一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，属于石油化工领域。该分 离工艺利用一级二段膜分离单元联产低品位城市燃气和车用高端压缩天然气，利用催化燃 烧装置转化尾气中残余的甲烷，并通过热量回收系统副产热水和中压蒸汽，从而绿色环保 地实现了沼气资源的多元化利用。
【背景技术】
[0002] 由于能源消费量的急剧增加，以及能源结构的优化调整，天然气在我国能源消费 中的比重不断上升。2009年，天然气在我国能源消费中的比重只有3. 8%，根据"十二五"的 能源消费结构调整目标，2015年这一比重将提高至8. 3%。寻找非化石来源的天然气替代 品，是实现这一目标急需解决的问题。目前，我国每年排放的城市垃圾超过3亿吨、人畜粪 便（含水）约40亿吨、焚烧浪费的作物秸杆超过3亿吨。将这些生物质高效转化可获得约 2000亿立方米生物甲烷，是我国2010年天然气开采量的2倍。显然，合理开发利用生物质 资源，将其转化为生物甲烷，是我国推进能源结构优化调整的重要助力。此外，根据哥本哈 根协议，非化石能源占我国一次能源消费的比重，也将由2009年的8. 3%提高至2020年的 15.0%。生物质能的合理利用在此过程中也将扮演非常重要的角色。
[0003] 进入新世纪，我国平均每年投入到沼气工程的资金超过50亿元。截至2011年 底，农村户用沼气池已超过4千万座，中大型沼气工程超过2. 7万套，并分别以每年15%和 27%的增长率继续发展。总体上，我国沼气工程的产能达到了千亿立方/年的巨大规模，如 果能够合理利用这些项目，对我国能源消耗的结构优化调整具有重要作用。
[0004] 虽然前景非常壮观，但占据沼气工程绝大部分产能的农村户用沼气池给这些资源 的合理利用提出了挑战。目前，我国农村的户用沼气和小型养殖场沼气的应用方式主要是 自给自足，提供家用燃气。虽然普遍存在严重的沼气过剩现象，但由于这些沼气产能具有小 规模、大波动和分散式生产的特点，难以与工业天然气的需求直接挂钩。不仅如此，甲烷是 一种温室气体效应非常大的气体，其GWP值是二氧化碳的25倍。全国零散沼气池浪费的甲 烷量，基本上都直接逸散至大气中，相当于每年排放二氧化碳3. 6亿吨。
[0005] 通过发酵得到的生物气，主要含有甲烧（~50mol% )、二氧化碳（~45mol% )、 饱和的水蒸汽（~3% )和少量空气（〈1% )，以及硫化氢（50~1000 ppm)。农村的零散沼 气池的过剩产能，通过分离提纯深加工，每年可以至少产出70亿立方的高品位天然气，比 如车用压缩天然气，其直接经济效益超过20亿元。显然，合理的分离提纯工艺对生物甲烷 的产业化至关重要。
[0006] 目前，常见的沼气分离提纯工艺有吸收、吸附和深冷分离等传统技术，以及新兴的 气体膜分离技术。考虑到我国农村的户用沼气和小型养殖场沼气的小规模、大波动和分散 式生产的特点，传统技术由于规模适应性和操作灵活性不足，难以适应这类沼气生产模式。 气体膜分离技术具有操作方便、能耗低、设备占地面积小、等优点，更适合零散的农村户用 沼气装置和中小型养殖场沼气工程。
[0007] 尽管如此，目前已开发的以及大多数在研的膜分离沼气提纯工艺，其生产目标往 往立足于生产高品位天然气比如，车用压缩天然气，一方面，生产的灵活性不够，难以适应 农村户用沼气和小型养殖场沼气的特性，且不适合乡镇能源市场对民用低品位燃气与车用 高品位压缩天然气的需求特征；另一方面，分离成本偏高，不利于小规模生产过程的投资和 资金运作模式。因此，进一步提高生产灵活性、减少沼气深加工生产费用，成为继续发展膜 分离沼气提纯工艺的关键点。除此之外，沼气提纯工艺副产含少量甲烷的尾气，根据工艺不 同，其含量通常在1~5mol %之间波动，通过工艺改进避免甲烷损失对环境造成的不利影 响，也是继续发展膜分离沼气提纯工艺必须考虑的问题。
[0008] 综上所述，我国农村户用沼气和小型养殖场沼气的深加工利用，亟需开发能够实 现绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，在提高资源利用率、降低分离能耗和分离成本的 同时，避免环境污染。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺。该工艺利用一 级二段膜分离单元联产低品位城市燃气和车用高端压缩天然气，利用催化燃烧装置转化尾 气中残余的甲烷，并通过热量回收系统副产热水和中压蒸汽，从而实现沼气资源的绿色环 保利用和多元化利用。有效避免了现有甲烷提纯工艺面临的问题：生产灵活性低、能耗较 高、不满足乡镇能源市场需求、不适合中小规模沼气工程。
[0010] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
[0011] 一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，
[0012] 在预处理系统1中，沼气经压缩机Ia增压、除杂装置Ib脱除固体颗粒和液雾，经 换热器Ic升温至膜组件的操作条件，进入膜分离系统2 ;
[0013] 在膜分离系统2中，预处理系统1输出的沼气进入一段膜分离器2a，渗透侧为含少 量甲烷的二氧化碳，进入催化燃烧系统3 ;渗余侧产出低品位民用燃气，经分流器2b分流， 一部分输出作为产品进入城镇燃气管网，其余部分进入二段膜分离器2c ;在二段膜分离器 2c渗余侧生产出满足车用压缩天然气的产品，指标GB18047-2000,渗透侧为甲烷含量较高 的富二氧化碳循环气，返回预处理系统1中的沼气经压缩机Ia进口。
[0014] 在催化燃烧系统3中，一段膜分离器2a的渗透侧气体进入脱硫器3a ;脱硫后的气 体和空气一起进入混合器3b，然后进入换热器3c升温到着火点，在催化燃烧反应器3d中催 化转化；反应器3d输出的高温尾气，在换热器3f中回收高温热量，产出5. OMPa中压蒸汽， 在换热器3c中加热催化燃烧反应的原料，将温度提高至着火点，在换热器3e中回收低温热 量，产出70~90°C热水，在预处理系统1中的换热器Ic中回收低温热量，使沼气温度达到 40 ~80°C。
[0015] 所述一段膜分离器2a渗余气的甲烷含量为80~90mol%，二段膜分离器2c渗余 气