CN212532895U - 一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，包括沼气流经管线和高压天然气流经管线，沼气流经管线主要由按照沼气流动方向依次连接的第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第一换热器、第二冷却器、第一分离器、第三冷却器、第二换热器和第二分离器组成，高压天然气流经管线主要由按照天然气流动方向依次连接的第一膨胀机、第二换热器、第二膨胀机和第一换热器组成，在第二换热器和第一换热器中沼气和膨胀后的天然气进行换热，利用高压天然气膨胀产生的冷能提纯沼气。本实用新型利用高压天然气管道减压时产生的冷能提纯沼气，成本低，能耗小，提高了制取生物天然气的纯度，对大力发展清洁能源，实现节能减排具有重要意义。

Description

一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统

技术领域

本实用新型涉及一种沼气提纯系统，尤其涉及一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统。

背景技术

近年来，能源短缺与环境污染问题成为世界关注的焦点问题，生物质能逐渐成为新能源的研究方向之一，这也衍生出了沼气能源提纯制取的相关研究。从理论角度来看，沼气提纯制取生物天然气不仅可以实现高产量天然气资源，而且能够实现较为突出的环境保护作用，经济价值与社会价值均较为突出。我国沼气资源相当丰富，但是应用方式并不理想，沼气资源在我国的应用尚有很大发展空间。

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体。沼气是多种气体的混合物，主要包含甲烷与二氧化碳，其中，二氧化碳与甲烷的占比含量分别约为40％、60％，其特性与天然气相似。沼气除了直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作为内燃机的燃料以及用于生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料，而经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。

一方面，沼气需要进行多步处理才能成为天然气，以供给用户使用，根据不同的分离原理，沼气提纯方法可分为：吸附法、吸收法、膜分离法、低温分离法等。沼气提纯技术发展到今天，加压水洗法、化学吸收法、PSA法和膜分离法等技术已经实现了商业化应用。在这些方法中，胺洗法和水洗法的甲烷回收率高，能耗低，但需定期补充溶剂，并对污水排放有较高要求；PSA法和膜分离法的集成度高，运输安装简单；胺洗法和水洗法适用于规模较大的工程，而膜分离法和PSA法适用于中小规模的工程；低温分离法是利用沼气中甲烷和二氧化碳组分沸点的显著差异，在低温条件下将二氧化碳转变为液体或固体，并使甲烷依然保持为气相，从而实现二者的分离目的。低温分离法可以得到纯度极高的二氧化碳和甲烷，但是将沼气冷却到-80℃以下，需要消耗大量的能量，能耗太高，很少采用。

另一方面，目前世界上天然气的长输管道均采用高压输送，高压天然气管道中蕴藏着巨大的压力能，但是大部分压力能在为普通用户供气时经调压站调压而损失掉了，在调压过程中，天然气压力降低，体积膨胀并对外做功，同时天然气的温度降低，从而产生冷能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种成本低、能耗小、提高制取生物天然气的纯度的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统。

本实用新型的目的通过如下的技术方案来实现：一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于，它包括沼气流经管线和高压天然气流经管线，所述沼气流经管线主要由按照沼气流动方向依次连接的第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第一换热器、第二冷却器、第一分离器、第三冷却器、第二换热器和第二分离器组成，所述高压天然气流经管线主要由按照天然气流动方向依次连接的第一膨胀机、第二换热器、第二膨胀机和第一换热器组成，在第二换热器和第一换热器中沼气和膨胀后的天然气进行换热，利用高压天然气膨胀产生的冷能提纯沼气。

本实用新型利用高压天然气管道减压时产生的冷能提纯沼气(沼气温度降低至二氧化碳沸点以下，实现低温分离)，将沼气中的二氧化碳和甲烷分离出来，实现沼气提纯，不仅成本低，而且能耗小，解决了目前沼气提纯成本高、能耗大以及高压天然气管道在调压站冷能浪费量大的问题，在高效利用高压天然气管道压力能的同时，使要制取生物天然气的纯度也得到大幅的提高，对大力发展清洁能源，实现节能减排具有重要意义。

