一种一体化净化与提纯沼气的装置及其工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及环保及可再生能源领域，一种一体化净化与提纯沼气的装置及其工，净化是为了去除沼气中的杂质，提纯是为了提高沼气的热值。一体化的净化与提纯工艺，操作简单，便于自动化控制，同时采用热交换原理，使整个系统更加节能环保，并且可以达到95%以上的提纯精度。本发明利用一种低温高压的环境，使得H2O、NH3、H2S和其他少量杂质首先达到冷凝点，以液态的形式分离处来实现了沼气的净化过程；随后随着温度的进一步降低，CO2也达到冷凝点以液态的形式分离出来，同时整个过程中，CH4一直保持气态，并与液态物质分离，实现了沼气的提纯过程。这两个串联的环节结合起来便实现了沼气净化与提纯的一体化。
【专利说明】一种一体化净化与提纯沼气的装置及其工艺
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及环保及可再生能源领域，特别是一种应用深冷分离技术将沼气净化与沼气提纯实现一体化的装置和方法。
[0003]【背景技术】
[0004]沼气是一种具有巨大发展潜力的、宝贵的绿色能源。沼气产生于不同的环境，如垃圾填埋场、污水污泥和生物废料中有机物质的厌氧发酵都可产生沼气，此外，农村产沼气的资源也十分丰富。沼气是可燃的混合气体，要成分是CH4、CO2,少量的H2S、H2、02、CO、N2等。
[0005]沼气的净化主要是对沼气中的H2S、H2O, CO2和卤化混合的去除，净化的目的是防止腐蚀设备等。沼气的提纯主要是对沼气中的CO2的去除，提纯的目的是为了提高沼气的热值。沼气净化和提纯可实现沼气资源的高效利用，使沼气可以替代石化燃气，用作车用燃料、分散居民小区供气或直接与天然气管网并网等。
[0006]沼气的净化提纯技术主要有物理吸收法、化学吸收法、变压吸附法、膜分离法和深冷分离法等。其中，物理吸收法是根据溶液在不同压力下对CO2的溶解度不同，利用加压吸收、减压再生的方式实现CO2的吸收与吸收液的再生；化学吸收法是指沼气中的CO2与溶剂在吸收塔内发生化学反应实现CO2的分离；变压吸附法是基于吸附单元操作利用不同气体组分在活性炭等吸附剂材料上的吸附特性差异实现不同组分的分离；膜分离法是在压力驱动下利用各气体组分在高分子膜表面上的吸附能力以及渗透速率差来进行分离。以上四种方法虽然已经得到广泛的关注和研究，但是目前上述四种工艺在实际中只应用于特大型的沼气工程，从经济效益角度分析`它们都不适合于大、中、小型的沼气工程，因此一种新型的可适用于大、中、小型沼气工程的沼气净化提纯技术的研发迫在眉睫。
[0007]相对比较起来，深冷分离法应用物理分离原理，不需外加化学试剂，整个净化提纯过程中几乎不产生废物，分离得到的CO2纯度高，可以进行再利用，属于一种非常环保的净化提纯工艺，特别适用于大、中型沼气工程。此外，应用深冷净化提纯技术得到的甲烷产品纯度高，并且如需进一步制取液化生物甲烷时，额外的能量需求相对其他方法来说更低。
[0008]
【发明内容】
[0009]本发明的目的是应用深冷分离工艺先净化沼气，再将净化后的沼气提纯，提高沼气中甲烷的含量，提高沼气的热值。
[0010]本发明的技术方案是:一种一体化净化与提纯沼气的装置，该装置包括沼气预处理过滤器、储气罐、空气压缩机、反应塔一、反应塔二、控制仪表一、控制仪表二、制冷系统一、制冷系统二、液体CO2贮存罐和沼气贮存罐；其中，所述沼气预处理过滤器与储气罐的一端连接，所述储气罐的另一端通过所述空气压缩机与所述反应塔一下端的第一进气口连接，所述反应塔一上端的出气口与所述反应塔二下端的第二进气口连接，所述反应塔一的底部设有CO2排出口，所述反应塔二上端的CH4排出口和沼气贮存罐连接，所述反应塔二底部的CO2排出口与所述液体CO2贮存罐连接，所述控制仪表一和制冷系统一均与所述反应塔一连接，构成第一步净化反应系统，所述控制仪表二和制冷系统二均与所述反应塔二连接，构成第二步提纯反应系统；所述反应塔一和反应塔二的内侧壁上均设置多个用于防止短流的导流板。
[0011]进一步，所述反应塔一和反应塔二外侧壁与所述导流板均采用能够承受高压、低温，并且耐腐蚀的不锈钢制成。
[0012]进一步，所述反应塔一和反应塔二内的压力均为15~25Bar。
[0013]进一步，所述反应塔一内的温度为-5~_15°C ;反应塔二内的温度为-35~_55°C。
[0014]本发明的另一目的是提供一种使用上述装置处理沼气的工艺，具体步骤如下: 步骤1.净化:将粗沼气经过沼气预处理过滤器的过滤后收集到储气罐中；储气罐中
