一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统的制作方法

1.本发明属于沼气分离提纯技术领域，尤其涉及一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统。


背景技术：

2.畜禽粪污、餐厨、厨余垃圾等原料在厌氧发酵过程后会产生沼气，沼气由大量的甲烷(约 50-80％)、二氧化碳(约20-40％)以及少量硫化氢、氮气、氧气、水蒸气等杂质气体组成。
3.目前国内对于沼气的利用集中在沼气燃烧发电和提纯生物天然气，这两种均为针对沼气中甲烷的利用，而沼气中另一重要资源二氧化碳则被普遍忽视了。二氧化碳在沼气中占比将近一半，仅次于甲烷含量。在甲烷提纯过后，剩余气体中二氧化碳占比可高达93％，是不可多得的制造食品级二氧化碳的原料。且沼气中不含有nox、sox等杂质气体，处理方式对比锅炉烟气等成分复杂的原料气来说更为方便容易。
4.目前的沼气提纯工程与碳捕集工程还未有同时实现的先例，沼气提纯后副产物利用不彻底，这不仅造成了能源的浪费，还排放了大量的碳，污染了大气环境。所以提供一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统显得十分重要，不仅可以变废为宝，将生物质废弃物利用起来，提高资源利用率，丰富产出物，且可以减少能源、设备与材料的浪费，进而减少工程造价，提升整体工程的经济性，同时减少了碳排放。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种生物质厌氧发酵后在沼气中同时提纯生物天然气和食品级二氧化碳的生物质处理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，包括依次连接的生物质原料预处理系统、生物质发酵系统、沼气后处理系统、生物天然气提纯系统和二氧化碳提纯系统，所述生物天然气提纯系统包括依次连接的第一压缩机和膜分离装置，所述二氧化碳提纯系统包括低温液化精馏塔。
7.膜分离装置运用分子筛原理，通过管路加压将小分子甲烷分离到膜的另一边，将二氧化碳、水分等留在膜的进气侧，从而达到分离气体的效果，膜分离装置进行气体分离的过程中不吸收任何气体。
8.现有技术中吸收法是另一种分离甲烷和二氧化碳的方法，可用吸收法代替膜分离装置，吸收法是用吸收液吸收混合气体中的二氧化碳变成富液，再通过将富液中的二氧化碳分离出来，达到分离二氧化碳和甲烷和目的，吸收液变为贫液循环利用。但是吸收法会带来系统水分的增加。
9.本发明中的沼气提纯使用膜分离装置，排除了吸收法提纯所带来的水分增加，避免再次在生物天然气产出端增加干燥系统，且可保证提纯后的甲烷纯度达到生物天然气所
要求的 97％。
10.进一步地，所述生物质原料预处理系统包括依次连接的格栅、水解沉砂池和混合调节池，所述生物质发酵系统包括厌氧发酵罐。
11.通过格栅过滤生物质原料中的大件杂质，利用水解沉砂池过滤原料中的砂石，然后进入混合调节池调节原料的含固率，最后将混合好的原料送至厌氧发酵罐进行发酵产生沼气。
12.其中，含固率ts指某一混合物中固体成分含量的百分比。混合调节池通过加水或者加入固形物，例如畜禽粪便来调节调节含固率ts。不同的发酵方式需要的ts值也不同，ts的值会影响后期发酵的效果，通常表现为影响产气量的多少。通常，湿式发酵的ts值最好为 8％-10％，半干法15％左右，干法发酵20％左右。
13.进一步地，所述沼气后处理系统包括依次连接的湿法脱硫塔和干法脱硫塔。
14.进一步地，所述沼气后处理系统还包括增压风机、气柜、放散火炬和第一冷凝器，所述增压风机的进气口和所述厌氧发酵罐连接，所述增压风机的出气口和所述湿法脱硫塔连接，所述气柜的出气口分别与放散火炬和第一冷凝器连接，所述气柜的进气口和所述干法脱硫塔连接。