作为本实用新型的一种改进，所述沼气提纯系统包括第三换热器，所述第三换热器设于所述第二压缩机和第一换热器之间，所述第一分离器的底部出口与第三换热器连接，利用第一分离器底部出口物流的冷能对高压沼气进行预冷。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一膨胀机产生的膨胀功用于驱动第一压缩机，所述第二膨胀机产生的膨胀功用于驱动第二压缩机。本实用新型利用高压天然气通过膨胀机产生的膨胀功驱动压缩机，大大提高了系统效率，进一步降低系统能耗。

本实用新型还可以做以下改进，所述第二分离器的底部出口连接用于储存液态二氧化碳的二氧化碳储罐，储存起来的液态CO₂可以用来制取干冰或直接用来售卖，大大提高了该工艺系统的经济效益。所述第二分离器的顶部出口与第二换热器、第一换热器依次相连，提纯后的沼气中同样含有大量冷能，提纯后的沼气再次进入第二换热器、第一换热器进行换热，将提纯后沼气中的低温冷能进行了充分利用，可有效地降低沼气提纯过程中的系统能耗。

本实用新型提纯后的沼气经过第二、第一换热器后进入提纯沼气储罐，提纯沼气储罐内储存提纯后的沼气，其可以用作各种用途，增加沼气的利用范畴，促进农村沼气的发展。优选地，所述提纯沼气储罐通过管线连接至天然气调压站，从而将提纯后的沼气并入天然气管网，可利用现有的天然气输送设施，更加方便沼气的远距离输送而且节约运输成本，可进一步推动沼气作为可再生绿色能源融入到当今的能源供应体系中。同时，沼气代替的那部分天然气实现了绿色化。还可以补充天然气的供应，缓解天然气用气紧张的程度。另外，提纯后的沼气也可以压缩为车用燃料，使用方式非常灵活。

本实用新型所述第一压缩机和第一冷却器组成压缩冷却单元，所述压缩冷却单元至少为一个，两个以上的压缩冷却单元中的冷却器与下一个压缩冷却单元中的压缩机连接，使得沼气经过至少两级压缩。

本实用新型所述第一个压缩冷却单元的压缩机进口连接储存有待提纯沼气的沼气储罐，为了解决天然气压力流量与沼气压力流量不相匹配的问题，在待提纯沼气侧分别设置两种形式的沼气储罐，当待提纯沼气为低压沼气时，所述沼气储罐为双膜储罐，当待提纯沼气为拖车拉来的高压沼气时，所述沼气储罐为高压储罐。整个流程以高压天然气能够提纯的流量为基准，处理不了的沼气储存于沼气储罐中。

与现有技术相比，本实用新型具有如下显著的技术效果：

⑴本实用新型利用高压天然气管道减压时产生的冷能提纯沼气，将沼气中的二氧化碳和甲烷分离出来，实现沼气提纯，不仅成本低，而且能耗小，解决了目前沼气提纯成本高、能耗大以及高压天然气管道在调压站冷能浪费量大的问题，在高效利用高压天然气管道压力能的同时，使要制取生物天然气的纯度也得到大幅的提高，对大力发展清洁能源，实现节能减排具有重要意义。

⑵本实用新型利用高压天然气膨胀机产生的膨胀功驱动压缩机，大大提高了系统效率，进一步降低系统能耗。

⑶本实用新型提纯后的沼气再次进入第二换热器、第一换热器进行换热，将提纯后沼气中的低温冷能进行了充分利用，可有效地降低沼气提纯过程中的系统能耗。

⑷本实用新型将提纯后的沼气直接并入天然气管网，可利用现有的天然气输送设施，更加方便沼气的远距离输送而且节约运输成本，可进一步推动沼气作为可再生绿色能源融入到当今的能源供应体系中。同时，沼气代替的那部分天然气实现了绿色化。还可以补充天然气的供应，缓解天然气用气紧张的程度。另外，提纯后的沼气也可以压缩为车用燃料，使用方式非常灵活。

