CN212451329U - 一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置 - Google Patents

一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，包括生物天然气的生产装置、脱硫处理装置、甲烷气体净化回收装置和二氧化碳净化回收装置，生物天然气的生产装置与所述脱硫处理装置通过管道连接在一起，脱硫处理装置的出气口通过二氧化碳吸附再生罐分别与甲烷气体净化回收装置、二氧化碳净化回收装置连通。本实用新型构思巧妙，布局紧凑合理，以可再生生物质、禽畜粪便、有机废料为原料，制取富含甲烷成分的可燃气体沼气，并将沼气进行净化处理，进行脱硫、脱碳等，生产出高热值、高价值的燃气即生物天然气，同时对副产品二氧化碳进行回收利用，从而达到既增加燃气用途，又减少环境污染的目的。

Description

一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置
技术领域
本实用新型涉及天然气生产技术领域，尤其涉及一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置。
背景技术
生物质能作为一种二次能源，具有可再生性、低污染性和分布广泛等特点，生物质能主要是以农作物秸秆、畜禽粪便、有机垃圾等废弃物为原料，通过生物质转化技术进行资源深度开发和循环利用。生物质能源所需的原料——有机废弃物多种多样，主要有农作物秸秆、禽畜粪便、有机垃圾等。我国农业资源相对丰富，每年秸秆产量约为6～8亿吨，其中玉米秸秆、麦秸秸秆、稻草等约占秸秆总量的77％；禽畜粪便也是一种重要的生物质能源，很多禽畜类产品，如鸡、猪和牛的产量都居世界首位，如果能将其进行生物质能的转化，则可以减少污染，还可以生产出许多有机肥料；随着经济的发展，城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加，垃圾中的生活垃圾特别是餐厨垃圾等有机物含量接近1/3甚至更高；如果能将其进行生物质能的转化，则可以减少垃极填埋对环境及地下水造成的污染。
生物质能的回收途径虽然很多，但从能量转移、物质循环和生态平衡三个方面进行综合分析，沼气发酵是生物质能利用最合理、最经济、最高效的方式。沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃气体，沼气除可以直接燃烧用于炊事、供暖、发电等外，还可以经过脱硫、脱碳等提纯净化，生产生物天然气，生物天然气的物理、化学性质与天然气一致；沼气是各种生物质在厌氧(隔绝空气)的条件下，经过沼气发酵微生物的作用产生的一种可燃烧气体，属于可再生生物质能源，传统的沼气发酵基本上采用湿法发酵工艺技术，但湿法发酵技术耗水量大，沼液的升温、保温需要消耗自身能量的30％左右，在北方寒冷地区，冬季消耗会更大，并且沼渣中含水量也很大，处理成本高。此外，由于湿法发酵工艺耗水大、能耗高、操作麻烦、产气率低等一系列缺点，因而大大限制了湿法发酵技术在北方寒冷地区的推广。
同时，沼气其品质水平仅能用于农用炊事燃料等用途，产品附加值与成本相比太低，难以商业化普及，是发展的瓶颈难题。现有的用生物质生产沼气的设备都是独立的，功能单一，生产效率低，能耗高，没有形成工业化、集约化生产系统，不能对生产出的沼气做后续处理，沼气中的大量二氧化碳等不可燃成分会使得运输成本增大，沼气中的硫化氢气体还会腐蚀管道系统，这些因素制约了沼气的大规模生产和应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，以可再生生物质、禽畜粪便、有机废料为原料，制取富含甲烷成分的可燃气体——沼气，并将沼气进行净化处理，进行脱硫、脱碳、脱水等，生产出高热值、高价值的燃气——生物天然气，同时对副产品二氧化碳进行回收利用，从而达到既增加燃气用途，又减少环境污染，从而进一步实现工业化大规模生产。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，包括生物天然气的生产装置、脱硫处理装置、甲烷气体净化回收装置和二氧化碳净化回收装置，所述生物天然气的生产装置与所述脱硫处理装置通过管道连接在一起，所述脱硫处理装置的出气口通过二氧化碳吸附再生罐分别与所述甲烷气体净化回收装置、二氧化碳净化回收装置连通。
