利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统的制作方法

本实用新型属于沼气回收利用领域，涉及一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统。

背景技术：

沼气的主要成分是甲烷。沼气由50％-80％甲烷(ch4)、20％-40％二氧化碳(co2)、0％-5％氮气(n2)、小于1％的氢气(h2)、小于0.4％的氧气(o2)与0.1％-3％硫化氢(h2s)等气体组成。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味，其特性与天然气相似。沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即会燃烧，每立方米纯甲烷的发热量为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800－23600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。

但由于沼气中含有20％-40％的二氧化碳，使其燃烧值降低，另一方面，二氧化碳的存在，使沼气不易储存也不易运输。中国专利文献公开了一种利用沼气制液化天然气的系统[申请号：201720951628.9]，包括：压缩机，与沼气气源通过管道连接；用于对压缩后的沼气分离处理的二氧化碳膜分离装置，与压缩机通过管道连接；用于对分离处理后的沼气进行脱酸处理的脱酸塔，与二氧化碳膜分离装置通过管道连接；用于对脱酸处理后的沼气进行干燥处理的干燥塔，与脱酸塔通过管道连接；用于对干燥处理后的沼气进行脱汞处理的脱汞塔，与干燥塔通过管道连接，脱汞塔通过输出管道连接液化天然气储罐；用于对脱汞处理后的沼气进行冷却处理，使脱汞处理后的沼气液化成液化天然气的冷却装置，输出管道经过冷却装置。该专利利用沼气制液化天然气的系统可以充分利用沼气。然而，仔细分析，该专利采用膜分离的方法，使二氧化碳和甲烷分离，从而得到含量较高的甲烷，采用的膜是醋酸纤维，乙基纤维，聚酰亚胺膜，丙烯酸酯等低分子膜，但对于膜的道尔顿数值并未给出，本领域技术人员难以从上述给出的分离膜基础上，对甲烷和二氧化碳进行分离；此外，分离过程中实际并没有对二氧化碳进行处理，而是直接排放，不符合环保要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统，包括沼气发生机构，所述的沼气发生机构连接气体混合器的第一气体入口，所述的气体混合器的第二气体入口连接氢气发生机构，气体混合器的气体出口连接甲烷化装置，甲烷化装置通过第一换热器连接第一气液分离器，所述的第一气液分离器连接第一水箱和天然气储罐。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的沼气发生机构包括沼气池，沼气池连接沼气储罐，沼气储罐连接沼气净化组件，沼气净化组件连接气体混合器的第一气体入口。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的沼气净化组件包括连接沼气储罐的风机，所述的风机连接过滤器，所述的过滤器连接脱硫塔，所述的脱硫塔连接干燥塔，所述的干燥塔连接气体混合器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的干燥塔通过气体混合器连接甲烷化装置，氢气发生机构包括控温器和电解水装置，所述的第一换热器还连接控温器，控温器连接电解水装置，电解水装置连接气体混合器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，第一换热器通过分流器连接控温器，分流器还连接沼气池，第一水箱通过第一换热器连接分流器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的沼气净化组件包括连接沼气储罐的风机，所述的风机连接过滤器，所述的过滤器连接干燥塔，所述的干燥塔连接脱硫塔，所述的脱硫塔连接气体混合器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的脱硫塔通过气体混合器连接甲烷化装置，所述的氢气发生机构包括第二换热器，甲烷化装置连接第二换热器，所述的第二换热器还连接控温器，控温器连接电解水装置，电解水装置通过第二气液分离器连接气体混合器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的第二气液分离器还连接第二水箱，所述的第二水箱通过甲烷化装置连接控温器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的甲烷化装置包括第一甲烷化器和第二甲烷化器，气体混合器连接第一甲烷化器，第一甲烷化器连接第二换热器，第二换热器连接第二甲烷化器和第二控温器，第二甲烷化器连接第一换热器，第二水箱通过第二换热器连接第二控温器。

在上述的利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统中，所述的第一水箱通过第一换热器连接沼气池。

