本实用新型属于沼气处理技术领域，涉及一种沼气脱碳净化装置，具体为一种用于沼气脱碳的气体膜分离装置。
背景技术：
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能源短缺和气候变暖是世界各国所面临的严峻问题。生物质能原料来源广泛，资源储量丰富，是全球第四大能源，也是我国重点鼓励发展的新能源。沼气是生物质原料经厌氧发酵产生的以甲烷（CH4）为主要成分的燃气，作为一种清洁能源，受到越来越多人的重视，对低碳环保、改善空气质量、降低用能成本都具有很大的意义，是未来持续能源的重要部分之一。
沼气是多种气体的混合物，主要成分是甲烷（CH4）50%～70%和二氧化碳（CO2) 30%～50%。高CO2含量严重影响沼气的品质和应用价值。未经纯化的沼气，能量密度低，热值一般在2.1×107～2.8×107 J /m3，长期以来作为民用燃料使用，如取暖、炊事等。沼气经净化脱碳后热值升高( 3.3 ×107～3.8 ×107 J /m3 )，几乎与天然气无异，可用作化工原料、燃料电池、车用燃料，也可用于热电联产或进入天然气管网取代天然气。沼气脱碳提纯利用不仅能极大地降低碳排放量对温室效应的影响，还能通过能量的回收替代传统能源，具有理想的碳减排效益。目前我国沼气产量已达160亿m3 左右，如经提纯可取代全国天然气消费量的13% 左右。沼气脱碳纯化后替代天然气是沼气利用的重要发展方向。
用于CO2/CH4分离的方法大致上可以分为物理/化学吸收法、变压/温吸附法、膜分离法等，各种技术各有其优缺点。变压吸附技术的优点是提纯效率高，能耗较低，但过程控制较为复杂，甲烷损失较大；吸收技术的吸收能力强，甲烷损失小，缺点是吸收剂再生过程操作复杂；膜分离技术处理单元结构简单，过程易操作，但是目前可用的膜材料不多，甲烷损失较大；低温分离技术的提纯效率高，易直接得到液化甲烷，缺点是能耗高。高压水洗工艺运行成本较低，但设备昂贵。
膜分离法是20 世纪70 年代出现的气体分离新技术，原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力，以及在膜内溶解、扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离，具有装置简单、占地面积小、操作方便、能耗低等优点。虽然CO2膜分离法与其他分离方法相比有显著优势。如，无相变、能耗低，无需使用溶剂，无二次污染，环境友好；分离装置简单，快速模块式安装，操作方便，能量消耗低，投资费用低(成本比吸收法低25%左右)，是发展迅速的节能型CO2分离技术。但现阶段膜材料对CO2/CH4的分离度还不是很高，CO2/CH4选择系数一般为30~50，如果要使分离后CO2含量达到天然气标准（≯3%），会有5%～10%的CH4损失(甚至更高)。由于CH4的温室效应是CO2的20倍，含CH4的CO2尾气处置是亟需解决的问题。由于沼气生产受多种因素的影响，沼气成分的波动很大，常规膜分离装置运行稳定性差，难以保证脱碳气的气质水平稳定。
技术实现要素：
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一、要解决的技术问题
本实用新型的目的是适应农村沼气工程沼气脱碳提纯利用需求，采用现有已量产的通用聚酰亚胺中空纤维膜材料，针对其分离特性，和沼气成分波动大，常规膜分离装置运行稳定性差，脱碳气中残留CO2含量高，CH4损失高等问题，提供一种用于沼气脱碳净化的膜分离装置，以实现沼气的高效脱碳。
二、技术方案
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种用于沼气脱碳净化的膜分离装置，包括供气系统、膜分离系统、尾气处理系统。所述供气系统包括沼气压缩机1、缓冲罐2和稳压器3；所述沼气压缩机1与缓冲罐2相连，缓冲罐2与稳压器3相连，稳压器3出口接膜分离系统的第一级膜组件4的原料气入口；所述膜分离系统包括串联的三级膜组件分离单元；所述膜组件由不锈钢外壳和封装在内部的聚酰亚胺中空纤维丝构成，外壳由原料气入口，非渗透气出口和渗透气出口；所述膜分离系统的第一级膜组件4的原料气入口接供气系统的稳压器3的出口，渗透气出口接自动流量调节器5和CH4/CO2检测器6后进尾气处理系统的尾气收集罐15，非渗透气出口直接与第二级膜组件7的原料气入口连通；所述膜分离系统的第二级膜组件7的原料气入口接第一级膜组件4的非渗透气出口，第二级膜组件的渗透气出口接自动流量调节器8和CH4/CO2检测器9后进尾气处理系统的回流气储罐23，非渗透气出口直接与第三级膜组件10的原料气入口连通；所述膜分离系统的第三级膜组件10