进一步的，所述生物天然气的生产装置包括粉碎机、发酵池、集液池、循环池和双膜气柜，所述粉碎机、发酵池、集液池、循环池和双膜气柜顺次排布连接，所述循环池的顶部设置有储气囊；生物质经过所述粉碎机粉碎后输送至所述发酵池内发酵，所述发酵池的顶部通过管道与所述储气囊连通，发酵池的底部通过管道与所述集液池连通，所述集液池的出口与所述循环池的上部连通，所述循环池的底部与所述发酵池连通；所述储气囊的出口通过管道与沼气存储用的所述双膜气柜连通。
再进一步的，所述循环池与所述发酵池连接的管道上设置有沼液加热换热器。
再进一步的，所述脱硫处理装置具体采用脱硫罐,两个所述脱硫罐并排布置，所述脱硫罐的进气口通过管道与所述双膜气柜的出气口连通，所述双膜气柜、所述脱硫罐的连接过管道上设置有沼气加压机，所述脱硫罐的出气口通过管道连接到所述二氧化碳吸附再生罐上。
再进一步的，所述甲烷气体净化回收装置包括甲烷存储罐，所述双膜气柜内的沼气经过所述脱硫罐脱硫处理、所述二氧化碳吸附再生罐吸附净化后传送至所述甲烷存储罐内存储；所述二氧化碳净化回收装置包括二氧化碳净化器、二氧化碳压缩机和冷凝器，所述二氧化碳净化器的进口端通过管道与所述二氧化碳吸附再生罐的二氧化碳出气口连通，二氧化碳净化器的出口端通过所述二氧化碳压缩机与所述冷凝器的进口连通，所述冷凝器的出口连通至液体二氧化碳储罐上；所述二氧化碳吸附再生罐减压再生得到副产品二氧化碳气体，所述二氧化碳气体依次经过所述二氧化碳净化器、二氧化碳压缩机和冷凝器存储到所述液体二氧化碳储罐内。
再进一步的，所述冷凝器和液体二氧化碳储罐的连通管道上设置有固体二氧化碳生成回收装置，所述固体二氧化碳生成回收装置包括膨胀箱和压冰机，液体的二氧化碳依次通过所述膨胀箱、压冰机后制成固体的二氧化碳并存储到固体二氧化碳储罐中。
再进一步的，所述二氧化碳压缩机上连接有两个列管换热器，所述列管换热器的内腔与冷却水连通，所述列管换热器的外腔与所述二氧化碳压缩机连通。
再进一步的，所述二氧化碳吸附再生罐并联设置有两个，两个所述二氧化碳吸附再生罐的所有输入、输出管道上均设置有阀门。
与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果：
本实用新型生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，括生物天然气的生产装置、脱硫处理装置、甲烷气体净化回收装置和二氧化碳净化回收装置，其中生物天然气的生产装置包括顺次排布连接的粉碎机、发酵池、集液池、循环池和双膜气柜，循环池的顶部设置有储气囊；甲烷气体净化回收装置包括甲烷存储罐，双膜气柜内的沼气经过脱硫罐脱硫处理、二氧化碳吸附再生罐吸附净化后传送至甲烷存储罐内存储，该甲烷的纯净度更高，环境污染更小，燃烧效率高。此外，二氧化碳净化回收装置包括二氧化碳净化器、二氧化碳压缩机和冷凝器，二氧化碳吸附再生罐减压再生得到副产品二氧化碳气体，二氧化碳气体依次经过二氧化碳净化器、二氧化碳压缩机和冷凝器进行净化、压缩、冷凝后存储到液体二氧化碳储罐内，还可以进一步固化为固体的二氧化碳，安全无毒，使用方便，广泛应用于食品冷冻和制冷、饮料碳化、化学品的生产、废水处理、冶金、焊接等各个领域。
本实用新型构思巧妙，布局紧凑合理，以可再生生物质、禽畜粪便、有机废料为原料，制取富含甲烷成分的可燃气体沼气，并将沼气进行净化处理，进行脱硫、脱碳、脱水等，生产出高热值、高价值的燃气即生物天然气，同时对副产品二氧化碳进行回收利用，从而达到既增加燃气用途，又减少环境污染的目的。
附图说明
下面结合附图说明对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型生物天然气的生产和二氧化碳回收装置示意图；
附图标记说明：1、粉碎机；2、发酵池；3、集液池；4、储气囊；5、循环池；6、双膜气柜；7、沼气加压机；8、二氧化碳净化器；9、列管换热器；10、二氧化碳压缩机；11、冷凝器；12、液体二氧化碳储罐；13、膨胀箱；14、压冰机；15、二氧化碳吸附再生罐；16、脱硫罐；17、沼液加热换热器。
