專利名稱：沼氣中甲烷和二氧化碳的分離生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境保護(hù)及可再生能源回收利用領(lǐng)域。特別涉及一種從垃圾填埋、有機(jī)廢物厭氧消化(處理)等過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣中分離生產(chǎn)甲烷和二氧化碳的方法。
背景技術(shù)：
垃圾填埋、有機(jī)廢物厭氧消化過(guò)程中可以產(chǎn)生大量的沼氣。沼氣的主要成分為甲烷和二氧化碳，還含有少量的氧氣、氮?dú)?、硫化氫、水分等物質(zhì)。產(chǎn)生沼氣的原料不同，沼氣中的甲烷和二氧化碳的含量有所不同。如城市生活垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的沼氣中甲烷約占 50% 60%，二氧化碳約占32% 40% ；高濃度有機(jī)廢水產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量較高，約占 60% 78%，二氧化碳約占18% 35%。我國(guó)對(duì)沼氣的后續(xù)應(yīng)用工程工藝技術(shù)停留在一種低效利用狀態(tài)，大都被直接排放或被收集后，利用火炬形式燃燒排放。少量的收集起來(lái)供自己燒水做飯或進(jìn)行發(fā)電自用，沒(méi)有發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益。沼氣通過(guò)凈化除去二氧化碳等惰性氣體后，熱值大幅度提高，可作為清潔能源，用作汽車燃料，熱電聯(lián)產(chǎn)等高端應(yīng)用，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，二氧化碳是一種重要的化工原料，從能源利用的角度出發(fā)，能夠?qū)⒍趸紡恼託庵蟹蛛x出來(lái)，具有一舉兩得的效果。因此，如何將沼氣中的甲烷和二氧化碳進(jìn)行分離，使其成為可持續(xù)利用的二次能源，是值得關(guān)注和研究的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述背景技術(shù)，提供了一種從沼氣中分離甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2) 的生產(chǎn)方法，提高了沼氣和二氧化碳的利用效率，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的持續(xù)利用。沼氣經(jīng)分離后，其甲烷含量提高，熱值增加，可代替天然氣用于城市燃?xì)?、車用燃料、燃料電池等多個(gè)領(lǐng)域；二氧化碳可用做化工原料。本發(fā)明利用吸附劑對(duì)氣體有選擇性吸附作用的特性和特點(diǎn)進(jìn)行沼氣中甲烷和二氧化碳的分離。吸附劑溶液極易吸附二氧化碳?xì)怏w，而對(duì)甲烷的吸附力極弱。本發(fā)明的工藝步驟如下所述。(1)預(yù)處理垃圾填埋、有機(jī)廢物厭氧消化等過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣通過(guò)脫硫塔中的鐵氧化物脫硫、除塵裝置中的海綿除塵和脫水裝置中的硅膠和分子篩脫水后，使甲烷和二氧化碳的體積之和占沼氣總體積的97%.以上，經(jīng)由壓縮機(jī)的壓縮，被送進(jìn)吸收塔中進(jìn)行甲烷的分離。(2)甲烷的分離沼氣從吸收塔底部進(jìn)到塔內(nèi)后，與從塔頂往下噴淋的吸附劑逆流接觸，沼氣中的二氧化碳及少量的甲烷、氮?dú)夂土蚧瘹涞葰怏w被吸附劑吸附，而沼氣中的甲烷仍以氣體留存，實(shí)現(xiàn)了甲烷的分離。分離后的甲烷由吸收塔頂部排出，經(jīng)換熱器換熱后裝入儲(chǔ)氣瓶外運(yùn)利用。(3)富液閃蒸吸附了二氧化碳及少量的甲烷、氮?dú)獾葰怏w的吸附劑稱為富液，富液送入高閃槽進(jìn)行閃蒸，以除去吸附劑中吸附的少量的甲烷、氮?dú)獾葰怏w。由于富液進(jìn)入高閃槽后壓力驟然下降，溶解度相對(duì)較低的甲烷、氮?dú)獾葰怏w即從從富液中閃蒸出來(lái)，閃蒸出來(lái)的氣體統(tǒng)稱為高閃氣，高閃氣由高閃槽頂部排出。為了降低處理過(guò)程中甲烷的損失量，將高閃氣回流至壓縮機(jī)前端的沼氣管路中，增壓后再次進(jìn)入吸收塔中回收甲烷。高閃后的富液經(jīng)過(guò)低閃減壓閥減壓后進(jìn)入到低閃槽中，進(jìn)行二氧化碳的回收。