多級膜分離沼氣凈化裝置的制作方法

本實用新型屬于沼氣凈化提純生產生物天然氣技術領域，具體涉及一種多級膜分離沼氣凈化裝置。

背景技術：

沼氣是有機物質（如人畜糞便、作物秸稈、雜草、垃圾、污泥及城市生活污水和工業有機廢水等）經厭氧發酵產生的以甲烷（CH₄）為主要成分的可燃性混合氣體，主要成分為甲烷和二氧化碳，其中甲烷占55%~65%，二氧化碳占30%~45%，其余為少量的硫化氫、水蒸氣、一氧化碳、氫氣和氮氣等。

沼氣利用是一個雙向清潔的過程，以各種有機廢棄物生產沼氣作為能源，在消除環境污染的同時可以減少二氧化碳的排放，還可以避免未利用的沼氣（甲烷）排放到環境中造成溫室效應。沼氣作為一種可再生的綠色能源，其利用有非常好的經濟、社會和環境效應。沼氣經凈化去除CO₂、H₂S和水等雜質，使甲烷純度達到97-98%，與天然氣成分相同，凈化后的甲烷再經壓縮（Compressed Biogas，CBG）就得到車用甲烷，如同CNG（Compressed Natural Gas，CNG）一樣供汽車使用或輸入城市天然氣管網使用，1標準立方米的車用甲烷相當于1.1升汽油。甲烷作為運輸燃料最環保，與汽油、柴油、乙醇相比釋放出的溫室氣體最低。

但沼氣在凈化提純之前，由于其硫化氫和二氧化碳含量高，以及較高的含水量和較多的雜質，粗沼氣品質低下、熱值低，不符合車用燃氣和城市管道燃氣標準，加上存儲和輸送較困難，不適合大規模商業化利用，若將普通沼氣商業化利用既不安全也不環保。因此，將沼氣用作汽車燃料或輸入天然氣管網使用等規模化、工業化應用之前，必須先進行脫碳、脫硫和脫水等凈化提純處理，除去沼氣中的雜質，提高其純度和熱值，制成符合相應標準的生物天然氣，經壓縮后才可以用作車用燃氣和管道燃氣。

沼氣凈化主要是脫除CO₂和少量H₂O、H₂S，應用于沼氣凈化提純的方法主要有物理法、化學法和物理化學相結合的方法。目前，國內外沼氣凈化提純的方法普遍采用溶劑吸收法和固體吸附法，常用的方法有變壓吸附法（分子篩或活性炭吸附法）、水洗法、醇胺法（單乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺等）、堿性溶液法（如熱鉀堿法）和砜胺法（環丁砜、聚乙二醇二甲醚等）。

固體吸附法存在的問題是吸附劑的動態吸附量受限制，處理大氣量情況時，需要龐大的裝置，投資成本大幅增加，且維護費用高，特別是對于沼氣凈化工程，就顯得投資大、設備復雜、工藝麻煩。容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，而且容易產生廢水污染。綜上所述，現有大多數方法的普遍特點是投資大、能耗大、環保性差，具有占地面積大、不可移動、工藝復雜等缺點，且需頻繁更換吸收劑，運營成本高。

膜分離技術是氣體分離領域新發展起來的高新技術。其原理是利用混合氣體中各氣體組分對膜的親和力差異而產生有選擇性的溶解擴散現象，不同氣體組分由于對膜的滲透速率不同而實現分離的目的。就甲烷和二氧化碳、硫化氫系統，在具有選擇性的高分子膜分離材料中，各組分氣體的滲透速度相差將近10-150倍，利用該原理，可以將沼氣中的甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）、硫化氫（H₂S）分離，從而達到凈化提純沼氣的目的。該方法突出優點是投資省、運營成本低、日常維護方便，比溶劑吸收法和固體吸附法等分離方法更具經濟性，近幾年在沼氣凈化提純領域逐漸發展應用，是一項具有很好發展潛力的新技術。

目前，國內膜分離技術在沼氣凈化有一些應用，如中國專利申請，公開號為101028579，公開一種膜分離技術凈化沼氣的方法，采用兩個單級膜組件進行兩級串聯的方式來進行沼氣凈化，增加了膜組件數量和氣體回流量，增加運行電費；中國專利申請，公開號為104745260A，提供了一種沼氣凈化方法和設備，采用膜分離加變壓吸附組合的方式，其公開一種膜分離裝置，包括采用聚偏氟乙烯作為薄膜，MEDA溶液作為吸收液，為一級膜裝置；中國專利公開了一種大型沼氣膜凈化分離裝置，公開號為203741294U，裝置包括凈化罐、分子膜、循環再生罐、循環泵等，凈化罐中分子膜下部裝有氫氧化鈣溶液，該裝置結構較為復雜，且用堿溶液進行沼氣凈化，易產生廢液污染且運行費用高；中國專利公開號為203342628U，公開了一種集裝箱式沼氣凈化膜法提純系統，包括脫硫脫水單元、壓縮機、凈化單元、熱交換器和膜組提純制氣單元，其膜裝置為包括至少兩級依次連接的膜組件，每級膜組件并列設置多根的形式構成多級膜組，增加了膜組件數量和氣體回流量，增加運行電費。以上公開的膜裝置系統，其膜組件單元多為單級的形式，分離效率低、回收率低，要保持高回收率，需要增加膜組件并/串聯組成多級膜，且需加大氣體回流量，提高了投資成本和運行費用。因此，開發一種高效率、回收率高、運行能耗低的沼氣凈化膜分離裝置，對降低沼氣凈化提純成本具有重要意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術不足，提供一種多級膜分離沼氣凈化裝置，包括多級串聯膜分離組件，設計采用前一級膜組件長度大于后一級膜組件長度，控制沼氣分離效率和甲烷回收率，無需滲透氣回流，具有能耗低、投資省、操作簡單、處理成本低、維護簡單方便等特點。

