CN211871894U - 一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及厌氧发酵产生的沼气或者垃圾填埋场产生的填埋气、主要杂质为CO₂的煤层气等的脱碳净化生产系统，具体为一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统。该系统的沼气池出口与脱硫装置入口连接，脱硫装置出口与气体增压装置入口连接，气体增压装置出口与气体冷却装置入口连接，气体冷却装置出口与气体过滤装置入口连接，气体过滤装置出口与膜处理装置入口连接，一阶膜处理器的渗透气出口分别连接真空泵入口与真空泵副线手阀入口，真空泵与真空泵副线手阀并联设置；用以原料沼气中CO₂含量随着沼气组成以及流量的波动，系统更好的满足生产的需求，同时增加真空泵与真空泵副线手阀，增加系统的灵活性。

Description

一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统

技术领域

本实用新型涉及厌氧发酵产生的沼气或者垃圾填埋场产生的填埋气、主要杂质为CO₂的煤层气等的脱碳净化生产系统，具体为一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统。

背景技术

为了应对能源短缺和环境恶化，近年来世界各国都大力推动可再生能源和清洁能源的开发与利用。沼气是有机生物质经过厌氧发酵生成的，是一种宝贵的可再生清洁能源，沼气经过净化提纯后可以与石化天然气相媲美，被称为生物天然气。生物天然气可以压缩成车用燃料(CNG)，相对汽油和柴油等化石能源使用生物天然气不仅可以降低汽车尾气排放造成的空气污染，而且温室气体的净排放量减少75％～200％。生物天然气可以混入现有的天然气管网，降低对石化能源的依赖。石化天然气的价格近年来不断攀升，所以沼气提纯后能源利用效率和经济价值都大幅度提高。世界在生物天然气的生产和利用领域近年来已经取得显著进展，中国也开始研究生物天然气的大规模生产及高效利用。

沼气的成分随原料和发酵方式而有所差异，主要成分是甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)，以及少量的水蒸气、硫化氢、小分子烷烃。CO₂在沼气中含量高，不仅降低了沼气的热值，而且对天然气管道具有腐蚀作用，因此，实现沼气中CO₂与CH₄的分离是将沼气转化成生物天然气的关键。沼气提纯领域常用的CO₂与CH₄的分离技术包括变压吸附法(PSA)、水洗法、化学吸收法、气体分离法以及膜分离法。变压吸附法、水洗法和化学吸收法由于设备和技术工艺比较成熟，在沼气提纯领域的市场份额超过90％。气体分离膜技术最近几年中发展迅速，目前，在沼气提纯领域的市场份额已经升至5％。与其它几种分离方法相比，气体分离膜技术的优势包括设备紧凑占地面积小，处理规模可大可小，操作简单灵活，可连续也可以间断运行，维修保养容易，不使用化学试剂和水，不会造成环境污染等。因此气体分离膜法被认为是未来大中型沼气工程中制备生物天然气的一种非常有潜力的技术。

气体分离膜法工艺中，沼气在进入膜分离器前通常进行预处理，以除去沼气中的硫化氢(H₂S)，水(H₂O)，小分子有机物以及颗粒物等，预处理过程的目的有两个方面：(1)避免酸性气体硫化氢(H₂S)与水反应形成腐蚀性气体，对系统中的压缩机和管道产生损坏；(2)避免小分子有机物和颗粒物对聚合物膜造成污染。常用的脱硫技术有化学吸附法和催化氧化法，由于沼气中硫化氢(H₂S)的含量通常很少，因此吸附剂多选择活性炭和分子筛。另外氧化铁脱硫法在沼气精制领域应用也比较广泛。脱湿的方法有冷凝法和干燥剂吸附法。小分子有机物对于聚合物膜具有破坏作用，需要通过脱油器等去除。沼气中可能含有少量无机固体颗粒物，可以通过过滤器来去除。

在沼气提纯装置中通常会按照膜组件的排布连接方式将膜分离过程分为一阶、二阶和三阶过程。在一阶过程中，沼气直接通过气体分离膜组件，二氧化碳(CO₂)通过聚合物膜到达渗透侧，而保留气体中主要是甲烷(CH₄)。此模式设计简单，没有循环过程，所以能源消耗少。通过调节膜有效面积，操作压力及保留比等参数，各种不同浓度的CH₄均以得。当使用一阶过程时，如果要保持获得CH₄体积分数超过95％，膜两侧的压力差要超过1.5MPa。不过，这时CH₄的回收率低于80％。这是因为一部分甲烷会通过膜渗透到另一侧，使甲烷的回收率降低，为了降低一阶膜过程中甲烷的损失，多数装置中采用二阶过程。二阶过程中有部分气体需要循环回到压缩机，增加能源的消耗。不过二阶过程中甲烷的回收率和纯度都很高，可以完全弥补能源消耗方面的损失，是目前工业化装置中使用最多的设计。在第一阶膜分离器的非渗透气中会含有一定量的CO₂，需要通过第二阶分离器将其去除掉，因此第二阶分离器的非渗透气中甲烷纯度可以达到要求，系统流程详见图1。