(4)二氧化碳的回收二氧化碳的回收是在低閃槽中進(jìn)行的，高閃后的富液進(jìn)入到低閃槽后，壓力驟然下降，二氧化碳?xì)怏w就從富液中閃蒸出來(lái)，由低閃槽頂部排出，通過(guò)穩(wěn)壓閥裝入二氧化碳儲(chǔ)氣瓶中儲(chǔ)存外運(yùn)，其二氧化碳體積占?xì)怏w體積的98%以上。經(jīng)低閃槽閃蒸出二氧化碳后的吸附劑溶液進(jìn)入到再生塔中以除去殘余的微量氣體。(5)吸附劑再生吸附劑溶劑從再生塔頂部自上向下噴淋，鼓風(fēng)機(jī)從再生塔底部鼓入空氣。在鼓風(fēng)機(jī)鼓入的氣流作用下，吸附劑溶劑中所包含的殘余氣體的分壓降低，便從溶劑中解析出來(lái)，和過(guò)剩的空氣一起從再生塔頂部排出，使得吸附劑溶液中的殘余氣體含量降到0.05% (體積比)以下，吸附劑得到了再生。本發(fā)明的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，能耗低、無(wú)毒性、沼氣凈化度高，溶劑穩(wěn)定、安全。此生產(chǎn)方法既實(shí)現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì)循環(huán)，又防止了環(huán)境污染。


附圖為本發(fā)明的生產(chǎn)方法流程圖
圖中1.儲(chǔ)氣袋、2.脫硫塔、3.除塵裝置、4.脫水裝置、5.壓縮機(jī)、6. 1#換熱器、7.氣體流量控制閥門、8.氣體流量計(jì)、9.吸收塔、10.泄壓閥、11.甲烷儲(chǔ)氣瓶、12.高閃減壓閥、13.高閃槽、14.高閃槽泄壓閥、15.低閃減壓閥、16.低閃槽泄壓閥、17.低閃槽、18. 二氧化碳儲(chǔ)氣瓶、19.再生塔、20.預(yù)處理裝置、21.風(fēng)機(jī)、22.冷卻器、23.高壓泵、24.液體流量控制閥門、25.流量計(jì)。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)附圖，本發(fā)明的生產(chǎn)方法是按如下步驟進(jìn)行的。1、預(yù)處理，為了從沼氣中分離出高純度的甲烷和二氧化碳，同時(shí)保護(hù)吸附劑不受污染。在分離之前需要對(duì)沼氣進(jìn)行預(yù)處理，除去沼氣中的硫化氫、水蒸氣和粉塵等低含量的雜質(zhì)。使甲烷和二氧化碳的體積之和占沼氣總體積的97%.以上。本發(fā)明采用鐵氧化物脫除硫化氫，采用海綿脫除粉塵，采用硅膠和分子篩脫除水分。預(yù)處理的方法是將垃圾填埋、有機(jī)廢物厭氧消化或高濃度有機(jī)廢水厭氧處理等過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣通過(guò)管道送入儲(chǔ)氣袋1中；儲(chǔ)氣袋1中的沼氣通過(guò)閥門流向脫硫塔2，脫硫塔2中填裝有鐵氧化物，沼氣從脫硫塔2下部的進(jìn)口進(jìn)入，上部的出口流出，經(jīng)過(guò)和塔中鐵氧化物接觸反應(yīng)后，沼氣中的硫化氫含量可降低至20mg/m3以下，通過(guò)管道進(jìn)入除塵裝置 3中，通過(guò)除塵裝置3中的海綿吸附掉沼氣中細(xì)微的顆粒塵埃；除塵后的沼氣進(jìn)入脫水裝置 4中，脫水裝置4中裝有硅膠和分子篩，沼氣通過(guò)硅膠和分子篩脫水后，含水量降低到20mg/ m3以下。然后進(jìn)入壓縮機(jī)5，經(jīng)由壓縮機(jī)5的壓縮，被送進(jìn)吸收塔9中進(jìn)行甲烷的分離。2、甲烷的分離，甲烷的分離是在吸收塔9中進(jìn)行的，吸收塔9的壓力可以控制為 2 — 5MPa，溫度控制為1 一 10°C。本實(shí)施例中，吸收塔9內(nèi)的壓力控制在2. 5MPa、溫度控制在
54°C。吸附劑為聚乙二醇二甲醚(NHD)、碳酸丙烯酯、甲醇、N—甲基吡咯烷酮或多乙二醇甲基丙烯醚等溶液。沼氣經(jīng)由壓縮機(jī)5增壓后，在換熱器6中與分離后的甲烷進(jìn)行換熱，以便降低溫度，節(jié)約能源。沼氣經(jīng)換熱后，通過(guò)氣體流量控制閥門7和氣體流量計(jì)8后，從吸收塔 9的塔底進(jìn)入吸收塔9中，連續(xù)供氣，與從高壓泵23送來(lái)的通過(guò)液體流量控制閥門M和流量計(jì)25調(diào)控的且從塔頂往下噴淋的吸附劑溶液逆流接觸，接觸時(shí)間是100—800秒鐘。