用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路及沼气脱碳系统的制作方法

1.本实用新型涉及沼气处理领域，具体地，涉及用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路及沼气脱碳系统。


背景技术：

2.沼气中成分较多较杂，有一些气体夹杂在沼气中，在应用过程中对工艺、设备、环境都将造成一定的影响；沼气中的二氧化碳是一种无色无味气体，溶于水形成碳酸，对金属有腐蚀作用，并且会导致放热或做功过程中成本增加，因此在沼气的使用过程中，只有将二氧化碳降低到较低的含量，才能达到使用要求，提高设备效率，因此在沼气提纯中须进行脱碳处理。
3.现有的脱碳系统如图1所示，脱氨脱硫后的沼气经过缓冲罐后进行螺杆增压，沼气气体压力由1-2kpag增压至＞1.5mpag，此过程由油螺杆压缩机完成，然后加压后的沼气经过冷冻干燥、气体净化、气体加热等一系列气体净化处理过程，然后进入膜系统进行沼气气体的提纯，生产出天然气产品气体。
4.所述冷冻干燥机的作用为：对压缩沼气进行冷干脱水。首先利用其冷能降低工艺气体露点，经过处理的气体的带压露点为3℃-10℃。其中，冷冻干燥机中的蒸发器对沼气进行降温除湿，冷冻干燥机中的冷凝器对沼气进行加热；蒸发器与冷凝器间通过制冷剂进行换热。
5.气体加热的作用为：为沼气加热。气体加热系统的热量来源于螺杆压缩机润滑油的热量，经过热能循环系统将螺杆压缩机润滑油的热量传至膜前端的气路部分，对沼气进气加热。
6.油冷却器的作用为：给螺杆压缩机润滑油降温的同时也给冷却水进行加热。升温后的冷却水对净化后的沼气进行加热。
7.所述风机的作用为将多余的热量排放到空气中。由于沼气所需的加热量远小于螺杆压缩机的散热量，需要风机将多余的热量排放到空气中。
8.在现有的沼气脱碳系统中冷冻干燥机中冷凝器的换热量较大，但现有的沼气脱碳系统对此部分热量并未进行回收，此部分热量被大量浪费。
9.专利文献202020234672.x公开了一种增加沼气膜分离装置中甲烷纯度和回收率的系统。该系统的沼气池出口与脱硫装置入口连接，脱硫装置出口与气体增压装置入口连接，气体增压装置出口与气体冷却装置入口连接，气体冷却装置出口与气体过滤装置入口连接，气体过滤装置出口与膜处理装置入口连接，一阶膜处理器的渗透气出口分别连接真空泵入口与真空泵副线手阀入口，真空泵与真空泵副线手阀并联设置；但该方案中仍然未利用冷冻干燥机中冷凝器的热量，此部分热能被大量浪费。


技术实现要素：

10.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供用于冷冻干燥机中冷凝器的冷
却管路及沼气脱碳系统。
11.根据本实用新型提供的一种用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路，包括冷冻干燥机、预冷器、水源热泵、第一换热器以及取热冷却水；所述冷冻干燥机用于沼气脱碳过程中；
12.所述冷冻干燥机包括蒸发器、冷凝器、制冷剂以及第二冷却水，所述蒸发器与冷凝器通过管道连接，所述蒸发器的冷物流入口与冷凝器的热物流出口连接，所述蒸发器冷物流出口与冷凝器的热物流入口连接；
13.所述蒸发器的热物流为沼气，所述蒸发器的冷物流为所述制冷剂；所述冷凝器的热物流为所述制冷剂，所述冷凝器的冷物流为所述第二冷却水。
14.所述预冷器设置在所述冷冻干燥机前端；
15.所述第一换热器的热物流出口与所述水源热泵入口连接；所述水源热泵的降温出口同时与所述预冷器的冷物流入口、冷凝器的冷物流入口连接；
16.所述预冷器的冷物流、热物流分别为第二冷却水、沼气；所述第一换热器的冷物流与热物流分别为取热冷却水、第二冷却水。
17.优选的，还包括第一风机，所述第一风机用于给第一换热器散热。
