專利名稱：復合分離式沼氣除雜純化制車用天然氣級燃料方法
技術領域：
本專利涉及一種復合分步分離方式的將沼氣除雜、純化、濃縮制成車用天然氣級精制沼 氣燃料的方法，屬于生物化工分離工程技術，原沼氣經(jīng)過基于納微米吸附材料和經(jīng)過組合優(yōu) 化的脫硫單元和具有滲透氣回流和殘氣利用的多級選擇性氣體分g膜分離單元脫除C02、 H20 和少量ftS，實現(xiàn)對普通沼氣的凈化與精制目的，以做為民用天然氣級燃料或由終端壓縮工序 壓入車用天然氣鋼瓶做為車用天然氣級燃料。
背景技術：
當前我國沼氣開發(fā)利用主要集中在農(nóng)村戶用沼氣推廣應用上， < 也有少量規(guī)模略大的用于 沼氣發(fā)電及供暖，其利用水平基本處于較低檔次。若大量生產(chǎn)沼氣，則會由于其品質低下、 體積熱值低、存儲和輸送經(jīng)濟性差或技術不配套的原因，使其運至城鎮(zhèn)或商業(yè)化利用幾乎不 可能；又由于普通沼氣含有硫、大量C02、較多的雜質和較高的含水量等原因，因此，若將普 通沼氣商業(yè)化利用既不安全也不環(huán)保。
沼氣凈化精制技術，主要目的是脫除沼氣中C02和少量H20、 H2S。目前，國內(nèi)外沼氣凈化 精制方式普遍采用的方法主要有溶劑吸收法和固體吸附法。固體吸附法中變壓吸附法(PSA) 較為常見，它是以分子篩為吸附劑進行加壓吸附和減壓解吸。變壓吸附法原理是在變壓下利 用分子篩對甲烷與二氧化碳吸附量存在差異的特性，達到分離的目的，該方法存在的問題是 吸附劑的動態(tài)吸附量受限制，如處理大氣量情況時，需要龐大的裝置從而使成本大幅增加。
溶劑吸收法往往采用堿性溶液做吸收劑分離氣體，其特點是技術操作較復雜、吸收劑再 生費用較高、能耗大，而且采用該法分離氣體容易產(chǎn)生廢水污染。
綜上所述，現(xiàn)有大多數(shù)方法的普遍特點是投資大、能耗大、運營成本高、環(huán)保性差，且 需頻繁更換吸收劑，不適用于中小規(guī)模生產(chǎn)和分布式作業(yè)的需要。我國農(nóng)村沼氣資源規(guī)模小， 且分布分散，因此急需一種適合于中小規(guī)模、占地面積小、經(jīng)濟高效的沼氣凈化精制方式。
近幾年，氣體分離領域發(fā)展起來一項較新的技術——膜分離技術，其原理是利用氣體中 物質對膜的親和力差異而產(chǎn)生有選擇性的溶解擴散現(xiàn)象，實現(xiàn)分離氣體的目的。利用該原理， 可以將沼氣中的CH4和C02分離，具有較高的工業(yè)實用價值。其突出優(yōu)點是投資運營成本低， 日常維護方便，具有適用于中小型企業(yè)的優(yōu)勢。由于沼氣中C02含量較高(可達30%以上)， 簡單的套用膜分離技術凈化精制沼氣效果并不理想。在膜分離技術實際應用時，需進一步研
究膜分離技術的實施工藝和方法。專利內(nèi)容本專利是針對我國農(nóng)村沼氣組分及其實際生產(chǎn)規(guī)模所提出的一種最新的有關 沼氣深度提純精制技術和工藝，旨在提供一種可以將普通沼氣凈化提純，精制成能夠滿足車 用和民用天然氣質量及安全、環(huán)保要求的新工藝和新技術，是一種以基于納微米材料和組合 優(yōu)化配置技術的新型高效脫硫技術(含新型脫硫劑)和具有滲透氣回流和殘氣利用功能的多 級膜分離為主的聯(lián)合脫水、脫硫、脫碳、脫氧、脫氨等全新的集成化、系統(tǒng)化的沼氣凈化精 制技術和方法。
本專利基于納微米吸附材料的組合優(yōu)化配置脫硫關鍵技術及設備、多級膜分離與滲出氣 回流重脫技術相結合的高效脫碳等的集成工藝系統(tǒng)，可實現(xiàn)對普通沼氣進行經(jīng)濟高效去雜、 脫水、脫硫、脫碳，高效生產(chǎn)天然氣級精制沼氣。所提出的集成工藝系統(tǒng)，適用于閂處理沼
