生物气提纯精制天然气方法与流程

本发明涉及一种精制天然气方法，尤其是涉及一种生物气提纯精制天然气方法，属于气体燃料技术领域。

背景技术：

生物气可以有许多来源，如市政或工业废水的厌氧消化，生物质在填埋场降解，或将废物和生物质气化。近年来，随着厌氧技术在工业废水处理、城市污泥消化、农业废弃物处理和垃圾处理等领域的广泛应用，我国大中型沼气工程的建设取得了长足发展。生物沼气或堆埋气的有效成分主要是甲烷。但这类气体通常含有大量杂质，如co2,h2o,n2,o2,h2s和其他微量挥发性有机杂质（voc）。

沼气精制技术通过净化、提纯和调制等过程，将沼气加工制成高品质的生物天然气（bng），从而并入天然气网，用作汽车燃料或用作生产氢气的原料等。因此大大提高沼气能量密度，利于拓展沼气的高值利用方式。在沼气资源丰富的地区，选择精制沼气作为天然气的替代和补充将是发展可再生能源的战略性选择。

由于环保等原因，国家对天然气的品质要求越来越严格。国家标准个gb17820-2012对天然气的品质提出了更高的要求。其中，一类气气质指标高位发热两由原来〉31.4mj/m3提高到36mj/m3,co2由≤3.0%提高到≤2.0%，总硫由≤100mg/m3提高到≤60mg/m3。

上述指标也意味着对生物气提纯工艺及过程提出了更高的要求。目前生物气提纯普遍使用的方法包括变压/变温吸附法，低温冷冻法，膜分离以及物理或化学溶剂吸收洗涤法。由于杂质的高含量及多样性，沼气/填埋气的净化工艺通常是高投资及高能耗。因此发明一种低能耗并经济可行的新工艺是很重要的。

技术实现要素：

本发明提供了一种能耗低且经济可行的生物气提纯精制天然气方法。

为了实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种生物气提纯精制天然气方法，包括二级以上变压吸附，上一级变压吸附得到中间产品气直接或经压缩后进入下一级变压吸附，每级变压吸附尾气一部分回流至上一级变压吸附产品端作为解析气，另一部分进行尾气处理，每级变压吸附产品被回流至所述原料压缩入口，每级变压吸附均采用两个以上吸附床。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，包括二级变压吸附，具体步骤如下：生物气经第一级压缩单元a压缩升压后进入第一级变压吸附单元b将生物气进行第一次分离，第一级变压吸附单元b产品端一部分气流会回流至第一级压缩单元a入口，另一部分中间产品气13进入第二级压缩单元c，或直接进入第二级变压吸附单元d，第一级变压吸附单元b的一部分尾气20进入尾气处理单元f，另一部分尾气回流至第一级压缩单元a入口；第二级变压吸附单元产生的第二级尾气经第二级真空单元e加压，一部分气流回流至第一级变压吸附单元b的产品端用做解析气，另一部分气流与第一级变压吸附单元b的部分尾气一起进入尾气处理单元f，第二级变压吸附单元b产品端一部分气也会回流至第一级压缩单元a入口。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，其还包括第一级真空处理，具体如下：第一级变压吸附单元b的第一级尾气进入第一级真空单元k加压，第一级真空单元k的出口气分成两股，一部分尾气进入尾气处理单元f，另一部分尾气回流至第一级压缩单元a入口。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，其还包括脱硫处理，生物气进入脱硫装置g处理然后第一级压缩单元a。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，其还包括脱硫处理，第一级变压吸附单元b的第一级尾气进入第一级真空单元k加压然后进入脱硫装置g处理，脱硫处理后的气体分成两股，一部分尾气进入尾气处理单元f，另一部分尾气回流至第一级压缩单元a入口。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，包括三级变压吸附，具体步骤如下：生物气经第一级压缩单元a压缩升压后进入第一级变压吸附单元b将生物气进行第一次分离，分离得到的中间产品气进入第二级压缩单元c加压后气体直接进入第二级变压吸附单元d，第二级变压吸附单元d得到的产品气直接进入第三级变压吸附单元h;第一级变压吸附单元b的一部分尾气进入尾气处理单元f，另一部分尾气回流至第一级压缩单元a入口；第二级变压吸附单元产生的第二级尾气经第二级真空单元e加压，一部分气流回流至第一级变压吸附单元b的产品端用做解析气，另一部分气流与第一级变压吸附单元b的部分尾气一起进入尾气处理单元f，第二级变压吸附单元b产品端一部分气22也会回流至第一级压缩单元a入口;第三级吸附单元h的产品气为最终产品,尾气与第二级变压吸附单元共同享用第二级真空单元e,部分尾气在无需进入第二级真空单元e而直接引入第二级吸附单元d作为解析气。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，每级变压吸附均采用两个吸附床,在一个工艺循环周期中一个吸附床包括以下步骤：吸附，向上均压，解析，向下均压，升压；在一个工艺循环周期中另一个吸附床包括以下步骤：解析，向下均压，升压，吸附，向上均压，解析。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，进入第一级变压吸附之前生物气流被压缩至3至7个大气压的压力，且生物气流可以在压缩前将硫化氢含量脱除至50ppm以下；中间产品气13在进入所述第二吸附单元前先进一步压缩至7-15个大气压。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，附剂床吸附剂为硅胶、活性氧化铝、活性碳、碳分子筛、沸石、x型沸石分子筛或y型沸石分子筛。

