从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的设施和膜方法技术

本发明专利技术公开了具有四个膜分离单元的设施和方法，其中第二分离单元分离第一单元的渗余物，第三分离单元分离第一单元的渗透物，第四分离单元分离第三单元的渗余物，第二单元的渗透物和第四单元的渗余物被再循环到第一单元的进料，第四单元的渗透物被传送至甲烷氧化单元并且第三单元的渗透物被排放至大气，该设施和方法可以从气体料流中分离甲烷和二氧化碳，以高的甲烷产率为第二单元的渗余物提供富甲烷料流，并且利用小尺寸甲烷氧化单元使排放到大气的甲烷符合下限。大气的甲烷符合下限。大气的甲烷符合下限。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的设施和膜方法


[0001]本专利技术涉及一种用于从气体料流中分离甲烷和二氧化碳，提供适合注入天然气网的甲烷料流的膜方法和设施，其可以在几乎没有额外设备和能耗的情况下实现甲烷向大气的低排放。

技术介绍

[0002]由厌氧发酵产生的生物气(诸如来自厌氧消化器的生物气或填埋气体)包含作为主要组分的甲烷和二氧化碳。以适合于将甲烷进料到气体分配网的质量从生物气中分离甲烷具有商业意义。膜方法对于将甲烷与二氧化碳分离是有利的，因为它们不需要用于二氧化碳的吸收剂并且可以以低能耗操作。由于甲烷是比二氧化碳更强效的温室气体，通过膜分离方法获得的富二氧化碳料流只有在其以低甲烷含量被分离或进行额外的甲烷去除处理时才能排放到大气中。这种额外的甲烷去除处理消耗能量并且需要额外的设备。
[0003]WO 2012/000727公开了一种具有三个膜单元的膜方法，其可以以低于60％的低再循环率将生物气分离成含有大于98体积％甲烷的生物甲烷料流和含有约0.5％甲烷的富二氧化碳料流，这使该方法能效高。
[0004]WO 2015/036709公开了一种具有四个膜单元的膜方法，其目的在于进一步降低压缩再循环的气体所需的能量，但提供与WO 2012/000727的方法相比较低的甲烷回收率。该方法提供来自第三膜单元和第四膜单元的两股富二氧化碳料流。WO 2015/036709建议，这两股料流可以通过热氧化单独或联合处理，用于提质二氧化碳或排放到大气中。
[0005]2018年9月24日，Oil and Gas Climate Initiative(OGCI)公布了其成员公司的首个甲烷排放目标。设定了生产石油和天然气时损失的甲烷基线，最高为0.32％，目标是到2025年甲烷损失0.25％。
[0006]收紧的温室气体排放规章(例如
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36of the German“42.Verordnung
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ber den Zugang zu Gasversorgungsnetzen(Gasnetzzugangsverordnung
–
GasNZV)“)甚至要求更雄心勃勃的目标，以降低来自生物气提质或天然气纯化的甲烷排放(最高0.2％)。现有技术的膜方法只能通过显著高的再循环率或通过在排放到大气之前从富二氧化碳料流中去除甲烷的附加步骤来实现这些目标。这两种措施都增加了现有技术方法的成本并降低了效率。
[0007]因此，仍然迫切需要一种从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的有效方法，该方法可以在几乎没有额外设备和能耗的情况下满足对收紧的温室气体排放规章的要求。
[0008]本专利技术的主题是提供一种新设施和一种新方法，其分别在较低程度上具有现有技术方法和设施的缺点，不具有现有技术方法和设施的缺点。
[0009]本专利技术的一个具体问题是提供从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的新设施和新方法，它满足收紧的温室气体排放规章的要求，特别是关于排放到大气中、并且应具有低于或等于0.3体积％、优选低于或等于0.2体积％的甲烷含量的气体料流。
[0010]本专利技术的另一个具体问题是提供从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的新设施和新方法，其中提供排放到大气中的至少一种富二氧化碳料流，其具有低于或等于0.3体
积％、优选0.2体积％的甲烷含量，无需氧化性、甲烷去除后处理步骤。
[0011]在本专利技术的另一个具体问题中，应提供用于提质包含甲烷和二氧化碳的气体的新设施和新方法，其中可以获得甲烷含量大于或等于97体积％的甲烷产物料流，同时可以实现高于WO 2015/036709 A1中公开的甲烷产率。
[0012]在本专利技术的另一个具体问题中，应提供一种用于提质包含甲烷和二氧化碳的气体的新设施和新方法，其在操作成本和/或投资成本方面是高度有效的。优选地，用于废气流的气体再压缩和/或后处理以降低甲烷含量的投资和/或运营成本应最小化。
[0013]在本专利技术的另一个具体问题中，应提供一种新设施和新方法，其用于提质包含甲烷和二氧化碳的气体，即使原料气体料流的组成和/或流量(flow rate)变化，也可以持续满足关于甲烷排放到大气的规章要求。
[0014]可以从随后的描述、实施例、附图和权利要求中得出由本专利技术解决但之前未描述的其他问题。