⑸本实用新型储存的液态CO₂可以用来制取干冰或直接用来售卖，大大提高了该工艺系统的经济效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型的组成结构示意图。

具体实施方式

图1所示的是本实用新型一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，它包括沼气流经管线和高压天然气流经管线，沼气流经管线主要由按照沼气A流动方向依次连接的储存有待提纯沼气的沼气储罐17、第一压缩机1、第一冷却器2、第二压缩机3、第三换热器4、第一换热器5、第二冷却器6、第一分离器7、第三冷却器8、第二换热器9和第二分离器10组成，其中，第一分离器7的顶部沼气出口与第三冷却器8的进口连接；当待提纯沼气为低压沼气时，沼气储罐17为双膜储罐，当待提纯沼气为高压沼气时，沼气储罐17为高压储罐；第一、第二分离器是离心式分离器。高压天然气流经管线主要由按照天然气B流动方向依次连接的第一膨胀机11、第二换热器9、第二膨胀机13和第一换热器5组成，在第一换热器5和第二换热器9中沼气和膨胀后的天然气进行换热，利用高压天然气膨胀产生的冷能提纯沼气。其中，第一分离器7的底部出口与第三换热器4连接，利用第一分离器7底部出口物流的冷能对高压沼气进行预冷。

第一膨胀机11产生的膨胀功用于驱动第一压缩机1，第二膨胀机13产生的膨胀功用于驱动第二压缩机3，经过第二压缩机3压缩后的沼气增压至4.7～5.2MPa。在本实施例中，第一膨胀机11和第二膨胀机13都为螺杆式膨胀机。第一压缩机1和第二压缩机3都为螺杆式压缩机。第一膨胀机11和第二膨胀机13分别通过传动装置将膨胀功输出以驱动第一压缩机1和第二压缩机3，传动装置为现有技术，此不赘述。

第二分离器10的底部出口连接用于储存液态二氧化碳的二氧化碳储罐14，第二分离器10的顶部出口与第二换热器9、第一换热器5和提纯沼气储罐16依次相连，将提纯后沼气中的低温冷能进行了充分利用，可有效地降低沼气提纯过程中的系统能耗。提纯沼气储罐16通过管线连接至天然气调压站而将提纯后的沼气A并入天然气管网。

本实用新型的工作过程如下：

⑴需要提纯的沼气A储存在沼气储罐17中，沼气A的组分是CH₄：CO₂＝0.6:0.4，温度是15℃，压力是200kPa，质量流量是500kg/h。通过第一、第二压缩机对沼气进行压缩处理，并通过冷却器进行冷却，以降低压缩气体的温度。通过压缩，沼气增压至5000kPa，温度升至108.5℃。该第一、第二压缩机消耗的功由高压天然气通过膨胀机产生的膨胀功提供。

⑵增压后的沼气经过第三换热器4进行热量交换以降低温度，第三换热器4用于预冷经压缩机压缩后的高压沼气，同时将第一分离器7底部出口物流的冷能利用起来，预冷后，沼气温度冷却至80℃，然后再次经过第一换热器5进行热量交换，沼气温度冷却至-20℃。第一换热器5用于高压沼气和经第二膨胀机膨胀后的管道天然气、经第二换热器换热后的沼气换热，将经过第二膨胀机的管道天然气产生的冷能以及提纯后沼气所具有的冷能利用起来提纯沼气。接着沼气经过第二冷却器6冷却至-45℃。

⑶第一分离器7底部出口物流经过第三换热器4为高压沼气提供冷量，实现预冷。分离后甲烷浓度为75.71％的物流从第一分离器7顶部出口流出，进入第二个分离阶段。从第一分离器7顶部出口流出的沼气，经第三冷却器冷却至-80℃。

