本實(shí)用新型屬于沼氣凈化提純生產(chǎn)生物天然氣技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多級膜分離沼氣凈化裝置。

背景技術(shù)：

沼氣是有機(jī)物質(zhì)（如人畜糞便、作物秸稈、雜草、垃圾、污泥及城市生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水等）經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的以甲烷（CH₄）為主要成分的可燃性混合氣體，主要成分為甲烷和二氧化碳，其中甲烷占55%~65%，二氧化碳占30%~45%，其余為少量的硫化氫、水蒸氣、一氧化碳、氫氣和氮?dú)獾取?/p>

沼氣利用是一個雙向清潔的過程，以各種有機(jī)廢棄物生產(chǎn)沼氣作為能源，在消除環(huán)境污染的同時可以減少二氧化碳的排放，還可以避免未利用的沼氣（甲烷）排放到環(huán)境中造成溫室效應(yīng)。沼氣作為一種可再生的綠色能源，其利用有非常好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效應(yīng)。沼氣經(jīng)凈化去除CO₂、H₂S和水等雜質(zhì)，使甲烷純度達(dá)到97-98%，與天然氣成分相同，凈化后的甲烷再經(jīng)壓縮（Compressed Biogas，CBG）就得到車用甲烷，如同CNG（Compressed Natural Gas，CNG）一樣供汽車使用或輸入城市天然氣管網(wǎng)使用，1標(biāo)準(zhǔn)立方米的車用甲烷相當(dāng)于1.1升汽油。甲烷作為運(yùn)輸燃料最環(huán)保，與汽油、柴油、乙醇相比釋放出的溫室氣體最低。

但沼氣在凈化提純之前，由于其硫化氫和二氧化碳含量高，以及較高的含水量和較多的雜質(zhì)，粗沼氣品質(zhì)低下、熱值低，不符合車用燃?xì)夂统鞘泄艿廊細(xì)鈽?biāo)準(zhǔn)，加上存儲和輸送較困難，不適合大規(guī)模商業(yè)化利用，若將普通沼氣商業(yè)化利用既不安全也不環(huán)保。因此，將沼氣用作汽車燃料或輸入天然氣管網(wǎng)使用等規(guī)?；⒐I(yè)化應(yīng)用之前，必須先進(jìn)行脫碳、脫硫和脫水等凈化提純處理，除去沼氣中的雜質(zhì)，提高其純度和熱值，制成符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的生物天然氣，經(jīng)壓縮后才可以用作車用燃?xì)夂凸艿廊細(xì)狻?/p>

沼氣凈化主要是脫除CO₂和少量H₂O、H₂S，應(yīng)用于沼氣凈化提純的方法主要有物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)相結(jié)合的方法。目前，國內(nèi)外沼氣凈化提純的方法普遍采用溶劑吸收法和固體吸附法，常用的方法有變壓吸附法（分子篩或活性炭吸附法）、水洗法、醇胺法（單乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺等）、堿性溶液法（如熱鉀堿法）和砜胺法（環(huán)丁砜、聚乙二醇二甲醚等）。

固體吸附法存在的問題是吸附劑的動態(tài)吸附量受限制，處理大氣量情況時，需要龐大的裝置，投資成本大幅增加，且維護(hù)費(fèi)用高，特別是對于沼氣凈化工程，就顯得投資大、設(shè)備復(fù)雜、工藝麻煩。容劑吸收法往往采用堿性溶液做吸收劑分離氣體，其特點(diǎn)是技術(shù)操作較復(fù)雜、吸收劑再生費(fèi)用較高、能耗大，而且容易產(chǎn)生廢水污染。綜上所述，現(xiàn)有大多數(shù)方法的普遍特點(diǎn)是投資大、能耗大、環(huán)保性差，具有占地面積大、不可移動、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，且需頻繁更換吸收劑，運(yùn)營成本高。