技术实现思路

[0015]本专利技术的专利技术人现在惊奇地发现，上述问题可以通过使用从WO2015/036709已知的具有四个膜单元的膜分离设施来解决，该设施已经通过以下得以改进：
[0016]a.仅将第四膜单元的渗透物出口连接到甲烷氧化单元，并将来自第三膜单元的渗透物直接排放到大气中，
[0017]b.配置和操作所述设施，以在第一渗透物料流中提供90体积％至99体积％的二氧化碳浓度，
[0018]c.在第一膜分离单元中，使用在20℃和5巴条件下测定的二氧化碳对甲烷的纯气体选择率(a pure gas selectivity for carbon dioxide over methane)为至少30的膜。
[0019]对于第三渗透物料流和第四渗透物料流二者，本专利技术的设施和方法可以遵守向大气排放甲烷的严格监管要求，即使第三渗透物料流没有进行甲烷去除后处理并直接排放到大气中。如下面的对比例1a和1b所示，WO 2015/036709 A1的方法没有公开任何设施或方法，其中提供甲烷含量为0.3体积％的第三渗透物料流而不进行氧化性后处理。
[0020]在膜分离之后提供甲烷含量为0.3体积％或更低的第三渗透物料流的实现可以降低本专利技术的设施和方法中用于氧化性甲烷去除的设备的投资成本。而且，与现有技术相比，可以降低甲烷去除的操作成本。在本专利技术的优选实施方案中，另外实现了使第四渗透物料流的体积流量最小化，这能够进一步降低氧化性后处理的能力并进一步降低投资和操作成本。
[0021]与现有技术的方法相比，即使满足了向大气排放甲烷的收紧的要求，本专利技术的设施和方法也可以以最低的再压缩成本操作。
[0022]优选地，本专利技术的设施和方法包括用于直接或间接测量的构件和/或用于控制第三渗透物料流中的甲烷浓度的构件。在优选的实施方案中，基于直接或间接测量第三渗透物料流中的甲烷浓度来调节所述设施的第一膜单元的操作条件。这可以持续提供甲烷浓度为0.3体积％或更低的第三渗透物料流，即使原料气体料流的组成和/或流量发生变化。因此，本专利技术的设施和方法可以灵活地用于不同的原料气体源和具有不同量和/或组成的原料气体的原料气体源。
[0023]本专利技术的方法和设施提供具有非常高甲烷含量和非常高甲烷产率的甲烷产物料流。
[0024]在随后的描述、实施例、附图和权利要求中揭示了本专利技术的设施和方法的进一步优点。
[0025]因此，本专利技术的主题是一种用于从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的设施，该设施包括：
[0026]压缩机(1)；
[0027]四个膜分离单元(2)至(5)，每个膜分离单元包括对二氧化碳比对甲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的设施，该设施包括：压缩机(1)；四个膜分离单元(2)至(5)，每个膜分离单元包括对二氧化碳比对甲烷具有更高渗透率的气体分离膜、气体入口、渗余物出口和渗透物出口；甲烷氧化单元(6)；连接到压缩机(1)的入口的原料气体管道(7)；将压缩机(1)的出口与第一膜分离单元(2)的气体入口连接的进料管道(8)；将第一膜分离单元(2)的渗余物出口连接到第二膜分离单元(3)的气体入口的第一渗余物管道(9)；连接到第二膜分离单元(3)的渗余物出口的第二渗余物管道(10)；将第一膜分离单元(2)的渗透物出口连接到第三膜分离单元(4)的气体入口的第一渗透物管道(11)；将第三膜分离单元(4)的渗余物出口连接到第四膜分离单元(5)的气体入口的第三渗余物管道(12)；将第四膜分离单元(5)的渗余物出口连接到压缩机(1)的入口的第四渗余物管道(13)；将第二膜分离单元(3)的渗透物出口连接到压缩机(1)的入口的第二渗透物管道(14)；连接到第三膜分离单元(4)的渗透物出口的第三渗透物管道(15)；和连接到第四膜分离单元(5)的渗透物出口的第四渗透物管道(16)，其特征在于配置第三渗透物管道(15)以将第三渗透物排放到周围大气；第四渗透物管道(16)将第四膜分离单元(5)的渗透物出口连接到甲烷氧化单元(6)；第一膜分离单元(2)包括在20℃和5巴下测定的二氧化碳对甲烷的纯气体选择率为至少30、优选40至120、更优选50至100的膜；所述设施被配置为在所述第一渗透物管道(11)中的气体料流中，即在第一渗透物料流中提供在90体积％至99体积％范围内的二氧化碳浓度。