為解決上述技術問題，本實用新型提供一種多級膜分離沼氣凈化裝置，包括多級腔體、中空纖維氣體分離膜、殼體、密封層、滲透氣出口組成的膜組件和進氣口、出氣口，所述的密封層將殼體分隔成多個腔體，每一級膜組件的殼體上設置有滲透氣出口；第一級膜組件一端設置有進氣口，所述進氣口與所述中空纖維氣體分離膜內腔一端連通；最后一級膜組件一端設置有出氣口，所述出氣口與所述中空纖維氣體分離膜內腔另一端連通。

進一步的，所述殼體為不透氣的不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁合金、鎳合金和鈦合金中的任一種金屬材質。

進一步的，所述殼體為不透氣的工程塑料、有機玻璃、搪瓷、陶瓷、不透性石墨中的任一種非金屬材質。

進一步的，所述密封層為不透氣的樹脂粘合劑密封圈。

進一步的，所述殼體、密封層、腔體、中空纖維氣體分離膜、滲透氣出口組成的膜組件為3~6級，前一級膜組件長度大于后一級膜組件長度。

本實用新型具有如下優點：

1.根據粗沼氣甲烷濃度設置各級膜組件的長度，提高氣體分離效率和甲烷回收率，無需回流滲透氣，降低能耗。

2.采用多級膜組件式設計，針對不同的處理量可靈活組裝，安裝及維護簡單方便。

3.具有工藝簡單，占地面積小，投資省，操作簡單方便等特點。

4.該裝置凈化提純工藝不用額外添加試劑，不產生廢水等二次污染。

附圖說明

圖1為本實用新型多級膜分離沼氣凈化裝置結構剖面示意圖

圖2為本實用新型多級膜分離沼氣凈化裝置結構不同截面示意圖

圖中：1-殼體，2-進氣口，3-出氣口，4-密封層，5-腔體，6-腔體，7-腔體，8-中空纖維氣體分離膜，9-滲透氣出口，10-滲透氣出口，11-滲透氣出口。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型進一步說明。

如圖1和圖2所示，本實用新型多級膜分離沼氣凈化裝置，包括多級腔體5、6、7，中空纖維氣體分離膜8、殼體1、密封層4、滲透氣出口9、10、11組成的膜組件和進氣口2、出氣口3，所述的密封層4將殼體1分隔成多個腔體5、6、7，每一級膜組件的殼體1上設置有滲透氣出口9、10、11；第一級膜組件一端設置有進氣口2，所述進氣口2與所述中空纖維氣體分離膜8內腔一端連通；最后一級膜組件一端設置有出氣口3，所述出氣口3與所述中空纖維氣體分離膜8內腔另一端連通。

在本實用新型多級膜分離沼氣凈化裝置實施方式中，所述殼體1為不透氣的不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁合金、鎳合金和鈦合金中的任一種金屬材質；所述殼體1為不透氣的工程塑料、有機玻璃、搪瓷、陶瓷、不透性石墨中的任一種非金屬材質；所述密封層4為不透氣的樹脂粘合劑密封圈。所述殼體、密封層、腔體、中空纖維氣體分離膜、滲透氣出口組成的膜組件為3~6級，根據粗沼氣進氣濃度及凈化后甲烷濃度要求，確定膜組件的長度，并且前一級膜組件長度大于后一級膜組件長度，提高控制沼氣分離效率和甲烷回收率，同時無需對滲透氣進行回流。

裝置運行時，粗沼氣由輸氣管通過裝置的進氣口2進入中空纖維氣體分離膜8內腔，在第一級膜組件中，粗沼氣中的雜氣（如二氧化碳）和甲烷由于透過中空纖維氣體分離膜8的速率不同，滲透速率較快的雜氣可以更快的透過膜而進入第一級膜組件的腔體5中，此為滲透氣，并由第一級膜組件的滲透氣出口9排出，而剩余氣（含較高甲烷濃度的氣體）進入第二級膜組件。剩余氣中的甲烷和雜氣經第二級膜組件的中空纖維氣體分離膜8進一步分離后，進入第二級腔體6中的滲透氣經第二級滲透氣出口10排出，剩余氣則進入第三級膜組件。剩余氣再經第三級膜組件的中空纖維氣體分離膜8分離后，進入第三級腔體7中的滲透氣經第三級滲透氣出口11排出，剩余氣則進入下一級膜組件，以此類推，直到剩余氣各指標達到生物天然氣相應標準，則產品氣從出氣口3排出，經輸氣管道輸送并作為車用燃氣或城市管道天然氣使用。

前述對本實用新型的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本實用新型限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本實用新型的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現并利用本實用新型的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本實用新型的范圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。