氣500nf以上的規(guī)模，其甲烷回收率大于95%，所生產(chǎn)的精制沼氣甲烷含量達到98%，其各項 指標達到GB 18047-2000《車用壓縮天然氣》標準。
本專利的有益效果是
1. 本專利可為我國農(nóng)村普通沼氣的高值、高效利用提供有效支持，對拓寬我國普通沼氣 的應用領域，彌補車用燃料不足，具有突出的現(xiàn)實意義、環(huán)保意義和可觀的經(jīng)濟、社會效益。
2. 本專利是一種利用農(nóng)村普通沼氣生產(chǎn)可車用或民用的天然氣級精制沼氣的集成工藝 和方法，尤其對于利用有機廢棄物開發(fā)生物質能，代替天然氣具有重要意義。
3. 本專利所涉及的工藝系統(tǒng)集成度高，具有占地面積小、處理量靈活、設備壽命長、易 于維護、.自動化程度高的優(yōu)勢，是當今該領域的發(fā)展趨勢。
4. 本專利是到目前為止有關沼氣凈化精制方法中投資最省、效果最好的方法。


圖l:沼氣除雜、提純生產(chǎn)民用及車用天然氣級精制沼氣集成工藝系統(tǒng)。
圖中(1)脫氨單元；(2)初步脫水、除塵單元；(3)脫硫單元；(4)脫碳單元；(5)
脫氧單元；(6)深度脫水單元；(7)壓縮集儲單元；(8)市場、用戶；(9) C02富集及利用單元。
具體實施方式
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1.配套的沼氣工程本專利要求配套的沼氣工程日產(chǎn)沼氣量應在500Nm3以上，生產(chǎn)沼氣
的原料可以是糞污、秸桿、生活垃圾以及城市垃圾等任 生物質，以及高濃度有機廢水、廢渣等，如制酒廠、制糖廠等食品工業(yè)和發(fā)酵工業(yè)排出的廢棄物。生產(chǎn)沼氣的方法可以是濕法 也可以是干法。
2. 如圖l中(l)脫氨單元所示，若沼氣原氣中氨的含量超過5ppm時，則首先經(jīng)脫氨單 元進行處理。否則，直接采用如圖1中(2)初步脫水、除塵單元所示，旋風分離裝置對沼氣 原氣進行除塵和初步脫水。
3. 如圖1中的(3)脫硫單元所示，采用納微米吸附材料和經(jīng)過組合優(yōu)化設計的脫硫裝 置進行高效脫硫，使脫硫后的沼氣中H2S的含量小于15ppm。并視脫硫單元入口處沼氣壓力的 大小決定是否配置鼓風機。
4. 如圖1中的(4)脫碳單元所示，采用多級膜分離法脫碳， 一級膜滲透氣中C02含量 為85 90%和少量CH4、 H2等氣體，采用低熱值氣特種燃燒機利用掉一級膜滲透氣，產(chǎn)生的熱 為(3)和沼氣池進行供熱。二級膜滲透氣中CH4含量在40 50%，回流到(4)脫碳單元入口 處，實施重脫，以提高沼氣中CH4的回收率，使脫碳后氣體的CH,含量達到9跳以上。
5. 如圖l中的(5)脫氧單元所示，經(jīng)過脫氧裝置后，使02《0.5%，以確保精制沼氣壓 縮機及壓縮過程的安全。
6. 如圖1中的(6)深度脫水單元所示，采用PSA變壓吸附脫水，使H20《7. 8mg/Nm3， 以確保精制沼氣高壓壓縮儲運的安全要求。
7. 如圖1中的(7)壓縮集儲單元所示，根據(jù)具體應用情況，分別將精制沼氣壓縮于氣 柜或氣罐中，為如圖l中(8)所示的巿場或用戶提供民用或車用燃料。
8. 如圖1中的(9) 二氧化碳富集及利用單元所示，由一級膜滲透出的低熱值燃氣經(jīng)特 種燃燒機燃燒，產(chǎn)生的高濃度的二氧化碳可進行富集和深加工利用，實現(xiàn)生產(chǎn)過程二氧化碳 的零排放。