2.根据权利要求1所述的设施，其中第一膜分离单元(2)中的渗透物侧压力和所述四个膜分离单元(2)至(5)中的分离能力被配置为在所述第一渗透物料流中提供90体积％至99体积％的二氧化碳浓度，所述分离能力是在25℃的温度和5巴的进料侧压力下，膜面积与对于二氧化碳的膜渗透率的乘积，和/或所述设施包括用于控制第一膜分离单元(2)中的渗透物侧压力和/或所述四个膜分离单元(2)至(5)中的分离能力的构件，以在所述第一渗透物料流中提供90体积％至99体积％的二氧化碳浓度。3.根据权利要求1或2所述的设施，其中所述甲烷氧化单元(6)包括催化氧化器、再生式热氧化器或生物过滤器。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设施，其中所述第一渗透物管道(11)将第一膜分离单元(2)的渗透物出口连接到第三膜分离单元(4)的气体入口，而没有任何中间压缩机或泵。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设施，其中第二膜分离单元(3)的分离能力大于第四膜分离单元(5)的分离能力，所述膜分离单元的分离能力是在25℃和5巴的进料侧压力下，所述膜分离单元的膜面积与对于二氧化碳的膜渗透率的乘积。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设施，其中压力调节阀(17)被布置在所述第四渗余物管道(13)中。7.根据权利要求1至6中任一项所述的设施，其中甲烷浓度传感器(18)连接到所述第三渗透物管道(15)。8.根据权利要求7所述的设施，其包括布置在所述第四渗余物管道(13)中的压力调节阀(17)，和基于通过所述甲烷浓度传感器(18)测量的数据来控制所述压力调节阀(17)的控制器。9.根据权利要求7所述的设施，其包括在所述进料管道(8)中的热交换器(19)、控制加热或冷却流体流向所述热交换器(19)的流量调节阀(20)，以及基于通过所述甲烷浓度传感器(18)测量的数据来控制该流量调节阀(20)的控制器。10.根据权利要求7所述的设施，其中第三膜分离单元(4)包括多个并联布置的膜组件，所述膜组件中的至少一个包括阻断通过所述膜组件的流动的截止阀，以及基于通过所述甲烷浓度传感器(18)测量的数据控制所述截止阀的控制器。11.根据权利要求7所述的设施，其中第一膜分离单元(2)包括孔侧进料中空纤维膜组件，所述孔侧进料中空纤维膜组件具有在组件的第一端上的气体入口、在所述组件的与所述第一端相对的第二端上的渗余物出口、邻近所述组件的所述第一端并连接到所述第一渗透物管道(11)的第一渗透物出口，以及邻近所述组件的所述第二端的附加渗透物出口；所述设施进一步包括将所述附加渗透物出口与第四膜分离单元(5)的气体入口连接的附加管道(21)、布置在所述附加管道(21)中的流量调节阀(22)，和基于通过所述甲烷浓度传感器(18)测量的数据来控制该流量调节阀(22)的控制器。12.用于从气体料流中分离甲烷和二氧化碳的膜方法，其包括(a)提供权利要求1至11中任一项所述的设施；(b)将含有20体积％至60体积％、优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：赢创运营有限公司，
类型：发明
国别省市：