18.根据本实用新型提供的一种沼气脱碳系统，采用所述的用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路，还包括过滤缓冲罐、螺杆压缩设备、气体净化系统、气体加热系统、膜处理系统以及气体减压系统。
19.所述沼气由过滤缓冲罐进入，经螺杆压缩设备压缩后，依次进入所述预冷器、冷冻干燥机、气体净化系统、气体加热系统、膜处理系统以及气体减压系统，最后流出沼气脱碳系统，至外界气体使用点。
20.优选的，所述膜处理系统包括一级膜以及二级膜，所述一级膜以及二级膜通过管道串联连接，所述沼气依次进入一级膜与二级膜中。
21.优选的，所述一级膜、二级膜均具有进气端，出气端以及排气端；所述一级膜的出气端与所述二级膜的进气端连接，所述二级膜的出气端与所述气体减压系统连接；所述一级膜的排气端与大气连接，二级膜的排气端通过回路与增压入口连接。
22.优选的，还包括油冷却器、第二换热器以及螺杆压缩设备的润滑油；所述油冷却器为换热器结构；
23.所述螺杆压缩设备润滑油出口与所述油冷却器热物流进口连接；所述油冷却器热物流出口与所述螺杆压缩设备的润滑油入口连接；
24.第二换热器的热物流进口与所述油冷却器的冷物流出口连接，所述第二换热器的热物流出口与所述油冷却器的冷物流入口连接；
25.所述油冷却器热物流为螺杆压缩设备的润滑油；所述油冷却器的冷物流为第一冷却水；
26.第二换热器的热物流为第一冷却水，第二换热器的冷物流为取热冷却水。
27.优选的，还包括油冷却器，所述螺杆压缩设备的润滑油入口、出口分别连接油冷却器的热物流出口、油冷却器的热物流入口；
28.所述油冷却器的冷物流入口、出口分别连接所述气体加热系统热物流入口、气体加热系统热物流出口。
29.优选的，还包括第二风机，所述第二风机用于给第二换热器散热。
30.优选的，所述一级膜以及二级膜均采用中空纤维膜。
31.优选的，所述的气体净化系统为多级过滤系统；所述多级过滤系统包括过滤器，所述过滤器能够将固体颗粒物降至≤0.01μm。
32.与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
33.1、本实用新型利用水源热泵的降温出口与冷凝器连接，回收了冷凝器的热量，将此部分热量用于气体加热系统，达到了节约能量，降低能耗的效果。
34.2、本实用新型冷冻干燥机的冷凝器散热介质由现有技术中较高温的沼气变成温度较低的冷却水，冷冻干燥机运行cop有大幅度提高。
35.3、本实用新型中水源热泵的设置保证了预冷器、冷冻干燥机的进水温度不会大幅度受取热冷却水的温度影响，即使取热冷却水温度较高或无取热冷却水时，经过水源热泵蒸发器的水依旧可以保持在一个较低的水平，保证了预冷器中的预冷效果以及冷冻干燥机的稳定运行。
附图说明
36.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
37.图1为现有技术的流程示意图；
38.图2为本实用新型沼气脱碳系统的流程示意图，其中示出了用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路。
39.图中示出：
40.具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
42.本实用新型提供了一种用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路，如图2中包括所述用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路，所述用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路包括冷冻干燥机13、预冷器17、水源热泵18、第一换热器16、取热冷却水以及第一风机6；所述冷冻干燥机13用于沼气脱碳过程中；
43.所述冷冻干燥机13包括蒸发器14、冷凝器15、制冷剂以及第二冷却水，所述蒸发器14与冷凝器15通过管道连接，所述蒸发器14的冷物流入口与冷凝器15的热物流出口连接，所述蒸发器14冷物流出口与冷凝器15的热物流入口连接；