具体实施方式
如图1所示，一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，包括生物天然气的生产装置、脱硫处理装置、甲烷气体净化回收装置和二氧化碳净化回收装置，所述生物天然气的生产装置与所述脱硫处理装置通过管道连接在一起，所述脱硫处理装置的出气口通过二氧化碳吸附再生罐分别与所述甲烷气体净化回收装置、二氧化碳净化回收装置连通。
具体的，所述生物天然气的生产装置包括粉碎机1、发酵池2、集液池3、循环池5和双膜气柜6，所述粉碎机1、发酵池2、集液池3、循环池5和双膜气柜6顺次排布连接，所述循环池5的顶部设置有储气囊4；
生物质经过所述粉碎机1粉碎后输送至所述发酵池2内发酵，所述发酵池2 的顶部通过管道与所述储气囊4连通，发酵池2的底部通过管道与所述集液池3 连通，所述集液池3的出口与所述循环池5的上部连通，所述循环池5的底部与所述发酵池2连通；所述储气囊4的出口通过管道与沼气存储用的所述双膜气柜6连通。
所述循环池5与所述发酵池2连接的管道上设置有沼液加热换热器17。
所述脱硫处理装置具体采用脱硫罐16,两个所述脱硫罐16并排布置，所述脱硫罐16的进气口通过管道与所述双膜气柜6的出气口连通，所述双膜气柜6、所述脱硫罐16的连接过管道上设置有沼气加压机7，所述脱硫罐16的出气口通过管道连接到所述二氧化碳吸附再生罐15上。
所述甲烷气体净化回收装置包括甲烷存储罐，所述双膜气柜6内的沼气经过所述脱硫罐16脱硫处理、所述二氧化碳吸附再生罐15吸附净化后传送至所述甲烷存储罐内存储，该脱硫处理后的沼气，更加纯净，燃烧效率更高，环境污染跟小。所述二氧化碳净化回收装置包括二氧化碳净化器8、二氧化碳压缩机 10和冷凝器11，所述二氧化碳净化器8的进口端通过管道与所述二氧化碳吸附再生罐15的二氧化碳出气口连通，二氧化碳净化器8的出口端通过所述二氧化碳压缩机10与所述冷凝器11的进口连通，所述冷凝器11的出口连通至液体二氧化碳储罐12上；所述二氧化碳吸附再生罐15减压再生得到副产品二氧化碳气体，所述二氧化碳气体依次经过所述二氧化碳净化器8、二氧化碳压缩机10 和冷凝器11存储到所述液体二氧化碳储罐12内。所述二氧化碳吸附再生罐15 并联设置有两个，两个所述二氧化碳吸附再生罐15的所有输入、输出管道上均设置有阀门，不同工作状态下，阀门开启和关闭状态不同，具体可采用电磁阀门以实现自动化控制。
进一步的，所述冷凝器11和液体二氧化碳储罐12的连通管道上设置有固体二氧化碳生成回收装置，所述固体二氧化碳生成回收装置包括膨胀箱13和压冰机14，液体的二氧化碳依次通过所述膨胀箱13、压冰机14后制成固体的二氧化碳并存储到固体二氧化碳储罐中。固体二氧化碳安全无毒，使用方便，广泛应用于食品冷冻和制冷、饮料碳化、化学品的生产、废水处理、冶金、焊接等各个领域。
所述二氧化碳压缩机10上连接有两个列管换热器9，所述列管换热器9的内腔与冷却水连通，该处的冷却水为自来水管的水，所述列管换热器9的外腔与所述二氧化碳压缩机10连通，列管换热器9的设计实现二氧化碳气体的初次冷却。
一种生物天然气的生产和二氧化碳回收工艺，该工艺采用如上所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置实现生物天然气的生产和二氧化碳回收，具体的工艺步骤如下：
第一步：农作物秸秆原料通过粉碎机1粉碎成2～8mm的碎料。
第二步：将包含有农作物秸秆碎料、禽畜粪便、生活垃圾的有机生物质物料直接输送至发酵池2内。
第三步：循环池5内的沼液通过循环泵输送到沼气加热换热器17加热后，进入到发酵池2的顶部，经过布液管均匀地喷洒在生物质物料上，进行中温发酵，发酵温度为30～40℃；沼气加热换热器17的设置，实现了沼液的循环作业，提高工作效率。
第四步：发酵池2底部的沼液向下流入集液池3内，经沼液泵输送到循环池5中，加热后循环使用。
第五步：发酵池2内发酵产生的沼气从顶部输出进入到储气囊4中，再通过管道输送至双膜气柜6中储存。
