CN104003832B - 一种从沼气同时提纯甲烷和二氧化碳的装置系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺及装置系统：沼气原料经压缩机Ⅰ压缩增压后，进入预处理装置Ⅰ进行预处理；然后进入第一级中空纤维膜分离出CH4粗品和CO2粗品；CH4粗品再经第二级中空纤维膜进行深度提纯，分离得到满足车用燃气标准GB18047-2000的CH4产品；CO2粗品再经CO2回收装置进行提纯，分离得到满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的CO2产品；该工艺及装置系统具有工艺简单、设备结构紧凑、设备体积小，自动化程度高、操作方便，安全可靠，应用范围广的特点，通过尾气回流设计，可以实现“零排放”。
Description
技术领域
本发明涉及一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的装置系统及工艺，具体涉及一种从沼气中提纯CH4的同时回收高纯度CO2的装置和工艺。
背景技术
目前的沼气提纯工艺段中，尾气中CO2的纯度都有90％以上，且尾气一般是直接排放到大气，排放气中大量的CO2和少量的CH4，这部分气体的排放会影响环境、加剧温室效应。
甲烷气体是影响温室效应的重要因素之一，CH4气体比CO2的实际影响要高20倍以上，必须逐步控制减少。甲烷气体只有进行分离和提纯才能有效地加以利用。且二氧化碳提纯后也可以生产干冰等化工原料。
发明内容
本发明的目的在于针对现在的膜法沼气提纯工艺，对沼气中CH4提纯的同时对系统的排放气中CO2进行回收利用，可以实现沼气提纯系统的“零排放”。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的装置系统，包括沼气脱硫脱水器、压缩机Ⅰ、预处理装置Ⅰ、第一级中空纤维膜、第二级中空纤维膜和CO2回收装置；所述沼气脱硫脱水器设有进口和出口；所述压缩机Ⅰ设有进口和出口，所述预处理装置Ⅰ设有进口和出口；所述第一级中空纤维膜设有进口、非渗透气出口和渗透气出口；所述第二级中空纤维膜设有进口、非渗透气出口和渗透气出口；所述CO2回收装置设有进口、提纯气出口和尾气出口；其中，所述沼气脱硫脱水器的进口与沼气源经管线连接，所述沼气脱硫脱水器的出口与所述压缩机Ⅰ的进口经管线连接；所述压缩机Ⅰ的出口与所述预处理装置Ⅰ的进口经管线连接；所述预处理装置Ⅰ的出口与所述第一级中空纤维膜的进口经管线连接；所述第一级中空纤维膜的非渗透气出口与所述第二级中空纤维膜的进口经管线连接，所述第一级中空纤维膜的渗透气出口与所述CO2回收装置的进口经管线连接；所述CO2回收装置的尾气出口与所述压缩机Ⅰ的进口经管线连接，所述CO2回收装置的提纯气出口为CO2产品出口；所述第二级中空纤维膜的渗透气出口与所述压缩机Ⅰ进口经管线连接，所述第二级中空纤维膜的非渗透气出口为CH4产品出口。
优选的，所述预处理装置Ⅰ包括冷干机Ⅰ、过滤器组Ⅰ和加热器Ⅰ；所述冷干机Ⅰ设有进口和出口；所述过滤器组Ⅰ设有进口和出口；所述加热器Ⅰ设有进口和出口；所述压缩机Ⅰ的出口与所述冷干机Ⅰ的进口经管线连接；所述冷干机Ⅰ的出口与所述过滤器组Ⅰ的进口经管线连接；所述过滤器组Ⅰ的出口与所述加热器Ⅰ的进口经管线连接；所述加热器Ⅰ的出口与所述第一级中空纤维膜的进口经管线连接。
优选的，所述装置系统还包括压缩机II、预处理装置II和第三级中空纤维膜；所述压缩机II设有进口和出口；所述预处理装置II设有进口和出口；所述第三级中空纤维膜设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述第一级中空纤维膜的渗透气出口与所述压缩机II的进口经管线连接；所述压缩机II的出口与所述预处理装置II的进口经管线连接；所述预处理装置II的出口与所述第三级中空纤维膜的进口经管线连接；所述第三级中空纤维膜的渗透气出口与所述CO2回收装置的进口经管线连接；所述第三级中空纤维膜的非渗透气出口与所述第一级中空纤维膜的进口经管线连接。