与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：

1、沼气池生成的沼气经过净化处理后与电解水装置产生的氢气混合，然后通入甲烷化装置，将沼气中绝大多数co2转化为ch4，实现沼气的净化提纯，得到高热值的生物天然气。

2、在生产过程中，将二氧化碳与氢气反应，使其生成甲烷，从而减少了二氧化碳的排放，更符合环保要求。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的另一种结构示意图。

图3是本实用新型的另一种结构示意图。

图4是本实用新型的另一种结构示意图。

图中：沼气发生机构1、气体混合器2、氢气发生机构3、甲烷化装置4、第一换热器5、第一气液分离器6、第一水箱7、天然气储罐8、沼气池9、沼气储罐10、沼气净化组件11、风机12、过滤器13、脱硫塔14、干燥塔15、控温器16、电解水装置17、分流器18、第二换热器19、第二气液分离器20、第二水箱21、第一甲烷化器22、第二甲烷化器23。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统，包括沼气发生机构1，所述的沼气发生机构1连接气体混合器2的第一气体入口，所述的气体混合器2的第二气体入口连接氢气发生机构3，气体混合器2的气体出口连接甲烷化装置4。

气体混合器2可选择市售产品，即有两个气体入口，一个气体出口的混合器，甲烷化装置4也选用市售产品，如上海华西化工科技有限公司生产的甲烷化装置。氢气发生机构3可以采用氢气储罐或氢气钢瓶。氢气和沼气在气体混合器2中混合。

具体的说，甲烷化装置4通过第一换热器5连接第一气液分离器6，所述的第一气液分离器6连接第一水箱7和天然气储罐8，所述的沼气发生机构1包括沼气池9，所述的第一水箱7通过第一换热器5连接沼气池9，沼气池9连接沼气储罐10，沼气储罐10连接沼气净化组件11，沼气净化组件11连接气体混合器2的第一气体入口。

具体的说，所述的沼气净化组件11包括连接沼气储罐10的风机12，所述的风机12连接过滤器13，过滤器13连接脱硫塔14，所述的脱硫塔14连接干燥塔15，所述的干燥塔15连接气体混合器2，所述的干燥塔15通过气体混合器2连接甲烷化装置4。

本实施例的脱硫为湿法脱硫，先脱硫再干燥。

如上所述，甲烷化装置4可选用市售产品，优选的甲烷化装置为管式反应器，材质为不锈钢，催化反应级数为一级或二级，每一级催化反应后都要经过汽水分离装置将反应后气体中的水分除去。由于甲烷化催化剂对硫较为敏感，所以实验前需要将硫脱除。使用氧化铁脱硫剂，可以通过脱硫剂颜色变化判断脱硫剂使用情况与更换时机。

使用前需要将催化剂活化还原，先通入氮气程序升温到150℃，之后改变气体为氢气，氢气流量为每公斤催化剂0.2标方氢气/h，在150℃环境下保持24h，还原结束。

甲烷化单元工作温度为300℃，首先通入氮气将反应器程序升温到300℃，之后改变气氛，通入沼气与氢气混合气，控制h2/co2为4，沼气中绝大多数co2被甲烷化，将反应后的气体脱除水分，从而得到ch4浓度达95％以上的天然气。

利用本系统得到的ch4浓度达95％以上的天然气，可用作家用煤气或者直接通入天然气管道。

本实施例的具体工作过程如下：

一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气的方法，沼气发生机构1的沼气和氢气发生机构3的氢气经过气体混合器2混合后，通入到甲烷化装置4中，将沼气中的co2转化为ch4，得到生物天然气。

沼气池9的沼气，经过风机12加压至1-20bar，进入过滤器13过滤除尘，通入到干燥塔15脱水，再经过脱硫塔14脱硫，得到ch4和co2的混合气体，第一水箱7的水经过第一换热器5加热后进入到沼气池9，使沼气池9温度维持在25-60℃之间，在气体混合器2中，沼气中的二氧化碳与氢气发生机构3的氢气的体积比为4。本实施例制取的生物天然气ch4浓度达95％以上，可用作家用煤气或者直接通入天然气管道。

