沼气提纯设备和工艺制造技术

沼气提纯系统可以包括多阶段膜系统，其被配置成去除氧气，使得沼气被提纯为具有更高浓度的甲烷、预选的氧气(O2)浓度(例如，小于或等于0.2摩尔％等)和预选的二氧化碳(CO2)浓度(例如，小于或等于5摩尔％等)。膜系统可配置成通过利用在预定范围(例如，小于5或小于4.5)内的低CO2/O2选择性来排斥O2。在一些实施例中，从系统输出的提纯沼气可以完全由甲烷、二氧化碳和氧气构成。在其他实施例中，沼气可以几乎完全由这些组分以及少量的氮气和痕量(例如，小于或等于0.2％

【技术实现步骤摘要】
沼气提纯设备和工艺


[0001]本创新涉及沼气提纯系统、可用于此类系统的膜布置和设备，以及制造和使用它们的工艺。

技术介绍

[0002]原始沼气可以提纯为更高纯度的甲烷流以供下游使用(例如，注入管道，用于热电联产厂(CHP)等)。沼气常常被净化，使得沼气的主要组分是甲烷。
[0003]沼气通常被定义为有机废物厌氧消化的产物。有机废物厌氧消化产生的沼气可常常含有甲烷、二氧化碳、氮气、氧气、硫化氢和硅氧烷。捕获和提纯沼气可有助于减少温室气体排放并创造可出售的可再生能源。
[0004]可用于处理原始沼气以获得高纯度甲烷的系统的示例可从美国专利第9,050,553号和第8,999,038号、美国专利申请公开第2011/0094378号、国际公开第WO2006/069868号和EP 1 634 946了解。
[0005]用于帮助提纯沼气的传统净化方法包括水洗、胺洗涤、催化系统或变压吸附(PSA)以去除二氧化碳和其他污染物。PSA工艺的建造和操作昂贵。催化系统的操作也常常是昂贵的，因为它们利用消耗性元素(例如，可能中毒的催化剂材料)并产生必须在下游去除的不需要的副产物(例如，水)。

