一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺

摘要

本发明提供了一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，属于石油化工领域，将膜分离技术、催化燃烧技术和热量回收系统集成为一个有机整体，通过一级二段膜分离联产低品位城市燃气和车用高端压缩天然气，通过催化燃烧转化残余甲烷，减少温室气体排放，通过热量回收系统副产热水和中压蒸汽，实现了沼气资源的绿色环保多元化利用。本发明提供的工艺，甲烷收率超过95％，综合利用率超过98％，产品的生产成本低于0.7元/标方，为小规模、大波动和分散式生产的乡镇沼气资源提供了一种灵活、高效、低成本、易操作维护且绿色环保的利用工艺，对推动我国沼气利用的产业化、规模化和商业化意义重大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，属于石油化工领域。 该分离工艺利用一级二段膜分离单元联产低品位城市燃气和车用高端压缩天然 气，利用催化燃烧装置转化尾气中残余的甲烷，并通过热量回收系统副产热水 和中压蒸汽，从而绿色环保地实现了沼气资源的多元化利用。

背景技术

由于能源消费量的急剧增加，以及能源结构的优化调整，天然气在我国能源 消费中的比重不断上升。2009年，天然气在我国能源消费中的比重只有3.8％， 根据“十二五”的能源消费结构调整目标，2015年这一比重将提高至8.3％。寻找 非化石来源的天然气替代品，是实现这一目标急需解决的问题。目前，我国每 年排放的城市垃圾超过3亿吨、人畜粪便(含水)约40亿吨、焚烧浪费的作物秸 秆超过3亿吨。将这些生物质高效转化可获得约2000亿立方米生物甲烷，是 我国2010年天然气开采量的2倍。显然，合理开发利用生物质资源，将其转 化为生物甲烷，是我国推进能源结构优化调整的重要助力。此外，根据哥本哈 根协议，非化石能源占我国一次能源消费的比重，也将由2009年的8.3％提高 至2020年的15.0％。生物质能的合理利用在此过程中也将扮演非常重要的角色。

进入新世纪，我国平均每年投入到沼气工程的资金超过50亿元。截至2011 年底，农村户用沼气池已超过4千万座，中大型沼气工程超过2.7万套，并分别 以每年15％和27％的增长率继续发展。总体上，我国沼气工程的产能达到了千 亿立方/年的巨大规模，如果能够合理利用这些项目，对我国能源消耗的结构优 化调整具有重要作用。

虽然前景非常壮观，但占据沼气工程绝大部分产能的农村户用沼气池给这些 资源的合理利用提出了挑战。目前，我国农村的户用沼气和小型养殖场沼气的 应用方式主要是自给自足，提供家用燃气。虽然普遍存在严重的沼气过剩现象， 但由于这些沼气产能具有小规模、大波动和分散式生产的特点，难以与工业天 然气的需求直接挂钩。不仅如此，甲烷是一种温室气体效应非常大的气体，其 GWP值是二氧化碳的25倍。全国零散沼气池浪费的甲烷量，基本上都直接逸 散至大气中，相当于每年排放二氧化碳3.6亿吨。

通过发酵得到的生物气，主要含有甲烷(～50mol％)、二氧化碳(～45mol％)、 饱和的水蒸汽(～3％)和少量空气(<1％)，以及硫化氢(50～1000ppm)。农村的零散 沼气池的过剩产能，通过分离提纯深加工，每年可以至少产出70亿立方的高品 位天然气，比如车用压缩天然气，其直接经济效益超过20亿元。显然，合理的 分离提纯工艺对生物甲烷的产业化至关重要。

目前，常见的沼气分离提纯工艺有吸收、吸附和深冷分离等传统技术，以及 新兴的气体膜分离技术。考虑到我国农村的户用沼气和小型养殖场沼气的小规 模、大波动和分散式生产的特点，传统技术由于规模适应性和操作灵活性不足， 难以适应这类沼气生产模式。气体膜分离技术具有操作方便、能耗低、设备占 地面积小、等优点，更适合零散的农村户用沼气装置和中小型养殖场沼气工程。

尽管如此，目前已开发的以及大多数在研的膜分离沼气提纯工艺，其生产目 标往往立足于生产高品位天然气比如，车用压缩天然气，一方面，生产的灵活 性不够，难以适应农村户用沼气和小型养殖场沼气的特性，且不适合乡镇能源 市场对民用低品位燃气与车用高品位压缩天然气的需求特征；另一方面，分离 成本偏高，不利于小规模生产过程的投资和资金运作模式。因此，进一步提高 生产灵活性、减少沼气深加工生产费用，成为继续发展膜分离沼气提纯工艺的 关键点。除此之外，沼气提纯工艺副产含少量甲烷的尾气，根据工艺不同，其 含量通常在1～5mol％之间波动，通过工艺改进避免甲烷损失对环境造成的不利 影响，也是继续发展膜分离沼气提纯工艺必须考虑的问题。

