基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统的制作方法

本实用新型涉及沼气工程技术领域，尤其涉及一种基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统。

背景技术：

对于沼气工程，为维持合适的发酵温度，其发酵罐往往需要加热，对于大型中型的沼气工程，其用热量很大。对于加热方式，一般为采用沼气锅炉生产的热水通入发酵罐的加热盘管，利用对流传热的形式对罐内物料加热。为了生产足够的热水，往往需要消耗大量的沼气。为了减少沼气消耗，生产工段的热量回收非常重要。对于沼气膜提纯生产生物天然气的工艺过程，为了维持足够的操作压力(约1.3～1.5MPa)，沼气必须先经过压缩过程，在由微正压压缩至操作压力时会产生大量的热，如果将此热量加以回收利用，可以减少沼气锅炉的沼气消耗。

目前关于沼气膜提纯系统的热量回收有利用热泵方式实现的，此工艺利用热泵技术，消耗一部分高品位能源电能来回收低品位的能源热能，其能效比(COP)可达到3～4，即产生的热量是消耗的电能的3～4倍。虽然可回收全部热量，但消耗了部分高品位的电能，且设备整体投资较大，动设备多，故障率高。因此在经济及其它方面并不是很理想。

技术实现要素：

有鉴如此，本实用新型提供一种投资少、热回收效率高，能够实现能量回收以及循环利用的基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统，以解决现有技术中存在的问题。

根据本实用新型提供一种基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统，包括依次连接的多级压缩换热单元，

各级压缩换热单元分别包括压缩单元和换热器，所述压缩单元与所述换热器连接，所述压缩单元用于将待提纯的沼气进行压缩增压，所述换热器用于接收来自所述压缩单元增压后的沼气，并将沼气与来自沼气发酵罐的循环热水回水进行热量交换。

优选地，所述压缩单元的出口与所述换热器的第一介质入口连通，所述换热器的第一介质出口与下一级压缩换热单元的压缩单元的入口连通，所述换热器的第二介质入口用于接收来自沼气发酵罐的循环热水回水，所述换热器的第二介质出口用于与外部沼气锅炉连通。

优选地，所述压缩换热单元还包括风冷器，所述风冷器的入口与所述换热器的第一介质出口连通，所述风冷器的出口与下一级压缩换热单元的压缩单元的入口连通。

优选地，还包括储气罐，所述储气罐的入口用于接收待提纯沼气，出口与第一级压缩换热单元连通。

优选地，还包括温度调节阀，所述温度调节阀用于控制进入各级所述压缩换热单元的换热器的第二介质入口的来自沼气发酵罐的循环热水回水的温度。

优选地，还包括流量计和温度变送器，

所述流量计用于检测自所述温度调节阀进入各级所述压缩换热单元的换热器的第二介质入口的来自沼气发酵罐的循环热水回水的温度值，并将该温度值反馈至所述温度调节阀，

所述温度变送器用于检测各级所述压缩换热单元的换热器的第二介质出口的热水温度值，并将该热水温度值反馈至所述温度调节阀。

根据本实用新型提供的热量回收系统能够在使用较少投资的情况下，将沼气膜提纯工艺过程中产生的能量进行回收利用，作为沼气锅炉的加热水源进行再次利用，并进行加热后来作为发酵罐的加热水源，从而实现沼气膜提纯工艺与沼气生产的能量循环利用过程，避免了能量的浪费，产生了较大的经济效益。

从上述方案可以看出本实用新型的具有如下有益效果：

1)、工艺合理——本实用新型利用厂内的现有条件直接换热，不设置循环冷却水设备，仅增加必要的自控设备，因此其工艺简单，自动化程度高；

2)、投资低——除了换热器12外，仅配置了必要的检测与控制仪表，因此总投资低；

3)、热回收率高——仅在最后一级需风冷设备来辅助降温，如按上述条件，则经计算热量回收率可达到93.9％；

4)、节约能耗——仅在最后一级风冷设备和温度调节阀2处有少量的电能消耗；

5)自动化程度高——设备开启后无需人工操作；

6)、设备占地省——所有的设备均为撬装化，节省了设备占地。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了根据本实用新型实施例的基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统。