的待处理的沼气在压力控制阀的控制下，保持稳定的压力进入空气压缩机中进行加压至15~25Bar，加压后的待处理沼气从第一进气口进入反应塔一内，开始沼气的净化过程；所述制冷系统一将反应塔一内的温度控制在_5'15°C，沼气在反应塔一内开始沿导流板由底部曲线上升，在温度和压力的影响，上升过程中H20、NH3> H2S和其他少量杂质冷凝成液态从反应塔一的底部分离出来，从排出口排出，实现净化过程；净化后的气体主要成分为CH4和CO2，从出气口排出进入提纯环节；
步骤2.提纯:净化后的气 体从反应塔二下端的进气口进入反应塔二中；制冷系统二将反应塔二内的温度控制在_35'55°C，同时反应塔二内压力在15~25Bar范围内，内开始沿导流板由底部曲线上升，由于温度和压力的作用使气体中的CO2达到冷凝点，上升过程中CO2由气态转变成液态，CH4始终保持气态，实现提纯过程；分离出来的液态CO2从反应塔二的底部的CO2排出口排出，并用液态CO2贮存罐贮存起来，CH4从反应塔二上端的CH4排出口排出，进入沼气贮存罐储存。
[0015]针对上述净化和提纯过程工艺条件的需求，分别设计了反应塔一和反应塔二，均采用能够承受高压、低温的材料，并带有专门的导流装置防止短流，导流板均采用能够承受高压、低温，并且耐腐蚀的材料制成。通过控制温度和压力，调节反应塔一和反应塔二的最佳停留时间，以达到最佳净化提纯效果。在反应塔一中，H2O, NH3> H2S和其他少量杂质由气态转变成液态，并排出反应塔，实现净化过程，反应塔一的出气主要为CH4和C02。在反应塔二中，CO2由气态转变成液态，CH4仍然为气态，达到气液分离的目的，从而实现纯化过程，反应塔二的出气主要为CH4，其纯度可以达到95%以上。
[0016]本发明采用物理方法，将沼气净化与提纯串联，实现了沼气净化与提纯的一体化，在保证甲烷纯度达到天然气质量标准的同时，也能获得纯净的C02，CO2可用于工业、食品冷藏等，几乎没有废物产生。
[0017]
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的一体化净化与提纯沼气的装置的逻辑结构框图。[0019]图2为本发明的一体化净化与提纯沼气的装置反应塔结构示意图。
[0020]图中:
1-沼气预处理过滤器、2-储气罐、3-空气压缩机、4-反应塔一、5-反应塔二、6-控制仪表一、7-控制仪表二、8-制冷系统一、9-制冷系统二、10-液体CO2贮存罐、11-沼气贮存罐，12-第一进气口、13-出气口、14-第二进气口、15-分离液排出口、16、CO2排出口、17_CH4排出口、18、导流板。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0022]如图1-2所示，本发明一种一体化净化与提纯沼气的装置，该装置包括沼气预处理过滤器1、储气罐2、空气压缩机3、反应塔一 4、反应塔二 5、控制仪表一 6、控制仪表二 7、制冷系统一 8、制冷系统二 9、液体CO2贮存罐10和沼气贮存罐11 ；
其中，所述沼气预处理过滤器I与储气罐2的一端连接，所述储气罐2的另一端通过所述空气压缩机3与所述反应塔一 4下端的第一进气口 12连接，所述反应塔一 4上端的出气口 13与所述反应塔二 5下端的第二进气口 14连接，所述反应塔一 4的底部设有分离液排出口 15，所述反应塔二 5上端的CH4排出口 17和沼气贮存罐11连接，所述反应塔二 5底部的CO2排出口与所述液体CO2贮存罐10连接，所述控制仪表一 6和制冷系统一 8均与所述反应塔一 4连接，构成第一步净化反应系统，所述控制仪表二 7和制冷系统二 9均与所述反应塔二 5连接，构成第二步提纯反应系统；所述反应塔一 4和反应塔二 5内均设置多个用于防止短流的导流板18。
[0023]粗沼气经过过滤后去除了部分杂质，且因为压力与温度的变化，部分H2O冷凝成液态分离出来。随后沼气进入储气罐，准备进行净化提纯，具体步骤如下:` 步骤1.净化:将粗沼气经过沼气预处理过滤器I的过滤后收集到储气罐2中；储气罐2中的待处理的沼气在压力控制阀的控制下，保持稳定的压力进入空气压缩机3中进行加压至15~25Bar，加压后的待处理沼气从第一进气口 12进入反应塔一 4内，开始沼气的净化过程；所述制冷系统一 8将反应塔一 4内的温度控制在_5'15°C，沼气在反应塔一 4内开始沿导流板18由底部曲线上升，在温度和压力的影响，上升过程中H20、NH3、H2S和其他少量杂质冷凝成液态从反应塔一 4的底部分离出来，从分离液排出口 15排出，实现净化过程；净化后的气体主要成分为CH4和CO2,从出气口 13排出进入提纯环节；
