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紅泥膜沼氣池沼氣作為一種重要的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換能,它的開發(fā)  利用尤顯意義深遠(yuǎn)口。我國已建大中型紅泥膜沼氣池沼氣工程  數(shù)量和紅泥膜沼氣池沼氣產(chǎn)量已位居世界首位,2009年統(tǒng)計(jì)的大  中型紅泥膜沼氣池沼氣工程生產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣量已達(dá)74.55億m3,折合標(biāo)  煤532萬t,2012年紅泥膜沼氣池沼氣量已達(dá)138億m3,折合標(biāo)  煤966萬t,3年增長了近85%,按照這個(gè)增長速率,現(xiàn)在則更高2-31。原始紅泥膜沼氣池沼氣因其能量密度低商業(yè)化應(yīng)用受限,若紅泥膜沼氣池沼氣通過初步凈化除雜,再通過精

制技術(shù)提純甲烷含量,可提升紅泥膜沼氣池沼氣能量密度獲得高  品質(zhì)生物天然氣( Bio-Natural gas,BNG)從而促進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用,這一領(lǐng)域的研究目前成為紅泥膜沼氣池沼氣行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)3)。國內(nèi)外在紅泥膜沼氣池沼氣的生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)工藝9上的研究不斷創(chuàng)新,紅泥膜沼氣池沼氣轉(zhuǎn)換精制技術(shù)也各有特色01。精制后的紅泥膜沼氣池沼氣在丹麥、瑞典等國家已經(jīng)為汽車和火車提供燃料2-13)。在我國,有關(guān)大中型紅泥膜沼氣池沼氣工程凈化技術(shù),車用紅泥膜沼氣池沼氣精制系統(tǒng)研

發(fā)15-1)及其裝置研制8-2也如雨后春筍般成長。工業(yè)上的紅泥膜沼氣池沼氣精制純化一般采用液體吸收21、深冷分離2-3)和變壓吸附-21等技術(shù),設(shè)備往往體積大,一次性投資成本高,對(duì)于我國許多日產(chǎn)氣量小于5000m3的紅泥膜沼氣池沼氣工程企業(yè)而言,如何對(duì)過剩的紅泥膜沼氣池沼氣進(jìn)行高值利用是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

本研究采用氣體膜分離技術(shù),研制紅泥膜沼氣池沼氣膜精制純化一體機(jī),該機(jī)可以將由各種有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵而成經(jīng)過初步脫水、脫硫的紅泥膜沼氣池沼氣,根據(jù)氣體最終使用需要濃度分離純化,并且可以將甲烷氣體純化至95%以上,并可直接用一體機(jī)壓縮灌裝成天然氣級(jí)的CNG供車用6-281。本文介紹的是該機(jī)工作關(guān)鍵部件膜組件的工藝設(shè)計(jì)思路、方法以及試驗(yàn)研制,通過若干個(gè)膜組件單元組成不同膜級(jí)的純化系統(tǒng),在定氣體壓力差的驅(qū)動(dòng)下,完成了室內(nèi)紅泥膜沼氣池沼氣分離純化及精制的實(shí)驗(yàn)。

1紅泥膜沼氣池沼氣膜精制純化膜組件設(shè)計(jì)

1.1級(jí)聯(lián)膜精制紅泥膜沼氣池沼氣工藝流程設(shè)計(jì)

級(jí)膜工藝流程方案見圖1,原料紅泥膜沼氣池沼氣通過壓縮再次凈化預(yù)處理,經(jīng)過一級(jí)膜組件后,滲透氣作為廢氣直接排空或者用作工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中下游的原材  料,滲余氣作為產(chǎn)品氣,但這樣獲得的產(chǎn)品氣純度不是特別高,一般在80%以上,若是達(dá)到90%以上,則

二級(jí)膜的工藝流程的方案有多種工況,如一級(jí)膜的滲透氣進(jìn)入二級(jí)膜,而滲余氣回流與原料氣會(huì)合;或一級(jí)膜的滲透氣回流,而滲余氣進(jìn)入二級(jí)膜;或是一級(jí)膜的滲余氣進(jìn)入二級(jí)膜,滲透氣放空或作他用,二級(jí)膜的滲透氣回流與原料氣會(huì)合,提高回收率等。本研究根據(jù)物料平衡計(jì)算,綜合考慮產(chǎn)品氣甲烷純度和甲烷回收率,最后確定工藝流程圖見圖2。