15.从干法脱硫塔顶部引出的净化气经塔内水分离段除去气体中夹带的液滴后进入气柜中储存稳压，气柜上设放散火炬，在提纯设备维修时或事故状态下进行放散。
16.放散火炬是一种应急保护装置，如果系统产生沼气量超过最大储存量，或者后续设备维修时或发生事故，沼气无处可去时，则会将沼气通入放散火炬内燃烧处理。
17.进一步地，所述二氧化碳提纯系统还包括依次连接的精脱硫塔、干燥塔、第二压缩机和第二冷凝器，所述第二冷凝器外接制冷机，所述第二冷凝器的出水口与所述低温液化精馏塔连接。
18.整个生物质处理系统共设置了三级脱硫，前两级脱硫，即湿法脱硫塔和干法脱硫塔，可使沼气中的硫含量小于民用燃气硫含量标准，使得提纯后的生物天然气可以直接利用；第三级精脱硫，即精脱硫塔，可将二氧化碳中的掺杂的少量的硫化氢再次吸收，从而达到食品级二氧化碳的硫含量标准。
19.在第二冷凝器和制冷机的作用下，利用低温液化精馏塔分离提纯出的二氧化碳为液态的食品级二氧化碳，可自行升温降压变为气态食品级二氧化碳，或再降低温度变成干冰产品使用。
20.进一步地，所述膜分离装置上设置生物天然气出口、混合气体出口和回流气出口，经膜分离装置分离出的生物天然气通过生物天然气出口排出，所述精脱硫塔与所述膜分离装置上的混合气体出口连接，所述回流气出口通过回流气管道与所述第一压缩机连接。
21.在膜分离装置处设置回流气管道，通过多次分离提纯使甲烷气体与二氧化碳气体分离更加完全。
22.通过设置压缩机可以保证系统管路的内压力，混合气体需要足够的压力才能通过膜分离装置分离出生物天然气。
23.进一步地，所述低温液化精馏塔的杂质气体出气口处依次连接第三冷凝器和回流罐，所述回流罐的出水口与所述低温液化精馏塔连接，经所述低温液化精馏塔提纯出的二氧化碳经二氧化碳出口排出。
24.进一步地，所述精脱硫塔采用干法脱硫技术。
25.第三级精脱硫优选干法脱硫技术，可以避免给系统再次引入水分。
26.有益效果：
27.(1)本发明提供的一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，包括依次连接的生物质原料预处理系统、生物质发酵系统、沼气后处理系统、生物天然气提纯系统和二氧化碳提纯系统，所述生物天然气提纯系统包括依次连接的第一压缩机和膜分离装置，所述二氧化碳提纯系统包括低温液化精馏塔；本发明中的沼气提纯使用膜分离装置，排除了吸收法提纯所带来的水分增加，避免再次在生物天然气产出端增加干燥系统，且可保证提纯后的甲烷纯度达到生物天然气所要求的97％。另外，在膜分离装置处设置回流气管道，通过多次分离提纯使甲烷气体与二氧化碳气体分离更加完全。通过将各个装置有机、合理、高效的结合在一起形成完整的生物质处理系统，将生物质废弃物转变成可再利用的生物天然气和食品级二氧化碳，丰富了产品的多样性，避免了资源的浪费，减少了碳排放。
28.(2)本发明提供的一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，整个生物质处理系统共设置了三级脱硫，前两级脱硫，即湿法脱硫塔和干法脱硫塔，可使沼气中的硫含量小于民用燃气硫含量标准，使得提纯后的生物天然气可以直接利用；第三级精脱硫，即精脱硫塔，可将二氧化碳中的掺杂的少量的硫化氢再次吸收，从而达到食品级二氧化碳的硫含量标准。通过共用脱硫、脱水设备，避免了设备的重复，从而使得提纯工艺得到简化；通过在低温液化精馏塔的杂质气体出气口处再连接第三冷凝器和回流罐，使得在杂质气体中残留的二氧化碳进一步低温液化提纯，从而达到近零排放的目的。
29.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
30.图1为本发明优选的实施例的结构示意图；
31.附图说明：