的原料气入口接第二级膜组件7的非渗透气出口，非渗透气出口接自动流量调节器11和CH4/CO2检测器12，渗透气出口接自动流量调节器13和CH4/CO2检测器14后进尾气处理系统的回流气储罐23；所述尾气处理系统包括尾气回收单元和回流单元，所述尾气回收单元包括尾气收集罐15、增压机16与缓冲罐17、尾气回收膜组件18、自动流量调节器19/21、CH4/CO2检测器20/22；所述尾气回收膜组件18的结构与膜分离系统的膜组件相同；所述尾气收集罐15入口接膜分离系统的第一级膜组件5的渗透气出口，出口接增压机16；所述增压机16出口接缓冲罐17；所述尾气回收膜组件18的原料气入口接尾气缓冲罐15，渗透气出口接自动流量调节器19和CH4/CO2检测器20，非渗透气出口接自动流量调节器19和CH4/CO2检测器20后接回流气储罐23的入口；所述尾气回流单元包括回流气储罐23、增压机24，所述回流气储罐23的入口分别与膜分离系统的第二级膜组件7的渗透气出口、第三级膜组件10的渗透气出口和尾气处理系统的膜组件18的非渗透气出口连通，所述回流气储罐23的出口接增压机24；所述增压机24的入口接回流气储罐23，所述增压机24的出口与供气系统的缓冲罐2的入口相连。
三、本实用新型的有益效果
本实用新型提供的一种用于沼气脱碳净化的膜分离装置具有以下优点：
(1)压力是气体膜分离的驱动力和重要操作调节因子，设置具有缓冲和稳压作用的供气系统，避免了沼气压缩机增压过程中压力波动对系统的扰动，确保装置的稳定运行。
(2)膜分离系统入口压力恒定后，膜组件渗透气和非渗透气的流量和流量比就是影响系统分离效果的主要操作调节因子。设置自动流量调节器和CH4/CO2检测器，通过对出口气的监测反馈实时调节流量和流量比，确保分离效果。
(3)本实用新型提供的一种用于沼气脱碳净化的膜分离装置针对现有已量产的通用聚酰亚胺中空纤维膜材料的分离特性，实现沼气的高效脱碳。沼气经本实用新型提供的一种用于沼气脱碳净化的膜分离装置可获得CO2含量小于3%的生物天然气，同时可回收CH4含量小于1%的CO2气。解决了现有商用膜材料的CO2/CH4的分离选择性较低，沼气成分波动大，常规膜分离装置运行稳定性差，脱碳气中残留CO2含量高，CH4损失高等问题。
附图说明：
图1为本实用新型一种用于沼气脱碳净化的膜分离装置的示意图。
图中：1、沼气压缩机；2、缓冲罐；3、稳压器；4、第一级膜组件；5、第一级膜组件渗透气自动流量调节器；6、第一级膜组件渗透气CH4/CO2检测器；7、第二级膜组件；8、第二级膜组件渗透气自动流量调节器；9、第二级膜组件渗透气CH4/CO2检测器；10、第三级膜组件；11、第三级膜组件非渗透气自动流量调节器；12、第三级膜组件非渗透气CH4/CO2检测器；13、第三级膜组件渗透气自动流量调节器；14、第三级膜组件渗透气CH4/CO2检测器；15、尾气收集罐；16、尾气增压机；17、尾气缓冲罐；18、尾气回收膜组件；19、尾气回收膜组件渗透气自动流量调节器；20、尾气回收膜组件渗透气CH4/CO2检测器；21、尾气回收膜组件非渗透气自动流量调节器；22、尾气回收膜组件非渗透气CH4/CO2检测器；23、回流气储罐；24、回流气增压机。
具体实施方式：
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。
来自沼气站的脱硫、脱水的沼气经沼气压缩机1压缩后，先进入缓冲罐，再经稳压器恒压均匀进入膜分离系统的第一级膜组件4进行分离，透过第一级膜组件的气体进入尾气收集罐15，未透过的气体进入第二级膜组件7进行分离；透过第二级膜组件的气体进入回流气储罐23，未透过的气体进入第三级膜组件10进行分离，由此分离出高纯度的脱碳气（CO2含量小于3%的生物天然气）；透过第三级膜组件的气体进入回流气储罐23；回流至压缩机1，进入膜分离脱碳装置；进入尾气收集罐的气体经增压机16、缓冲罐17后恒压均匀进入尾气回收膜组件回收CH4，透过尾气回收膜组件的气体中CH4含量降低至小于1%，分离出高纯度CO2，未透过的气体进入回流气储罐23；进入回流气储罐的气体经增压机24回流至供气系统缓冲罐2。本实用新型一种用于沼气脱碳的气体膜分离装置在运行过程中，通过设置在各膜组件出口的CH4/CO2检测器实时监测各膜组件非渗透气和渗透气CH4/CO2含量，借助自动流量调节器通过监测数据实时反馈控制调节非渗透气和渗透气流量大小和流量比，从而自动控制分离出的脱碳气中的CO2含量小于3%（设定），分离出的CO2气中的CH4含量小于1%（设定）。
上述仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。