44.所述蒸发器14的热物流为沼气，所述蒸发器14的冷物流为所述制冷剂；所述冷凝器15的热物流为所述制冷剂，所述冷凝器15的冷物流为所述第二冷却水。
45.所述预冷器17设置在所述冷冻干燥机13前端；所述预冷器17的热物流出口与所述蒸发器14的热物流进口连接；
46.所述第一换热器16的热物流出口与所述水源热泵18入口连接；所述水源热泵18的降温出口同时与所述预冷器17的冷物流入口、冷凝器15的冷物流入口连接；
47.所述预冷器17的冷物流、热物流分别为第二冷却水、沼气；所述第一换热器16的冷物流与热物流分别为取热冷却水、第二冷却水。
48.所述第一风机6用于给第一换热器16散热。
49.本实用新型还提供了一种沼气脱碳系统，采用所述的用于冷冻干燥机中冷凝器的冷却管路，还包括过滤缓冲罐5、螺杆压缩设备1、气体净化系统7、气体加热系统8、膜处理系统9以及气体减压系统10。
50.所述沼气脱碳系统的工作原理为：脱氨脱硫后的沼气由过滤缓冲罐5进入，经螺杆压缩设备1压缩后，依次进入所述预冷器17、冷冻干燥机13、气体净化系统7、气体加热系统8、膜处理系统9以及气体减压系统10，最后流出沼气脱碳系统，至外界气体使用点。
51.所述膜处理系统9包括一级膜11以及二级膜12，所述一级膜11以及二级膜12通过管道串联连接，所述沼气依次进入一级膜11与二级膜12中。所述一级膜11、二级膜12均具有进气端，出气端以及排气端；所述一级膜11的出气端与所述二级膜12的进气端连接，所述二级膜12的出气端与所述气体减压系统10连接；所述一级膜11的排气端与大气连接，二级膜12的排气端通过回路与增压入口连接。
52.在一个优选例中，所述沼气脱碳系统还包括油冷却器2、第二换热器3、螺杆压缩设备1的润滑油以及第二风机4；所述油冷却器2为换热器结构；所述螺杆压缩设备1润滑油出口与所述油冷却器2热物流进口连接；所述油冷却器2热物流出口与所述螺杆压缩设备1的润滑油入口连接；第二换热器3的热物流进口与所述油冷却器2的冷物流出口连接，所述第二换热器3的热物流出口与所述油冷却器2的冷物流入口连接；所述油冷却器2热物流为螺杆压缩设备1的润滑油；所述油冷却器2的冷物流为第一冷却水；第二换热器3的热物流为第一冷却水，第二换热器3的冷物流为取热冷却水。所述第二风机4设置在所述第二换热器3旁，用于给第二换热器3散热。第一换热器16设置在第二换热器3的前端，第一换热器16的冷物流出口与所述第二换热器3冷物流入口连接。所述水源热泵18的升温出口、所述预冷器17的冷物流出口以及冷凝器15的冷物流出口均与气体加热系统8热物流入口连接。所述第一换热器16的热物流入口与所述气体加热系统8的热物流出口连接。所述预冷器17的冷物流、热物流分别为第二冷却水、沼气；所述第一换热器16的冷物流与热物流分别为取热冷却水、
第二冷却水。水源热泵的设置保证了预冷器、冷冻干燥机的进水温度不会大幅度受取热冷却水的温度影响，即使取热冷却水温度较高或无取热冷却水时，经过水源热泵蒸发器的水依旧可以保持在一个较低的水平，保证了预冷器中的预冷效果以及冷冻干燥机的稳定运行。
53.在另一个优选例中，所述沼气脱碳系统还包括油冷却器2，所述螺杆压缩设备1的润滑油入口、出口分别连接油冷却器2的热物流出口、油冷却器2的热物流入口；所述油冷却器2的冷物流入口、出口分别连接所述气体加热系统热物流入口、气体加热系统热物流出口。
54.在一个优选例中，所述的气体净化系统7为多级过滤系统；所述多级过滤系统包括过滤器，所述过滤器能够将固体颗粒物降至≤0.01μm。
55.在一个优选例中，所述螺杆压缩设备1为螺杆压缩机，所述气体加热系统8为换热器结构。
56.所述第一风机6设置在所述第一换热器16旁，用于给第一换热器16散热。
57.所述第一换热器16的作用为：已经回收了冷冻干燥机13、水源热泵18热量的第二冷却水在第一换热器16中对取热冷却水进行加热，达到热能回收的目的。当无取热冷却水或无需回收热量时，第一风机6启动，将回收的热量排到空气中。
