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沼气膜提纯案例分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-09-27  来源:三益  浏览次数:1231
核心提示:沼气膜提纯案例分析何金玲,宋丽(北京三益能源环保发展股份有限公司,北京 10080,010-63721622,hejinling@syge.com.cn ,song
 沼气膜提纯案例分析

何金玲,宋丽

(北京三益能源环保发展股份有限公司,北京 10080,010-63721622,

hejinling@syge.com.cn ,songli@syge.com.cn

摘要:天然气是一种清洁能源,应用范围广泛。沼气主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和少量其它成分。因其成分复杂,限制了其利用途径。故对沼气进行净化提纯,制取生物天然气(BNG),使其符合《天然气》(GB17820)和《车用压缩天然气》(GB18047)标准,可以实现沼气的高值利用。目前常用的沼气提纯技术有变压吸附,胺洗法,水洗法和膜法。其中,膜法分离技术为物理分离法,不会对环境造成二次污染,并且操作简单灵活、维修保养容易,因而近年来在沼气提纯领域得以迅速发展。本文对沼气膜提纯技术的原理、工艺流程进行了概述,并结合工程实例进行分析。

关键词:沼气提纯、膜分离、生物天然气

    目前,我国环境污染问题突出,对清洁能源的需求量日益增大,天然气在清洁能源中占据重要地位。而我国的天然气资源先天不足,天然气进口量越来越大,因而开发和利用清洁可再生能源成为发展趋势。

    沼气作为生物质能源的一种,主要靠生活垃圾、餐厨垃圾、农业废弃物、禽畜粪便或污水污泥等有机废物废水经过厌氧发酵制取,经过提纯被输送到天然气管网或者作为车用燃气,不仅解决了有机废物污染的问题,而且还产生了清洁、可再生的生物质能源。

    沼气的主要成分是甲烷(CH4)50%~70%和二氧化碳(CO2)30%~50%,CO2含量高降低了沼气的热值(22~25MJ/m3)和燃烧效率,使其应用范围极其有限。沼气经净化提纯后则可提高其成分中CH4(热值39.8 MJ/m3)的相对含量,故通过提纯可提高其热值[1]。沼气净化提纯后得到的产品气气质可达到《天然气》(GB17820)和《车用压缩天然气》(GB18047)标准要求,可并入天然气管网、用于热电联产或汽车燃料,能产生更大的经济效益[2]。

    目前,常用的沼气提纯技术主要有膜分离法、水洗法、化学吸收法、变压吸附法(PSA)等[3,4]。沼气膜分离技术最近几年发展迅速,有逐步取代传统沼气提纯技术的趋势。

    1.沼气膜分离技术原理

    气体膜分离技术是利用薄膜材料对各种气体的渗透率不同来实现气体分离的一种技术。膜分离的主要驱动力是截留侧(中空纤维内部)和渗透侧(中空纤维外部)中间的压力差。这个差值越高,通过渗透膜的气体比重越大。

 
图1 中空纤维膜组件

气体的渗透速率取决于膜材料的溶解度和扩散速率。不同的气体在膜材料中渗透速率不同。

 
图2 不同气体渗透速率

    2.工艺流程

    沼气中所含杂质主要有CH4、CO2、H2S、水蒸汽、颗粒物,还可能含有微量H2、NH3、硅氧烷、油等,沼气需要进行预处理脱除H2S、NH3、水蒸汽、硅氧烷、油颗粒物等污染物,以免对膜造成损伤。经过预处理后的沼气经压缩机增压至设计压力后,再去除沼气中的水蒸气、油、颗粒物等杂质后进入膜组件。

    根据膜分离装置级数可分为一级、二级和多级膜分离工艺。一级膜分离工艺由于甲烷回收率低,未见工业应用。多级膜分离工艺以三级为主,而三级膜分离工艺投资成本很高,目前国内工业应用极少。而二级膜工艺因为产品纯度和收率均能较好的满足工程需要,且投资适中,因此得到了较为广泛的工业应用。在二级膜分离工艺中,一级膜保留气进入二级膜进一步过滤,二级膜保留气作为产品气输出,一级膜渗透气则作为尾气排放,工艺流程图见图3。