图2示出了根据本实用新型实施例中对进入各级压缩换热单元的循环热水的控制原理图。

图中：第一级压缩换热单元100、第二级压缩换热单元200、第三级压缩换热单元300、压缩单元11、换热器12、风冷器13、限流孔板14、温度调节阀2、流量计3、温度变送器4、储气罐5、进水总管61、出水总管62、电机7、第一端口81、第二端口82、第三端口83、第四端口84、第五端口85、撬体9。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

图1示出了根据本实用新型实施例的基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统。该基于沼气膜提纯工艺的热量回收系统，包括依次连接的多级压缩换热单元。各级压缩换热单元分别包括压缩单元11和换热器12，所述压缩单元11与所述换热器12连接，所述压缩单元11用于将待提纯的沼气进行压缩增压，所述换热器12用于接收来自所述压缩单元11增压后的沼气，并将沼气与来自沼气发酵罐的循环热水回水进行热量交换。

该热量回收系统设有第一端口81至第五端口85。其中，第一端口81与发酵罐连通，具体为与发酵罐的冷却盘管连通，用于接收来自发酵罐冷却盘管的循环热水回水；第二端口82与沼气气源连接，用于接收待提纯沼气；第三端口83用于排出经最后一级压缩换热后的沼气；第四端口84与沼气锅炉连通，用于将经各级换热单元的换热器12换热升温后的循环热水排放到沼气锅炉；第五端口85用于将经各级换热单元的换热器12换热后的沼气进行部分放空。

该实施例中，共设有三级压缩换热单元，包括第一级压缩换热单元100、第二级压缩换热单元200和第三级压缩换热单元300。待提纯沼气依次进入第一级压缩换热单元100进入，经过三级换热单元，依次进行第一级压缩、第二级压缩和第三级压缩后，自第三级压缩换热单元300排出。当然，压缩换热单元的数目不限于三个，其具体数目可根据需要设定。

各个压缩单元11可分别采用单级压缩机例如每个压缩换热单元分别采用一个单级压缩机，形成多级次压缩，也可将多个压缩单元11采用共用的电机7来驱动，形成多级式压缩机。该实施例中，采用三个压缩单元11共同采用一台电机7来驱动，形成三级式压缩单元11。

该实施例中，换热器12选为水冷换热器12，其作用是实现压缩增压沼气与来自沼气发酵罐的循环热水回水进行热量交换。在各级压缩换热单元中。所述压缩单元11的出口与所述换热器12的第一介质入口连通，所述换热器12的第一介质出口与下一级压缩换热单元的压缩单元11的入口连通，所述换热器12的第二介质入口用于接收来自沼气发酵罐的循环热水回水，所述换热器12的第二介质出口用于与外部沼气锅炉连通。

各级换热单元的换热器12的第二介质入口分别与第一端口81连通，用于接收来自发酵罐的循环热水。

进一步地，每级压缩单元还包括风冷器13，所述风冷器13的入口与所述换热器12的第一介质出口连通，所述风冷器13的出口与下一级压缩换热单元的压缩单元11的入口连通。其中，第一级压缩换热单元100和第二级压缩换热单元200中的风冷器13可用于备用，只有在换热器12出问题时才开启使用，平时不使用。第三级压缩换热单元300的风冷器13用于将经过最后一级压缩换热后的沼气，该实施例中为将经过三级压缩换热后的沼气降至预设温度排出至下一工艺程序。该实施例中将沼气排出的温度设为38℃-42℃，例如40℃，根据实际情况，极端情况可能达到45或50℃，但仍在实际要求的范围之内。