32.1、格栅；2、水解沉砂池；3、混合调节池；4、厌氧发酵罐；5、增压风机；6、湿法脱硫塔；7、干法脱硫塔；8、气柜；9、放散火炬；10、第一冷凝器；11、第一压缩机；12、膜分离装置；13、精脱硫塔；14、干燥塔；15、第二压缩机；16、第二冷凝器；17、制冷机； 18、低温液化精馏塔；19、第三冷凝器；20、回流罐。
具体实施方式
33.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
34.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
35.实施例：
36.如图1所示，在一个较佳的实施例中，提供一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，包括依次连接的生物质原料预处理系统、生物质发酵系统、沼气后处理系统、生物天然气提纯系统和二氧化碳提纯系统，
37.所述生物质原料预处理系统包括依次连接的格栅1、水解沉砂池2和混合调节池3，所述生物质发酵系统包括厌氧发酵罐4。格栅1下设置水解沉砂池2，水解沉砂池2上部接溢流管至混合调节池3，混合调节池3后连泵直通厌氧发酵罐4。
38.通过格栅1过滤生物质原料中的大件杂质，利用水解沉砂池2过滤原料中的砂石，然后进入混合调节池3调节原料的含固率，最后将混合好的原料送至厌氧发酵罐4进行发酵产生沼气。
39.其中，含固率ts指某一混合物中固体成分含量的百分比。混合调节池3通过加水或者加入固形物，例如畜禽粪便来调节调节含固率ts。不同的发酵方式需要的ts值也不同，ts的值会影响后期发酵的效果，通常表现为影响产气量的多少。通常，湿式发酵的ts值最好为 8％-10％，半干法15％左右，干法发酵20％左右。
40.厌氧发酵优选湿式厌氧发酵技术进行发酵，采用cstr技术。
41.所述沼气后处理系统包括增压风机5、湿法脱硫塔6、干法脱硫塔7、气柜8、放散火炬 9和第一冷凝器10。
42.厌氧发酵罐4的沼气出口与增压风机5连接，增压风机5后与湿法脱硫塔6的进气口连接，湿法脱硫塔6的出气口与干法脱硫塔7的进气口相连，干法脱硫塔7的出气口与气柜8 的进气口连接，气柜8的出气口分别与放散火炬9和第一冷凝器10连接。
43.储存沼气的气柜8选用双膜气柜。
44.从干法脱硫塔7顶部引出的净化气经塔内水分离段除去气体中夹带的液滴后进入气柜8 中储存稳压，气柜8上设放散火炬9，在提纯设备维修时或事故状态下进行放散。
45.放散火炬9是一种应急保护装置，如果系统产生沼气量超过最大储存量，或者后续设备维修时或发生事故，沼气无处可去时，则会将沼气通入放散火炬9内燃烧处理。
46.所述生物天然气提纯系统包括依次连接的第一压缩机11和膜分离装置12，所述第一冷凝器10的出气口与第一压缩机11连接，所述第一压缩机11后接膜分离装置12。
47.膜分离装置12运用分子筛原理，通过管路加压将小分子甲烷分离到膜的另一边，将二氧化碳、水分等留在膜的进气侧，从而达到分离气体的效果，膜分离装置12进行气体分离的过程中不吸收任何气体。
48.现有技术中吸收法是另一种分离甲烷和二氧化碳的方法，可用吸收法代替膜分离装置12，吸收法是用吸收液吸收混合气体中的二氧化碳变成富液，再通过将富液中的二氧化碳分离出来，达到分离二氧化碳和甲烷和目的，吸收液变为贫液循环利用。但是吸收法会带来水分的增加。
49.本发明中的沼气提纯使用膜分离装置12，排除了吸收法提纯所带来的水分增加，避免再次在生物天然气产出端增加干燥系统，且可保证提纯后的甲烷纯度达到生物天然气所要求的 97％。
50.所述膜分离装置12上设置生物天然气出口、混合气体出口和回流气出口，经膜分离装置 12分离出的生物天然气通过生物天然气出口排出，所述精脱硫塔13与所述膜分离装置12上的混合气体出口连接，所述回流气出口通过回流气管道与所述第一压缩机11连
接。
51.在膜分离装置12处设置回流气管道，通过多次分离提纯使甲烷气体与二氧化碳气体分离更加完全。
52.通过设置压缩机可以保证系统管路的内压力，混合气体需要足够的压力才能通过膜分离装置12分离出生物天然气。