 
图3 二级膜分离技术工艺流程图

    3.案例分析

    3.1 潍坊三益新能源有限公司15万方/天沼气提纯工程项目

    潍坊三益新能源科技有限公司15万立方/天沼气提纯项目设备安装工程始于2014年,分三期建设,满负荷运行可日产生物天然气9万方,提纯后的生物天然气部分压缩成CNG外运,部分调压后直接进入当地燃气管网。

    本项目气源为工业废水经IC厌氧工艺处理产生的沼气,沼气中H2S含量平均5000 ppm,CH4含量约为60%。粗沼气首先进入脱硫系统进行脱硫,该系统采用生物脱硫+干法脱硫的脱硫工艺,其中生物脱硫系统H2S去除率可达到99%;经脱硫的沼气经过二级膜分离工艺脱碳净化后,净化气中CH4含量可达到97%以上,满足《车用压缩天然气》及《天然气》标准。

 
图4 潍坊三益新能源有限公司15万方/天沼气提纯工程项目

    3.2 广西陆川4万方/天沼气提纯工程项目

    广西陆川4万立方/天沼气提纯项目始建于2016年,分两期建设,一期沼气处理量2万方/天,日产天然气1.2万方,提纯后的生物天然气压缩成CNG外运。系统设计操作弹性范围50-110%,同时脱碳箱内预留二期扩展空间,节约项目总投资。

    本项目气源为畜禽粪便加秸秆厌氧发酵产生的沼气,沼气中H2S设计值4000~5000 ppm,CH4含量约为55%~60%。该系统采用湿法脱硫+干法脱硫的脱硫工艺,经脱硫的沼气经过二级膜分离工艺脱碳净化后,产品气满足《车用燃气标准及天然气》标准,CH4回收率达到97%。
 

图5 广西陆川沼气提纯项目脱碳箱

    3.3 山东东阿1万方/天沼气提纯工程项目

    山东东阿1万方/天沼气提纯工程项目建于2016年,本项目气源为秸秆厌氧发酵产生的沼气,沼气中H2S含量低。沼气采用干法脱硫系统,再经过膜法脱碳净化后,日产天然气6000方,产品气满足《车用燃气标准及天然气》标准,提纯后的生物天然气压缩成CNG外运。

 
图6 山东东阿沼气提纯项目

    从三益能源公司建成项目运行情况来看,膜法沼气提纯工艺适用于不同气源的沼气提纯项目,产品性能优异,运行稳定,操作简单,并且可以适应气量的波动范围大。

    4.总结

    膜分离技术的优点:

    (1) 产品气中甲烷纯度高达99%;

    (2) 在提纯过程中甲烷损失<0.5%;

    (3) 高能源利用率,膜分离技术主要运行成本为电耗,每方粗沼气耗电量约0.2 kWh;

    (4) 物理分离过程,不会对环境造成二次污染;

    (5) 系统的启动和停止在短的间隔内完成,具有较高的灵活性;

    (6) 便于操作,极少维护;

    (7) 标准化程度高,易于扩展规模;

    (8) 产品气可满足进入燃气管网、车用压缩天然气的露点要求,无需二次脱水;

    (9) 产品气可通过天然气管网直接输送,无需额外的压缩机;

    (10) 空间要求低且安装时间短,可安装在标准的集装箱内; 

    (11) 适用范围广,沼气处理范围从10Nm3/h至几千方每小时。

    膜分离技术目前主要应用于沼气、填埋气提纯领域,未来可开发在低品质天然气、煤层气提纯领域的应用。

    参考文献

    [1] 尹冰,陈路明,孔庆平. 车用沼气提纯净化工艺技术研究[J]. 现代化工,2009, 29(11): 28-31,33.

    [2] 宋灿辉,肖波,史晓燕,杨小艳.沼气净化技术现状[J]. 中国沼气,2007, 25 (4): 23-27.

    [3] 周宗茂,谢丽,罗刚等. 厌氧发酵沼气提纯技术研究进展[J]. 环境工程,2013, 31(3): 46-50.

    [4] 郑 戈,张全国. 沼气提纯生物天然气技术研究进展[J]. 农业工程学报,2013, 29(17): 1-6.

 
 
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