该热量回收系统还设有进水总管61、出水总管62和温度调节阀2。其中温度调节阀2用于控制进入各级压缩换热单元的循环热水的温度。该温度调节阀2为具有分流功能的三通调节阀，其优点一方面可以代替两台互为开关的调节阀使用，另一方面可以简化控制系统，因此其在节约成本的同时还可以增强控制的稳定性。温度调节阀2的进水端口与第一端口81连通，其中一个出水端口与进水总管61的一端连通，进水总管61的另一端分别与各级压缩换热单元的换热器12的第二介质入口连通，温度调节阀2的另一个出水端口与直接与沼气锅炉连通。出水总管62的一端分别与各级压缩换热单元的换热器12的第二介质出口连通，另一端与第四端口84连通。

进一步地，该热量回收系统还包括流量计3和温度变送器4。所述流量计3设于进水总管61上，用于检测自所述温度调节阀2进入各级所述压缩换热单元的换热器12的第二介质入口的来自沼气发酵罐的循环热水回水的温度值，并将该温度值反馈至所述温度调节阀2。所述温度变送器4设于出水总管62上，用于检测各级所述压缩换热单元的换热器12的第二介质出口的热水温度值，并将该热水温度值反馈至所述温度调节阀2。该流量计3可选为孔板流量计，即孔板式流量计。

进一度地，为了合理的分配三台换热器12的循环热水流量，在三台换热器12的热水入口均设有限流孔板14。因为沼气在三台换热器12内的工作温度与压力不相同，因此其换热量与进水量也不相同，因此设置了这三个限流孔板14，其规格可以按照实际流量经计算得出。

图2示出了根据本实用新型实施例中对进入各级压缩换热单元的循环热水的控制原理图。如图2所示，温度调节阀2与温度变送器4及流量计3组成串级控制，其原理如图2所示，串级控制系统是由两个调节器串联在一起，控制一个执行器，实现定值控制的控制系统。对于本工艺，主对象为循环热水经过换热器12后的温度，由温度变送器4测量并传送，副对象为进水流量，由孔板流量计3测量并传送，执行器即温度调节阀2。主控制器组成的回路为主控制回路，即温度组成的回路，副控制器组成的回路为副控制回路，即流量组成的回路。副控制回路实现“粗调”，主控制回路实现“细调”，由于这种串级控制的副回路的存在，缩短了调节时间，提高了系统的快速性，即可以实现稳定控制出水总管62温度。

该热量回收系统中，将例如换热器12以及温度调节阀2、孔板流量计3、温度变送器4、限流孔板14等相关自控仪表等所有设备及仪表均安装在压缩机的撬体9上，从而实现了对所有的设备的撬装化，节省了设备占地。

该实施例中，压缩单元11选为活塞式压缩单元11，即由活塞和缸体形成的压缩单元，活塞在缸体内运行，形成压缩力。如果选用螺杆压缩单元11，则换热与冷却原理与其类似，只是压缩方式不同。

该热量回收系统能够在使用较少投资的情况下，将沼气膜提纯工艺过程中产生的能量进行回收利用，作为沼气锅炉的加热水源进行再次利用，并进行加热后来作为发酵罐的加热水源，从而实现沼气膜提纯工艺与沼气生产的能量循环利用过程，避免了能量的浪费，产生了较大的经济效益。

该实施例还涉及一种基于沼气膜提纯工艺的热量回收方法，该热量回收方法对待提纯沼气进行多级压缩换热。其中，在各级压缩换热中，首先对待提纯的沼气进行压缩增压，经压缩增压后的沼气与来自沼气发酵罐的循环热水回水进行热量交换，从而使得所述循环热水回水将所述压缩增压后的沼气的热量进行回收。所述对待提纯的沼气进行压缩增压时，将待提纯的沼气进行压缩增压至预设温度范围，该预设温度范围为120℃-150℃。在对沼气进行第一级压缩换热至最后一级压缩换热之前，所述沼气的温度降至预设温度范围，该预设温度范围为50℃-55℃；在对沼气进行最后一级压缩换热时，将压缩换热后的沼气温度降至预设温度范围，该预设温度范围为38℃-42℃。