步骤2.提纯:净化后的气体从反应塔二 5下端的进气口 14进入反应塔二 5中；制冷系统二 9将反应塔二 5内的温度控制在-35'55°C，同时反应塔二 5内压力在15~25Bar范围内，内开始沿导流板18由底部曲线上升，由于温度和压力的作用使气体中的CO2达到冷凝点，上升过程中CO2由气态转变成液态，CH4始终保持气态，实现提纯过程；分离出来的液态CO2从反应塔二 5的底部的CO2排出口 16排出，并用液态CO2贮存罐10贮存起来，CH4从反应塔二上端的CH4排出口 17排出，进入沼气贮存罐11储存，可进一步利用，作为制冷剂、气
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[0024]提纯后得到的气体主要成分为CH4,纯度可到达95%以上，从反应塔二顶部的CH4出口排出，并用沼气贮存罐贮存起来，可进一步压缩制成液态生物甲烷，或直接使用。
【权利要求】
1.一种一体化净化与提纯沼气的装置，其特征在于，该装置包括沼气预处理过滤器(I)、储气罐(2 )、空气压缩机(3 )、反应塔一(4)、反应塔二( 5 )、控制仪表一(6 )、控制仪表二(J)、制冷系统一(8)、制冷系统二(9)、液体CO2贮存罐(10)和沼气贮存罐(11); 其中，所述沼气预处理过滤器(I)与储气罐(2)的一端连接，所述储气罐(2)的另一端通过所述空气压缩机(3 )与所述反应塔一(4 )下端的第一进气口( 12 )连接，所述反应塔一(4)上端的出气口(13)与所述反应塔二(5)下端的第二进气口(14)连接，所述反应塔一(4)的底部设有分离液排出口(15)，所述反应塔二(5)上端的CH4排出口(17)和沼气贮存罐(11)连接，所述反应塔二(5)底部的CO2排出口( 16)与所述液体CO2贮存罐(10)连接，所述控制仪表一(6)和制冷系统一(8)均与所述反应塔一(4)连接，构成第一步净化反应系统，所述控制仪表二(7)和制冷系统二(9)均与所述反应塔二(5)连接，构成第二步提纯反应系统；所述反应塔一(4)和反应塔二(5)内侧壁上均设置多个用于防止短流的导流板(18)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应塔一(4)和反应塔二(5)外侧壁与所述导流板(18)均采用能够承受高压、低温，并且耐腐蚀的不锈钢制成。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应塔一(4)和反应塔二(5)内的压力均为15~25Bar。
4.如权 利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应塔一(4)内的温度为_5'15°C;反应塔二(5)内的温度为-35~-55°C。
5.一种使用权利I所述的装置处理沼气的工艺，其特征在于，具体步骤如下: 步骤1.净化:将粗沼气经过沼气预处理过滤器(I)的过滤后收集到储气罐(2)中；储气罐(2)中的待处理的沼气在压力控制阀的控制下，保持稳定的压力进入空气压缩机(3)中进行加压至15~25Bar，加压后的待处理沼气从第一进气口(12)进入反应塔一(4)内，开始沼气的净化过程；所述制冷系统一(8)将反应塔一(4)内的温度控制在_5'15°C，沼气在反应塔一(4)内开始沿导流板(17)由底部曲线上升，在温度和压力的影响，上升过程中H20、NH3、H2S和其他少量杂质冷凝成液态从反应塔一(4)的底部分离出来，从分离液排出口(15)排出，实现净化过程；净化后的气体主要成分为CH4和CO2，从出气口(13)排出进入提纯环节; 步骤2.提纯:净化后的气体从反应塔二(5)下端的进气口(14)进入反应塔二(5)中；制冷系统二(9)将反应塔二(5)内的温度控制在_35'55°C，同时反应塔二(5)内压力在15^25Bar范围内，内开始沿导流板(18)由底部曲线上升，由于温度和压力的作用使气体中的CO2达到冷凝点，上升过程中CO2由气态转变成液态，CH4始终保持气态，实现提纯过程；分离出来的液态CO2从反应塔二(5)的底部的CO2出口(16)排出，并用液态CO2贮存罐(10)贮存起来，CH4从反应塔二上端的CH4出口(17)排出，进入沼气贮存罐(11)储存。
【文档编号】C10L3/10GK103695062SQ201310714538
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】李子富, 王雪梅, 程世昆, 高瑞玲, 尹福斌 申请人:北京科技大学