本實用新型屬于沼氣處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種沼氣脫碳凈化裝置，具體為一種用于沼氣脫碳的氣體膜分離裝置。

背景技術(shù)：
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能源短缺和氣候變暖是世界各國所面臨的嚴(yán)峻問題。生物質(zhì)能原料來源廣泛，資源儲量豐富，是全球第四大能源，也是我國重點鼓勵發(fā)展的新能源。沼氣是生物質(zhì)原料經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的以甲烷（CH₄）為主要成分的燃?xì)?，作為一種清潔能源，受到越來越多人的重視，對低碳環(huán)保、改善空氣質(zhì)量、降低用能成本都具有很大的意義，是未來持續(xù)能源的重要部分之一。

沼氣是多種氣體的混合物，主要成分是甲烷（CH₄）50%～70%和二氧化碳（CO₂) 30%～50%。高CO₂含量嚴(yán)重影響沼氣的品質(zhì)和應(yīng)用價值。未經(jīng)純化的沼氣，能量密度低，熱值一般在2.1×10⁷～2.8×10⁷ J /m³，長期以來作為民用燃料使用，如取暖、炊事等。沼氣經(jīng)凈化脫碳后熱值升高( 3.3 ×10⁷～3.8 ×10⁷ J /m³ )，幾乎與天然氣無異，可用作化工原料、燃料電池、車用燃料，也可用于熱電聯(lián)產(chǎn)或進(jìn)入天然氣管網(wǎng)取代天然氣。沼氣脫碳提純利用不僅能極大地降低碳排放量對溫室效應(yīng)的影響，還能通過能量的回收替代傳統(tǒng)能源，具有理想的碳減排效益。目前我國沼氣產(chǎn)量已達(dá)160億m³ 左右，如經(jīng)提純可取代全國天然氣消費量的13% 左右。沼氣脫碳純化后替代天然氣是沼氣利用的重要發(fā)展方向。

用于CO₂/CH₄分離的方法大致上可以分為物理/化學(xué)吸收法、變壓/溫吸附法、膜分離法等，各種技術(shù)各有其優(yōu)缺點。變壓吸附技術(shù)的優(yōu)點是提純效率高，能耗較低，但過程控制較為復(fù)雜，甲烷損失較大；吸收技術(shù)的吸收能力強，甲烷損失小，缺點是吸收劑再生過程操作復(fù)雜；膜分離技術(shù)處理單元結(jié)構(gòu)簡單，過程易操作，但是目前可用的膜材料不多，甲烷損失較大；低溫分離技術(shù)的提純效率高，易直接得到液化甲烷，缺點是能耗高。高壓水洗工藝運行成本較低，但設(shè)備昂貴。

膜分離法是20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)的氣體分離新技術(shù)，原理是在壓力驅(qū)動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力，以及在膜內(nèi)溶解、擴散上的差異，即滲透速率差來進(jìn)行分離，具有裝置簡單、占地面積小、操作方便、能耗低等優(yōu)點。雖然CO₂膜分離法與其他分離方法相比有顯著優(yōu)勢。如，無相變、能耗低，無需使用溶劑，無二次污染，環(huán)境友好；分離裝置簡單，快速模塊式安裝，操作方便，能量消耗低，投資費用低(成本比吸收法低25%左右)，是發(fā)展迅速的節(jié)能型CO₂分離技術(shù)。但現(xiàn)階段膜材料對CO₂/CH₄的分離度還不是很高，CO₂/CH₄選擇系數(shù)一般為30~50，如果要使分離后CO₂含量達(dá)到天然氣標(biāo)準(zhǔn)（≯3%），會有5%～10%的CH₄損失(甚至更高)。由于CH₄的溫室效應(yīng)是CO₂的20倍，含CH₄的CO₂尾氣處置是亟需解決的問題。由于沼氣生產(chǎn)受多種因素的影響，沼氣成分的波動很大，常規(guī)膜分離裝置運行穩(wěn)定性差，難以保證脫碳?xì)獾臍赓|(zhì)水平穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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一、要解決的技術(shù)問題