具体地，沼气膜提纯的压缩过程的冷却方式一般有两种：风冷或水冷。风冷是利用风扇排风来冷却，水冷即采用循环水换热器12换热的方式来冷却，此循环水一般为循环冷却水，温度一般为30℃。该实施例是将风冷与水冷设备同时配置，其中，水冷设备即水冷换热器12，风冷设备经风冷器13。每一级排出的沼气先经水冷换热器12再经风冷设备，水冷换热器12内换热介质为加热发酵罐所排出的部分循环热水(即循环热水的回水)，此部分循环热水被温度较高的沼气加热后与出水主管汇合回到热水锅炉。因此本实用新型中的水冷介质为循环热水的回水，为发酵工作常使用的加热介质，属于厂内就地取材的一种利用方式，这样省去了很多其它不必要的设备。

一般工况下，循环热水回水温度为45℃，此实用新型换热介质的进出温度分别是45℃和55℃。为防止压缩过程中温度过高，根据压力情况，沼气压缩过程中分多级进行，前几级沼气膜提纯系统排出的沼气经换热后温度需降至合理温度(如55℃)，最后一级经换热后进入风冷设备继续降至40℃后排出。这样，在保证合理的冷却温度的情况下起到热量回收的目的，回收的热量进入循环热水中，回收的热量可以减少沼气锅炉的沼气消耗。

如果压缩过程按三级进行，则工艺过程为部分循环热水回水经温度调节阀2与流量计3后分三路同时进入三台沼气-热水换热器12的管程，三台换热器12的壳程介质分别为三级压缩出来的沼气，为逆流换热，换热水温可升至55℃，沼气温度由100℃以上均降至55℃。因压缩后的沼气温度一般要求40～50℃，越低越好，因此最后一台换热器12的出口沼气温度通过风冷设备继续降至此范围。前两级换热器12后也设有风冷设备，其主要目的是备用，只有在换热器12出问题时才开启使用，平时不使用。如果为非三级压缩，则换热级数相应改变。

为了量化说明此工艺的效益，现按20000Nm3/d的沼气工程作为举例说明：

沼气压力由0.01～0.02MPag压缩至1.5MPag，进口温度按40℃。按此工况选择压缩单元11，压缩分三级，第一级由入口温度40℃升至127℃，第二、三级均由55℃升至144℃。第一级冷却换热由127℃冷至55℃，第二、三级冷却换热均由144℃冷至55℃，最后一级冷却至55℃后再由风冷设备进一步冷却至40℃排出，完成压缩与冷却过程。

经计算，采用上面的工艺方式，此三级换热过程中换热的水量分别为3.30t/h、4.03t/h、4.08t/h，一共回收的热量为4.43×105kJ/h，由风冷设备带走的热量为2.89×104kJ/h，若按沼气热值为20MJ/m3来考虑，则回收的热量相当于节省的沼气量为22.15m3/h，即531.6m3/d。此气量相当于增加了531.6/20000＝2.66％的沼气产量，如果从全厂沼气消耗方面对比，此规模的沼气厂所配的沼气锅炉沼气消耗量为253.7m3/h，回收的热量相当于节省了8.73％的沼气消耗。沼气价格各地区均不相同，若按1.5元/m3比较普遍的价格来计算，则每天可增加收益为797.4元。由于一般沼气工程整体利润不高，针对这种规模的沼气厂，增加的这部分收益在某种程度上还是比较理想的。

由于发酵原料及相关技术的关系，从发酵方面增加产量有时很难做到，因此，在生产中节约沼气消耗量显得尤为重要，从举例中可以看出，本实用新型工艺可以达到预期效果。

从上述方案可以看出本实用新型的具有如下有益效果：

1)、工艺合理——本实用新型利用厂内的现有条件直接换热，不设置循环冷却水设备，仅增加必要的自控设备，因此其工艺简单，自动化程度高；

2)、投资低——除了换热器12外，仅配置了必要的检测与控制仪表，因此总投资低；

3)、热回收率高——仅在最后一级需风冷设备来辅助降温，如按上述条件，则经计算热量回收率可达到93.9％；

4)、节约能耗——仅在最后一级风冷设备和温度调节阀2处有少量的电能消耗；

5)自动化程度高——设备开启后无需人工操作；

6)、设备占地省——所有的设备均为撬装化，节省了设备占地。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。