优选的，所述预处理装置II包括冷干机II、过滤器组II和加热器II；所述冷干机II设有进口和出口；所述过滤器组II设有进口和出口；所述加热器II设有进口和出口；所述压缩机II的出口与所述冷干机II的进口经管线连接；所述冷干机II的出口与所述过滤器组II的进口经管线连接；所述过滤器组II的出口与所述加热器II的进口经管线连接；所述加热器Ⅰ的出口与所述第三级中空纤维膜的进口经管线连接。
优选的，所述过滤器组Ⅰ包括依次串联连接的4级过滤器。
优选的，所述过滤器组II包括依次串联连接的4级过滤器。
优选的，所述第一级中空纤维膜、第二级中空纤维膜和第三级中空纤维膜分别包括多个并联连接的中空纤维膜组件。
一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，包括以下步骤：
(1)来自沼气源的原料沼气经沼气脱硫脱水器的处理后，经压缩机Ⅰ压缩增压，然后进入预处理装置Ⅰ进行预处理；
(2)经预处理后的沼气然后进入第一级中空纤维膜分离出CH4粗品和CO2粗品；
(3)经第一级中空纤维膜分离出的CH4粗品再经第二级中空纤维膜进行深度提纯，分离出的渗透气循环至压缩机Ⅰ继续处理，分离出的非渗透气为满足车用燃气标准GB18047-2000的CH4产品；
(4)经第一级中空纤维膜分离出的CO2粗品再经CO2回收装置进行提纯，分离出的尾气与循环至压缩机Ⅰ继续处理，分离出的提纯气为满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的CO2产品；
其中，
优选的，所述一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，包括以下步骤：
(1)来自沼气源的原料沼气经沼气脱硫脱水器的处理后，经压缩机Ⅰ压缩增压，然后进入预处理装置Ⅰ进行预处理；
(2)经预处理后的沼气然后进入第一级中空纤维膜分离出CH4粗品和CO2粗品；
(3)第一级中空纤维膜分离出CH4粗品进入第二级中空纤维膜深度提纯，第二级中空纤维膜的非渗透气出口得到满足车用燃气标准(GB18047-2000)的CH4，第二级中空纤维膜的渗透气循环至压缩机Ⅰ继续处理；
(4)第一级中空纤维膜分离出CO2粗品经压缩机II增压，再经预处理装置II处理后，进入第三级中空纤维膜；
(5)第三级中空纤维膜的非渗透气循环至第一级中空纤维膜继续处理；第三级中空纤维膜的渗透气进入CO2回收装置，CO2回收装置分离出的尾气循环至压缩机Ⅰ继续处理，分离出的提纯气为满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的CO2产品。
优选的，所述压缩机Ⅰ的出口压力为0.3-1.6MPa。
优选的，所述压缩机II的出口压力为0.3-1.6MPa。
优选的，所述预处理装置Ⅰ包括依次串联连接的冷干机Ⅰ、过滤器组Ⅰ和加热器Ⅰ。
优选的，所述预处理装置II包括依次串联连接的冷干机II、过滤器组II和加热器II。
优选的，所述过滤器组Ⅰ包括4级串联连接的过滤器，沼气原料经过4级过滤，达到以下精度：粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm。
优选的，所述加热器Ⅰ出口气体温度为25～50℃。
优选的，所述过滤器组II包括4级串联连接的过滤器，所述第一级中空纤维膜分离出CO2粗品经过4级过滤，达到以下精度：粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm。
优选的，所述加热器II的出口气体温度为25～50℃。
优选的，所述第一级中空纤维膜、第二级中空纤维膜和第三级中空纤维膜分别包括多个并联连接的中空纤维膜组件。
