CN114958444A - 一种节能型沼气提纯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节能型沼气提纯方法，包括：待提纯沼气原料进入沼气直驱提纯系统进行脱硫、冷凝脱水；脱水后的沼气进入热交换器利用来自吸收式制冷机组的低温烟气进行复热至常温，低温烟气经热交换器换热后排放或按照烟气排放标准进行净化处理后达标排放；复热后沼气过滤去除微米级细小颗粒物后送入直驱式沼气压缩机，一部分沼气供直驱式沼气压缩机，其余沼气经直驱式沼气压缩机增压后，进入膜分离装置分离CH4和CO2，得到高纯CH4浓度生物天然气；直驱式沼气压缩机的高温烟气输送至吸收式冷水机组，吸收式冷水机组的出水供给除湿器，除湿器内升温水回水至吸收式冷水机组循环使用。该方法有效降低沼气提纯运行成本，而且具有显著的节能减排效益。
Description
技术领域
本发明涉及沼气处理领域，尤其涉及一种节能型沼气提纯方法。
背景技术
厌氧发酵是餐厨垃圾、有机废水、污泥、畜禽粪便、农业种植废弃物、食品工业有机垃圾等各种富含有机质物料的主要处理工艺，厌氧发酵过程产生沼气，沼气因其中含有甲烷而成为一种重要的生物质能，具有很高的资源化、能源化利用价值。
沼气热值取决于其中含有的甲烷及其它可燃物浓度，热值一般为18～21MJ/Nm3。为进一步提升沼气的热值水平，需分离出沼气中的CO2等气体成分，以获取高浓度甲烷的燃气，通常称之为生物天然气。常见的沼气提纯工艺包括：物理或化学吸收工艺、吸附工艺、膜分离工艺等，各种工艺中，电能的消耗量均比较大，是构成影响项目经济效益和节能减排效益的主要因素。在各类用电设备中，尤其以沼气压缩机的能耗最大，沼气压缩机装机功率大约占系统总装机容量的40～60％，为沼气脱水提供冷量的电压缩式制冷机组工质压缩机装机功率占系统总装机容量的5～15％。此外，电力作为二次能源，发电过程中会产生碳排放，不利于环境保护。
因此，如何降低沼气提纯处理的用电能耗是急需解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种节能型沼气提纯方法，能降低沼气提纯处理的用电能耗，进而降低沼气提纯运行的电力成本，很好解决现有技术中存在的上述技术问题。
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节能型沼气提纯方法，采用以下结构的沼气直驱提纯系统对沼气进行提纯，所述沼气直驱提纯系统包括：脱硫装置、除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机、膜分离装置和吸收式冷水机组；其中，
所述脱硫装置前端设置沼气入口，后端设置沼气出口，所述沼气出口依次与所述除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机和膜分离装置连接；
所述直驱式沼气压缩机设有高温烟气出口，经管道与所述吸收式冷水机组的高温烟气入口连接；
所述吸收式冷水机组分别设有出水口、回水口和低温烟气出口，所述出水口和回水口分别与所述除湿器连接，所述低温烟气出口与所述热交换器连接；
所述热交换器设有尾气排出口；
所述膜分离装置后端分别设置生物天然气出口和二氧化碳出口；
提纯过程包括以下步骤：
待提纯的沼气原料经过所述脱硫装置脱硫后，进入所述除湿器进行冷凝脱水，沼气在所述除湿器内与来自所述吸收式制冷机组的冷水充分换热并降温，将沼气中所含过饱合水经冷凝后以液态形式排出；
脱水后的沼气进入所述热交换器利用来自所述吸收式制冷机组的低温烟气进行复热至常温，低温烟气经所述热交换器换热后排放或按照烟气排放标准进行净化处理后达标排放；
复热后的沼气进入所述过滤器过滤去除微米级细小颗粒物后送入所述直驱式沼气压缩机，一部分沼气供给所述直驱式沼气压缩机的沼气内燃机，其余部分沼气经所述直驱式沼气压缩机进行增压，增压沼气进入所述膜分离装置进行CH4和CO2分离，得到高纯CH4浓度的生物天然气；
所述直驱式沼气压缩机的沼气内燃机内燃烧产生的高温烟气输送至所述吸收式冷水机组作为驱动热源，所述吸收式冷水机组的出水供给所述除湿器，所述除湿器内升温水回水至所述吸收式冷水机组循环使用。
与现有技术相比，本发明所提供的节能型沼气提纯方法，其有益效果包括：
由于采用沼气直驱提纯系统，利用该提纯系统的直驱式沼气压缩机进行沼气增压，无需外界提供电或其他任何形式的能源即实现了沼气增压，与采用电压缩机的沼气提纯系统相比，沼气增压过程实现零能耗，系统用电设备装机容量降低40～60％，有效降低沼气提纯的运行成本，显著提高沼气提纯项目经济效益；由于该提纯系统设有能相互配合对直驱式沼气压缩机的燃烧烟气进行余热回收的吸收式冷水机组、除湿器和热交换器，实现了利用高温烟气驱动吸收式冷水机组为沼气除湿提供冷量，低温烟气为脱水沼气复热提供热量，相比现有沼气提纯系统，利用电压缩式制冷机组，可进一步降低电能消耗5～15％，从而进一步降低了沼气提纯的运行的电力成本。此外，从能量转化利用效率的角度看，直驱式沼气压缩机的效率远高于一次能源发电后电机驱动的效率；而且，沼气是可再生能源，它来源于生物质发酵，从生物质生长到沼气燃烧利用全生命周期为零碳排放过程，因此沼气直驱替代电机来驱动压缩机具有显著的节能减排效益，是先进的绿色低碳技术。