1.2物料平衡計(jì)算  根據(jù)所選的二級(jí)膜分離紅泥膜沼氣池沼氣工藝流程方案按  照介質(zhì)溫度40℃,壓力0.8MPa,計(jì)算了該方案下  50m3h-的物料平衡見表1。

1、3膜組件設(shè)計(jì)

中空纖維膜組件是由膜芯和膜殼體組成,流型  采用分離效率最好的內(nèi)壓逆流型,一級(jí)膜組件設(shè)計(jì)  成2個(gè)并聯(lián),主要以脫碳為主,每個(gè)的進(jìn)氣量是25  m3h-,二級(jí)膜組件設(shè)計(jì)成1個(gè),與一級(jí)膜組件串聯(lián),主要以高效純化甲烷為主。  膜采用日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社UBE公司的

CO2膜,是由芳香族聚酰亞胺材料加工而成,可以在  高壓下抵御CO2,H2S和烴類壓力的堅(jiān)固材料,膜絲  外徑為40.25mm,內(nèi)徑為do.15mm  工作環(huán)境參數(shù):1)環(huán)境溫度:-15℃-85℃;2)  工作溫度:2℃-80℃;3)工作介質(zhì)溫度:10℃  60℃;4)工作壓力范圍:0.4MPa-1.1MPa;5)極限工作壓力:1.5MPa。

膜的CO2和CH4分離系數(shù)取  10-6 1.0 cmcm"s.cm-1Ngo COyCH4: 25 JN/  22C作介質(zhì)是凈化紅泥膜沼氣池沼氣,要求是40℃露點(diǎn)≤  顆粒≤0.01μm,含油量≤0.0mgm-。  膜組件設(shè)計(jì)參數(shù):入口壓力取最大值1.5MPa,  溫度選40℃,二級(jí)膜分離效率應(yīng)大于80%,產(chǎn)品氣  甲烷純度大于95%,處理紅泥膜沼氣池沼氣流量50m3h  利用氣體透過膜的滲透速率公式:

J=Q/Smt△p

式中:J為滲透速率,m3cm28·cmHg;Q為氣體透過量,cm;4p為壓力差,cmHg;為氣體  滲透的時(shí)間,;Sm為膜表面積,cm2。

得膜面積計(jì)算公式

Sm=Q/Jt△p

通過膜面積計(jì),算出符合膜芯和膜殼體的長度設(shè)計(jì)原則的膜絲量,委托加工,膜組件的外形尺寸、安裝連接尺寸及互換性要求如下:

級(jí)膜組件C305的外形尺寸:膜芯≤中110800mm;膜殼體≤Φ140×1000mm;  二級(jí)膜組件C405的外形尺寸:膜芯≤小130900m;膜殼體≤Φ160×1100mmo

2膜組件分離紅泥膜沼氣池沼氣實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用設(shè)計(jì)的50m3h-級(jí)聯(lián)膜組件,在工作環(huán)  境下進(jìn)行配制紅泥膜沼氣池沼氣的純化實(shí)驗(yàn)。先進(jìn)行一級(jí)膜  C305氣體分離實(shí)驗(yàn),再進(jìn)行1個(gè)一級(jí)膜C305和1  個(gè)二級(jí)膜C405串聯(lián)的氣體分離實(shí)驗(yàn),最后進(jìn)行2個(gè)  級(jí)膜C305并聯(lián)再和1個(gè)二級(jí)膜C405串聯(lián)的氣  體分離實(shí)驗(yàn)。將配制紅泥膜沼氣池沼氣通過膜組件進(jìn)氣口,調(diào)節(jié)  進(jìn)氣壓力分別為0.6MPa,0.8MPa,1.0MPa,0.8  MPa和0.6MPa,采用便攜式紅外線紅泥膜沼氣池沼氣分析儀記  錄數(shù)據(jù),每次當(dāng)顯示板的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,分別記錄各壓力下的值數(shù)。

2.1一級(jí)膜分離測(cè)試結(jié)果

工作環(huán)境條件下,不同壓力下一級(jí)膜分離測(cè)試結(jié)果見表2。

從表2中可看出,一級(jí)膜滲透?jìng)?cè)的CH4含量還是很高的,當(dāng)壓力為1.0MPa時(shí),產(chǎn)品氣甲烷的純度為89.34%,但是經(jīng)計(jì)算甲烷的回收率不高。

2.2二級(jí)膜分離測(cè)試結(jié)果

工作環(huán)境條件下,不同壓力下采用膜組件串、并聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見表3。