膜分離技術(shù)是氣體分離領(lǐng)域新發(fā)展起來的高新技術(shù)。其原理是利用混合氣體中各氣體組分對膜的親和力差異而產(chǎn)生有選擇性的溶解擴(kuò)散現(xiàn)象，不同氣體組分由于對膜的滲透速率不同而實(shí)現(xiàn)分離的目的。就甲烷和二氧化碳、硫化氫系統(tǒng)，在具有選擇性的高分子膜分離材料中，各組分氣體的滲透速度相差將近10-150倍，利用該原理，可以將沼氣中的甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）、硫化氫（H₂S）分離，從而達(dá)到凈化提純沼氣的目的。該方法突出優(yōu)點(diǎn)是投資省、運(yùn)營成本低、日常維護(hù)方便，比溶劑吸收法和固體吸附法等分離方法更具經(jīng)濟(jì)性，近幾年在沼氣凈化提純領(lǐng)域逐漸發(fā)展應(yīng)用，是一項(xiàng)具有很好發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。

目前，國內(nèi)膜分離技術(shù)在沼氣凈化有一些應(yīng)用，如中國專利申請，公開號為101028579，公開一種膜分離技術(shù)凈化沼氣的方法，采用兩個單級膜組件進(jìn)行兩級串聯(lián)的方式來進(jìn)行沼氣凈化，增加了膜組件數(shù)量和氣體回流量，增加運(yùn)行電費(fèi)；中國專利申請，公開號為104745260A，提供了一種沼氣凈化方法和設(shè)備，采用膜分離加變壓吸附組合的方式，其公開一種膜分離裝置，包括采用聚偏氟乙烯作為薄膜，MEDA溶液作為吸收液，為一級膜裝置；中國專利公開了一種大型沼氣膜凈化分離裝置，公開號為203741294U，裝置包括凈化罐、分子膜、循環(huán)再生罐、循環(huán)泵等，凈化罐中分子膜下部裝有氫氧化鈣溶液，該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且用堿溶液進(jìn)行沼氣凈化，易產(chǎn)生廢液污染且運(yùn)行費(fèi)用高；中國專利公開號為203342628U，公開了一種集裝箱式沼氣凈化膜法提純系統(tǒng)，包括脫硫脫水單元、壓縮機(jī)、凈化單元、熱交換器和膜組提純制氣單元，其膜裝置為包括至少兩級依次連接的膜組件，每級膜組件并列設(shè)置多根的形式構(gòu)成多級膜組，增加了膜組件數(shù)量和氣體回流量，增加運(yùn)行電費(fèi)。以上公開的膜裝置系統(tǒng)，其膜組件單元多為單級的形式，分離效率低、回收率低，要保持高回收率，需要增加膜組件并/串聯(lián)組成多級膜，且需加大氣體回流量，提高了投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。因此，開發(fā)一種高效率、回收率高、運(yùn)行能耗低的沼氣凈化膜分離裝置，對降低沼氣凈化提純成本具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種多級膜分離沼氣凈化裝置，包括多級串聯(lián)膜分離組件，設(shè)計(jì)采用前一級膜組件長度大于后一級膜組件長度，控制沼氣分離效率和甲烷回收率，無需滲透氣回流，具有能耗低、投資省、操作簡單、處理成本低、維護(hù)簡單方便等特點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種多級膜分離沼氣凈化裝置，包括多級腔體、中空纖維氣體分離膜、殼體、密封層、滲透氣出口組成的膜組件和進(jìn)氣口、出氣口，所述的密封層將殼體分隔成多個腔體，每一級膜組件的殼體上設(shè)置有滲透氣出口；第一級膜組件一端設(shè)置有進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣口與所述中空纖維氣體分離膜內(nèi)腔一端連通；最后一級膜組件一端設(shè)置有出氣口，所述出氣口與所述中空纖維氣體分離膜內(nèi)腔另一端連通。

進(jìn)一步的，所述殼體為不透氣的不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁合金、鎳合金和鈦合金中的任一種金屬材質(zhì)。

進(jìn)一步的，所述殼體為不透氣的工程塑料、有機(jī)玻璃、搪瓷、陶瓷、不透性石墨中的任一種非金屬材質(zhì)。

進(jìn)一步的，所述密封層為不透氣的樹脂粘合劑密封圈。

進(jìn)一步的，所述殼體、密封層、腔體、中空纖維氣體分離膜、滲透氣出口組成的膜組件為3~6級，前一級膜組件長度大于后一級膜組件長度。

本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.根據(jù)粗沼氣甲烷濃度設(shè)置各級膜組件的長度，提高氣體分離效率和甲烷回收率，無需回流滲透氣，降低能耗。