中国专利[CN201822012404]公开了沼气膜提纯集成装置，该装置的膜处理单元采用三级膜组件，三级膜组件的渗透物口连接有热再生氧化单元，热再生氧化单元用于甲烷燃烧产热、热量传热存储和气体净化排放,该装置主要用于解决占地面积以及提纯系统热能损耗问题，但相对来说结构复杂工业推广应用受限。

沼气的组成随着原料、发酵技术、季节、地点等因素有一定的波动，而分离膜材料的渗透性和选择性不仅影响整套装置的分离回收效率，而且会影响分离工艺工程设计，如使用膜面积、循环气体量、所需的操作压力等因素。沼气中CO₂含量随着沼气组成的波动，需要对操作参数进行适当调节，膜分离装置的优点是过程控制灵活，操作简单。不过对于具体操作参数的选择，需要根据实际情况进行模拟计算来优化，同时对于膜分离装置分离出的CO₂向大气中排放时，如果CO₂含量高，只用单一的方式排放，会影响排放效率，影响整体系统的工作效率。

实用新型内容

为解决上述对于膜分离装置分离出的CO₂向大气中排放时，只用单一的方式排放，会影响排放效率，影响整体系统的工作效率问题，以及设备投入复杂的问题，本实用新型的主要目的是提供一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，原料沼气中CO₂含量随着沼气组成以及流量的波动，增加真空泵与真空泵副线手阀，增加系统的灵活性，使系统更好的满足生产的需求。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，沼气池出口与脱硫装置入口连接，脱硫装置出口与气体增压装置入口连接，气体增压装置出口与气体冷却装置入口连接，气体冷却装置出口与气体过滤装置入口连接，气体过滤装置出口与膜处理装置入口连接，其特征在于：所述膜处理装置包括一阶膜处理器与二阶膜处理器，每阶膜处理器有三个接口，分别为进口、渗透气出口和非渗透气出口，所述一阶膜处理器的进口与气体过滤装置出口连接，一阶膜处理器的渗透气出口分别连接真空泵入口与真空泵副线手阀入口，所述真空泵与真空泵副线手阀并联设置，所述真空泵出口与真空泵副线手阀出口汇合连接渗透气排出口，一阶膜处理器的非渗透气出口与二阶膜处理器的进口连接，二阶膜处理器的渗透气出口与气体增压装置入口连接，二阶膜处理器的非渗透气出口与用户连接。

优选的，所述脱硫装置为脱硫塔。

优选的，所述脱硫塔采用干式脱硫、湿式脱硫或生物脱硫。

优选的，所述气体增压装置为变频压缩机。

优选的，所述变频压缩机根据脱硫后气体的组成，出口压力为1.3MPa～4.0MPa。

优选的，所述气体冷却装置为冷干机。

优选的，所述冷干机将气体的露点降低至0℃以下，冷干机气体出口温度为20℃。

优选的，所述气体过滤装置为过滤器。

优选的，所述过滤器由粗过滤器及精密过滤器串联，用以去除沼气内部的细小型杂质。

本实用新型的技术效果和优点：

(1)本系统新增真空泵，对一阶膜处理器的渗透气进行抽真空操作，根据沼气中CO₂的含量，新增真空泵的功率占膜分离装置的能源消耗较小，约占整体消耗的2％左右，回收CH₄的效益远高于电耗；

(2)本系统新增真空泵副线手阀，根据原料气的流量和CO₂的纯度，通过模型模拟计算，可以不启动真空泵，打开真空泵副线手阀，增加系统的灵活性；

(3)提取的天然气纯度高，提高了天然气的燃烧率；

(4)设备操作简单，维护成本低，脱碳过程环保。

附图说明

图1为沼气二阶分离流程图；

图2为本实用新型的装置结构示意图；

其中：1-沼气池，2-脱硫塔，3-变频压缩机，4-冷干机，5-过滤器，6-一阶膜处理器，7-二阶膜处理器，8-真空泵，9-真空泵副线手阀。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例：

如图2所示，一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，沼气池1出口与脱硫装置入口连接，沼气池1的沼气中CO₂的体积分数在40％～80％之间，入口压力为1-3KPa；脱硫装置为脱硫塔2，脱硫塔2采用干式脱硫、湿式脱硫或生物脱硫；脱硫装置出口与气体增压装置入口连接，气体增压装置为变频压缩机3，变频压缩机3根据脱硫后气体的组成，出口压力为1.3MPa～4.0MPa；气体增压装置出口与气体冷却装置入口连接，气体冷却装置为冷干机4，冷干机4将气体的露点降低至0℃以下，冷干机4气体出口温度为20℃；气体冷却装置出口与气体过滤装置入口连接，气体过滤装置为过滤器5，过滤器5由粗过滤器及精密过滤器串联，用以去除沼气内部的细小型杂质；气体过滤装置出口与膜处理装置入口连接，膜处理装置包括一阶膜处理器6与二阶膜处理器7，每阶膜处理器有三个接口，分别为进口、渗透气出口和非渗透气出口，一阶膜处理器6的进口与气体过滤装置出口连接，一阶膜处理器6的渗透气出口分别连接真空泵8入口与真空泵副线手阀9入口，真空泵8与真空泵副线手阀9并联设置，真空泵8出口与真空泵副线手阀9出口汇合连接渗透气排出口，一阶膜处理器6的非渗透气出口与二阶膜处理器7的进口连接，二阶膜处理器7的渗透气出口与气体增压装置3入口连接，二阶膜处理器7的非渗透气出口与用户连接。

