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紅泥膜沼氣池沼氣作為一種重要的生物質(zhì)轉換能,它的開(kāi)發(fā)  利用尤顯意義深遠口。我國已建大中型紅泥膜沼氣池沼氣工程  數量和紅泥膜沼氣池沼氣產(chǎn)量已位居世界首位,2009年統計的大  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74.55億m3,折合標  煤532萬(wàn)t,2012年紅泥膜沼氣池沼氣量已達138億m3,折合標  煤966萬(wàn)t,3年增長(cháng)了近85%,按照這個(gè)增長(cháng)速率,現在則更高2-31。原始紅泥膜沼氣池沼氣因其能量密度低商業(yè)化應用受限,若紅泥膜沼氣池沼氣通過(guò)初步凈化除雜,再通過(guò)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(chē)和火車(chē)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(chē)用紅泥膜沼氣池沼氣精制系統研

發(fā)15-1)及其裝置研制8-2也如雨后春筍般成長(cháng)。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),設備往往體積大,一次性投資成本高,對于我國許多日產(chǎn)氣量小于5000m3的紅泥膜沼氣池沼氣工程企業(yè)而言,如何對過(guò)剩的紅泥膜沼氣池沼氣進(jìn)行高值利用是一個(gè)現實(shí)問(wèn)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,該機可以將由各種有機廢棄物厭氧發(fā)酵而成經(jīng)過(guò)初步脫水、脫硫的紅泥膜沼氣池沼氣,根據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,并可直接用一體機壓縮灌裝成天然氣級的CNG供車(chē)用6-281。本文介紹的是該機工作關(guān)鍵部件膜組件的工藝設計思路、方法以及試驗研制,通過(guò)若干個(gè)膜組件單元組成不同膜級的純化系統,在定氣體壓力差的驅動(dòng)下,完成了室內紅泥膜沼氣池沼氣分離純化及精制的實(shí)驗。

1紅泥膜沼氣池沼氣膜精制純化膜組件設計

1.1級聯(lián)膜精制紅泥膜沼氣池沼氣工藝流程設計

級膜工藝流程方案見(jiàn)圖1,原料紅泥膜沼氣池沼氣通過(guò)壓縮再次凈化預處理,經(jīng)過(guò)一級膜組件后,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,若是達到90%以上,則

二級膜的工藝流程的方案有多種工況,如一級膜的滲透氣進(jìn)入二級膜,而滲余氣回流與原料氣會(huì )合;或一級膜的滲透氣回流,而滲余氣進(jìn)入二級膜;或是一級膜的滲余氣進(jìn)入二級膜,滲透氣放空或作他用,二級膜的滲透氣回流與原料氣會(huì )合,提高回收率等。本研究根據物料平衡計算,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(jiàn)圖2。

1.2物料平衡計算  根據所選的二級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,計算了該方案下  50m3h-的物料平衡見(jiàn)表1。

1、3膜組件設計

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壓逆流型,一級膜組件設計  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-,二級膜組件設計成1個(gè),與一級膜組件串聯(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(lèi)壓力的堅固材料,膜絲  外徑為40.25mm,內徑為do.15mm  工作環(huán)境參數: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?！?.01μm,含油量≤0.0mgm-。  膜組件設計參數:入口壓力取最大值1.5MPa,  溫度選40℃,二級膜分離效率應大于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(guò)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(guò)量,cm;4p為壓力差,cmHg;為氣體  滲透的時(shí)間,;Sm為膜表面積,cm2。

得膜面積計算公式

Sm=Q/Jt△p

通過(guò)膜面積計,算出符合膜芯和膜殼體的長(cháng)度設計原則的膜絲量,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:

級膜組件C305的外形尺寸:膜芯≤中110800mm;膜殼體≤Φ140×1000mm;  二級膜組件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

應用設計的50m3h-級聯(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。先進(jìn)行一級膜  C305氣體分離實(shí)驗,再進(jìn)行1個(gè)一級膜C305和1  個(gè)二級膜C405串聯(lián)的氣體分離實(shí)驗,最后進(jìn)行2個(gè)  級膜C305并聯(lián)再和1個(gè)二級膜C405串聯(lián)的氣  體分離實(shí)驗。將配制紅泥膜沼氣池沼氣通過(guò)膜組件進(jìn)氣口,調節  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(xiàn)紅泥膜沼氣池沼氣分析儀記  錄數據,每次當顯示板的數據穩定后,分別記錄各壓力下的值數。

2.1一級膜分離測試結果

工作環(huán)境條件下,不同壓力下一級膜分離測試結果見(jiàn)表2。

從表2中可看出,一級膜滲透側的CH4含量還是很高的,當壓力為1.0MPa時(shí),產(chǎn)品氣甲烷的純度為89.34%,但是經(jīng)計算甲烷的回收率不高。

2.2二級膜分離測試結果

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)驗的結果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出,隨著(zhù)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,當壓力增至1.0MPa時(shí),CH4的含量級聯(lián)1個(gè)一級膜組件達到93.53%,級聯(lián)2個(gè)一級膜組件達到96.63%。2.3甲烷回收率

根據物料系統平衡和實(shí)測數據相結合計算甲烷回收率。一個(gè)一級膜進(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(jiàn)表1),計算甲烷回收率約66.42%。1.0MPa,產(chǎn)品氣中甲烷含量為89.34%(見(jiàn)表1),計算甲烷回收率約71.62%。說(shuō)明其它條件不變,當壓力增加時(shí),產(chǎn)品期甲烷的純度和回收率呈上升趨勢。

根據一支一級膜進(jìn)氣量25m3,其中甲烷的含  量為60%,當壓力為1.0MP時(shí),脫碳二級膜的滲

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(jiàn)表3),計算甲烷回收率約

8524%;若滲透氣不循環(huán),計算甲烷回收率約

72.44%。

2.4技術(shù)經(jīng)濟分析

以某年產(chǎn)365萬(wàn)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(wàn)m2,按照現在紅泥膜沼氣池沼氣生產(chǎn)工藝,沼

氣中甲烷含量按60%計,通過(guò)筆者設計的二級膜組件,按甲烷回收率85%,甲烷含量%6%計算,每天可

產(chǎn)車(chē)用壓縮燃氣0.53萬(wàn)m3,綜合成本每立方米比天然氣節約50%以上,每天供市區30多輛出租車(chē)使用,與汽油相比,平均每輛車(chē)每公里可節約0.22元,每天可達80余元,運行成本降低了20%,每年可增收0.7萬(wàn)元。若是年產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣越高,則技術(shù)經(jīng)濟

益分析越可觀(guān),帶動(dòng)企業(yè)就業(yè)的同時(shí),也給當地出租車(chē)司機帶來(lái)可見(jiàn)的經(jīng)濟利益,又因CO和CO2排放的減少,有助于實(shí)現地區性節能環(huán)保

3結論

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

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

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

在工作環(huán)境下,進(jìn)氣壓力為1.0MPa時(shí),當其它條件不變時(shí),采用二級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(chǎng)日產(chǎn)1萬(wàn)m3紅泥膜沼氣池沼氣計算,由技術(shù)經(jīng)濟分析可知,相當于每天挽回636m3車(chē)用壓縮燃氣,即4輛出租車(chē)每天的用氣量。本試驗為應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)天然氣級燃料轉化提供了技術(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