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节能型沼气提纯方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的沼气提纯方法所用的节能型沼气直驱提纯系统的构成示意图；
图中：1-脱硫装置；2-除湿器；3-热交换器；4-过滤器；5-直驱式沼气压缩机；6-膜分离装置；7-吸收式冷水机组；A-沼气入口；B-生物天然气出口；C-二氧化碳出口；D-高温烟气出口；E-出水口；F-回水口；G-尾气出口。
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，这并不构成对本发明的限制。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。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明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文的限制。
下面对本发明所提供的节能型沼气提纯方法进行详细描述。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。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种节能型沼气提纯方法，采用以下结构的沼气直驱提纯系统(参见图2)对沼气进行提纯，所述沼气直驱提纯系统包括：脱硫装置、除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机、膜分离装置和吸收式冷水机组；其中，
所述脱硫装置前端设置沼气入口，后端设置沼气出口，所述沼气出口依次与所述除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机和膜分离装置连接；
所述直驱式沼气压缩机设有高温烟气出口，经管道与所述吸收式冷水机组的高温烟气入口连接；
所述吸收式冷水机组分别设有出水口、回水口和低温烟气出口，所述出水口和回水口分别与所述除湿器连接，所述低温烟气出口与所述热交换器连接；
所述热交换器设有尾气排出口；
所述膜分离装置后端分别设置生物天然气出口和二氧化碳出口；
对沼气提纯过程包括以下步骤：
待提纯的沼气原料经过所述脱硫装置脱硫后，进入所述除湿器进行冷凝脱水，沼气在所述除湿器内与来自所述吸收式制冷机组的冷水充分换热并降温，将沼气中所含过饱合水经冷凝后以液态形式排出；
脱水后的沼气进入所述热交换器利用来自所述吸收式制冷机组的低温烟气进行复热至常温，低温烟气经所述热交换器换热后排放或按照烟气排放标准进行净化处理后达标排放；
复热后的沼气进入所述过滤器过滤去除微米级细小颗粒物后送入所述直驱式沼气压缩机，一部分沼气供给所述直驱式沼气压缩机的沼气内燃机，其余部分沼气经所述直驱式沼气压缩机进行增压，增压沼气进入所述膜分离装置进行CH4和CO2分离，得到高纯CH4浓度的生物天然气；
所述直驱式沼气压缩机的沼气内燃机内燃烧产生的高温烟气输送至所述吸收式冷水机组作为驱动热源，所述吸收式冷水机组的出水供给所述除湿器，所述除湿器内升温水回水至所述吸收式冷水机组循环使用。
上述提纯方法中，所述吸收式制冷机组提供给所述除湿器的冷水温度为5～10℃。
上述提纯方法中，所述直驱式沼气压缩机的驱动机构采用沼气内燃机，该沼气内燃机的动力输出轴通过传动装置连接压缩机，驱动压缩机工作，该沼气内燃机设置所述高温烟气出口。
上述提纯方法中，所述吸收式冷水机组采用烟气型吸收式制冷机组。
综上可见，本发明实施例的由于采用沼气直驱提纯系统，该系统以沼气直驱压缩机替代常规沼气提纯系统的电压缩机，沼气增压无需外界提供电或其他任何形式的能源，沼气增压过程实现零能耗，系统用电设备装机容量降低40～60％，有效降低沼气提纯运行成本，显著提高沼气提纯项目经济效益；对来自直驱式沼气压缩机的燃烧烟气进行余热回收，利用高温烟气驱动吸收式冷水机组为沼气除湿提供冷量，低温烟气为脱水沼气复热提供热量，相对于常规的电压缩式制冷机组，可降低电能消耗5～15％，进一步降低沼气提纯运行的电力成本。这种沼气直驱提纯系统的使用，不仅可以提高沼气提纯项目经济效益(如沼气直接利用、余热回收利用等)，而且可作为节能减排的绿色低碳工艺助力碳达峰碳中和目标的实现，避免电力消耗过大，火力发电造成的污染问题。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的节能型沼气提纯方法进行详细描述。
实施例
如图1所示，本发明实施例提供一种节能型沼气提纯方法，采用以下结构的沼气直驱提纯系统(参见图2)，包括：