第六步：双膜气柜6中储存的沼气经气液分离脱去游离水之后，经沼气加压机7加压到0.1～1.4MPa进入脱硫罐16中，经脱硫后的燃气直接作为燃料在本地使用或供沼气发电设施进行生物质发电；具体的，所述脱硫罐16采用吸附硫化氢进行脱硫，脱硫净化剂选用氧化铁或活性炭。
第七步：脱硫后的气体进入二氧化碳吸附再生罐15，吸附二氧化碳以及水蒸汽后生产出达到国标天然气热值要求的最终产品生物天然气，生物天然气供用户使用；此时，打开与甲烷存储罐连通管道上的阀门，关闭与所述二氧化碳净化回收装置连通管道上的阀门；二氧化碳吸附再生罐15内装有分子筛(或硅胶等)吸附剂，吸附水(蒸汽)、二氧化碳等气体后，即可净化制得达到国标天然气热值要求的成品生物天然气，进入外售工序；
第八步：当二氧化碳吸附再生罐15吸附饱和后，进行减压再生，再生得到副产品二氧化碳气体，二氧化碳气体依次经过所述二氧化碳净化器8、二氧化碳压缩机10和冷凝器11进行净化、压缩、冷凝后存储到所述液体二氧化碳储罐 12内，经过二氧化碳净化器8时可脱除微量的水分、粉尘等杂质；所述冷凝器 11与液体二氧化碳储罐12的连接管道上设有膨胀箱13和压冰机14，部分液体二氧化碳经过所述膨胀箱13、压冰机14后制成固体的二氧化碳并存储到固体二氧化碳储罐中待用。
具体的，工作时，气体二氧化碳进入二氧化碳压缩机10加压，先后经列管换热器9冷却、冷凝器11冷凝后，二氧化碳气体在7.4MPa的压力下、温度低于31℃(或压力为2MPa以下、温度低于-20℃)时液化，即可制得液体二氧化碳，装入液体二氧化碳储罐12作为成品外售；
液体二氧化碳经膨胀箱13膨胀，在0.05MPa以下、-56℃时固化，得到雪花状固体二氧化碳，再经压冰机14压制成大的硬冰块，即为固体二氧化碳(干冰)成品。
具体的，燃气的制取、净化回收系统既可以独立控制，又可以存在于同一系统，实现整体控制。
本实用新型具备以下积极成果：
本套装置适用于各种能源作物、农作物秸秆、禽畜粪便、有机废料等作为原料厌氧发酵制取沼气，整个制备过程中所需沼液较湿法发酵大大减少，无沼液消纳问题，沼液的升温、保温所需能耗小于自身能量的15％，从而大大降低了运行成本，达到了节能降耗的效果。
经上述制气过程制得的可燃气体为沼气，其中含有50～65％的甲烷，20～45％的二氧化碳，少量的硫化氢、水等气体，硫化氢为有毒的酸性气体，存留在气体内会腐蚀设备、管道，对人员也有危害，需要脱除；二氧化碳也是酸性气体，对设备有腐蚀，并且不能产生热值，不利于远距离输送，需进行净化，以尽量提高可燃组分甲烷的含量，降低运输成本，净化的主要过程为脱除硫化氢(脱硫)、脱除二氧化碳(脱碳)、脱除水蒸气(脱水)的过程；本实用新型在脱硫罐中采用氧化铁(也可选用活性炭)作为脱硫净化剂干法脱硫，脱硫净化剂达到饱和后，进行再生重复使用。
本实用新型采用变压吸附法进行脱碳，变压吸附法有流程简单、能耗低、适应能力强等优点。其原理为在一定压力范围内，吸附剂会选择吸附二氧化碳等气体而不会吸附甲烷气体；压力降低后，吸附剂会将吸附的二氧化碳等气体释放出来，使吸附剂得到再生；当采用分子筛等吸附剂时，除吸附脱除二氧化碳气体外，同时也能够吸附脱除硫化氢、水等杂质(气体组分在如活性炭、分子筛、硅胶等物理吸附剂上的吸附能力顺序为水蒸汽、硫化物＞二氧化碳＞甲烷＞一氧化碳＞氮气＞氢气)，但硫化氢会使吸附剂中毒，也影响二氧化碳产品质量，因此需要先行脱出。
原始的沼气经过脱硫、脱碳、脱水后，即可制得甲烷含量大于97％、热值大于33.4MJ m3(8000kcal/m3)的生物天然气，该燃气可达到国家标准要求，经压缩机压缩后，灌装到天然气储罐，提供给工业用户、城市燃气、汽车加气等用户使用。
对于副产品二氧化碳：在二氧化碳吸附再生罐15内，当脱碳脱水系统吸附饱和后，进行减压再生得到副产二氧化碳气，经过二氧化碳净化器脱除微量水分、粉尘等杂质，即为气体二氧化碳成品；
气体的二氧化碳经过压缩、冷却、冷凝后，即可制得液体二氧化碳，装入液体二氧化碳储罐作为成品外售；
液体的二氧化碳经膨胀箱膨胀，在～0.05MPa、-56℃时固化得到雪花状固体的二氧化碳，再经压冰机压制成大的硬冰块，获得固体二氧化碳(干冰)成品。