上述生物气提纯精制天然气方法优选方案，原料生物气中甲烷摩尔含量为45–70%.co2含量30-50%,氮气含量0.1-20%。

本发明的优点在于：

1.由于尾气中硫化氢的含量大大高于原料气，流量大大低于原料气，且本发明方法为低压，这一设计将减少脱硫装置的设备大小及投资。

2.去除了传统变压吸附气体分离技术需要的昂贵的脱硫及其它杂质的预处理单元，减化了流程的复杂程度。

3.最大限度地允许操作变压吸附过程在最低的压力下发生，降低了原料压缩及真空泵功率消耗。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例1的原理示意图。

图2为本发明实施例2的原理示意图。

图3为本发明实施例3的原理示意图。

图4为本发明实施例4的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1，生物气提纯精制天然气系统包括第一级压缩单元a、第一级变压吸附单元b、第二级压缩单元c、第二级变压吸附单元d、第一级真空单元k、第二级真空单元e和尾气处理单元f，其中第一级变压吸附单元b入口通过管线12连接第一级压缩单元a气体出口，第一级压缩单元a气体入口通过进气管线11输入生物气，第二级变压吸附单元d进口连接第二级压缩单元c，第二级压缩单元c入口连接第一级变压吸附单元b出口，第二级变压吸附单元d出口分为产品端口、气体排空端口和尾气端口，尾气端口连接第二级真空单元e入口，第二级真空单元e一个出口连通第一级变压吸附单元b，第二级真空单元e另一个出口连通第一级压缩单元a入口，第二级真空单元e还有一个出口连接尾气处理单元f。

利用上述系统进行生物气提纯精制天然气方法，具体步骤如下：生物气来自上游堆埋气捕集系统或厌氧发酵系统，生物气通过进气管线11送入第一级压缩单元a升压，压缩后的气体经管线12进入第一级变压吸附单元b，第一级变压吸附单元b将原料气进行第一次分离，第一级变压吸附单元b产品端一部分气流23会回流至第一级压缩单元a入口，另一部分中间产品气13进入第二级压缩单元c，或直接进入第二级变压吸附单元d，第一级变压吸附单元b的尾气16进入第一级第一级尾气真空系统k加压，第一级真空单元k的出口气33分成两股，一部分尾气20进入尾气处理单元f，另一部分尾气21可回流至压缩机a入口；第二级变压吸附单元产生的第二级尾气17经第二级真空单元e加压，一部分气流18回流至第一级变压吸附单元b的产品端用做解析气，另一部分气流19与第一级变压吸附单元b的部分尾气20一起进入尾气处理单元f处理得到的产品气26符合最终管道或车用天然气甲烷浓度及产品组成，第二级变压吸附单元b产品端一部分气22也会回流至第一级压缩单元a入口。