本发明的技术效果及优点在于：
本发明提纯工艺可以得到CO2和CH4两种高纯度的产品气，充分的利用能源，防止尾气排放大气内导致环境污染和温室效应；由于使用了膜法提纯工艺，工艺简单、设备结构紧凑、设备体积小，自动化程度高、操作方便，安全可靠，应用范围广。本发明的工艺和装置中设计的尾气回流工艺，实现系统的“零排放”。
附图说明
图1一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的装置系统(两级膜分离)
图2一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的装置系统(三级膜分离)
图3预处理装置Ⅰ结构示意图
图4中空纤维膜结构示意图
附图标记：
1，沼气脱硫脱水器；2，压缩机Ⅰ；3，预处理装置Ⅰ；4，第一级中空纤维膜；5，第二级中空纤维膜；6，CH4储罐；7，CO2回收装置；8，压缩机II；9，预处理装置II；10，第三级中空纤维膜；11，冷干机Ⅰ；12，过滤器组Ⅰ；13，加热器Ⅰ；14，中空纤维膜组件。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的装置系统，如图1所示，包括沼气脱硫脱水器1、压缩机Ⅰ2、预处理装置Ⅰ3、第一级中空纤维膜4、第二级中空纤维膜5和CO2回收装置7；所述沼气脱硫脱水器1设有进口和出口；所述压缩机Ⅰ2设有进口和出口，所述预处理装置Ⅰ3设有进口和出口；所述第一级中空纤维膜4设有进口、非渗透气出口和渗透气出口；所述第二级中空纤维膜5设有进口、非渗透气出口和渗透气出口；所述CO2回收装置7设有进口、提纯气出口和尾气出口；其中，所述沼气脱硫脱水器1的进口与沼气源经管线连接，所述沼气脱硫脱水器1的出口与所述压缩机Ⅰ2的进口经管线连接；所述压缩机Ⅰ2的出口与所述预处理装置Ⅰ3的进口经管线连接；所述预处理装置Ⅰ3的出口与所述第一级中空纤维膜4的进口经管线连接；所述第一级中空纤维膜4的非渗透气出口与所述第二级中空纤维膜5的进口经管线连接，所述第一级中空纤维膜4的渗透气出口与所述CO2回收装置7的进口经管线连接；所述CO2回收装置7的尾气出口与所述压缩机Ⅰ2的进口经管线连接，所述CO2回收装置7的提纯气出口为CO2产品出口；所述第二级中空纤维膜5的渗透气出口与所述压缩机Ⅰ2进口经管线连接，所述第二级中空纤维膜5的非渗透气出口为CH4产品出口。
优选情况下，如图3所示：
所述预处理装置Ⅰ3包括冷干机Ⅰ11、过滤器组Ⅰ12和加热器Ⅰ13；所述冷干机Ⅰ11设有进口和出口；所述过滤器组Ⅰ12设有进口和出口；所述加热器Ⅰ13设有进口和出口；所述压缩机Ⅰ2的出口与所述冷干机Ⅰ11的进口经管线连接；所述冷干机Ⅰ11的出口与所述过滤器组Ⅰ12的进口经管线连接；所述过滤器组Ⅰ12的出口与所述加热器Ⅰ13的进口经管线连接；所述加热器Ⅰ13的出口与所述第一级中空纤维膜4的进口经管线连接。
所述过滤器组Ⅰ12包括依次串联连接的4级过滤器。
另一优选情况下，如图2所示：
所述装置系统还包括压缩机II8、预处理装置II9和第三级中空纤维膜10；所述压缩机II8设有进口和出口；所述预处理装置II9设有进口和出口；所述第三级中空纤维膜10设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述第一级中空纤维膜4的渗透气出口与所述压缩机II8的进口经管线连接；所述压缩机II8的出口与所述预处理装置II9的进口经管线连接；所述预处理装置II9的出口与所述第三级中空纤维膜10的进口经管线连接；所述第三级中空纤维膜10的渗透气出口与所述CO2回收装置7的进口经管线连接；所述第三级中空纤维膜10的非渗透气出口与所述第一级中空纤维膜4的进口经管线连接。