以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：包括生物天然气的生产装置、脱硫处理装置、甲烷气体净化回收装置和二氧化碳净化回收装置，所述生物天然气的生产装置与所述脱硫处理装置通过管道连接在一起，所述脱硫处理装置的出气口通过二氧化碳吸附再生罐分别与所述甲烷气体净化回收装置、二氧化碳净化回收装置连通。
2.根据权利要求1所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述生物天然气的生产装置包括粉碎机(1)、发酵池(2)、集液池(3)、循环池(5)和双膜气柜(6)，所述粉碎机(1)、发酵池(2)、集液池(3)、循环池(5)和双膜气柜(6)顺次排布连接，所述循环池(5)的顶部设置有储气囊(4)；
生物质经过所述粉碎机(1)粉碎后输送至所述发酵池(2)内发酵，所述发酵池(2)的顶部通过管道与所述储气囊(4)连通，发酵池(2)的底部通过管道与所述集液池(3)连通，所述集液池(3)的出口与所述循环池(5)的上部连通，所述循环池(5)的底部与所述发酵池(2)连通；所述储气囊(4)的出口通过管道与沼气存储用的所述双膜气柜(6)连通。
3.根据权利要求2所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述循环池(5)与所述发酵池(2)连接的管道上设置有沼液加热换热器(17)。
4.根据权利要求2所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述脱硫处理装置具体采用脱硫罐(16),两个所述脱硫罐(16)并排布置，所述脱硫罐(16)的进气口通过管道与所述双膜气柜(6)的出气口连通，所述双膜气柜(6)、所述脱硫罐(16)的连接过管道上设置有沼气加压机(7)，所述脱硫罐(16)的出气口通过管道连接到所述二氧化碳吸附再生罐(15)上。
5.根据权利要求4所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述甲烷气体净化回收装置包括甲烷存储罐，所述双膜气柜(6)内的沼气经过所述脱硫罐(16)脱硫处理、所述二氧化碳吸附再生罐(15)吸附净化后传送至所述甲烷存储罐内存储；
所述二氧化碳净化回收装置包括二氧化碳净化器(8)、二氧化碳压缩机(10)和冷凝器(11)，所述二氧化碳净化器(8)的进口端通过管道与所述二氧化碳吸附再生罐(15)的二氧化碳出气口连通，二氧化碳净化器(8)的出口端通过所述二氧化碳压缩机(10)与所述冷凝器(11)的进口连通，所述冷凝器(11)的出口连通至液体二氧化碳储罐(12)上；
所述二氧化碳吸附再生罐(15)减压再生得到副产品二氧化碳气体，所述二氧化碳气体依次经过所述二氧化碳净化器(8)、二氧化碳压缩机(10)和冷凝器(11)存储到所述液体二氧化碳储罐(12)内。
6.根据权利要求5所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述冷凝器(11)和液体二氧化碳储罐(12)的连通管道上设置有固体二氧化碳生成回收装置，所述固体二氧化碳生成回收装置包括膨胀箱(13)和压冰机(14)，液体的二氧化碳依次通过所述膨胀箱(13)、压冰机(14)后制成固体的二氧化碳并存储到固体二氧化碳储罐中。
7.根据权利要求5所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述二氧化碳压缩机(10)上连接有两个列管换热器(9)，所述列管换热器(9)的内腔与冷却水连通，所述列管换热器(9)的外腔与所述二氧化碳压缩机(10)连通。
8.根据权利要求5所述的生物天然气的生产和二氧化碳回收装置，其特征在于：所述二氧化碳吸附再生罐(15)并联设置有两个，两个所述二氧化碳吸附再生罐(15)的所有输入、输出管道上均设置有阀门。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111635797A (zh) * 2020-07-06 2020-09-08 河北诚至阳普新能源科技有限公司 一种生物天然气的生产和二氧化碳回收装置及其回收工艺

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