⑷沼气进入第二换热器9进行热量交换，第二换热器9用于经第一分离器7提纯后的高压沼气和经第一膨胀机11膨胀后的管道天然气换热，将经过第一膨胀机11的管道天然气产生的冷能和提纯后沼气所具有的冷能利用起来。沼气温度冷却至-120℃。

⑸沼气进入第二分离器10进行分离，分离后甲烷浓度为97.74％的物流从第二分离器10的顶部出口流出，该物流再经过第二换热器9、第一换热器5进行换热以实现冷量回收，升温至5℃储存于提纯沼气储罐16中，达到利用要求。

⑹高压天然气管道进料口18的天然气温度是20℃，压力是4MPa，流量是580kmol/h，是组分为甲烷：乙烷：丙烷＝0.9：0.06：0.04的压缩天然气。天然气经过第一膨胀机11减压并进入第二换热器9进行热量交换，再经过第二膨胀机13减压并进入第一换热器5进行热量交换。第一膨胀机11与第二膨胀机13用于膨胀高压管道天然气，膨胀机产生的膨胀功用于驱动第一压缩机1和第二压缩机3，大大减少了能耗。

本实用新型通过改变高压管道天然气的流量，可以根据需要改变沼气的流量使其达到一个较优的比例来最大幅度地利用高压管道天然气的压力能来提纯沼气。

在其它实施例中，第一压缩机和第一冷却器组成压缩冷却单元，压缩冷却单元至少为一个，两个以上的压缩冷却单元中的冷却器与下一个压缩冷却单元中的压缩机连接，使得沼气经过至少两级压缩。即是本实用新型的压缩冷却单元可以为两级以上，可使沼气经过三级以上压缩满足工艺要求。

因此按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：它包括沼气流经管线和高压天然气流经管线，所述沼气流经管线主要由按照沼气流动方向依次连接的第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第一换热器、第二冷却器、第一分离器、第三冷却器、第二换热器和第二分离器组成，所述高压天然气流经管线主要由按照天然气流动方向依次连接的第一膨胀机、第二换热器、第二膨胀机和第一换热器组成，在所述第二换热器和第一换热器中沼气和膨胀后的天然气进行换热，利用高压天然气膨胀产生的冷能提纯沼气。

2.根据权利要求1所述的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：所述沼气提纯系统包括第三换热器，所述第三换热器设于所述第二压缩机和第一换热器之间，所述第一分离器的底部出口与第三换热器连接，利用第一分离器底部出口物流的冷能对高压沼气进行预冷。

3.根据权利要求2所述的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：所述第一膨胀机产生的膨胀功用于驱动第一压缩机，所述第二膨胀机产生的膨胀功用于驱动第二压缩机。

4.根据权利要求3所述的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：所述第二分离器的底部出口连接用于储存液态二氧化碳的二氧化碳储罐，所述第二分离器的顶部出口与第二换热器、第一换热器依次相连。

5.根据权利要求4所述的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：提纯后的沼气经过第二、第一换热器后进入提纯沼气储罐，所述提纯沼气储罐通过管线连接至天然气调压站而将提纯后的沼气并入天然气管网。

6.根据权利要求5所述的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：所述第一压缩机和第一冷却器组成压缩冷却单元，所述压缩冷却单元至少为一个，两个以上的压缩冷却单元中的冷却器与下一个压缩冷却单元中的压缩机连接，使得沼气经过至少两级压缩。

7.根据权利要求6所述的利用高压天然气管道压力能的沼气提纯系统，其特征在于：所述第一个压缩冷却单元的压缩机进口连接储存有待提纯沼气的沼气储罐，当待提纯沼气为低压沼气时，所述沼气储罐为双膜储罐，当待提纯沼气为高压沼气时，所述沼气储罐为高压储罐。

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