所述预处理装置II9包括冷干机II、过滤器组II和加热器II；所述冷干机II设有进口和出口；所述过滤器组II设有进口和出口；所述加热器II设有进口和出口；所述压缩机II8的出口与所述冷干机II的进口经管线连接；所述冷干机II的出口与所述过滤器组II的进口经管线连接；所述过滤器组II的出口与所述加热器II的进口经管线连接；所述加热器Ⅰ13的出口与所述第三级中空纤维膜10的进口经管线连接。
所述过滤器组II包括依次串联连接的4级过滤器。
另一优选情况下：如图4所示，所述第一级中空纤维膜4、第二级中空纤维膜5和第三级中空纤维膜10分别包括多个并联连接的中空纤维膜组件14。
实施例1：两级膜分离工艺
一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，包括以下步骤：
(1)沼气原料经过沼气脱硫脱水器1进行脱硫脱水后，经压缩机Ⅰ2压缩增压至1.35MPa后，进入预处理装置Ⅰ，经冷干机Ⅰ、过滤器组Ⅰ(包括串联连接的4级过滤器)处理，过滤精度达到粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm，然后经过加热器Ⅰ，温度达到35℃，进入第一级中空纤维膜4进行CO2和CH4的粗分离；
(2)在第一级中空纤维膜4的渗透气出口得到CO2粗品(94％的CO2，4v％的CH4，其他为O2、N2等)，非渗透气出口得到的CH4粗品进入第二级中空纤维膜5深度提纯；
(3)第二级中空纤维膜5渗透气出口气体与经过脱硫脱水后的原料沼气混合后进入压缩机Ⅰ2继续处理，第二级中空纤维膜5非渗透气出口得到CH4产品，纯度达到97％以上，满足车用燃气GB18047-2000标准；
(4)第一级中空纤维膜4分离出的CO2粗品再经CO2回收装置7进行低温提纯，分离出的回流气与沼气原料混合后进入压缩机Ⅰ2继续处理，分离出的CO2纯度达到99.9％，满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的产品要求。
实施例2：三级膜分离工艺
(1)沼气原料经过沼气脱硫脱水器1进行脱硫脱水后，经压缩机Ⅰ2压缩增压至1.0MPa后，然后进入预处理装置Ⅰ3，经冷干机Ⅰ11、过滤器组Ⅰ12(包括串联连接的4级过滤器)和加热器Ⅰ13的预处理后，过滤精度达到粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm，温度达到40℃，然后进入第一级中空纤维膜4进行CO2和CH4的粗分离；
(2)在第一级中空纤维膜4的渗透气出口得到CO2粗品(90v％的CO2，8v％的CH4，其他为O2、N2等)，经过压缩机II8，压缩至1.1MPa，进入预处理装置II9，经冷干机II、过滤器组II(包括串联连接的4级过滤器)和加热器II的预处理后，过滤精度达到粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm，温度达到40℃，然后进入第三级中空纤维膜10；第一级中空纤维膜4的非渗透气出口得到的CH4粗品进入第二级中空纤维膜5深度提纯；
(3)第二级中空纤维膜5的非渗透气出口得到CH4产品，纯度达到97％以上，满足车用燃气GB18047-2000标准；
(4)第二级中空纤维膜5的渗透气与脱硫脱水的原料沼气混合进入压缩机Ⅰ2继续处理；
(5)第三级中空纤维膜10的渗透气(98v％CO2，0.7v％CH4，其他O2、N2等)，经CO2回收装置7进行低温提纯，分离出的尾气与经过脱硫脱水的原料沼气混合后再循环至压缩机Ⅰ2继续处理，分离出的CO2纯度达到99.9％，满足工业二氧化碳GB/T6052-2011标准；
(6)第三级中空纤维膜10的非渗透气，循环至第一级中空纤维膜4的进口，与步骤(1)中预处理后的气体混合，然后进入第一级中空纤维膜4进行继续提纯。
Claims (4)
1.一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，包括以下步骤；
