用于膜渗透处理包含甲烷和二氧化碳的气态进料流的设备和方法技术

本发明专利技术涉及用于膜渗透处理至少包含甲烷和二氧化碳的气态进料流(6)以产生富含甲烷的气态料流(12)的设备，包括：‑第一膜分离单元(1)，其能够接收气态进料流并产生第一富含二氧化碳的透过物(4)和第一富含甲烷的保留物(7)，‑第二膜分离单元(2)，其能够接收第一保留物(7)并产生第二富含二氧化碳的透过物(5)和第二富含甲烷的保留物(8)，‑气体‑气体喷射器(11)，其能够将第一透过物(4)的压力提高至2‑6巴，更优选3‑4巴的压力，以及‑第三膜分离单元(3)，其能够接收在喷射器中压缩的第一透过物(4)并且产生第三富含甲烷的保留物(9)和第三富含CO2的透过物(10)。

Apparatus and method for membrane permeation treatment of gaseous feed streams containing methane and carbon dioxide

The invention relates to an apparatus for membrane osmosis treatment of a gas feed stream (6) containing at least methane and carbon dioxide to produce a gas feed stream (12) rich in methane, including a first membrane separation unit (1) capable of receiving a gas feed stream and producing a first carbon dioxide-rich permeate (4) and a first methane-rich retainer (7), The second membrane separation unit (2) receives the first retainer (7) and produces the second carbon dioxide-rich permeate (5) and the second methane-rich retainer (8), and the gas ejector (11), which can increase the pressure of the first transmitter (4) to 2_6bar, preferably 3, and the third membrane separation sheet. The element (3) receives the first transmitter (4) compressed in the ejector and produces a third methane-rich retainer (9) and a third CO2-rich transmitter (10).