本實用新型的目的是適應(yīng)農(nóng)村沼氣工程沼氣脫碳提純利用需求，采用現(xiàn)有已量產(chǎn)的通用聚酰亞胺中空纖維膜材料，針對其分離特性，和沼氣成分波動大，常規(guī)膜分離裝置運行穩(wěn)定性差，脫碳?xì)庵袣埩鬋O₂含量高，CH₄損失高等問題，提供一種用于沼氣脫碳凈化的膜分離裝置，以實現(xiàn)沼氣的高效脫碳。

二、技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是：一種用于沼氣脫碳凈化的膜分離裝置，包括供氣系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)。所述供氣系統(tǒng)包括沼氣壓縮機1、緩沖罐2和穩(wěn)壓器3；所述沼氣壓縮機1與緩沖罐2相連，緩沖罐2與穩(wěn)壓器3相連，穩(wěn)壓器3出口接膜分離系統(tǒng)的第一級膜組件4的原料氣入口；所述膜分離系統(tǒng)包括串聯(lián)的三級膜組件分離單元；所述膜組件由不銹鋼外殼和封裝在內(nèi)部的聚酰亞胺中空纖維絲構(gòu)成，外殼由原料氣入口，非滲透氣出口和滲透氣出口；所述膜分離系統(tǒng)的第一級膜組件4的原料氣入口接供氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓器3的出口，滲透氣出口接自動流量調(diào)節(jié)器5和CH₄/CO₂檢測器6后進(jìn)尾氣處理系統(tǒng)的尾氣收集罐15，非滲透氣出口直接與第二級膜組件7的原料氣入口連通；所述膜分離系統(tǒng)的第二級膜組件7的原料氣入口接第一級膜組件4的非滲透氣出口，第二級膜組件的滲透氣出口接自動流量調(diào)節(jié)器8和CH₄/CO₂檢測器9后進(jìn)尾氣處理系統(tǒng)的回流氣儲罐23，非滲透氣出口直接與第三級膜組件10的原料氣入口連通；所述膜分離系統(tǒng)的第三級膜組件10的原料氣入口接第二級膜組件7的非滲透氣出口，非滲透氣出口接自動流量調(diào)節(jié)器11和CH₄/CO₂檢測器12，滲透氣出口接自動流量調(diào)節(jié)器13和CH₄/CO₂檢測器14后進(jìn)尾氣處理系統(tǒng)的回流氣儲罐23；所述尾氣處理系統(tǒng)包括尾氣回收單元和回流單元，所述尾氣回收單元包括尾氣收集罐15、增壓機16與緩沖罐17、尾氣回收膜組件18、自動流量調(diào)節(jié)器19/21、CH₄/CO₂檢測器20/22；所述尾氣回收膜組件18的結(jié)構(gòu)與膜分離系統(tǒng)的膜組件相同；所述尾氣收集罐15入口接膜分離系統(tǒng)的第一級膜組件5的滲透氣出口，出口接增壓機16；所述增壓機16出口接緩沖罐17；所述尾氣回收膜組件18的原料氣入口接尾氣緩沖罐15，滲透氣出口接自動流量調(diào)節(jié)器19和CH₄/CO₂檢測器20，非滲透氣出口接自動流量調(diào)節(jié)器19和CH₄/CO₂檢測器20后接回流氣儲罐23的入口；所述尾氣回流單元包括回流氣儲罐23、增壓機24，所述回流氣儲罐23的入口分別與膜分離系統(tǒng)的第二級膜組件7的滲透氣出口、第三級膜組件10的滲透氣出口和尾氣處理系統(tǒng)的膜組件18的非滲透氣出口連通，所述回流氣儲罐23的出口接增壓機24；所述增壓機24的入口接回流氣儲罐23，所述增壓機24的出口與供氣系統(tǒng)的緩沖罐2的入口相連。

三、本實用新型的有益效果

本實用新型提供的一種用于沼氣脫碳凈化的膜分離裝置具有以下優(yōu)點：

(1)壓力是氣體膜分離的驅(qū)動力和重要操作調(diào)節(jié)因子，設(shè)置具有緩沖和穩(wěn)壓作用的供氣系統(tǒng)，避免了沼氣壓縮機增壓過程中壓力波動對系統(tǒng)的擾動，確保裝置的穩(wěn)定運行。

(2)膜分離系統(tǒng)入口壓力恒定后，膜組件滲透氣和非滲透氣的流量和流量比就是影響系統(tǒng)分離效果的主要操作調(diào)節(jié)因子。設(shè)置自動流量調(diào)節(jié)器和CH₄/CO₂檢測器，通過對出口氣的監(jiān)測反饋實時調(diào)節(jié)流量和流量比，確保分離效果。

(3)本實用新型提供的一種用于沼氣脫碳凈化的膜分離裝置針對現(xiàn)有已量產(chǎn)的通用聚酰亞胺中空纖維膜材料的分離特性，實現(xiàn)沼氣的高效脫碳。沼氣經(jīng)本實用新型提供的一種用于沼氣脫碳凈化的膜分離裝置可獲得CO₂含量小于3%的生物天然氣，同時可回收CH₄含量小于1%的CO₂氣。解決了現(xiàn)有商用膜材料的CO₂/CH₄的分離選擇性較低，沼氣成分波動大，常規(guī)膜分離裝置運行穩(wěn)定性差，脫碳?xì)庵袣埩鬋O₂含量高，CH₄損失高等問題。

附圖說明：

圖1為本實用新型一種用于沼氣脫碳凈化的膜分離裝置的示意圖。

圖中：1、沼氣壓縮機；2、緩沖罐；3、穩(wěn)壓器；4、第一級膜組件；5、第一級膜組件滲透氣自動流量調(diào)節(jié)器；6、第一級膜組件滲透氣CH₄/CO₂檢測器；7、第二級膜組件；8、第二級膜組件滲透氣自動流量調(diào)節(jié)器；9、第二級膜組件滲透氣CH₄/CO₂檢測器；10、第三級膜組件；11、第三級膜組件非滲透氣自動流量調(diào)節(jié)器；12、第三級膜組件非滲透氣CH₄/CO₂檢測器；13、第三級膜組件滲透氣自動流量調(diào)節(jié)器；14、第三級膜組件滲透氣CH₄/CO₂檢測器；15、尾氣收集罐；16、尾氣增壓機；17、尾氣緩沖罐；18、尾氣回收膜組件；19、尾氣回收膜組件滲透氣自動流量調(diào)節(jié)器；20、尾氣回收膜組件滲透氣CH₄/CO₂檢測器；21、尾氣回收膜組件非滲透氣自動流量調(diào)節(jié)器；22、尾氣回收膜組件非滲透氣CH₄/CO₂檢測器；23、回流氣儲罐；24、回流氣增壓機。

具體實施方式：

為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下結(jié)合說明書附圖對本實用新型做進(jìn)一步說明。

來自沼氣站的脫硫、脫水的沼氣經(jīng)沼氣壓縮機1壓縮后，先進(jìn)入緩沖罐，再經(jīng)穩(wěn)壓器恒壓均勻進(jìn)入膜分離系統(tǒng)的第一級膜組件4進(jìn)行分離，透過第一級膜組件的氣體進(jìn)入尾氣收集罐15，未透過的氣體進(jìn)入第二級膜組件7進(jìn)行分離；透過第二級膜組件的氣體進(jìn)入回流氣儲罐23，未透過的氣體進(jìn)入第三級膜組件10進(jìn)行分離，由此分離出高純度的脫碳?xì)猓–O₂含量小于3%的生物天然氣）；透過第三級膜組件的氣體進(jìn)入回流氣儲罐23；回流至壓縮機1，進(jìn)入膜分離脫碳裝置；進(jìn)入尾氣收集罐的氣體經(jīng)增壓機16、緩沖罐17后恒壓均勻進(jìn)入尾氣回收膜組件回收CH₄，透過尾氣回收膜組件的氣體中CH₄含量降低至小于1%，分離出高純度CO₂，未透過的氣體進(jìn)入回流氣儲罐23；進(jìn)入回流氣儲罐的氣體經(jīng)增壓機24回流至供氣系統(tǒng)緩沖罐2。本實用新型一種用于沼氣脫碳的氣體膜分離裝置在運行過程中，通過設(shè)置在各膜組件出口的CH₄/CO₂檢測器實時監(jiān)測各膜組件非滲透氣和滲透氣CH₄/CO₂含量，借助自動流量調(diào)節(jié)器通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋控制調(diào)節(jié)非滲透氣和滲透氣流量大小和流量比，從而自動控制分離出的脫碳?xì)庵械腃O₂含量小于3%（設(shè)定），分離出的CO₂氣中的CH₄含量小于1%（設(shè)定）。

上述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。