本实施例中，第一级变压吸附单元b的尾气16也可不需抽真空而直接连接气流33。

本实施例中，第一级压缩单元a操作压力至3-7个大气压，第二级变压吸附单元操作压力一般为6-15个大气压。

本实施例中，如果进入尾气处理单元f的混合尾气25已经达到环保防空要求，尾气处理单元f可以是一放空装置，否则尾气处理单元f必须将其中的污染物进行化学转化，使所有有害杂质含量降低到环保要求再进行放空。

本实施例中，第一级变压吸附单元b包括两个或更多个吸附床，为多层的变压吸附（psa）或真空变压吸附（vsa）系统，用于除去水，非甲烷有机化合物，硫化氢，部分二氧化碳和部分氮气。

本实施例中，第二级变压吸附单元d包括两个或多个吸附床的真空变压吸附系统（vsa）。每一吸附床由多层吸附剂组成，用以实现二氧化碳，氮和氧的脱除以达到产品要求。

本实施例中，吸附床吸附剂选择可以是硅胶、活性氧化铝、活性碳、碳分子筛、沸石、x型沸石分子筛或y型沸石分子筛。

本发明工作原理：一部分来自第一级变压吸附单元b和第二级变压吸附单元d产品端的气流被循环回到第一级压缩单元a入口，一部分尾气也循环回到第一级压缩单元a入口，另外，一部分来自第二吸附单元的解析气经第二级真空单元e回流反馈到第一级变压吸附单元b的产品端作为解析吹扫气用来更高效的实现第一级变压吸附单元b吸附床的再生。由于第二级真空单元e只作用于第二级变压吸附单元d尾气，第一级尾气真空系统k不是必须的，第一级变压吸附单元b尾气可能在常压解析，因此真空泵的容量及能耗降低，从而降低了真空系统的投资，同时实现高的天然气甲烷的回收率。

采用aspen仿真软件，本实施例与传统设计的性能进行模拟及对比，结果如下：

表一

通过上述结果可以看到本发明与传统的高压两级系统相比，能耗大大降低。

实施例2

图2与图1所示系统不同之处在于：其还包括一个脱硫装置g，脱硫装置g置于第一级压缩单元a上游，当原料其中硫化氢浓度较高时，脱硫装置g将首先把硫化氢除去。原料气中硫化氢含量范围0.01-1%。经过脱硫装置g后总硫含量降低至≤10毫克/立方米。

利用上述系统进行生物气提纯精制天然气方法与实施例一的不同之处在于：生物气先经过脱硫装置g进行脱硫处理，然后进入第一级压缩单元a以及变压吸附单元b。

脱硫装置g合适的脱硫技术可以是干法或湿法脱硫，例如由mi，llc制造的sulfatreat脱硫技术，或者是山东恒能环保能源设备有限公司的碳酸钠溶剂吸收湿法技术。

本实施例的系统及方法可以用于垃圾堆埋气提纯制取管道天然气。

实施例3

图3与图2所示系统不同之处在于：脱硫装置g的位置，本实施例中脱硫装置g被放置于第一级变压吸附单元b的第一级尾气真空系统k的下游。由于第一级变压吸附单元b的尾气16中硫化氢的含量大大高于原料气，流量大大低于原料气，且系统为低压。这一设计将减少脱硫装置g的设备大小及投资。例如，针对表一中的原料气。如果原料气中硫化氢含量为0.1%，采用本实施例方法脱硫装置g应被置于第一级变压吸附单元b的第一级尾气真空系统k的下游。相比于脱硫装置g置于第一级压缩单元a前（实施例2），计算表明脱硫设备投资可节约30%。

利用上述系统进行生物气提纯精制天然气方法与实施例的不同之处在于：第一级变压吸附单元b的第一级尾气16进入第一级真空单元k加压然后进入脱硫装置g处理，脱硫处理后的气体27分成两股，一部分尾气20进入尾气处理单元f，另一部分尾气21回流至第一级压缩单元a入口。