通過(guò)100—800秒鐘接觸，沼氣中的二氧化碳及少量的甲烷、氮?dú)夂土蚧瘹涞葰怏w被吸附劑吸附，而沼氣中的甲烷仍以氣體留存，留存的甲烷體積占總氣體體積的96%以上，實(shí)現(xiàn)了甲烷的分離。分離后的甲烷由吸收塔9頂部排出，經(jīng)儲(chǔ)氣瓶11收集后外運(yùn)利用。吸附了二氧化碳及少量的甲烷、氮?dú)獾葰怏w氣體的吸附劑溶液稱為富液，富液經(jīng)過(guò)高閃減壓閥12減壓后進(jìn)入到高閃槽13進(jìn)行富液閃蒸，以除去吸附劑溶液中吸附的少量的的甲烷、氮?dú)獾葰怏w。吸收塔9上設(shè)計(jì)有泄壓閥10，當(dāng)吸收塔9內(nèi)的壓力高于設(shè)計(jì)壓力(本實(shí)施例為 4. 5MPa)時(shí)，泄壓閥10開(kāi)啟，確保安全。3、富液閃蒸高閃槽13的壓力設(shè)定為0. SMPa0由于富液進(jìn)入高閃槽13后壓力驟然下降至0. 8MPa，溶解度相對(duì)較低的甲烷、氮?dú)獾葰怏w即從從富液中閃蒸出來(lái)，稱為高閃氣，高閃氣由高閃槽13頂部排出。為了降低處理過(guò)程中甲烷的損失量，可將高閃氣回流至壓縮機(jī)5前端的沼氣管路中，增壓后再次進(jìn)入吸收塔9回收甲烷。高閃后的富液經(jīng)過(guò)低閃減壓閥15減壓后進(jìn)入到低閃槽17，進(jìn)行二氧化碳的回收。高閃槽13設(shè)計(jì)有高閃槽泄壓閥14，當(dāng)高閃槽13內(nèi)的壓力高于設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力(本實(shí)施例為1. 5MPa)時(shí)，高閃槽泄壓閥14開(kāi)啟，確保生產(chǎn)安全。4、回收二氧化碳，二氧化碳的回收是在低閃槽17中進(jìn)行的，低閃槽17內(nèi)的壓力為 0. 05MPa，高閃后的富液經(jīng)減壓閥減壓進(jìn)入到低閃槽17后，由于壓力驟然下降，二氧化碳?xì)怏w就從富液中閃蒸出來(lái)，由低閃槽17頂部排出，通過(guò)穩(wěn)壓閥裝入二氧化碳儲(chǔ)氣瓶18中儲(chǔ)存外運(yùn)，其二氧化碳體積占?xì)怏w體積的98%以上。經(jīng)低閃槽17閃蒸出二氧化碳后的吸附劑溶液進(jìn)入到再生塔19中除去殘余的微量氣體。再生塔19壓力為常壓。低閃槽17上裝有低閃槽泄壓閥16的作用，當(dāng)?shù)烷W槽17內(nèi)的壓力高于設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力(本實(shí)施例為0. 15MPa)時(shí)，低閃槽泄壓閥16開(kāi)啟。5、吸附劑再生吸附劑溶液從再生塔19頂部自上向下噴淋，鼓風(fēng)機(jī)21將經(jīng)過(guò)預(yù)處理裝置20后的脫除空氣中水分和粉塵后的潔凈的、干燥的空氣從再生塔19底部鼓入。在空氣的作用下，殘余的微量氣體從吸附劑溶液中解析出來(lái)，解析氣從再生塔19頂部排出， 使得吸附劑溶液中的殘余的各種微量氣體的總含量降到0. 05% (體積比)以下，吸附劑溶液得到了再生。再生液稱為貧液，通過(guò)再生塔底部的閥門流出，進(jìn)入到冷卻器22中，經(jīng)冷凝至 1一4°C后，由高壓泵23通過(guò)液體流量控制閥門M和流量計(jì)25輸送到吸收塔9中，繼續(xù)用于沼氣中甲烷的分離。以上實(shí)施例只是對(duì)本發(fā)明的解釋，不是對(duì)發(fā)明的限定，在不違背本發(fā)明的精神的情況下，本發(fā)明可以作任何形式的修改。
權(quán)利要求
1.從沼氣中分離生產(chǎn)甲烷和二氧化碳的方法，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)預(yù)處理垃圾填埋、有機(jī)廢物厭氧消化等過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣通過(guò)脫硫塔中的鐵氧化物脫硫、除塵裝置中的海綿除塵和脫水裝置中的硅膠和分子篩脫水后，使甲烷和二氧化碳的體積之和占沼氣總體積的97%.