2.采用多級膜組件式設(shè)計(jì)，針對不同的處理量可靈活組裝，安裝及維護(hù)簡單方便。

3.具有工藝簡單，占地面積小，投資省，操作簡單方便等特點(diǎn)。

4.該裝置凈化提純工藝不用額外添加試劑，不產(chǎn)生廢水等二次污染。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型多級膜分離沼氣凈化裝置結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖2為本實(shí)用新型多級膜分離沼氣凈化裝置結(jié)構(gòu)不同截面示意圖

圖中：1-殼體，2-進(jìn)氣口，3-出氣口，4-密封層，5-腔體，6-腔體，7-腔體，8-中空纖維氣體分離膜，9-滲透氣出口，10-滲透氣出口，11-滲透氣出口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型多級膜分離沼氣凈化裝置，包括多級腔體5、6、7，中空纖維氣體分離膜8、殼體1、密封層4、滲透氣出口9、10、11組成的膜組件和進(jìn)氣口2、出氣口3，所述的密封層4將殼體1分隔成多個腔體5、6、7，每一級膜組件的殼體1上設(shè)置有滲透氣出口9、10、11；第一級膜組件一端設(shè)置有進(jìn)氣口2，所述進(jìn)氣口2與所述中空纖維氣體分離膜8內(nèi)腔一端連通；最后一級膜組件一端設(shè)置有出氣口3，所述出氣口3與所述中空纖維氣體分離膜8內(nèi)腔另一端連通。

在本實(shí)用新型多級膜分離沼氣凈化裝置實(shí)施方式中，所述殼體1為不透氣的不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁合金、鎳合金和鈦合金中的任一種金屬材質(zhì)；所述殼體1為不透氣的工程塑料、有機(jī)玻璃、搪瓷、陶瓷、不透性石墨中的任一種非金屬材質(zhì)；所述密封層4為不透氣的樹脂粘合劑密封圈。所述殼體、密封層、腔體、中空纖維氣體分離膜、滲透氣出口組成的膜組件為3~6級，根據(jù)粗沼氣進(jìn)氣濃度及凈化后甲烷濃度要求，確定膜組件的長度，并且前一級膜組件長度大于后一級膜組件長度，提高控制沼氣分離效率和甲烷回收率，同時無需對滲透氣進(jìn)行回流。

裝置運(yùn)行時，粗沼氣由輸氣管通過裝置的進(jìn)氣口2進(jìn)入中空纖維氣體分離膜8內(nèi)腔，在第一級膜組件中，粗沼氣中的雜氣（如二氧化碳）和甲烷由于透過中空纖維氣體分離膜8的速率不同，滲透速率較快的雜氣可以更快的透過膜而進(jìn)入第一級膜組件的腔體5中，此為滲透氣，并由第一級膜組件的滲透氣出口9排出，而剩余氣（含較高甲烷濃度的氣體）進(jìn)入第二級膜組件。剩余氣中的甲烷和雜氣經(jīng)第二級膜組件的中空纖維氣體分離膜8進(jìn)一步分離后，進(jìn)入第二級腔體6中的滲透氣經(jīng)第二級滲透氣出口10排出，剩余氣則進(jìn)入第三級膜組件。剩余氣再經(jīng)第三級膜組件的中空纖維氣體分離膜8分離后，進(jìn)入第三級腔體7中的滲透氣經(jīng)第三級滲透氣出口11排出，剩余氣則進(jìn)入下一級膜組件，以此類推，直到剩余氣各指標(biāo)達(dá)到生物天然氣相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，則產(chǎn)品氣從出氣口3排出，經(jīng)輸氣管道輸送并作為車用燃?xì)饣虺鞘泄艿捞烊粴馐褂谩?/p>

前述對本實(shí)用新型的具體示例性實(shí)施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本實(shí)用新型限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，可以進(jìn)行很多改變和變化。對示例性實(shí)施例進(jìn)行選擇和描述的目的在于解釋本實(shí)用新型的特定原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本實(shí)用新型的各種不同的示例性實(shí)施方案以及各種不同的選擇和改變。本實(shí)用新型的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。