【技术实现步骤摘要】
用于膜渗透处理包含甲烷和二氧化碳的气态进料流的设备和方法本专利技术涉及一种用于膜渗透处理至少含有甲烷和二氧化碳的气态料流以产生富含甲烷的气态料流的设备和方法。更具体地，本专利技术涉及生物气的纯化，目的是生产符合注入天然气网络的规格的生物甲烷。生物气是在无氧存在下有机物分解(也称为甲烷化)过程中(厌氧发酵)产生的气体。这可能是一种自然分解-因此可以在沼泽或城市垃圾填埋场所观察到-但是生物气的产生也可能是由专用反应器(称为甲烷化装置(methanizer)或蒸煮器(digester))中的废物的甲烷化造成的。由于其主要成分-甲烷和二氧化碳-生物气是一种潜在的温室气体；同时，在化石能源日益稀缺的背景下，它也是一种可再生能源的重要来源。生物气主要含有甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，其比例取决于获得的方式而变化，而且还含有较小的比例的水、氮气、硫化氢、氧气以及微量其他有机化合物。取决于分解的有机物质和所用技术，各组分的比例不同；然而，生物气基于干气平均包含30％至75％的甲烷、15％至60％的CO2、0％至15％的氮气、0％至5％的氧气和微量化合物。价值以各种方式由生物气得到。它可以在轻微处理后在生产场所附近进行加工而提供热、电力或两者的混合物(热电联产(cogneration))；高二氧化碳含量降低了它的热值，提高了压缩和运输成本，并且限制了加工它以在这附近使用的经济优势。更彻底的生物气纯化允许更广泛地使用生物气；更具体地，生物气的彻底纯化产生了纯化至天然气规格且可用作该气体的替代物的生物气；由此纯化的生物气是“生物甲烷”。因此，生物甲烷利用区域内产生的可再生部分补充天然气资源；它可以用于与化石来源的天然气完全相同的用途。它可以供给天然气网络、车辆加油站，并且还可以液化而以液化天然气(LNG)等形式储存。根据当地情况确定由生物甲烷得到价值的方式：当地能源需求，作为生物甲烷燃料加工的选项，特别是在用于分配或运输天然气的网络附近存在。在一个区域工作的不同运营者(农民、制造商、公共团体)之间建立协同作用，生物甲烷的生产有助于各地区在能源方面获得更大的自给自足。在收集生物气和生产生物甲烷(可以压缩或液化的终产品)之间必须进行许多步骤。更特别地，在目的是分离二氧化碳以产生纯化的甲烷料流的处理之前，必需许多步骤。第一步是压缩在大气压力下生产和运输的生物气；该压缩可以-通常地-通过润滑的螺杆压缩机获得。随后的步骤旨在分离出生物气的腐蚀性组分，这些组分是硫化氢和挥发性有机化合物(VOC)。所用技术通常是变压吸附(PSA)和在活性炭上俘获。接下来的步骤是分离二氧化碳，从而最终以其后续使用所需的纯度提供甲烷。二氧化碳是通常存在于天然气中的污染物，通常必须将它由天然气分离出。为此，取决于各情况使用各种技术：在这些技术中，膜技术在CO2含量高时特别有效；因此它对于分离生物气中，更特别是在填埋气体中存在的CO2特别有效。在收集生物气和生物甲烷生产之间必须完成许多步骤，生物甲烷是可以压缩或液化的最终产品。更特别地，在处理目的是分离二氧化碳以产生纯化的甲烷流之前，需要许多步骤。第一步是压缩在大气压力下生产和运输的生物气；这种压缩可以-通常通过润滑螺杆压缩机获得。随后的步骤旨在剥离腐蚀性组分的生物气，这些组分是硫化氢和挥发性有机化合物(VOC)。所使用的技术通常是变压吸附(PSA)和捕获在活性炭上。接下来的步骤是分离二氧化碳，以便最终以提供后续使用所需的纯度提供甲烷。二氧化碳是通常存在于天然气中的污染物，通常它必须被汽提。根据具体情况采用了各种技术：在这些技术中，膜技术在CO2含量高时特别有效；因此它对于分离生物气，更特别是填埋气体中的CO2特别有效。无论是使用一个或多个膜阶段，用于纯化气体的气体分离膜方法必须能够以低成本生产具有所需质量的气体，同时最小化其的价值要提高的气体的损失。因此，在生物气纯化的情况下，所进行的分离主要是CH4/CO2分离，其必须能够生产含有(取决于其用途)超过85％的CH4，优选超过95％的CH4的气体，更优选超过97.5％的CH4的气体，同时使残留气体中CH4的损失和纯化成本最小，纯化成本显著部分与用于压缩膜上游的气体的装置的电力消耗有关。一种已知的解决方案涉及使用三阶段膜体系(图1)，其中第一阶段的透过物4在第三膜阶段中经受第二次分离，然后混入第二阶段的透过物5而再循环。该三阶段系统在不再压缩第一阶段的透过物下使用，且将第二阶段的透过物和第三阶段的残留产物再循环至膜系统的入口。相对于两阶段膜系统，该三阶段膜系统改善了甲烷产量。三阶段构造的一个关键参数是第一阶的段透过物的压力，这是第三阶段的入口压力。因此，两个相互矛盾的目标是相互对立的：1.必须使压力最小以提高第一阶段的效率；2.必须使压力最大以提高第三阶段的效率或减少需要安装的膜组件数。为了证实第一阶段的透过物压力的作用，图2显示了CH4产率和标准化具体成本随第一阶段的透过物压力的变化。图2显示如果保留所有其他参数，则压力的最小化更大。然而，为了由第三阶段的最大效率中受益，希望提高该阶段的进入压力，这可以通过机械压缩机来进行。根据本专利技术的一个解决方案是用于膜渗透处理至少包含甲烷和二氧化碳的气态进料流6以产生富含甲烷的气态料流12的设备，所述设备包括：-第一膜分离单元1，其能够接收气态进料流并且产生第一富含二氧化碳的透过物4和第一富含甲烷的保留物7，-第二膜分离单元2，其能够接收第一保留物7并且产生第二富含二氧化碳的透过物5和第二富含甲烷的保留物8，-气体-气体喷射器11，其能够将第一透过物4的压力提高至2-6巴，更优选3-4巴的压力，和-第三膜分离单元3，其能够接收在喷射器中压缩的第一透过物4并产生第三富含甲烷的保留物9和第三富含CO2的透过物10。在适当的情况下，根据本专利技术的设备可以具有一个或多个以下特征：-所述设备包括用于将气态进料流的部分B输送至气体-气体喷射器的装置，并且气体-气体喷射器是使用气态进料流的部分B作为动力气体(motivegas)的气体-气体喷射器，-所述设备包括压缩机，其能够将在第一膜分离单元上游的气态进料流的压力提高至大于8巴，更优选地大于13巴的压力，-所述设备包括第四膜分离单元，其能够接收第三透过物并且产生第四富含甲烷的保留物和第四富含CO2的透过物，-所述设备包括用于在压缩机上游联合再循环第三保留物和第二透过物的装置，-所述设备包括用于在压缩机上游联合再循环第四保留物和第二透过物的装置，-所述设备包括用于在设备外部排出第三透过物的装置，-所述设备包括用于在设备外部排出第四保留物的装置，-三个膜分离单元的膜具有相同的选择性或不同的选择性。本专利技术的另一个主题是一种膜渗透处理至少包含甲烷和二氧化碳的气态进料流6以产生富含甲烷的气态料流12的方法，其采用如本专利技术所定义的设备并包括：a)在第一膜分离单元1中膜分离气态进料流以产生第一富含二氧化碳的透过物4和第一富含甲烷的保留物7的第一步骤，b)在第二膜分离单元2中膜分离第一保留物7以产生第二富含二氧化碳的透过物5和第二富含甲烷的保留物8的第二步骤，c)借助气体-气体喷射器11将第一透过物4压缩至2-6巴的压力的步骤，d)在第三膜分离单元3中膜分离喷射器11中压缩的第一透过物4以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于膜渗透处理至少包含甲烷和二氧化碳的气态进料流(6)以产生富含甲烷的气态料流(12)的设备，包括：‑第一膜分离单元(1)，其能够接收气态进料流并产生第一富含二氧化碳的透过物(4)和第一富含甲烷的保留物(7)，‑第二膜分离单元(2)，其能够接收第一保留物(7)并产生第二富含二氧化碳的透过物(5)和第二富含甲烷的保留物(8)，‑气体‑气体喷射器(11)，其能够将第一透过物(4)的压力提高至2‑6巴，更优选3‑4巴的压力，以及‑第三膜分离单元(3)，其能够接收在喷射器中压缩的第一透过物(4)并且产生第三富含甲烷的保留物(9)和第三富含CO2的透过物(10)。