实施例2

本实施例与实施例1的结构和工作原理基本相同，不同之处在于：

如图3所示，氢气发生机构3包括控温器16和电解水装置17，所述的第一换热器5还连接控温器16，控温器16连接电解水装置17，电解水装置17连接气体混合器2，第一换热器5通过分流器18连接控温器16，分流器18还连接沼气池9，第一水箱7通过第一换热器5连接分流器18。

如实施例1所述，氢气发生机构3可采用氢气储罐等，在本实施例中，氢气由电解水装置提供。电解后的氢气需要经过汽水分离装置得到干净的氢气，得到的氧气可以收集并利用。电解水装置17可采用市售产品，如高温电解装置、碱性电解槽或聚合物薄膜电解槽。

本实施例还提供了一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气的方法，沼气池9的沼气，经过风机12加压至1-20bar，进入过滤器13过滤除尘，通入到干燥塔15脱水，再经过脱硫塔14脱硫，得到ch4和co2的混合气体，第一水箱7的水经过第一换热器5加热后进入到沼气池9，使沼气池9温度维持在25-60℃之间，在气体混合器2中，沼气中的二氧化碳与氢气发生机构3的氢气的体积比为4。

第一水箱7的水经过第一换热器5加热后，通过分流器18分流，一部分进入到沼气池9中，另一部分通过控温器加热后进入到电解水装置17中，电解水装置17产生的氢气与经过干燥塔的沼气在气体混合器2中混合并进入甲烷化装置4中，甲烷化装置4产生的甲烷进入到第一换热器5中进行换热后进入到第一气液分离器6进行气液分离，气体即为生物天然气，液体进入到第一水箱中储存。本实施例制取的生物天然气ch4浓度达95％以上，可用作家用煤气或者直接通入天然气管道。

实施例3

如图2所示，一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气系统，包括沼气发生机构1，所述的沼气发生机构1连接气体混合器2的第一气体入口，所述的气体混合器2的第二气体入口连接氢气发生机构3，气体混合器2的气体出口连接甲烷化装置4。

具体的说，甲烷化装置4通过第一换热器5连接第一气液分离器6，所述的第一气液分离器6连接第一水箱7和天然气储罐8，所述的沼气发生机构1包括沼气池9，所述的第一水箱7通过第一换热器5连接沼气池9，沼气池9连接沼气储罐10，沼气储罐10连接沼气净化组件11，沼气净化组件11连接气体混合器2的第一气体入口。

在本实施例中，所述的沼气净化组件11包括连接沼气储罐10的风机12，所述的风机12连接过滤器13，所述的过滤器13连接干燥塔15，所述的干燥塔15连接脱硫塔14，所述的脱硫塔14连接气体混合器2。

所述的甲烷化装置4包括第一甲烷化器22和第二甲烷化器23，气体混合器2连接第一甲烷化器22，第一甲烷化器22连接第二换热器19，第二换热器19连接第二甲烷化器23和第二控温器16，第二甲烷化器23连接第一换热器5。第一换热器5连接第一水箱和第一气液分离器。

本实施例的脱硫为干法脱硫，先干燥再脱硫。

脱硫塔14通过气体混合器2连接甲烷化装置4，所述的氢气发生机构3包括第二换热器19，甲烷化装置4连接第二换热器19，所述的第二换热器19还连接控温器16，控温器16连接电解水装置17，电解水装置17连接气体混合器2。控温器16可以为换热机构，可采用列管式换热器或板式换热器。

根据本实施例的系统，本实施例还提供了一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气的方法，沼气池9的沼气，经过风机12加压至1-20bar，进入过滤器13过滤除尘，通入到脱硫塔14脱硫，再经过干燥塔15脱水，氢气发生机构3的氢气经过气体混合器2混合后，得到ch4和co2的混合气体，混合气体通入到甲烷化装置4中，将沼气中的co2转化为ch4，得到生物天然气。

具体的说，沼气池9的沼气，经过风机12加压至1-20bar，进入过滤器13过滤除尘，通入到脱硫塔14脱硫，再经过干燥塔15脱水，

第一水箱7的水经过第一换热器5加热后进入到第二换热器，通过控温器进入电解水装置中，产生的氢气进入到气体混合器2中，在气体混合器2中，沼气中的二氧化碳与氢气发生机构3的氢气的体积比为4。