脱硫装置、除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机、膜分离装置和吸收式冷水机组；其中，
所述脱硫装置前端设置沼气入口，后端设置沼气出口，所述沼气出口依次与所述除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机和膜分离装置连接；
所述直驱式沼气压缩机设有高温烟气出口，经管道与所述吸收式冷水机组的高温烟气入口连接；
所述吸收式冷水机组分别设有出水口、回水口和低温烟气出口，所述出水口和回水口分别与所述除湿器连接，所述低温烟气出口与所述热交换器连接；
所述热交换器设有尾气排出口；
所述膜分离装置后端分别设置生物天然气出口和二氧化碳出口；
提纯沼气的过程包括：
来自厌氧处理过程产生的沼气的主要成分CH4含量40～60％、CO2含量30～40％，另外含有大量水分，通常处于超饱合状态；
沼气原料经过脱硫处理后总硫含量不超过20ppm，首先进入除湿器进行沼气的冷凝脱水，除湿器所需冷量由烟气型溴化锂制冷机组提供，沼气在除湿器内与来自制冷机组的5℃冷水充分换热并降温至15℃，沼气中所含过饱合水经冷凝后以液态形式排出系统。脱水沼气然后进入热交换器进行复热至25-35℃，复热所需热量来自吸收式制冷机组排出的170℃低温烟气，该低温烟气经热交换器换热后排放或按照烟气排放标准进行净化处理后达标排放；复热沼气经微米过滤器进一步去除固体颗粒物，过滤器过滤精度1微米，然后进入直驱式沼气压缩机，直驱式沼气压缩机以沼气内燃机为其动力输出机构，以过滤后的沼气作为内燃机燃料，沼气在内燃机内燃烧产生的480℃高温烟气作为前述溴化锂制冷机组的驱动热源被送入溴化锂制冷机组，溴化锂制冷机组的出水供给前述除湿器，出水温度5℃，经除湿器升温后返回吸收式冷水机组并循环使用；沼气内燃机做功驱动压缩机对沼气增压至2.0MPa，增压沼气经过膜分离装置实现CH4和CO2分离，获得CH4浓度不低于97％的生物天然气。
上述提纯系统中的直驱式沼气压缩机的驱动机构采用沼气内燃机，该沼气内燃机设置所述高温烟气出口。
上述提纯系统的吸收式冷水机组采用烟气型吸收式制冷机组。
综上可见，本发明实施例的提纯方法，解决了现有提纯系统沼气压缩机的用电能耗问题，能够获得最为显著的节能效益，有效降低沼气提纯运行成本，对于生物质能尤其是沼气资源化利用领域的技术升级及该产业快速发展具有重要的推动意义。
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。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种节能型沼气提纯方法，其特征在于，采用以下结构的沼气直驱提纯系统对沼气进行提纯，所述沼气直驱提纯系统包括：脱硫装置、除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机、膜分离装置和吸收式冷水机组；其中，
所述脱硫装置前端设置沼气入口，后端设置沼气出口，所述沼气出口依次与所述除湿器、热交换器、过滤器、直驱式沼气压缩机和膜分离装置连接；
所述直驱式沼气压缩机设有高温烟气出口，经管道与所述吸收式冷水机组的高温烟气入口连接；
所述吸收式冷水机组分别设有出水口、回水口和低温烟气出口，所述出水口和回水口分别与所述除湿器连接，所述低温烟气出口与所述热交换器连接；
所述热交换器设有尾气排出口；
所述膜分离装置后端分别设置生物天然气出口和二氧化碳出口；
对沼气提纯过程包括以下步骤：
待提纯的沼气原料经过所述脱硫装置脱硫后，进入所述除湿器进行冷凝脱水，沼气在所述除湿器内与来自所述吸收式制冷机组的冷水充分换热并降温，将沼气中所含过饱合水经冷凝后以液态形式排出；
脱水后的沼气进入所述热交换器利用来自所述吸收式制冷机组的低温烟气进行复热至常温，低温烟气经所述热交换器换热后排放或按照烟气排放标准进行净化处理后达标排放；
复热后的沼气进入所述过滤器过滤去除微米级细小颗粒物后送入所述直驱式沼气压缩机，一部分沼气供给所述直驱式沼气压缩机的沼气内燃机，其余部分沼气经所述直驱式沼气压缩机进行增压，增压沼气进入所述膜分离装置进行CH4和CO2分离，得到高纯CH4浓度的生物天然气；
所述直驱式沼气压缩机的沼气内燃机内燃烧产生的高温烟气输送至所述吸收式冷水机组作为驱动热源，所述吸收式冷水机组的出水供给所述除湿器，所述除湿器内升温水回水至所述吸收式冷水机组循环使用。
2.根据权利要求1所述的节能型沼气提纯方法，其特征在于，所述吸收式制冷机组提供给所述除湿器的冷水温度为5～10℃。
3.根据权利要求1或2所述的节能型沼气提纯方法，其特征在于，所述直驱式沼气压缩机的驱动机构采用沼气内燃机，该沼气内燃机的动力输出轴通过传动装置连接压缩机，该沼气内燃机设置所述高温烟气出口。
4.根据权利要求1或2所述的节能型沼气提纯方法，其特征在于，所述吸收式冷水机组采用烟气型吸收式制冷机组。
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