技术实现思路

[0006]需要新系统来提纯沼气，以便其更容易用于下游操作(例如，提供给管道、在CHP系统中使用等)。在一些实施例中，沼气可以称为生物甲烷气体、垃圾填埋气或生物燃料。在一些实施例中，多阶段膜系统可用于处理来自沼气系统的沼气以增加甲烷浓度，同时还从沼气中去除氧气和二氧化碳，从而使从膜系统输出的提纯沼气内的氧气和二氧化碳在预选的氧气和二氧化碳浓度内，其中氧气浓度小于或等于提纯沼气输出流的0.2％。在此类实施例中，提纯沼气输出流中的预选的二氧化碳浓度可以小于2％。优选地，系统的实施例可以被配置成避免使用PSA并且还避免使用催化系统来从提纯沼气中去除氧气。氧气在本文中也可以称为O2，二氧化碳在本文中也可以称为CO2，并且甲烷在本文中也可以称为CH4。
[0007]例如，在一些实施例中，沼气提纯系统可以包括多阶段膜系统，其被配置成去除氧气，使得沼气被提纯为具有处于预选的甲烷浓度(例如，94％、大于或等于94％、96％、大于或等于96％、大于97％、大于或等于97％、大于或等于99.5％等)的较高甲烷浓度、预选的氧浓度(例如，小于1％、小于0.2％、或小于或等于0.2％)和预选的二氧化碳浓度(例如，小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于0.5％等)。本文讨论的浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。
[0008]在一些实施例中，膜系统可以包括多个阶段，该多个阶段各自包括至少一个膜，该膜可以被配置成通过利用在预定范围(例如，小于5.0或小于4.5等)内的低CO2/O2选择性来排斥O2以形成提纯的甲烷输出流。在一些实施例中，从系统输出的提纯沼气可以完全由甲
烷、CO2和O2构成。在其他实施例中，沼气可以几乎完全由这些组分以及少量(例如，小于5％
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1％)的氮气和/或痕量(例如，小于0.2％
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0.1％等)的其他组分(例如，硫化氢等)构成。
[0009]例如，沼气提纯系统的一些实施例可以包括多阶段膜系统，其被配置成去除氧气和二氧化碳，使得沼气被提纯为具有更高浓度的甲烷(例如，至少95％的甲烷、至少97％的甲烷、至少99.5％的甲烷等)以及处于或低于预选氧气浓度(例如，小于3％、小于1％、最多0.2％或小于0.2％)的氧气水平同时保持高水平的甲烷回收率(例如，大于90％的甲烷回收率、大于95％的甲烷回收率、在95％和98％之间的甲烷回收率、在98％和99.5％之间的甲烷回收率等)，其中回收率定义为产物流中的甲烷与进料流中的甲烷之比。从提纯系统输出的沼气还可以包含在预选的组成范围(例如，最多5％、小于2％、小于或等于2％、0.5％、小于或等于0.5％等)内的二氧化碳。在膜系统的每个阶段中使用的一个或多个膜可以被配置成具有小于5或小于4.5的CO2/O2选择性。
[0010]在一些实施例中，膜系统可以被配置成使得氧气排斥因子(例如，进料内O2的摩尔浓度与从膜系统输出的提纯沼气内O2的摩尔浓度的比率，摩尔％O2进料/摩尔％O2输出在预定范围(例如，大于5，大于1.0，大于0.75，在1.0和1.25之间、在0.75和1.25之间、在0.77至1.22范围内，在0.8和1.2之间，在0.7至1.3范围内、在0.9至1.5范围内或在0.9至2.2范围内等)内。
[0011]在第一方面，一种用于经由去除氧气(O2)和二氧化碳(CO2)来净化沼气进料流的工艺可以包括将所述沼气进料流提供给膜系统的第一阶段以产生第一阶段非渗透流和第一阶段渗透流。第一阶段非渗透流可以由甲烷、O2和CO2构成，使得第一阶段非渗透流具有比第一阶段渗透流更低的CO2浓度。第一阶段渗透流可以由甲烷、O2和CO2构成，并且可以具有比第一阶段非渗透流更低的甲烷浓度。该工艺还可以包括将第一阶段非渗透流供应到膜系统的第二阶段以产生第二阶段非渗透流和第二阶段渗透流。第二阶段非渗透流可包含至少90摩尔％的甲烷和小于1摩尔％的O2。第二阶段渗透流的CO2含量可大于第二阶段非渗透流的CO2含量。
[0012]该工艺的实施例还可以包括将第一阶段渗透流供应到膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流，并提供第三阶段非渗透流以形成再循环流以用于将第三阶段非渗透流进料到第一阶段或压缩机系统。例如，执行的再循环可包括在将再循环流进料到压缩机系统以经历压缩至预选压力之前将第三阶段非渗透流与第二阶段渗透流混合以形成再循环流。在一些方面，该工艺还可以包括在将沼气进料流进料到压缩机系统之前将再循环流与沼气进料流混合，所述压缩机系统在膜系统的上游。
[0013]用于净化沼气进料流的工艺的一个方面还可以包括将第一阶段渗透流供应到膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流。第一阶段的至少一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间、或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值，并且第三阶段的至少一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间、或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值。在一些实施例中，第一阶段的至少一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间、或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值。在该工艺的一些方面，第一阶段的每一个膜、第二阶段的每一个膜和/或第三阶段的每一个膜具有小于5、小于4.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值。
[0014]可以执行该工艺的实施例，使得氧气减少因子大于1.0或在1.0和1.25之间。氧气减少因子可以是沼气进料流内O2的摩尔浓度与第二阶段非渗透流内O2的摩尔浓度的比率。
[0015]可以执行该工艺的实施例，使得第二阶段非渗透流是提纯沼气输出流，其具有至少95摩尔％甲烷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种经由去除氧气(O2)和二氧化碳(CO2)来净化沼气进料流的工艺，所述工艺包括：将所述沼气进料流提供给膜系统的第一阶段以产生第一阶段非渗透流和第一阶段渗透流，所述第一阶段非渗透流由甲烷、O2和CO2构成，使得所述第一阶段非渗透流具有比所述第一阶段渗透流低的CO2浓度，所述第一阶段渗透流由甲烷、O2和CO2构成，并且具有比所述第一阶段非渗透流低的甲烷浓度；以及将所述第一阶段非渗透流供应到所述膜系统的第二阶段以产生第二阶段非渗透流和第二阶段渗透流，所述第二阶段非渗透流包含至少90摩尔％的甲烷和小于1摩尔％的O2，所述第二阶段渗透流的CO2含量大于所述第二阶段非渗透流的CO2含量。2.根据权利要求1所述的工艺，其包括：将所述第一阶段渗透流供应到所述膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流；以及提供所述第三阶段非渗透流以形成再循环流以用于将所述第三阶段非渗透流进料到所述第一阶段或压缩机系统。3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述再循环包括：在将所述再循环流进料到所述压缩机系统以经历压缩至预选压力之前将所述第三阶段非渗透流与所述第二阶段渗透流混合以形成所述再循环流。4.根据权利要求3所述的工艺，其包括：在将所述沼气进料流进料到所述压缩机系统之前将所述再循环流与所述沼气进料流混合，所述压缩机系统在所述膜系统的上游。5.根据权利要求1所述的工艺，其包括：将所述第一阶段渗透流供应到所述膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流；其中所述第一阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值；并且其中所述第三阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值。6.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值。7.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一阶段的每一个膜、所述第二阶段的每一个膜和/或所述第三阶段的每一个膜具有小于5、小于4.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO2/O2选择性值。8.根据权利要求1所述的工艺，其中执行所述工艺使得氧气减少因子大于1.0或在1.0和1.25之间，所述氧气减少因子是所述沼气进料流内O2的摩尔浓度与所述第二阶段非渗透流内O2的摩尔浓度的比率。9.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第二阶段非渗透流是具有至少95摩尔％甲烷的甲烷含量的提纯沼气输出流。10.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第二阶段非渗透流具有小于或等于0.2摩尔％的O2。11.一种沼气提纯系统，其包括：
被配置成接收从沼气系统输出的沼气进料流的膜系统，所述膜系统包括：第一阶段，其被定位和配置成接收所述沼气进料流以产生第一阶段非渗透...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：