從表3中可以看出,隨著膜壓力的增加,滲余氣CO2的含量逐漸下降,CH4的含量逐漸升高,當(dāng)壓力增至1.0MPa時(shí),CH4的含量級(jí)聯(lián)1個(gè)一級(jí)膜組件達(dá)到93.53%,級(jí)聯(lián)2個(gè)一級(jí)膜組件達(dá)到96.63%。2.3甲烷回收率

根據(jù)物料系統(tǒng)平衡和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合計(jì)算甲烷回收率。一個(gè)一級(jí)膜進(jìn)氣氣體總氣量25m2,其中甲烷的含量為60%,0.8MPa,脫碳一級(jí)膜的滲余氣產(chǎn)品氣是12.03m3,滲透氣廢氣是12.98m2,產(chǎn)品氣中甲烷含量為82.85%(見表1),計(jì)算甲烷回收率約66.42%。1.0MPa,產(chǎn)品氣中甲烷含量為89.34%(見表1),計(jì)算甲烷回收率約71.62%。說明其它條件不變,當(dāng)壓力增加時(shí),產(chǎn)品期甲烷的純度和回收率呈上升趨勢(shì)。

根據(jù)一支一級(jí)膜進(jìn)氣量25m3,其中甲烷的含  量為60%,當(dāng)壓力為1.0MP時(shí),脫碳二級(jí)膜的滲

余氣產(chǎn)品氣是1123m2,若滲透氣循環(huán),產(chǎn)品氣中

甲烷含量為96.63%(見表3),計(jì)算甲烷回收率約

8524%;若滲透氣不循環(huán),計(jì)算甲烷回收率約

72.44%。

2.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以某年產(chǎn)365萬m3的大中型紅泥膜沼氣池沼氣工程為例

每天可產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣1萬m2,按照現(xiàn)在紅泥膜沼氣池沼氣生產(chǎn)工藝,沼

氣中甲烷含量按60%計(jì),通過筆者設(shè)計(jì)的二級(jí)膜組件,按甲烷回收率85%,甲烷含量%6%計(jì)算,每天可

產(chǎn)車用壓縮燃?xì)?.53萬m3,綜合成本每立方米比天然氣節(jié)約50%以上,每天供市區(qū)30多輛出租車使用,與汽油相比,平均每輛車每公里可節(jié)約0.22元,每天可達(dá)80余元,運(yùn)行成本降低了20%,每年可增收0.7萬元。若是年產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣越高,則技術(shù)經(jīng)濟(jì)

益分析越可觀,帶動(dòng)企業(yè)就業(yè)的同時(shí),也給當(dāng)?shù)爻鲎廛囁緳C(jī)帶來可見的經(jīng)濟(jì)利益,又因CO和CO2排放的減少,有助于實(shí)現(xiàn)地區(qū)性節(jié)能環(huán)保

3結(jié)論

筆者采用串并聯(lián)二級(jí)膜滲透氣回流重脫工藝技術(shù),設(shè)計(jì)并研制了處理氣量為50m3h中試級(jí)膜分離純化紅泥膜沼氣池沼氣一體機(jī)的關(guān)鍵部件內(nèi)壓逆流型膜組件

在工作環(huán)境下,進(jìn)氣壓力為1.0MPa時(shí),一級(jí)膜

離純化時(shí),產(chǎn)品氣CH4的含量可高達(dá)89.34%,CH4回收率約71.62%;二級(jí)膜分離純化時(shí),產(chǎn)品氣CH4的含量可高達(dá)96.63%,CH4回收率約85.24%。說明相同條件下,二級(jí)膜分離純化的產(chǎn)品氣純度和回收率都高于一級(jí)膜。

在工作環(huán)境下,進(jìn)氣壓力為1.0MPa時(shí),當(dāng)其它條件不變時(shí),采用二級(jí)膜滲透氣回流重脫方案,產(chǎn)品氣甲烷回收率比不采用此方案可從71.62%增至85.24%,即增加了12%。按某廠日產(chǎn)1萬m3紅泥膜沼氣池沼氣計(jì)算,由技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可知,相當(dāng)于每天挽回636m3車用壓縮燃?xì)?即4輛出租車每天的用氣量。本試驗(yàn)為應(yīng)用紅泥膜沼氣池沼氣膜精制提純技術(shù)裝備將低質(zhì)低值紅泥膜沼氣池沼氣向高品質(zhì)天然氣級(jí)燃料轉(zhuǎn)化提供了技術(shù)支持。

摘自《中國沼氣》第4期 梁素鈺 田松巖 李琳 劉鐵男 杜倩 吳健格