【技术特征摘要】
2017.03.02 FR 17516881.一种用于膜渗透处理至少包含甲烷和二氧化碳的气态进料流(6)以产生富含甲烷的气态料流(12)的设备，包括：-第一膜分离单元(1)，其能够接收气态进料流并产生第一富含二氧化碳的透过物(4)和第一富含甲烷的保留物(7)，-第二膜分离单元(2)，其能够接收第一保留物(7)并产生第二富含二氧化碳的透过物(5)和第二富含甲烷的保留物(8)，-气体-气体喷射器(11)，其能够将第一透过物(4)的压力提高至2-6巴，更优选3-4巴的压力，以及-第三膜分离单元(3)，其能够接收在喷射器中压缩的第一透过物(4)并且产生第三富含甲烷的保留物(9)和第三富含CO2的透过物(10)。2.根据权利要求1的设备，其特征在于所述设备包括用于将气态进料流的部分B由第一膜分离单元输送至气体-气体喷射器的装置，并且气体喷射器是使用气态进料流的部分B作为动力气体的喷射器。3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于所述设备包括压缩机，所述压缩机能够在第一膜分离单元上游将气态进料流的压力提高至大于8巴，更优选大于13巴的压力。4.根据权利要求3的设备，其特征在于所述设备包括第四膜分离单元，所述第四膜分离单元能够接收第三透过物并且产生第四富含甲烷的保留物和第四富含CO2的透过物。5.根据权利要求3的设备，其特征在于所述设备包括用于在压缩机上游联合再循环第三保留物和第二透过物的装置。6.根据权利要求4的设备，其特征在于所述设备包括用于在压缩机上游联合再循环第四保留物和第二透过物的装置。7.根据权利要求3的设备，其特征在于所述设备包括用于在...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·普林斯，N·帕热，G·齐克，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR