膜 沼气提纯 天津凯德生物燃气技术发展有限公司 013-victor-zhang---membrane-co2-removal-for-biogas-1
沼气高价值多元化利用碳捕集工艺优化设计
沼气高价值多元化利用碳捕集工艺优化设计∗郭明钢(大连理工大学盘锦产业技术研究院,辽宁省化学助剂合成与分离省市共建重点实验室,辽宁盘锦,124221)摘要:针对我国天然气紧缺㊁碳中和压力较大和沼气低价值利用问题,开发膜与压缩冷凝梯级耦合的沼气高价值多元化利用碳捕集工艺,实现低价值沼气近零排放高价值综合回收利用㊂利用A s pe nH Y S Y S 对1000N m 3/h 规模的沼气提纯过程进行工艺设计和优化,通过燃气系统的膜分离单元生产高品位燃气,同时C O 2系统利用燃气系统提供的富C O 2优质原料生产液态C O 2产品,并副产低品位燃气㊂优化过程主要考察操作压力对回收率㊁产品价值㊁运行费用和设备投资等因素的影响,以及原料流量波动对回收率㊁产品和经济性的影响㊂结果表明:在1.8~3.8M P a 条件下,能够同时生产热值31.4M J /N m 3高品位燃气㊁热值17.9M J /N m 3低品位燃气和C O 2浓度95v o l %液态C O 2产品,在2.2M P a 时获得年最佳经济效益约261万元,每年减排约9755t 的C O 2当量温室气体㊂与低品位燃气热值和液态C O 2产品浓度相比,高品位燃气热值受流量波动影响较大㊂关键词:膜;沼气;碳捕集;天然气;工艺设计中图分类号:T K 6:T Q 028㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:20955553(2022)07015206郭明钢.沼气高价值多元化利用碳捕集工艺优化设计[J ].中国农机化学报,2022,43(7):152-157G u o M i n g g a n g .O p t i m a l d e s i g no f c a r b o nc a p t u r e p r o c e s s f o rb i o g a sh i g h -v a l u e c o m pr e h e n s i v eu t i l i z a t i o n [J ].J o u r n a l o f C h i n e s eA gr i c u l t u r a lM e c h a n i z a t i o n ,2022,43(7):152-157收稿日期:2022年3月23日㊀㊀修回日期:2022年5月23日∗基金项目:国家自然科学基金青年基金(21706023);辽宁省 兴辽英才 计划青年拔尖人才(X L Y C 2007040)作者简介:郭明钢,男,1988年生,辽宁鞍山人,硕士,工程师;研究方向为能源环保工艺开发㊂E -m a i l :g u o m g@d l u t .e d u .c n O p t i m a l d e s i g no f c a r b o n c a p t u r e p r o c e s s f o r b i o g a s h i g h -v a l u e c o m pr e h e n s i v e u t i l i z a t i o n G u oM i n g g a n g(P a n j i n I n s t i t u t e o f I n d u s t r i a lT e c h n o l o g y ,D a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,L i a o n i n g K e y L a b o r a t o r y o fC h e m i c a l A d d i t i v eS y n t h e s i s a n dS e p a r a t i o n ,P a n ji n ,124221,C h i n a )A b s t r a c t :I n v i e wo f t h e s h o r t a g e o f n a t u r a l g a s ,h i g h c a r b o nn e u t r a l i t yp r e s s u r e a n d l o w -v a l u e u t i l i z a t i o n o f b i o ga s i nC h i n a ,a c a rb o nc a p t u r e p r o c e s sf o rh i g h -v a l u ea nd d i ve r s if i e d u t i l i z a t i o n o fb i og a sc o u p l e d w i th m e m b r a n e sa n dc o m pr e s s i o nc o n d e n s a t i o n w a s d e v e l o p e d t o a c h i e v en e a r -z e r o e m i s s i o na n dh i g h -v a l u e c o m p r e h e n s i v e r e c y c l i n g o f l o w -v a l u eb i o g a s .U s i n g A s p e n H Y S Y St od e s i g n a n do p t i m i z e t h e 1000N m 3/hb i o g a s p u r i f i c a t i o n p r o c e s s ,h i g h -g r a d e g a sw a s p r o d u c e d t h r o u g h t h em e m b r a n e s e pa r a t i o nu n i t o f t h e g a s s y s t e m ,a n d t h eC O 2s y s t e mu s e d t h e h i g h -q u a l i t y C O 2-r i c h f e e d g a s p r o v i d e db y t h e g a s s y s t e mt o p r o d uc e l i q u i dC O 2pr o d u c t a n d l o w -g r a d e g a s .T h e o p t i m i z a t i o n p r o c e s sm a i n l y e x a m i n e d t h e i m p a c t o f o p e r a t i n gp r e s s u r eo n f a c t o r s s u c ha s r e c o v e r y r a t e ,pr o d u c t v a l u e ,o p e r a t i n g c o s t a n de q u i p m e n t i n v e s t m e n t ,a sw e l l a s t h e i m p a c to f f e e d g a s f l o wf l u c t u a t i o n so nr e c o v e r y r a t e ,pr o d u c ta n d e c o n o m y .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f 1.8~3.8M P a ,h i g h -g r a d e g a sw i t h a c a l o r i f i c v a l u e o f 31.4M J /N m 3,l o w -g r a d e g a sw i t ha c a l o r i f i c v a l u e o f 17.9M J /N m 3a n d l i q u i dC O 2w i t haC O 2co n c e n t r a t i o no f 95v o l %c o u l db e p r o d u c e da t t h e s a m e t i m e .T h e a n n u a l o p t i m a l e c o n o m i c b e n e f i tw a s a b o u t 2.61ˑ106C N Y ,a n d t h e a n n u a l e m i s s i o n r e d u c t i o nw a s a b o u t 9755t o n s o f C O 2e q u i v a l e n t g r e e n h o u s e g a s .C o m p a r e d w i t ht h ec a l o r i f i cv a l u eo f l o w -g r a d e g a sa n dt h ec o n c e n t r a t i o no f l i q u i d C O 2pr o d u c t ,t h e c a l o r i f i c v a l u e o f h i g h -g r a d e g a sw a s g r e a t l y a f f e c t e db y f l o wf l u c t u a t i o n s .K e yw o r d s :m e m b r a n e s ;b i o g a s ;c a r b o n c a p t u r e ;n a t u r a l g a s ;p r o c e s s d e s i g n 0㊀引言随着碳达峰㊁碳中和进程加快,我国能源结构调整迫在眉睫㊂由于在相同热值条件下,天然气的碳排放量约为煤炭的55%,因此在未来一段时间内天然气在能源结构中的比重将逐渐增加,现阶段我国天然气对外依存Copyright ©博看网. All Rights Reserved.度一直较高,在2018年已经达到了45.3%[12]㊂因此,利用生物质可再生能源生产天然气,实现天然气和可再生能源的融合联动发展,不仅有利于保障能源安全,而且也能够促进生态环境良好发展[3]㊂根据我国沼气学会发布的‘中国沼气行业 双碳 发展报告“数据显示,现阶段我国可用于沼气生产的工业废水资源量大约为6.54ˑ109t,城市的有机废弃物量大约为3.6ˑ108t,农村农业的有机废弃物量大约为4.27ˑ109t,若其中的50%用于生产沼气,大约可生产沼气2.5ˑ1011m3,可减排4.8ˑ108t的C O2当量温室气体㊂但现阶段用于生产沼气的有机废弃物利用率小于10%[4]㊂制约沼气规模化发展的一个重要原因是沼气的经济价值较低,如何实现沼气高价值利用成为急需解决的现实问题㊂现阶段主要是通过厌氧发酵生产沼气,以炊事和照明等低价值利用形式为主[56],沼气主要成分为C H4和C O2,以及少量空气㊁H2S和H2O[78]㊂目前提高沼气利用价值方式更多是提高沼气热值,并没有综合考虑C O2组分利用,提纯工艺主要有膜分离法㊁吸收法和变压吸附法等[912],该过程普遍存在产品单一和排放大量温室气体等问题,部分利用沼气生产食品级C O2的提纯工艺投资大且不符合大多数乡镇地区的实际需求㊂本文从油田驱油㊁蔬菜大棚C O2气肥和蔬菜粮食储藏等乡镇区域普遍对C O2纯度要求不高的实际现状出发,结合目前天然气需求量大和碳中和任务艰巨的现实问题,开发沼气高价值多元化利用碳捕集工艺,提高沼气利用价值并实现生物质资源碳捕集,促进我国农村及城镇有机废弃物的经济环保高价值利用,缓解我国天然气供需紧张局势和助力加快我国碳中和进程,既具有一定的经济效益,也具有较大的生态环保效益㊂工艺流程通过A s p e nH Y S Y S进行耦合优化设计,并对关键技术参数进行优化分析㊂1㊀工艺设计与优化基础1.1㊀工艺设计基础数据工艺设计规模为沼气产量为1000N m3/h特大型沼气工程[13],沼气气源温度和压力分别为40ħ和常压,其典型组成如表1所示㊂表1㊀典型沼气组成T a b.1㊀T y p i c a l c o m p o s i t i o no f b i o g a s组成C H4N2O2H2O H2S C O2体积分数/v o l%52.470.090.043.010.0844.31㊀㊀膜组件为中空纤维式聚酰亚胺气体分离膜,沼气各组分在膜中的渗透速率如表2所示[1417]㊂表2㊀沼气在分离膜中的渗透速率(30ħ)T a b.2㊀B i o g a s p e r m e a t i o n r a t e s o fm e m b r a n e(30ħ)膜性能C H4N2O2H2O H2S C O2渗透速率/G P U3.503.6019.604000.00179.00112.00㊀注:1G P U=10-6c m3㊃c m-2㊃s-1㊃c mH g-1(S T P)㊂1.2㊀工艺优化分析基础工艺开发过程利用A s p e n H Y S Y S中的P R状态方程进行设计优化,产品品质指标为高品位燃气达到G B/17820 2018二类天然气热值31.4M J/N m3,低品位燃气热值不低于G B/T13611 2018人工煤气6R17.06M J/N m3,液态C O2中C O2浓度不低于驱油要求的95v o l%[1820]㊂工艺分析以经济效益作为评估工艺最优的原则㊂根据调研,沼气㊁天然气㊁低品位燃气㊁液态C O2的价格分别按1.0元/N m3㊁2.2元/N m3㊁0.8元/N m3和200.0元/t;外销高品位燃气价值按天然气热值31.4M J/N m3折算;冷却水㊁低压蒸汽和电耗分别按0.5元/t㊁200.0元/t和0.7元/(k W㊃h)㊂绝热效率80%的沼气压缩机为4000.0元/k W㊁气体分离膜为2500.0元/m2,管道和框架等其他设备投资按总投资20%进行估算[21]㊂气体分离膜折旧周期按5年计,其他设备折旧周期按15年计,工艺年运行时间为8000h㊂具体计算公式如式(1)㊁式(2)所示㊂C5=C2+C3+C4-C1(1) E=C5-P1-P2(2)式中:C1 沼气价值,元/年;C2 高品位燃气价值,元/年;C3 低品位燃气价值,元/年;C4 液态C O2价值,元/年;C5 产品增值,元/年;P1 设备折旧费,元/年;P2 运行费用,元/年;E 经济效益,元/年㊂2㊀工艺设计与优化2.1㊀工艺流程设计沼气高价值多元化利用碳捕集工艺流程,如图1所示㊂工艺流程主要由燃气系统和C O2系统组成,以实现低品位沼气生产高品位燃气和液态C O2为主要目标,同时副产低品位燃气㊂沼气中通常含有一定量的H2S和H2O,为了避免管路和设备腐蚀,低品位沼气首先经过预处理装置P R-1脱除H2S和H2O,初步净化后的气体再经压缩机K-1升压,提高沼气中各Copyright©博看网. All Rights Reserved.组分的传质推动力㊂升压后的沼气再经预处理装置P R-2调节沼气进膜组件M 的温度,使其高于露点温度10ħ,避免在膜组件M 分离富集各组分过程中产生凝液,影响膜组件M 的分离性能和使用寿命,同时预处理装置P R-2中含有精密过滤器脱除液雾和固体颗粒㊂沼气经过膜组件M 后,甲烷在渗余侧富集作为高品位燃气进行利用,C O 2在渗透测被富集,富集后的C O 2气体更易于冷凝操作㊂因此将燃气系统的膜组件M 富C O 2尾气作为C O 2系统优质原料,首先燃气系统尾气经压缩机K-2升压后再经过丙烷制冷装置C S降温冷凝,在分液罐V 的底部获得液态C O 2,顶部为热值与G B /T13611 2018中人工煤气6R 热值相当的低品位燃气㊂图1㊀沼气高价值多元化利用碳捕集工艺流程图F i g .1㊀P r o c e s s c h a r t o f b i o g a sh i gh -v a l u e d i v e r s i f i e du t i l i z a t i o n 在沼气高价值多元化利用碳捕集工艺设计优化中,燃气热值和液态C O 2产品浓度是工艺设计过程的产品品质目标,高品位燃气回收率㊁液态C O 2回收率和低品位燃气回收率,以及膜面积和压缩机功耗是影响工艺经济性的主要因素,其中操作压力是影响以上因素的核心技术参数,因此工艺优化过程主要对进膜装置操作压力在城镇民用燃气管网的操作范围内进行深入分析,以获得较优的工艺经济性㊂2.2㊀膜入口压力优化分析膜入口压力对回收率的影响,如图2所示㊂随着膜入口压力增加,高品位燃气和低品位燃气中关键组分C H 4回收率分别呈现逐渐增加和减小趋势,且在2%范围内变化,液态C O 2中关键组分C O 2回收率呈现逐渐增加趋势,其在3%范围内变化,减排约9755t /年C O 2当量温室气体㊂主要是由于各组分传质推动力增加趋势和膜面积减小趋势并非为严格线性关系,显然在保证各产品品质相同条件下,压力变化对工艺各产品回收率的影响较小㊂膜入口压力对产品价值的影响,如图3所示㊂随着膜入口压力增加,高品位燃气价值在2.00ˑ105元/年范围内小幅增加,低品位燃气价值呈现小幅减小趋势㊂液态C O 2产品价值随压力变化增加幅度较小,这主要是由于高品位燃气和液态C O 2回收率呈现增加趋势,进而副产低品位燃气量逐渐减少,其三者变化幅度均较小㊂图2㊀膜入口压力对回收率的影响F i g .2㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o n re c y c l i n g ra t e 图3㊀膜入口压力对产品价值的影响F i g.3㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o n p r o d u c t v a l u e 膜入口压力对膜面积及压缩机功耗的影响,如图4所示㊂随着膜入口压力增加,膜两侧气体的传质推动力增加,因此膜面积呈现逐渐较小的趋势,由1.8M P a 时652m 2降低至3.8M P a 时237m2,在此过程中燃气系统压缩机功耗呈现逐渐增加趋势,C O2系统压缩机功耗呈现较小幅度的减小趋势,工艺压缩机总功耗呈现逐渐增加趋势,显然压力变化对膜面积的影响较大,且燃气系统压缩机功耗对工艺总功耗的影响较大㊂图4㊀膜入口压力对膜面积及功耗的影响F i g.4㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o nm e m b r a n e a r e a a n d c o m p r e s s o r p o w e r c o n s u m pt i o n 膜入口压力对设备投资的影响,如图5所示㊂随着Copyright ©博看网. All Rights Reserved.膜入口压力逐渐增加,燃气系统和C O 2系统设备投资均呈现逐渐减小趋势,从1.8M P a 增加至3.8M P a ,燃气系统和C O 2系统设备投资分别减小103万元和3.24万元㊂显然压力对燃气系统的设备投资影响较大㊂结合图4,膜入口压力增加对燃气系统膜装置投资的影响较压缩机投资的影响更大㊂图5㊀膜入口压力对设备投资的影响F i g.5㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o n e q u i pm e n t i n v e s t m e n t 膜入口压力对运行费用的影响,如图6所示㊂随着膜入口压力逐渐增加,燃气系统和C O 2系统的运行费用分别呈现逐渐增加和减小趋势,主要是由于压力增加压缩机电耗㊁冷却水消耗和低压蒸汽消耗均增加,因此燃气系统运行费用显著增加㊂结合图2所示高品位燃气中关键组分C H 4的回收率小幅度增加,进而C O 2系统中不凝气C H 4含量降低,因此C O 2燃气系统运行费用呈现小幅度减小趋势㊂图6㊀膜入口压力对运行费用的影响F i g.6㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o n o pe r a t i o n c o s t 膜入口压力对公用工程费用的影响,如图7所示㊂随着膜入口压力增加,主要公用工程电耗㊁冷却水㊁低压蒸气用量均增加,且电耗在各公用工程费用中占主要部分,从1.8M P a 增加至3.8M P a 时,增加了26.4万元㊂由于低压蒸气仅用于保证初步净化后的沼气由室温升高至80ħ进入膜装置,因此其在三种主要公用工程费用中占比最小㊂图7㊀膜入口压力对公用工程费用的影响F i g .7㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o nu t i l i t y co s t 膜入口压力对工艺经济性的影响,如图8所示㊂图8㊀膜入口压力对经济性的影响F i g .8㊀I n f l u e n c e o fm e m b r a n e i n l e t p r e s s u r e o ne c o n o m y随着膜入口压力增加,设备投资逐渐减小,运行费用和产品增值逐渐增加,工艺经济效益小幅度范围内呈现先增加后减小趋势,压力在2.2~2.6M P a 范围内工艺经济性较好,高品位燃气的价值约1140万元/年,低品位燃气的价值约20万元/年,液态C O 2价值约100万元/年,C O 2系统投资约50万元,约占总投资的20%,最佳经济效益可达261万元/年㊂2.3㊀原料波动影响分析在工艺设计规模1000N m 3/h 的最佳操作压力2.2M P a 条件下,工艺装置建成后,工艺实际运行中流量波动时有发生,原料流量最大波动范围通常为ʃ50%,原料流量波动对回收率的影响,如图9所示㊂随着原料流量由500N m 3/h 逐渐增加到1500N m 3/h时,高品位燃气的回收率逐渐增加,最高可达96.51%㊂低品位燃气和液态C O 2产品回收率逐渐减小,最小分别达到1.13%和54.73%㊂主要是由于流量小于设计Copyright ©博看网. All Rights Reserved.规模时,相当于有更大的膜面积供组分分离,各组分与膜的接触概率更大,同时膜表面的浓差极化作用更小,更便于各组分透过膜,因此当流量出现负偏差波动时,高品位燃气的回收率降低,而低品位燃气和液态C O2组分回收率增加㊂当流量大于设计规模时,相当于膜面积不足以提供各组分充分有效分离,同时膜表面的浓差极化作用变大,导致更多的组分被膜截留,因此当流量出现正偏差波动时,高品位燃气的回收率增加,而低品位燃气和液态C O2组分回收率降低㊂图9㊀流量变化对回收率的影响F i g.9㊀I n f l u e n c e o f f l o wf l u c t u a t i o n s o n r e c y c l i n g r a t e原料流量波动对产品的影响,如图10所示㊂随着流量逐渐增加,高品位燃气热值逐渐减小,低品位燃气热值和液态C O2产品浓度基本稳定㊂主要是由于流量小于设计规模时,相当于有更大的膜面积供组分分离, C O2较C H4更容易充分透过膜,进而膜渗余侧的高品位燃气热值较高,由于进入C O2系统气体中C O2浓度较高更易于液化,低品位燃气热值和液态C O2产品的浓度基本稳定㊂流量大于设计规模时,有效分离膜面积不足,更多的C O2和C H4被截留,因此高品位燃气热值减小,最小值为28.6M J/N m3低于天然气标准热值31.4M J/N m3㊂图10㊀流量变化对产品的影响F i g.10㊀I n f l u e n c e o f f l o wf l u c t u a t i o n s o n p r o d u c t原料流量波动对经济性的影响,如图11所示㊂在工艺装置投产后,原料流量波动对设备投资几乎无影响,主要影响运行费用等经济性指标,随着流量增加运行费用㊁产品增值和经济效益均逐渐增加,最大值分别达到224万元㊁677万元和419万元,显然,流量增加产品增值显著高于运行费用增加值,但由图10可知高品位燃气热值略有下降㊂因此在提高经济效益时,该工艺具有较大流量处理裕度,但会对产品品质造成影响㊂图11㊀流量变化对经济性的影响F i g.11㊀I n f l u e n c e o f f l o wf l u c t u a t i o n s o ne c o n o m y3㊀结论基于沼气热值低难以被高价值利用和碳排放的问题,开发沼气高价值多元化利用碳捕集工艺,生产高品位燃气㊁低品位燃气和液态C O2㊂工艺主要是通过膜技术与压缩冷凝技术梯级耦合,首先燃气系统通过膜分离生产高品位燃气,同时副产的C O2富集气进入C O2系统,利用压缩冷凝技术生产液态C O2,同时副产低品位燃气,实现沼气近零排放高价值利用㊂1)利用A s p e n H Y S Y S对工艺进行设计优化,各产品中关键组分回收率受膜入口操作压力波动较小,均在3%以内变化㊂以1000N m3/h处理规模对工艺经济性分析,膜入口压力在1.8~3.8M P a范围内变化时,高品位燃气的价值约1140万元/年,低品位燃气的价值约2.00ˑ105元/年,液态C O2价值约100万元/年,工艺最佳经济效益为261万元/年㊂2)以1000N m3/h处理规模为基准对流量波动工艺适应性进行分析,原料流量波动范围为ʃ50%时,随着流量增加,高品位燃气热值逐渐降低,低品位燃气热值和液态C O2浓度波动较小㊂3)C O2系统设备投资约占工艺总投资20%,因此,对已投入沼气膜净化装置企业的提纯装置进行升级改造,增加C O2回收系统具有较大的可行性,在工艺设计规模下C O2系统投资约为50万元/年,增加C O2系统每年可减排约9755tC O2当量温室气体㊂Copyright©博看网. All Rights Reserved.参㊀考㊀文㊀献[1]王震,孔盈皓,李伟. 碳中和 背景下中国天然气产业发展综述[J].天然气工业,2021,41(8):194-202.W a n g Z h e n,K o n g Y i n g h a o,L i W e i.R e v i e w o n t h e d e v e l o p m e n t o f C h i n a s n a t u r a l g a s i n d u s t r y i n t h e b a c k g r o u n d o f c a r b o n n e u t r a l i t y [J].N a t u r a l G a sI n d u s t r y,2021,41(8):194-202.[2]吴莉.我国天然气对外依存度突破45%[N].中国能源报, 2019-1-21(13).[3]D e n g L,L i u Y,Z h e n g D,e t a l.A p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p m e n t o f b i o g a s t e c h n o l o g y f o rt h e t r e a t m e n t o f w a s t ei n C h i n a[J].R e n e w a b l ea n d S u s t a i n a b l e E n e r g y R e v i e w s,2017,70:845-851.[4]中国沼气学会.中国沼气行业 双碳 发展报告[R].北京:中国沼气协会,2021.[5]汤晴.餐厨垃圾厌氧制沼及沼气异位生物提纯技术研究[D].无锡:江南大学,2019.T a n g Q i n g.T h e b i o g a s g e n e r a t i o nf r o m f o o d w a s t e b y a n a e r o b i c d i g e s t i o n a n d i t s e x-s i t u b i o l o g i c a l u p g r a d i n g t e c h n o l o g y[D].W u x i:J i a n g n a nU n i v e r s i t y,2019. [6]刘红艳.沼气在农村能源及环境保护中的作用[J].农业工程技术,2019,39(11):41-43.L i u H o n g y a n.T h e r o l e o f b i o g a si n r u r a le n e r g y a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n[J].A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y,2019,39(11):41-43.[7]R a s i S,V e i j a n eN A,R i n t a l a J.T r a c e c o m p o u n d s o f b i o g a sf r o md i f f e r e n t b i og a s p r o d u c t i o n p l a n t s[J].E n e r g y,2007, 32(8):1375-1380.[8]周磊.车用沼气纯化装置试验研究[D].郑州:河南农业大学,2008.Z h o uL e i.E x p e r i m e n s t u d y o f v e h i c l e b i o g a s p u r i f i c a t i o n d e v i c e[D]. Z h e n g z h o u:H e n a nA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,2008. [9]Ža k M,B e n d i váH,F r i e s s K,e t a l.S i n g l e-s t e p p u r i f i c a t i o no f r a wb i o g a s t ob i o m e t h a n e q u a l i t y b y h o l l o w f i b e rm e m b r a n e sw i t h o u t a n yp r e t r e a t m e n t A n i n n o v a t i o n i n b i o g a s u p g r a d i n g[J].S e p a r a t i o n&P u r i f i c a t i o n T e c h n o l o g y,2018,203,36-40.[10]J d aB,H rA,P n l lA.B i o l o g i c a l b i o g a s p u r i f i c a t i o n:R e c e n td e v e l o p m e n t s,c h a l l e n g e s a n d f u t u r e p r o s p e c t s[J].J o u r n a l o fE n v i r o n m e n t a lM a n a g e m e n t,2022,304,114198.[11]丁利.碱化学吸收提纯沼气中试装置研发与试验研究[D].北京化工大学,2017.D i n g L i.T h e e q u i p m e n t d e v e l o p m e n t a n d t e c h o n l o g y r e s e a r c ho f b i o g a s a l k a l i c h e m i c a l a b s o r p t i o n p u r i f i c a t i o n[D].B e i j i n g:B e i j i n g U n i v e r s i t y o fC h e m i c a l T e c h n o l o g y,2017.[12]于洁.变压吸附提纯沼气中C H4的试验研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2012.Y u J i e.S t u d y o n p u r i f y i n g t h em e t h a n eo f t h eb i o g a sb y p r e s s u r e s w i n g a d s o r p t i o n[D].H a r b i n:N o r t h e a s tA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,2012.[13]李生.规模化养殖场大中型沼气工程效益分析[D].南昌:江西师范大学,2018.L i S h e n g.B e n e f i t a n a l y s i so f l a r g ea n d m e d i u ms c a l eb i o g a s p r o j e c t si nl a r g e-s c a l ef a r m s-t a k i n gj i a n g x i p r o v i n c ea sa ne x a m p l e[D].N a n c h a n g:J i a n g x iN o r m a lU n i v e r s i t y,2018.[14]Y g a l eB,C u b C,Y d k b D.C o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a l I n s i g h t s i n t o t h e p e r f o r m a n c e o f p o l y s u l f o n e h o l l o w-f ib e r m e m b r a n e m o d u l e s i n b i o g a s p u r i f ic a t i o n p r o c e s s[J].C h e m i c a lE n g i n e e r i n g J o u r n a l, 2022,433(1):134616.[15]刘冰.MO F/聚酰亚胺复合膜结构设计及对沼气中C O2/C H4分离性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.L i uB i n g.S t r u c t u r ed e s i g no f MO F/p o l y i m i d ec o m p o s i t e m e n b r a n e s a n d s e p a r a t i o n p r o p e r t i e s o f C O2/C H4i nb i o g a s[D].H a e r b i n:H a r b i n I n s t i t u t e o fT ec h n o l o g y,2021.[16]J e o n Y W,L e e D H.G a s m e m b r a n e sf o r C O2/C H4(b i o g a s)s e p a r a t i o n:A r e v i e w[J].E n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g S c i e n c e,2015,32(2):71-85.[17]阮雪华,贺高红,肖武,等.生物甲烷膜分离提纯系统的设计与优化[J].化工学报,2014,65(5):1688-1695.R u a nX u e h u a,H e G a o h o n g,X i a o W u,e ta l.D e s i g na n d o p t i m i z a t i o n o f m e m b r a n e-b a s e d s y s t e m f o r b i o-m e t h a n e p u r i f i c a t i o n[J].C I S E S J o u r n a l,2014,65(5):1688-1695.[18]G B/T13611 2018,天然气[S].[19]G B/T13611 2018,城镇燃气分类和基本特性[S].[20]缪明富,彭子成,钟国利.利用二氧化碳资源提高气田开发效益[J].石油与天然气化工,2005,34(6):470-481.M i a o M i n g f u,P e n g Z i c h e n g,Z h o n g G u o l i.U s i n g c a r b o n d i o x i d e r e s o u r c e s t o i m p r o v e g a s f i e l d d e v e l o p m e n t b e n e f i t s[J].C h e m i c a lE n g i n e e r i n g o fO i l&G a s,2005, 34(6):470-481.[21]肖红岩,郭明钢,贺高红,等.氢气分离膜内嵌改进蒸汽活化转化丙烷脱氢过程模拟和经济分析[J].化工进展, 2019,38(12):5257-5263.X i a oH o n g y a n,G u oM i n g g a n g,H eG a o h o n g,e t a l.R e t r o f i t a n d o p t i m i z a t i o no f s t e a ma c t i v e r e f o r m i n g(S T A R)p r o p a n e d e h y d r o g e n a t i o n t e c h n o l o g y w i t h e m b e d d e d h y d r o g e nm e m b r a n e s e p a r a t i o n[J].C h e m i c a l I n d u s t r y a n dE n g i n e e r i n g P r o g r e s s,2019,38(12):5257-5263.Copyright©博看网. 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造纸废水厌氧处理及沼气提纯技术研究
)ODUH &2+2HWF
ሒ⇨ᬒぎ
图3 Q-PSA脱碳工艺流程
表3 Q-PSA与膜法工艺对比
Q-PSA变压吸附法
膜分离法
CH4富集能力
可精脱CO2，将CH4提纯到95%～99% 在不含氮氧场合，可将沼气直接提纯至95%
CH4回收率
纯度在95%以上，回收率达95%
不含氮氧，纯度在95%以上，两级膜串联方案，回收率95%～97%
表1 厌氧进水、出水技术参数
名称
进水 出水
水量/ m3.d-1
30,000 30,000
COD/ m g .L-1
≤4,000 ≤1,000
钙离子 /m g .L-1
≤500 ≤500
水温/ ℃
36～38 -
沼气产量/ N m 3.d -1
≤50,000
运行稳定性强、去除有机物能力大等显著特点。 山东某造纸企业高浓度废水排放量约为30,000 m3/d，
R&D ·研究开发
Study on Anaerobic Treatment and Biogas Purification of Papermaking Wastewater
⊙ Cao Yanjun1, Qin Jun1, Zheng Dechao1, Qi Zhi2 (1.Shandong Sun Paper Industry Joint Stock Co., Ltd., Jining, Shandong 272100, China; 2.Beijing Golden Green Environmental Energy & Technology Co., Ltd., Beijing 100022, China)
秸秆沼气生产CNG项目简介
秸秆沼气生产CNG项目简介近年来随着国民经济的快速发展，环境污染和能源消耗已成为全社会关注的焦点，直接影响到国民经济的可持续发展及全国人民的身心健康。
保护环境开发利用可再生能源已成为一项刻不容缓的战略任务，为此国家制订了一系列的政策措施鼓励发展可再生能源。
特别是党的十八大以来，党中央国务院把节能减排保护环境作为转方式调结构的重要内容，提出了更高的要求。
沼气的综合利用就是可再生能源的重要方式之一。
利用秸秆发酵混合家畜粪便转化为沼气再提纯成CNG,既减少了大气污染、避免了资源浪费、增加了农民收入，还为企业带来了可观的经济效益，因此，本项目既有经济效益，又有社会效益和生态效益。
一、项目的由来该项目是由肥城金冠机械工程有限公司董事长董继文先生通过北京卓易天元科技有限公司董事长邸丹女士引进的。
邸总是美国华人环保专家团成员。
在环保领域造诣很深。
该项目引进德国技术和设备，工艺先进、技术可靠。
二、肥城市有关情况肥城市是全国百强县、全国粮食大县，开发秸秆畜禽粪便沼气具有很大优势。
全年农作物种植面积稳定在120万亩，每年可生产玉米秸秆80万吨。
除秸秆还田和作为饲料之外还有近一半的秸秆需要处理。
制止焚烧秸秆也是每年秋季乡镇村的一项硬任务。
全市有400多处养殖小区，年产畜粪便20多万吨，除部分通过加工有机肥或做沼气使粪便得以妥善处理外，其余都缺乏有效的环保措施。
全市共有出租车＿辆，公交车＿辆，私家车＿辆。
现有天然气加气站2处，每年缺口＿万方，加气车辆每天都要排队等候很长的时间。
所以尽快利用秸秆及畜禽粪便加工沼气提纯生产CNG既能保护环境又能增加汽车新能源，是一个一举多得的好项目。
三、建设规模与内容本项目建设规模为年产沼气1486万立方,可生产CNG760万立方。
主要设备包括沼气池6300m3的4个、贮青池21600m3的2个、粪砂分离装置125m3的2个、混合预处理罐φ16m、2500m3的2个、消化发酵槽φ16m、200m3的8个、3000 m3沼气储槽1个、沼渣沉淀罐3000 m3的2个、沼渣脱水装置1套、沼渣罐1个、沼渣烘干机4台、圆盘造粒机6台、皮带输送机6台、工作平台料斗6台、封包机12台、冲瓶机8台、罐装机10台、气动压盖机6台、压缩机1台、泵8台，还有沼气脱硫净化装置及CNG加气站，以及配套生产叶面肥、有机复合肥的生产系统。
生物燃气净化提纯制备生物天然气技术研究进展
沼气利用技术在餐厨垃圾处理项目中的应用
沼气利用技术在餐厨垃圾处理项目中的应用张淑玲;岳峥;马东兵【摘要】在某餐厨垃圾处理项目中,对餐厨垃圾处理过程中产生的沼气进行脱水除杂、脱硫脱碳,提纯回收制取压缩天然气,实践证明,该工艺系统技术成熟,运行费用低,且操作方便,最大限度地实现了资源的回收与转化利用.【期刊名称】《环境卫生工程》【年(卷),期】2014(022)003【总页数】3页(P64-66)【关键词】沼气利用;餐厨垃圾;工程应用【作者】张淑玲;岳峥;马东兵【作者单位】中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津300074;中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津300074;中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津300074【正文语种】中文【中图分类】X7051 工程背景餐厨垃圾厌氧消化过程产生的生物气体（沼气）是一种混合气体，主要成分为CH4、CO2、H2S以及水汽。
沼气中所含的H2S是一种无色气体，比空气重，浓度低时有典型的臭鸡蛋味，其毒性很大，遇水酸化具有腐蚀性，燃烧时产生SO2，因此，为保护设备，方便沼气的储存与利用以及控制SO2排放指标，需对沼气进行净化处理，去除其中的H2S与水汽。
某餐厨垃圾处理项目中餐厨垃圾有机物在厌氧消化罐内降解过程中产生的沼气气量为31 000 m3/d，其中甲烷占50%～65%。
沼气的净化主要是去除水（H2O）、硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）和卤化混合物等，水会溶解H2S形成硫酸腐蚀管道，加压储存时，凝结水会产生冰堵。
CO2降低了沼气的能量密度。
沼气纯化后甲烷含量可高达95%，气体品质同天然气可直接用作车用燃料［1］。
2 工艺选择1）沼气利用方式主要有内燃机发电、锅炉燃烧、民用燃气、精制天然气［2］，以上利用方式优缺点比较见表1。
2）沼气发电效率较低，产生的效益较小，故不采用发电方式；燃气民用方式配套管道工程投资较大，不宜采用；本工程在保证锅炉燃烧产生的蒸汽供厂内用气的前提下，还有富足的沼气可利用，将该部分沼气提纯精制，产品为压缩天然气，属于清洁能源，可作为城市车辆燃料使用，并且有一定的经济效益，故本工程采用沼气提纯精制做锅炉燃料和压缩天然气相结合的工艺方式。
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Part I
中空纤维膜技术的气体分离原理 Hollow-fiber membrane for gas separation
膜脱碳：沼气提纯应用 Membrane CO2 Removal: Biogas application
排放气 Vent gas <5% 甲烷 CH4 >95% 二氧化碳 CO2 生物燃气 BioCNG >96% 甲烷 CH4 <3% 二氧化碳 CO2
内容 Agenda
• 膜分离技术与沼气提纯应用性能
Membrane separation technology for biogas upgrading application
• 从小到大再到移动的膜脱碳装备
Membrane CO2 remlarge and then mobile
膜脱碳沼气提纯装置的优势
Part III
Advantages of biogas upgrading by membrane CO2 removal technology
膜脱碳沼气提纯装置的优势 Advantages of biogas upgrading by membrane CO2 removal technology
小型膜组沼气提纯装置 Small scale membrane CO2 removal equipment
大型膜组沼气提纯装置 Large scale membrane CO2 removal equipment
大型膜组沼气提纯装置 Large scale membrane CO2 removal equipment
• 膜组沼气脱碳装置的优势
Advantages of biogas upgrading by membrane CO2 removal technology
（一） 膜分离技术与沼气提纯应用性能
Membrane separation technology for biogas upgrading application
沼气提纯装置的工艺流程 Process flow for biogas upgrading equipment
脱硫 H2S Removal 预增压 Precomp 换热 Heat Exchange 至用户工艺
CO2 排放
CO2 Vent
To Users 过滤 二级膜组
Filtration 2 stage membrane
市场总监
Marketing Director
张文谦
Victor Zhang
手机：138 115 62450 邮箱：hellovictorz@ 网站： /
• 可小型化、微型化、移动化
Can be designed for small scale, tiny scale and mobile applications
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天津凯德实业
Tianjin Hi-tech Enterprise
生物燃气技术事业部
BioCNG Technology Business Division
500,000 (13,051)
PSA
100,000 (2,610) 50,000 (1,305) 20,000 (522)
CRYOGENIC
MEMBRANE
15,000 (392)
10,000 (261) 1,000 (26) 50 (1.3) 90%
LIQUID INDUSTIAL CH4
95%
二氧化碳
• 脱碳目标 (Removal Target)
CO2
0.5% ~ 3%
硫化氢
H2S
X 0.3 X 0.6
• 产品气百分比 (%Product) = 原料气百分比 (%Feed)
氧气
氮气
O2
N2
X 0.6
• 产品气百分比 (%Product) = 原料气百分比 (%Feed)
• 产品气百分比 (%Product) = 原料气百分比 (%Feed)
沼气来源
Biogas source
生物燃气制备的工艺设计 Process design for bioCNG
（二） 从小到大再到移动的膜脱碳装备 Part II
Membrane CO2 removal equipment from small to large and then mobile
膜脱碳的供应范围 Membrane CO2 removal scope of supply
沼气 Biogas 60% 甲烷 CH4 40% 二氧化碳 CO2
膜组在沼气提纯中的性能 Membrane Performance in Biogas Upgrading 甲烷
• 回收率(Recovery Rate) • 产品气纯度 (Product gas purity)
CH4
>95% 90% ~ 99%
法液空公司膜脱碳技术的国外应用实例 Overseas projects by Air Liquide using membrane CO2 removal technology (from 2006)
移动式膜组沼气提纯装置 Mobile membrane CO2 removal truck
（三）
97%
99%
99.5%
99.9%
99.995%
CH4 Purity
小型膜组沼气提纯装置 Small scale membrane CO2 removal equipment
小型膜组沼气提纯装置 Small scale membrane CO2 removal equipment
小型膜组沼气提纯装置 Small scale membrane CO2 removal equipment
Membrane Solution for CO2 removal Applications from small to large and then mobile 膜脱碳的解决方案 从小到大再到移动的应用
Tianjian Hi-tech Biogas Technology Development Co., Ltd 天津凯德生物燃气技术发展有限公司
• 能耗低
Low energy consumption
• 安装方便，无需地基，占地小
Easy installation, small footprint
• 工艺流程短，设备维护简单
Short process design, easy maintenance
• 可靠耐用，全年停机时间短
Reliable, long annual operating hour