以上，經(jīng)由壓縮機(jī)的壓縮，被送進(jìn)吸收塔中進(jìn)行甲烷的分 1 ；(2)甲烷的分離沼氣從吸收塔底部進(jìn)到塔內(nèi)后，與從塔頂往下噴淋的吸附劑逆流接觸，沼氣中的二氧化碳及少量的甲烷、氮?dú)夂土蚧瘹涞葰怏w被吸附劑吸附，而沼氣中的甲烷仍以氣體留存，實(shí)現(xiàn)了甲烷的分離；分離后的甲烷由吸收塔頂部排出，經(jīng)換熱器換熱后裝入儲(chǔ)氣瓶外運(yùn)利用；(3)富液閃蒸吸附了二氧化碳及少量的甲烷、氮?dú)獾葰怏w的吸附劑稱為富液，富液送入高閃槽進(jìn)行閃蒸，以除去吸附劑中吸附的少量的甲烷、氮?dú)獾葰怏w；由于富液進(jìn)入高閃槽后壓力驟然下降，溶解度相對(duì)較低的甲烷、氮?dú)獾葰怏w即從從富液中閃蒸出來(lái)，閃蒸出來(lái)的氣體統(tǒng)稱為高閃氣，高閃氣由高閃槽頂部排出；為了降低處理過(guò)程中甲烷的損失量，將高閃氣回流至壓縮機(jī)前端的沼氣管路中，增壓后再次進(jìn)入吸收塔中回收甲烷；高閃后的富液經(jīng)過(guò)低閃減壓閥減壓后進(jìn)入到低閃槽中，進(jìn)行二氧化碳的回收；(4)二氧化碳的回收二氧化碳的回收是在低閃槽中進(jìn)行的，高閃后的富液進(jìn)入到低閃槽后，壓力驟然下降，二氧化碳?xì)怏w就從富液中閃蒸出來(lái)，由低閃槽頂部排出，通過(guò)穩(wěn)壓閥裝入二氧化碳儲(chǔ)氣瓶中儲(chǔ)存外運(yùn)，其二氧化碳體積占?xì)怏w體積的98%以上；經(jīng)低閃槽閃蒸出二氧化碳后的吸附劑溶液進(jìn)入到再生塔中以除去殘余的微量氣體；(5)吸附劑再生吸附劑溶劑從再生塔頂部自上向下噴淋，鼓風(fēng)機(jī)從再生塔底部鼓入空氣，在鼓風(fēng)機(jī)鼓入的氣流作用下，吸附劑溶劑中所包含的殘余氣體的分壓降低，便從溶劑中解析出來(lái)，和過(guò)剩的空氣一起從再生塔頂部排出，使得吸附劑溶液中的殘余氣體含量降到 0. 05% (體積比)以下，吸附劑得到了再生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中，沼氣經(jīng)過(guò)和塔中鐵氧化物接觸反應(yīng)后，沼氣中的硫化氫含量降低至20mg/m3以下，沼氣通過(guò)硅膠和分子篩脫水后， 沼氣中的含水量降低到20mg/m3以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中吸收塔內(nèi)的壓力控制在 2 — 5MPa，溫度控制為1—10°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中吸收塔內(nèi)的壓力控制在 2. 5MPa，溫度控制在4°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中吸附劑為聚乙二醇二甲醚、碳酸丙烯酯、甲醇、N—甲基吡咯烷酮或多乙二醇甲基丙烯醚等溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中，沼氣與吸附劑溶液逆流接觸時(shí)間是100— 800秒鐘，沼氣中留存的甲烷體積占總氣體體積的96%以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中，高閃槽的壓力為 0.8MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(4)中，低閃槽內(nèi)的壓力為 0.05MPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(5)中，所述吸附劑得到了再生的再生液稱為貧液，通過(guò)再生塔底部流出，經(jīng)冷凝至1一4°C后，由高壓泵輸送到吸收塔中， 繼續(xù)用于沼氣中甲烷的分離。
全文摘要
本發(fā)明涉及環(huán)境保護(hù)及可再生能源回收利用領(lǐng)域。從沼氣中分離生產(chǎn)甲烷和二氧化碳的方法，通過(guò)預(yù)處理、甲烷分離、富液閃蒸、回收二氧化碳和吸附劑再生五個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。分離出的甲烷體積比達(dá)96%以上，二氧化碳體積比達(dá)98%以上。本發(fā)明的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，能耗低、無(wú)毒性、純度高，過(guò)程安全。此發(fā)明既實(shí)現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì)循環(huán)，又防止了環(huán)境污染。
文檔編號(hào)C10L3/10GK102329672SQ20111026223
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者丁雪梅, 于景成, 張有, 桑力維, 田丹, 田藝偉, 辛凱, 靳國(guó)良 申請(qǐng)人:北京昊業(yè)怡生科技有限公司