综上所述，我国农村户用沼气和小型养殖场沼气的深加工利用，亟需开发能 够实现绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，在提高资源利用率、降低分离能 耗和分离成本的同时，避免环境污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺。该工艺 利用一级二段膜分离单元联产低品位城市燃气和车用高端压缩天然气，利用催 化燃烧装置转化尾气中残余的甲烷，并通过热量回收系统副产热水和中压蒸汽， 从而实现沼气资源的绿色环保利用和多元化利用。有效避免了现有甲烷提纯工 艺面临的问题：生产灵活性低、能耗较高、不满足乡镇能源市场需求、不适合 中小规模沼气工程。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，

在预处理系统1中，沼气经压缩机1a增压、除杂装置1b脱除固体颗粒和 液雾，经换热器1c升温至膜组件的操作条件，进入膜分离系统2；

在膜分离系统2中，预处理系统1输出的沼气进入一段膜分离器2a，渗透 侧为含少量甲烷的二氧化碳，进入催化燃烧系统3；渗余侧产出低品位民用燃气， 经分流器2b分流，一部分输出作为产品进入城镇燃气管网，其余部分进入二段 膜分离器2c；在二段膜分离器2c渗余侧生产出满足车用压缩天然气的产品，指 标GB18047-2000，渗透侧为甲烷含量较高的富二氧化碳循环气，返回预处理系 统1中的沼气经压缩机1a进口。

在催化燃烧系统3中，一段膜分离器2a的渗透侧气体进入脱硫器3a；脱硫 后的气体和空气一起进入混合器3b，然后进入换热器3c升温到着火点，在催化 燃烧反应器3d中催化转化；反应器3d输出的高温尾气，在换热器3f中回收高 温热量，产出5.0MPa中压蒸汽，在换热器3c中加热催化燃烧反应的原料，将 温度提高至着火点，在换热器3e中回收低温热量，产出70～90℃热水，在预处 理系统1中的换热器1c中回收低温热量，使沼气温度达到40～80℃。

所述一段膜分离器2a渗余气的甲烷含量为80～90mol％，二段膜分离器2c 渗余气甲烷含量为≥97％；

所述催化燃烧系统3中尾气进行无害化处理后，甲烷含量降至100ppm以 下。

本发明的优点及有益效果：

本发明提供了一种绿色环保的沼气资源多元化利用工艺，充分考虑了原料 组成、产品实际需求和能量分布等特点，通过将膜分离和催化燃烧等工艺集合 成一个有机整体，以及多种技术的相互促进，相互改善，梯级净化沼气和梯级 热量回收，实现了经济环保低能耗同时生产乡镇所需的民用生物甲烷和车用生 物甲烷，并联产70℃热水和5.0MPa中压蒸汽，由于本发明中采用膜分离法和催 化燃烧方法耦合的工艺，使该工艺与传统的沼气膜分离提纯工艺相比，不仅具 有操作简单方便和设备体积小等优点，而且也降低了分离提纯能耗、提高了经 济效益，以及实现尾气无害化同时生产出符合乡镇燃气市场特性的多元化沼气 产品，更适合应用于乡镇零散的户用沼气工程和养殖场沼气工程中的沼气分离 提纯。

附图说明

附图是绿色环保型沼气资源多元化利用工艺的原则流程图。

图中：1预处理系统；1a压缩机；1b除杂装置；1c换热器；2膜分离系统； 2a一段膜分离器；2b分流器；2c一段膜分离器；3催化燃烧系统；3a脱硫器； 3b混合器；3c换热器；3d催化反应器；3e换热器；3f换热器。

具体实施方式

以下通过具体实例说明本发明的技术方案。

实施例1：

处理对象：大型养殖场沼气工程的沼气，产气量为500Nm³/h。

沼气组成mol％：

CH₄53 CO₂44 H₂O 2 O₂0.2 N₂0.7 H₂S 800ppm

一段膜分离器2a的操作条件为：温度60℃，压力为2.5MPa，膜面积为116m²。

二段膜分离器2c的操作条件为：温度52℃，压力为2.48MPa，膜面积为140 m²。

压缩空气体积流率为：200Nm³/h

在该实施例中，民用生物甲烷产量为2.4×10⁵Nm³/a，车用生物甲烷产量为 1.7×10⁶Nm³/a，70℃热水产量为3543t/a，5.0MPa中压蒸汽产量为315t/a，经 济效益为310万元/a，该工艺能够充分多级利用大型养殖场沼气工程的沼气。

实施例2：

处理对象：集中回收的户用沼气工程的沼气，回收量为1000Nm³/h。

沼气组成mol％：

CH₄50 CO₂45 H₂O 3 O₂0.78 N₂1.04 H₂S 800ppm

一段膜分离器2a的操作条件为：温度60℃，压力为2.5MPa，膜面积为240m²。

二段膜分离器2c的操作条件为：温度52℃，压力为2.48MPa，膜面积为286 m²。

压缩空气体积流率为：500Nm³/h

在该实施例中，民用生物甲烷产量为6.37×10⁵Nm³/a，车用生物甲烷产量为 3.05×10⁶Nm³/a，70℃热水产量为9688t/a，5.0MPa中压蒸汽产量为670t/a，经 济效益为583万元/a，该工艺能够有效利用乡镇户用沼气工程过剩的沼气。