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紅泥膜沼氣池沼氣作為一種重要的生物質轉換能,它的開發  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紅泥膜沼氣池沼氣量已達74.55億m3,折合標  煤532萬t,2012年紅泥膜沼氣池沼氣量已達138億m3,折合標  煤966萬t,3年增長了近85%,按照這個增長速率,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化應用受限,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  品質生物天然氣( Bio-Natural gas,BNG)從而促進其商業化應用,這一領域的研究目前成為紅泥膜沼氣池沼氣行業關注的熱點3)。國內外在紅泥膜沼氣池沼氣的生產質量、生產工藝9上的研究不斷創新,紅泥膜沼氣池沼氣轉換精制技術也各有特色01。精制后的紅泥膜沼氣池沼氣在丹麥、瑞典等國家已經為汽車和火車提供燃料2-13)。在我國,有關大中型紅泥膜沼氣池沼氣工程凈化技術,車用紅泥膜沼氣池沼氣精制系統研

發15-1)及其裝置研制8-2也如雨后春筍般成長。工業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,設備往往體積大,一次性投資成本高,對于我國許多日產氣量小于5000m3的紅泥膜沼氣池沼氣工程企業而言,如何對過剩的紅泥膜沼氣池沼氣進行高值利用是一個現實問題。

本研究采用氣體膜分離技術,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酵而成經過初步脫水、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供車用6-281。本文介紹的是該機工作關鍵部件膜組件的工藝設計思路、方法以及試驗研制,通過若干個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下,完成了室內紅泥膜沼氣池沼氣分離純化及精制的實驗。

1紅泥膜沼氣池沼氣膜精制純化膜組件設計

1.1級聯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圖1,原料紅泥膜沼氣池沼氣通過壓縮再次凈化預處理,經過一級膜組件后,滲透氣作為廢氣直接排空或者用作工業產業鏈中下游的原材  料,滲余氣作為產品氣,但這樣獲得的產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入二級膜,而滲余氣回流與原料氣會合;或一級膜的滲透氣回流,而滲余氣進入二級膜;或是一級膜的滲余氣進入二級膜,滲透氣放空或作他用,二級膜的滲透氣回流與原料氣會合,提高回收率等。本研究根據物料平衡計算,綜合考慮產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  照介質溫度40℃,壓力0.8MPa,計算了該方案下  50m3h-的物料平衡見表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個并聯,主要以脫碳為主,每個的進氣量是25  m3h-,二級膜組件設計成1個,與一級膜組件串聯,主要以高效純化甲烷為主。  膜采用日本宇部興產株式會社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和烴類壓力的堅固材料,膜絲  外徑為40.25mm,內徑為do.15mm  工作環境參數:1)環境溫度:-15℃-85℃;2)  工作溫度:2℃-80℃;3)工作介質溫度: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作介質是凈化紅泥膜沼氣池沼氣,要求是40℃露點≤  顆粒≤0.01μm,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  滲透的時間,;Sm為膜表面積,cm2。

得膜面積計算公式

Sm=Q/Jt△p

通過膜面積計,算出符合膜芯和膜殼體的長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驗

應用設計的50m3h-級聯膜組件,在工作環  境下進行配制紅泥膜沼氣池沼氣的純化實驗。先進行一級膜  C305氣體分離實驗,再進行1個一級膜C305和1  個二級膜C405串聯的氣體分離實驗,最后進行2個  級膜C305并聯再和1個二級膜C405串聯的氣  體分離實驗。將配制紅泥膜沼氣池沼氣通過膜組件進氣口,調節  進氣壓力分別為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

工作環境條件下,不同壓力下一級膜分離測試結果見表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,產品氣甲烷的純度為89.34%,但是經計算甲烷的回收率不高。

2.2二級膜分離測試結果

工作環境條件下,不同壓力下采用膜組件串、并聯進行實驗的結果見表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,當壓力增至1.0MPa時,CH4的含量級聯1個一級膜組件達到93.53%,級聯2個一級膜組件達到96.63%。2.3甲烷回收率

根據物料系統平衡和實測數據相結合計算甲烷回收率。一個一級膜進氣氣體總氣量25m2,其中甲烷的含量為60%,0.8MPa,脫碳一級膜的滲余氣產品氣是12.03m3,滲透氣廢氣是12.98m2,產品氣中甲烷含量為82.85%(見表1),計算甲烷回收率約66.42%。1.0MPa,產品氣中甲烷含量為89.34%(見表1),計算甲烷回收率約71.62%。說明其它條件不變,當壓力增加時,產品期甲烷的純度和回收率呈上升趨勢。

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

余氣產品氣是1123m2,若滲透氣循環,產品氣中

甲烷含量為96.63%(見表3),計算甲烷回收率約

8524%;若滲透氣不循環,計算甲烷回收率約

72.44%。

2.4技術經濟分析

以某年產365萬m3的大中型紅泥膜沼氣池沼氣工程為例

每天可產紅泥膜沼氣池沼氣1萬m2,按照現在紅泥膜沼氣池沼氣生產工藝,沼

氣中甲烷含量按60%計,通過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

產車用壓縮燃氣0.53萬m3,綜合成本每立方米比天然氣節約50%以上,每天供市區30多輛出租車使用,與汽油相比,平均每輛車每公里可節約0.22元,每天可達80余元,運行成本降低了20%,每年可增收0.7萬元。若是年產紅泥膜沼氣池沼氣越高,則技術經濟

益分析越可觀,帶動企業就業的同時,也給當地出租車司機帶來可見的經濟利益,又因CO和CO2排放的減少,有助于實現地區性節能環保

3結論

筆者采用串并聯二級膜滲透氣回流重脫工藝技術,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鍵部件內壓逆流型膜組件

在工作環境下,進氣壓力為1.0MPa時,一級膜

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

在工作環境下,進氣壓力為1.0MPa時,當其它條件不變時,采用二級膜滲透氣回流重脫方案,產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1萬m3紅泥膜沼氣池沼氣計算,由技術經濟分析可知,相當于每天挽回636m3車用壓縮燃氣,即4輛出租車每天的用氣量。本試驗為應用紅泥膜沼氣池沼氣膜精制提純技術裝備將低質低值紅泥膜沼氣池沼氣向高品質天然氣級燃料轉化提供了技術支持。

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