混合气体经过第一甲烷化器22后经过第二换热器19换热进入到第二甲烷化器23中，再进入到第一换热器5中，经过第一气液分离器6分离得到生物天然气和水，水进入到第一水箱中。本实施例制取的生物天然气ch4浓度达95％以上，可用作家用煤气或者直接通入天然气管道。

实施例4

本实施例与实施例3的结构和工作原理基本相同，不同之处在于：

如图4所示，电解水装置17通过第二气液分离器20连接气体混合器2，所述的第二气液分离器20还连接第二水箱21，所述的第二水箱21通过甲烷化装置4连接控温器16，所述的甲烷化装置4包括第一甲烷化器22和第二甲烷化器23，气体混合器2连接第一甲烷化器22，第一甲烷化器22连接第二换热器19，第二换热器19连接第二甲烷化器23和第二控温器16，第二甲烷化器23连接第一换热器5，第二水箱21通过第二换热器19连接第二控温器16。

设置第一换热器和第二换热器，一方面需要将甲烷化器出来的高温气体温度降到常温，同时甲烷化过程释放的热量将冷却水加热为高温水或者水蒸汽，然后经过控温一部分进入电解水装置制备氢气，一部分进入沼气池维持沼气操作温度。

一种利用电解水技术实现沼气电化学提纯制取生物天然气的方法，沼气池9的沼气，经过风机12加压至1-20bar，进入过滤器13过滤除尘，通入到脱硫塔14脱硫，再经过干燥塔15脱水，氢气发生机构3的氢气经过气体混合器2混合后，得到ch4和co2的混合气体，混合气体通入到甲烷化装置4中，将沼气中的co2转化为ch4，得到生物天然气。

具体的说，第一水箱7的水经过第一换热器5加热后进入到沼气池9，使沼气池9温度维持在25-60℃之间，在气体混合器2中，沼气中的二氧化碳与氢气发生机构3的氢气的体积比为4。

第二水箱21的水进入到第二换热器19中换热后进入到控温器中，经过电解水装置17产生氢气，氢气和水的混合物进入到第二气液分离器20中，氧气排空，液体进入到第二水箱中，氢气进入到气体混合器2中与经过脱硫塔14脱硫的沼气混合，混合气体进入到第一甲烷化器22中进行甲烷化处理，处理后的气体通过第二换热器19换热后进入第二甲烷化器23中甲烷化，再通过第一换热器5换热后进入到第一气液分离器6中，液体进入到第一水箱7中，气体即为生物天然气。本实施例制取的生物天然气ch4浓度达95％以上，可用作家用煤气或者直接通入天然气管道。

电解水装置17将水或者水蒸气通入电解装置电解后生成氢气和氧气，其中氧气降到常温后排入大气或者压缩储存，氢气与净化后的沼气混合作为甲烷化装置的原料气。

使用前需要将催化剂活化还原,先通入氮气程序升温到150℃，之后改变气体为氢气，氢气流量为每公斤催化剂0.2标方氢气/h,在150℃环境下保持24h，还原结束。

甲烷化器工作温度为300℃，首先通入氮气将反应器升温到300℃，之后改变气氛，通入沼气与氢气混合气，控制体积比h2/co2为4，通过第一甲烷化器22和第二甲烷化器23的二级甲烷化，可将沼气中绝大多数co2被甲烷化，将反应后的气体脱除水分，从而得到ch4浓度达95％以上的天然气，

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了沼气发生机构1、气体混合器2、氢气发生机构3、甲烷化装置4、第一换热器5、第一气液分离器6、第一水箱7、天然气储罐8、沼气池9、沼气储罐10、沼气净化组件11、风机12、过滤器13、脱硫塔14、干燥塔15、控温器16、电解水装置17、分流器18、第二换热器19、第二气液分离器20、第二水箱21、第一甲烷化器22、第二甲烷化器23等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。