53.所述二氧化碳提纯系统包括精脱硫塔13、干燥塔14、第二压缩机15、第二冷凝器16、制冷机17、低温液化精馏塔18、第三冷凝器19和回流罐20。所述精脱硫塔13与所述膜分离装置12上的混合气体出口连接，精脱硫塔13的出气口后接两级干燥塔14，干燥塔14的出气口与第二压缩机15连接，第二压缩机15后接第二冷凝器16，第二冷凝器16外接制冷机17，第二冷凝器16的出水口与低温液化精馏塔18连接，低温液化精馏塔18的杂质气体出气口处连接第三冷凝器19，第三冷凝器19的出水口接回流罐20，回流罐20的出水口接低温液化精馏塔18，经低温液化精馏塔18提纯出的二氧化碳经二氧化碳出口排出。
54.整个生物质处理系统共设置了三级脱硫，前两级脱硫，即湿法脱硫塔6和干法脱硫塔7，可使沼气中的硫含量小于民用燃气硫含量标准，使得提纯后的生物天然气可以直接利用；第三级精脱硫，即精脱硫塔13，可将二氧化碳中的掺杂的少量的硫化氢再次吸收，从而达到食品级二氧化碳的硫含量标准。
55.增压风机的增压效果相比第一压缩机和第二压缩机的增压效果稍小，由于系统前端所需压力不大，所以湿法脱硫塔前仅需设置增压风机即可满足要求。
56.在第二冷凝器16和制冷机17的作用下，利用低温液化精馏塔18分离提纯出的二氧化碳为液态的食品级二氧化碳，可自行升温降压变为气态食品级二氧化碳，或再降低温度变成干冰产品使用。
57.精脱硫塔13采用干法脱硫技术，可以避免给系统再次引入水分。
58.在低温液化精馏塔18的杂质气体出气口处再连接第三冷凝器19和回流罐20，使得在杂质气体中残留的二氧化碳进一步低温液化提纯，从而达到近零排放的目的。
59.利用本发明提供的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统进行提纯的工艺过程如下：
60.生物质原料首先进入多层的格栅1中过滤大件杂质，再进入水解沉砂池2中过滤掉原料中的砂石，然后进入混合调节池3中调节原料的含固率，将混合好的原料泵送至厌氧发酵罐 4，经过约20天的发酵后产生沼气，沼气通过增压风机5进入湿法脱硫塔6内进行脱硫，湿法脱硫塔6采用双塔串联的方式，使得脱硫效率在98.8％以上。一次脱硫选择湿法脱硫能够避免湿法脱硫所带来的杂质气体的混入。一次脱硫后进入干法脱硫塔7进行二次脱硫，使得沼气中的硫化氢含量小于民用燃气硫含量标准，从而使得经过膜分离装置12分离提纯出的生物天然气可以作为燃料直接使用。
61.从干法脱硫塔7顶部引出的净化气中硫化氢的含量在100ppm以下，经干法脱硫塔7内水分离段除去气体中夹带的液滴后进入双膜气柜中储存稳压，双膜气柜上设放散火炬9，在提纯设备维修时或事故状态下进行放散。之后，沼气进入第一冷凝器10进行再次脱水，防止水分进入第一压缩机11，沼气脱水后进入第一压缩机11中增压至1～2mpa，然后进入膜分离装置12，将甲烷与杂质气体分离。
62.分离出的甲烷为主的气体因在前期已经经过干燥脱水处理，所以甲烷纯度可以达
到生物天然气所要求的97％，不需要再设置干燥设备。
63.由于分离出的以二氧化碳为主的气体还含有少量的ch4、h2s、h2o、n2和o2，所以需要进一步脱除才可做食品级二氧化碳使用。
64.从膜分离装置12中分离出来的以二氧化碳为主的气体经干法脱硫脱去残留的h2s后，进入干燥塔14脱去残余的h2o。然后将经过干燥的混合气体通过第二压缩机15加压至2～3mpa，通入第二冷凝器16，在制冷机17的作用下，将温度降至二氧化碳在相应压力下的冷凝温度，将二氧化碳冷凝为液体，其余杂质也有部分溶于二氧化碳液体中。接着，将二氧化碳液体通入低温液化精馏塔18内，在低温液化精馏塔18内可将氮气、氧气和甲烷气体等其他气体精馏出，在低温液化精馏塔18的杂质气体出口处再连接冷凝器和回流罐20，使得在杂质气体中残留的二氧化碳进一步液化提纯，此时回流罐20中的液态二氧化碳纯度达到99.9％，可作为食品级二氧化碳实用，经二氧化碳出口排出。