原料沼气的组成见表1。

表1：原料沼气技术条件表

如表1所示，来自沼气池1的粗沼气中CO₂的体积分数在23.09％，入口压力为1-1.5KPa，温度为10～50℃,含硫量为1％。

该系统在使用过程中，粗沼气首先进入到脱硫塔2进行脱硫，本项目脱硫塔采用干式脱硫，脱硫后的粗沼气含硫量为≤20ppm，降低H₂S对后续设备及管线的腐蚀，脱硫后的粗沼气进入到变频压缩机3进行升压，根据原料气的组成进行模拟计算，调整沼气的压力至模拟计算后具体的操作压力，粗沼气经变频压缩机3出口压力设置为1.3MPa，然后进入到冷干机4中，冷干机4使粗沼气露点降低至0℃，进行沼气脱水，脱水后的沼气含水量在0.5mg/Nm³以下；冷干机4经过自身的能量综合利用，出口沼气的温度为20℃；脱水后的沼气经过过滤器5除去固体颗粒，过滤器5分为两级，一级过滤器过滤精度为1um，二级过滤器过滤精度为0.01um；经过脱硫、脱水及除尘后的沼气进入到一阶膜处理器6；以上为粗沼气的预处理过程。

一阶膜处理器6渗透气主要组成为CO₂，渗透气进入到真空泵8中，真空泵8进行抽真空，真空泵8的入口压力为-0.03MPa，真空泵8出口为微正压，真空泵8出口气体排放到大气。真空泵8设置真空泵副线手阀9，根据粗沼气随季节的变化会发生浓度及处理量的变化从而确定真空泵副线手阀9的开度，若粗沼气处理量降低，可关闭真空泵8，打开真空泵副线手阀9，按常规生产系统进行生产，增加系统的灵活性。一阶膜处理器采用正压加负压的生产方式，增大一阶膜处理器6膜前膜后的压差和压比，一阶膜非渗透气到二阶膜不需要额外的压缩机，提高了CH₄的纯度和回收率，通过该生产方式，整体装置CO₂去除率达到98％以上，一阶膜处理器6非渗透气无压力损失，直接进入到二阶膜处理器7进行脱碳，二阶膜处理器7的非渗透气作为产品供给用户系统，二阶膜处理器7渗透气压力为微正压，作为循环气送至变频压缩机3入口处，与脱硫后的原料气混合后再次进行升压。

经本系统脱碳提纯后的所得产品气的技术指标为：

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，沼气池出口与脱硫装置入口连接，脱硫装置出口与气体增压装置入口连接，气体增压装置出口与气体冷却装置入口连接，气体冷却装置出口与气体过滤装置入口连接，气体过滤装置出口与膜处理装置入口连接，其特征在于：所述膜处理装置包括一阶膜处理器与二阶膜处理器，每阶膜处理器有三个接口，分别为进口、渗透气出口和非渗透气出口，所述一阶膜处理器的进口与气体过滤装置出口连接，一阶膜处理器的渗透气出口分别连接真空泵入口与真空泵副线手阀入口，所述真空泵与真空泵副线手阀并联设置，所述真空泵出口与真空泵副线手阀出口汇合连接渗透气排出口，一阶膜处理器的非渗透气出口与二阶膜处理器的进口连接，二阶膜处理器的渗透气出口与气体增压装置入口连接，二阶膜处理器的非渗透气出口与用户连接。

2.根据权利要求1所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述脱硫装置为脱硫塔。

3.根据权利要求2所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述脱硫塔采用干式脱硫、湿式脱硫或生物脱硫。

4.根据权利要求1所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述气体增压装置为变频压缩机。

5.根据权利要求4所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述变频压缩机根据脱硫后气体的组成，出口压力为1.3MPa~4.0MPa。

6.根据权利要求1所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述气体冷却装置为冷干机。

7.根据权利要求6所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述冷干机将气体的露点降低至0℃以下，冷干机气体出口温度为20℃。

8.根据权利要求1所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述气体过滤装置为过滤器。

9.根据权利要求8所述的一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统，其特征在于：所述过滤器由粗过滤器及精密过滤器串联，用以去除沼气内部的细小型杂质。

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