58.所述第二换热器3的作用为：已经回收了螺杆压缩设备1热量的第一冷却水在第二换热器3中对取热冷却水进行加热，达到热能回收的目的。当无取热冷却水或无需回收热量时，第二风机4启动，将回收的热量排到空气中。
59.所述油冷却器2的作用为：通过第一冷却水在油冷却器中给螺杆压缩设备1的润滑油进行降温。升温后的冷却水在第二换热器3中进行放热。
60.水源热泵18的作用为：已经在第一换热器16中放完热的第二冷却水分成两路，一路经过水源热泵18自身所具有的蒸发器进行降温，另一路经过水源热泵18自身所具有的蒸发器进行升温。降温后的第二冷却水对沼气进行预冷和对冷冻干燥机13的冷凝热进行热回收。升温后的第二冷却水对沼气进行加热。
61.预冷器17的作用为：利用流经水源热泵18自身所具有的蒸发器的第二冷却水对沼气进行预冷，降低冷冻干燥机13的冷负荷。
62.冷冻干燥机13的作用为：冷冻干燥机的蒸发器14对沼气进行降温除湿，冷凝器15对第二冷却水进行加热。
63.过滤缓冲罐5的作用为：为避免完成脱氨脱硫后的沼气中携带的水、脱硫剂颗粒粉尘的影响，在增压设备之前加置过滤缓冲罐5，用于去除原料沼气中的粉尘颗粒和液态水滴等。保证螺杆压缩设备1进口气体的纯净度。
64.螺杆压缩设备1作用为：提升原料气即沼气的压力。为了实现膜组的最佳分离效果，原料气即沼气必须被压缩到适合膜组工作的工艺压力。
65.气体净化系统7的作用为：对原料沼气进行净化。为提高膜处理系统9的使用寿命，需保证原料沼气进入膜处理系统9为洁净气体，因此采用气体净化系统7对原料沼气进行净化。在一个优选例中，气体净化系统7为多级过滤系统。所述多级过滤系统采用高效过滤器，将固体颗粒物降至≤0.01μm，并在过滤系统中设置碳床过滤器以提高油过滤精度，将气体中含油量降至≤0.01ppm。
66.优选的，选用凯德生产304不锈钢高效过滤器。
67.气体加热系统8作用：为保证膜组系统的工作温度恒定，进而保证系统甲烷回收效率的稳定性和高效性，需要对净化后的气体进行加热，即采用气体加热系统8实现对净化后的气体进行加热功能。
68.膜处理系统9作用：为沼气脱去大量二氧化碳。在一个优选例中，所述一级膜11以及二级膜12均采用中空纤维膜，中空纤维膜的工作原理是通过不同气体在高分子材料中空纤维膜内的渗透速率不同，将不同气体分子进行分离。所述一级膜11、二级膜12均具有进气端，出气端以及排气端，所述沼气从所述进口端进入，一部分气体被中空纤维膜阻挡从出气口流出，另一部分气体穿过中空纤维膜，从排气口排出。其中，渗透速率快的气体称为“快气”，渗透速率慢的气体称为“慢气”。“快气”因其渗透得快，大部分从中空纤维膜中透过，从排气端排出，“慢气”因其渗透得慢，所以大部分气体被中空纤维膜阻挡，从出气端至气体减压系统10，从而实现气体的分离。沼气、垃圾填埋气中的水、硫化氢、二氧化碳和氧气均为“快气”，而氮气、甲烷则为“慢气”。所以，膜的选择性、渗透吸附特性，决定了膜法沼气提纯不仅可以脱去大量二氧化碳，同时可以除去部分硫化氢和氧气杂质。沼气通过两级中空纤维膜组后，浓度达到输出要求。富集在一级膜11排气端的气体，在一级膜中被排放入空气中，成为排放气；富集在一级膜11出气端的气体，流入二级膜12中，继续脱碳。沼气经过二级膜12后，二级膜12的排气端气体通过回路返回增压入口，重新脱碳；二级膜12出气端的气体进入气体减压系统10中。
69.气体减压系统10的作用：用于给脱碳后的沼气减压。由于处理后沼气的压力较高，而正常使用的压力却较小，所以需要用气体减压设备来把较高压力的沼气降为低压气体。在一个优选例中，所述气体减压系统10包括气体减压器。
70.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
71.以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。