9. 實例說明以設計日處理原沼氣900立方米、生產(chǎn)車用精制沼氣的裝置為例，設備投 資160萬元，包括圖1中所有設備、儀表、管線的購置與安裝，不包括廠房、土地、設備基 礎，原料沼氣柜中原沼氣成份穩(wěn)定在CH4 55-60% ， C02 30-38% ， H20(g) 2-3% ， H2S 500-1500PPm， 經(jīng)純化濃縮制取的精制沼氣，其中CH4》98%， C02《3%， H2S《15 ppm， 02《0.5%， H20《 7.8mg/m3，常壓露點為-13'C，設備對甲烷的總收率達到95%以上，每日可生產(chǎn)天然氣級車用 精制沼氣燃料495立方米，等價于500多kg汽油(約合630L)，可充裝容積為70L(壓力20MPa) 的車用天然氣鋼瓶30個，可供100KM耗油8L的汽車行走7800KM。
權利要求
1.本專利涉及一種復合分步分離方式的將沼氣經(jīng)濟、高效地精制成天然氣級燃料的方法。其特征是基于納微米吸附材料和組合優(yōu)化配置技術的脫除沼氣中的H2S和基于具有滲透氣回流的多級膜分離技術高效去除沼氣中的CO2和殘存H2S，以及高效脫除沼氣中的水。
2. 按照權利要求1所述的一種復合分步分離方式的將沼氣經(jīng)濟、高效地精制成天然氣級 燃料的方法，其特征是經(jīng)脫氨、旋風分離脫水，經(jīng)過多級膜分離裝置，經(jīng)過變壓吸附深度 脫水，使最終精制沼氣壓縮前的含水量不超過7.8mg/Nm3。
3. 按照權利要求1所述的一種復合分步分離方式的將沼氣經(jīng)濟、高效地精制成天然氣級 燃料的方法。其特征是基于納微米材料和組合優(yōu)化技術的新型高效脫硫技術和脫硫劑。
4. 按照權利要求1所述的一種復合分歩分離方式的將沼氣經(jīng)濟、高效地精制成天然氣級燃料的方法，其特征是基于膜材料、膜組件技術及氣體膜技術，以及具有滲透氣回流再分離及低熱值殘氣回收利用的多級膜分離CH4/C02氣體，高效深度脫除沼氣中的C02。
5. 按照權利要求l、 2、 3和4所述的一種復合分步分離方式的將沼氣經(jīng)濟、高效地精制 成天然氣級燃料的方法，其特征是以普通沼氣為原氣；提純后的沼氣中甲烷含量達到98%， 甲烷回收率達到95%; H2S含量不超過15 ppm。
6. 按照權利要求1、 2、 3、 4和5所述的一種復合分步分離方式的將沼氣經(jīng)濟、高效地 精制成天然氣級燃料的方法，其特征是可以處理用各種生物質原料和用各種技術方式生產(chǎn) 的原沼氣，適用于日處理原沼氣500Nn^及其以上規(guī)模。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復合分步分離方式的將沼氣凈化精制成民用天然氣級氣體燃料和車用天然氣級燃料的方法。目前，我國沼氣一般不進行深度脫水、脫硫和脫碳處理，常只進行初步脫硫和脫水，由于普通沼氣含有硫、CO₂等雜質，其體積熱值低、含有害氣體雜質高、品位差，無法達到車用壓縮天然氣標準。本方法概括為采用基于納微米材料和組合優(yōu)化配置技術的新型高效脫硫技術和具有滲透氣回流和殘氣利用功能的多級膜分離復合分步分離的方法，將沼氣進行高效去雜、純化和深加工，使傳統(tǒng)的沼氣成為具有天然氣同樣的高熱值和清潔品質的精制沼氣——天然氣的系統(tǒng)方法和技術，所生產(chǎn)的精制沼氣各項指標達到國家標準《車用壓縮天然氣》標準的規(guī)定，以實現(xiàn)沼氣的高值利用。
文檔編號C10L3/00GK101671585SQ200810137079
公開日2010年3月17日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權日2008年9月9日
發(fā)明者劉向東, 雪 孫, 孫國勇, 常同力, 徐凱宏, 曹有為, 曾其良, 李二平, 梁素鈺, 沈永亮, 潘啟明, 王述洋, 譚文英, 谷志新, 軍 趙 申請人:譚文英;梁素鈺;王述洋