实施例4

图4与图2所示系统的最主要区别在于：增加了第三级变压吸附单元h，本方案中脱硫装置g被放置于第一级变压吸附单元b的第一级尾气真空系统k的下游。

利用上述系统进行生物气提纯精制天然气方法,具体步骤如下：生物气经第一级压缩单元a压缩升压后进入第一级变压吸附单元b将生物气进行第一次分离，分离得到的中间产品气13进入第二级压缩单元c加压后气体直接进入第二级变压吸附单元d，第二级变压吸附单元d得到的产品气16直接进入第三级变压吸附单元h;第一级变压吸附单元b的一部分尾气20进入尾气处理单元f，另一部分尾气21回流至第一级压缩单元a入口；第二级变压吸附单元产生的第二级尾气17经第二级真空单元e加压，一部分气流18回流至第一级变压吸附单元b的产品端用做解析气，另一部分气流19与第一级变压吸附单元b的部分尾气20一起进入尾气处理单元f，第二级变压吸附单元b产品端一部分气22也会回流至原料压缩机a入口;第三级吸附单元h的产品气15为最终产品,尾气与第二级变压吸附单元共同享用第二级真空单元e,部分尾气29在无需进入第二级真空单元e而直接引入第二级吸附单元d作为解析气。

第三级吸附单元h可包括两个或多个吸附床的真空变压吸附系统（vsa）。每一吸附床由多层吸附剂组成，用以实现二氧化碳，氮和氧最终脱除以达到产品要求。吸附床吸附剂选择可以是硅胶、活性氧化铝、活性碳、碳分子筛、沸石、x型沸石分子筛或y型沸石分子筛。

本实施例的工作原理：一部分来自第一级变压吸附单元b、第二级变压吸附单元d和第三变压吸附单元h产品端的气流被循环回到第一级压缩单元a入口。第一级变压吸附单元b的一部分尾气也循环回到第一级压缩单元a入口。，另外，一部分来自第二吸附单元的解析气经第二级真空单元e回流反馈到第一级变压吸附单元b的产品端作为解析吹扫气用来更高效的实现第一级变压吸附单元b吸附床的再生。由于真空系统只作用于第二级变压吸附单元d和第三变压吸附单元h，第一级变压吸附单元b可能在常压解析，因此真空泵的容量及能耗降低。从而降低了真空系统的投资，同时实现高的天然气甲烷的回收率。

上述实施案例中尾气单元f可以是直接排空装置。如果尾气中硫化氢，甲烷，或其他非甲烷烃含量高于排放标准，则尾气单元f应包括一焚烧装置，该焚烧装置可以是催化型焚烧反应炉或高温焚烧炉。该焚烧装置必须将如果尾气中硫化氢，甲烷，或其他非甲烷烃转换为co2,so2和h2o,然后再排空。

采用本实施例描述的三级变压吸附方式，aspen仿真结果显示表一工况原料气压缩机总电耗降至495千瓦，真空泵总电耗降至100，甲烷回收率提高至99%。如果是同样的压缩机及真空泵总电耗，则最终产品气甲烷纯度可达到98.7%。

上述各个实施例中，原料生物气中甲烷摩尔含量为45–70%.co2含量30-50%,氮气含量0.1-20%。原料生物气进入第一级变压吸附之前首先被压缩至3至7个大气压。原料气可以在压缩前将硫化氢含量脱除至50ppm以下；中间产品气13在进入所述第二吸附单元前先进一步压缩至7-15个大气压。

上述各个实施例中，在一个工艺循环周期中一个吸附床包括以下步骤：吸附，向上均压，解析，向下均压，升压；在一个工艺循环周期中另一个吸附床包括以下步骤：解析，向下均压，升压，吸附，向上均压，解析。其中向上均压工艺过程为：两个不同压力的吸附床从顶部联通，高压塔压力降低，低压塔压力升高，两个塔达到压力平衡;向下均压工艺过程为：两个塔从塔底联通，实现压力平衡;升压工艺过程为：塔从低压状态到高压状态。此工艺过程均为本领域技术人员熟知的现有技术，不再赘述。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。