(1)来自沼气源的原料沼气经沼气脱硫脱水器(1)的处理后，经压缩机Ⅰ(2)压缩增压，然后进入预处理装置Ⅰ(3)进行预处理；
(2)经预处理后的沼气然后进入第一级中空纤维膜(4)分离出CH4粗品和CO2粗品；
(3)经第一级中空纤维膜(4)分离出的CH4粗品再经第二级中空纤维膜(5)进行深度提纯，分离出的渗透气循环至压缩机Ⅰ(2)继续处理，分离出的非渗透气为满足车用燃气标准GB18047-2000的CH4产品；
(4)经第一级中空纤维膜(4)分离出的CO2粗品再经CO2回收装置(7)进行提纯，分离出的尾气与循环至压缩机Ⅰ(2)继续处理，分离出的提纯气为满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的CO2产品；
其中，所述预处理装置Ⅰ(3)包括依次串联连接的冷干机Ⅰ(11)、过滤器组Ⅰ(12)和加热器Ⅰ(13)；所述过滤器组Ⅰ(12)包括4级串联连接的过滤器，沼气原料经过4级过滤，达到以下精度：粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm；加热器Ⅰ(13)出口气体温度为25～50℃。
2.如权利要求1所述的一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)来自沼气源的原料沼气经沼气脱硫脱水器(1)的处理后，经压缩机Ⅰ(2)压缩增压，然后进入预处理装置Ⅰ(3)进行预处理；
(2)经预处理后的沼气然后进入第一级中空纤维膜(4)分离出CH4粗品和CO2粗品；
(3)第一级中空纤维膜(4)分离出CH4粗品进入第二级中空纤维膜(5)深度提纯，第二级中空纤维膜(5)的非渗透气出口得到满足车用燃气标准GB18047-2000的CH4，第二级中空纤维膜(5)的渗透气循环至压缩机Ⅰ(2)继续处理；
(4)第一级中空纤维膜(4)分离出CO2粗品经压缩机II(8)增压，再经预处理装置II(9)处理后，进入第三级中空纤维膜(10)；
(5)第三级中空纤维膜(10)的非渗透气循环至第一级中空纤维膜(4)继续处理；第三级中空纤维膜(10)的渗透气进入CO2回收装置(7)，CO2回收装置(7)分离出的尾气循环至压缩机Ⅰ(2)继续处理，分离出的提纯气为满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的CO2产品；
其中，所述预处理装置Ⅰ(3)包括依次串联连接的冷干机Ⅰ(11)、过滤器组Ⅰ(12)和加热器Ⅰ(13)；所述预处理装置II(9)包括依次串联连接的冷干机II、过滤器组II和加热器II；所述过滤器组Ⅰ(12)包括4级串联连接的过滤器，沼气原料经过4级过滤，达到以下精度：粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm；加热器Ⅰ(13)出口气体温度为25～50℃；所述过滤器组II包括4级串联连接的过滤器，所述第一级中空纤维膜(4)分离出CO2粗品经过4级过滤，达到以下精度：粉尘0.01μm/Nm3，残油0.01mg/Nm3，氨或胺小于100ppm，H2S小于15ppm；所述加热器II的出口气体温度为25～50℃。
3.如权利要求1或2所述的一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，其特征在于，所述压缩机Ⅰ(2)的出口压力为0.3-1.6MPa；所述压缩机II(8)的出口压力为0.3-1.6MPa。
4.如权利要求1或2所述的一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺，其特征在于，所述第一级中空纤维膜(4)、第二级中空纤维膜(5)和第三级中空纤维膜(10)分别包括多个并联连接的中空纤维膜组件(14)。
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