技术特征：
1.一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，包括依次连接的生物质原料预处理系统、生物质发酵系统、沼气后处理系统、生物天然气提纯系统和二氧化碳提纯系统，所述生物天然气提纯系统包括依次连接的第一压缩机(11)和膜分离装置(12)，所述二氧化碳提纯系统包括低温液化精馏塔(18)。2.如权利要求1所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述生物质原料预处理系统包括依次连接的格栅(1)、水解沉砂池(2)和混合调节池(3)，所述生物质发酵系统包括厌氧发酵罐(4)。3.如权利要求2所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述沼气后处理系统包括依次连接的湿法脱硫塔(6)和干法脱硫塔(7)。4.如权利要求3所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述沼气后处理系统还包括增压风机(5)、气柜(8)、放散火炬(9)和第一冷凝器(10)，所述增压风机(5)的进气口和所述厌氧发酵罐(4)连接，所述增压风机(5)的出气口和所述湿法脱硫塔(6)连接，所述气柜(8)的出气口分别与放散火炬(9)和第一冷凝器(10)连接，所述气柜(8)的进气口和所述干法脱硫塔(7)连接。5.如权利要求1所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述二氧化碳提纯系统还包括依次连接的精脱硫塔(13)、干燥塔(14)、第二压缩机(15)和第二冷凝器(16)，所述第二冷凝器(16)外接制冷机(17)，所述第二冷凝器(16)的出水口与所述低温液化精馏塔(18)连接。6.如权利要求5所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述膜分离装置(12)上设置生物天然气出口、混合气体出口和回流气出口，经膜分离装置(12)分离出的生物天然气通过生物天然气出口排出，所述精脱硫塔(13)与所述膜分离装置(12)上的混合气体出口连接，所述回流气出口通过回流气管道与所述第一压缩机(11)连接。7.如权利要求5所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述低温液化精馏塔(18)的杂质气体出气口处依次连接第三冷凝器(19)和回流罐(20)，所述回流罐(20)的出水口与所述低温液化精馏塔(18)连接，经所述低温液化精馏塔(18)提纯出的二氧化碳经二氧化碳出口排出。8.如权利要求5所述的可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，其特征在于，所述精脱硫塔(13)采用干法脱硫技术。

技术总结
本发明提供了一种可提纯生物天然气和二氧化碳的生物质处理系统，涉及沼气分离提纯技术领域，包括依次连接的生物质原料预处理系统、生物质发酵系统、沼气后处理系统、生物天然气提纯系统和二氧化碳提纯系统，生物天然气提纯系统包括依次连接的第一压缩机和膜分离装置，二氧化碳提纯系统包括低温液化精馏塔；本发明中的沼气提纯使用膜分离装置，排除了吸收法提纯所带来的水分增加，且可保证提纯后的甲烷纯度达到生物天然气所要求的97％。通过将各个装置有机、合理、高效的结合在一起形成完整的生物质处理系统，将生物质废弃物转变成可再利用的生物天然气和食品级二氧化碳，丰富了产品的多样性，避免了资源的浪费，减少了碳排放。减少了碳排放。减少了碳排放。


技术研发人员：王曼 李光进 邹洋 郝雁涛 吴昊
受保护的技术使用者：上海锅炉厂有限公司
技术研发日：2021.08.26
技术公布日：2022/3/8