入空气中，或被管道送入螺杆压缩设备1前，被再一次压缩。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将沼气通入预冷器(17)进行预冷；

S2、将经预冷后的沼气通入冷冻干燥机(13)，完成沼气的冷却；

所述预冷器(17)由水源热泵(18)提供冷物流，预冷所述沼气；

所述冷冻干燥机(13)包括制冷剂、蒸发器(14)、冷凝器(15)；所述制冷剂在冷凝器(15)与蒸发器(14)之间流动，在冷凝器(15)与蒸发器(14)之间传递热量；所述冷凝器(15)由所述水源热泵(18)提供冷物流，以降低由所述蒸发器(14)带来的制冷剂的热量；

所述沼气在所述蒸发器(14)中完成冷却。

2.根据权利要求1所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，所述沼气净化脱碳系统包括过滤缓冲罐(5)、螺杆压缩设备(1)；

所述沼气依次经过滤缓冲罐(5)、螺杆压缩设备(1)后，进入所述预冷器(17)进行预冷。

3.根据权利要求1所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，所述沼气净化脱碳系统还包括取热管路、螺杆压缩设备冷却管路以及第二冷却水；

所述取热管路包括取热冷却水、第一换热器(16)与第二换热器(3)；

所述螺杆压缩设备冷却管路包括油冷却器(2)、第一冷却水与润滑油；

所述第二冷却水从所述第一换热器(16)的热物流入口流入，从所述第一换热器(16)的热物流出口流出，流入所述水源热泵(18)入口；所述取热冷却水从所述第一换热器(16)的冷物流入口进入，经第一换热器(16)的冷物流出口流入第二换热器(3)；

所述螺杆压缩设备(1)将所述沼气压缩过程产生的热量通过润滑油传递给油冷却器(2)；所述第一冷却水在所述油冷却器(2)中吸收来自润滑油的热量，再把来自润滑油的热量在第二换热器(3)中传递给取热冷却水。

4.根据权利要求1所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，沼气净化脱碳系统还包括气体净化系统(7)、气体加热系统(8)、膜处理系统(9)、气体减压系统(10)；

所述沼气在蒸发器(14)中完成冷却后，依次进入气体净化系统(7)、气体加热系统(8)、膜处理系统(9)、气体减压系统(10)，最后达到产品气使用点；

气体加热系统(8)用于加热所述沼气，所述水源热泵(18)、冷凝器(15)、所述预冷器(17)一同为气体加热系统(8)加热所述沼气提供热物流，所述气体加热系统(8)为第一换热器(16)提供热物流，以提高从第一换热器(16)入口进入的取热冷却水的热量。

5.根据权利要求4所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，所述膜处理系统(9)包括一级膜(11)以及二级膜(12)，所述沼气依次进入一级膜(11)与二级膜(12)中。

6.根据权利要求5所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，

沼气经过一级膜(11)后，一部分流入二级膜(12)中，另一部分被排至大气；

流进二级膜(12)后的沼气，一部分流入气体减压系统(10)中，另一部分通过管道回流至螺杆压缩设备(1)前，重新进入螺杆压缩设备(1)。

7.根据权利要求3所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，所述沼气净化脱碳系统还包括第一风机(6)，所述第一风机(6)用于给第一换热器(16)散热。

8.根据权利要求3所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，所述沼气净化脱碳系统还包括第二风机(4)，所述第二风机(4)用于给第二换热器(3)散热。

9.根据权利要求5所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，所述一级膜(11)以及二级膜(12)均采用中空纤维膜。

10.根据权利要求4所述的用于沼气净化脱碳系统的冷却方法，其特征在于，所述的气体净化系统(7)为多级过滤系统；所述多级过滤系统包括过滤器，所述过滤器能够将固体颗粒物降至≤0.01μm。

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