1.本发明涉及液化甲烷的相关技术领域，尤其涉及一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备及方法。


背景技术：

2.通过农业工业、食品工业(废粉或过期产品)、畜牧业(动物废物或尸体)的废物、农作物等物质中均可以获得含甲烷的沼气，在降解这些物质时优选在没有氧气且受控温度的条件下进行，从而能够产生二氧化碳、氢气和甲烷。
3.目前，大部分工厂和技术生产的沼气通常用于发电。从沼气中获得液态甲烷或生物甲烷时，存在一些问题。如：从沼气中获得生物甲烷需要进行气体分离，需要为沼气生产厂配备特定的设备，以便从工厂生产的气体混合物中的其他气体中分离出甲烷；在甲烷与构成沼气的其他气体分离阶段之后，在甲烷液化阶段中，通过与大量低温流体来进行热交换，如氮气，由于运行成本的原因，需要大量的氮，但氮释放到大气中会造成环境污染；
4.此外，使用低温流体适于处理高沼气流量，不适合进入低沼气流量运行以获得液态甲烷，且其无法处理流速低于1000m3/h的沼气流。


技术实现要素：

5.为克服现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备及方法。
6.一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备，包括分离区和液化区，所述混合物的气流在分离区中至少分离出含甲烷组分的气流，所述分离区包括用于混合物预处理的第一处理站和用于分离出含甲烷的第二处理站；
7.所述含甲烷组分的气流进入液化区被配置为液态甲烷。
8.作为一种优选方式的，所述第一处理站依次包括机械分离器、压缩装置、第一热交换器、活性炭过滤器、第二热交换器；
9.所述混合物的气流通过机械分离器过滤的灰尘后进入压缩装置获取4至6巴的压力值；所述第一热交换器将压缩阶段提升的温度冷却至特定温度；所述活性炭过滤器净化混合物后通过第二热交换器再次冷却；
10.其中，所述第一处理站包括至少一个机械分离器和活性炭过滤器。
11.作为一种优选方式的，第一处理站预处理后的混合物气流通过管道传输至第二处理站，所述第二处理模块至少包括两个串联布置的分离模块，所述分离模块被配置为分离出含甲烷组分的气流；所述分离模块包括雾化塔和提取膜。
12.作为一种优选方式的，所述第一液化站包括：干燥过滤器，所述干燥过滤器过滤含甲烷组分的气流中的湿气；压缩装置，所述压缩装置平衡含甲烷组分的气流中的压力水平；热交换器，若干所述热交换器串联布置，被配置为执行液化含甲烷组分气流的冷却过程；膨胀容器，所述膨胀容器排出液态的甲烷气流；泵送装置，所述泵送装置将液态的甲烷气流分
配到特定的储存容器中。
13.作为一种优选方式的，所述压缩装置至少包括一个容积式压缩机，所述容积式压缩机依次包括配备有压缩活塞的第一压缩缸、第三压缩缸和第二压缩缸；所述第一压缩缸、第三压缩缸与第二压缩缸在水平方向上同轴安装；
14.还包括液压供应系统，所述液压供应系统包括液压油量调节装置、储油箱和泵装置。
15.作为一种优选方式的，所述热交换器包括中空的管状元件和沿着管状元件径向延伸的若干翅片，两个所述热交换器通过管状元件在垂直方向上可转动的连接，且相邻热交换器上的翅片相交错。
16.作为一种优选方式的，还包括分离出的二氧化碳组分气流，所述二氧化碳组分的气流进入第二液化站，所述第二液化站依次包括：压缩机，所述压缩机将二氧化碳组分的气流增压至10至21巴；连接有气体
‑
空气交换器的热交换器，所述热交换器冷却增压后的二氧化碳组分的气流，所述热交换器的管道出口排出液态二氧化碳。
17.作为一种优选方式的，还包括安全装置，所述安全装置包括膨胀容器和主油箱，所述膨胀容器和主油箱之间设有安全阀。
18.一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的方法，所述方法应用在如上所述的含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备上，所述混合物的气流经过分离区至少分离出一种液化组分，所述液化组分中含有甲烷组分的气流置于液化站中，在相应阈值的压力下进行冷却循环后，提取液态甲烷。
19.作为一种优选方式的，还包括二氧化碳组分的气流，所述二氧化碳的气流经过液压冷却后获取液态二氧化碳。
20.基于上述的一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备及方法，优选的使用在沼气生产厂的下游工序，经过对含有甲烷的混合物进行预处理、分离出含甲烷组分的气流、液压冷却处理含甲烷组分的气流，从而获取便于存储和运输的液态甲烷；在此过程中，本发明相对现有的处理设备能耗更低，且大量减少了氮气的排放，有利于环境保护。
附图说明
21.图1为本发明实施例含甲烷混合物组分分离区示意图；
22.图2为本发明实施例的混合物的第一组分的液化站的示意图；
23.图3为本发明实施例的混合物的第二组分的液化站的示意图；
24.图4为本发明实施例的压缩装置示意图。
25.图5为本发明实施例的压缩装置剖视示意图；
26.图6为本发明实施例的交换器示意图；
27.图7为本发明实施例的热交换器的俯视示意图；
28.图8为本发明实施例的液化站安全系统示意图。
具体实施方式
29.下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
30.一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备，参考图1至图8，包括分离区和
液化区，所述混合物的气流在分离区中至少分离出含甲烷组分的气流，所述分离区包括用于混合物预处理的第一处理站和用于分离出含甲烷的第二处理站，所述含甲烷组分的气流进入液化区被配置为液态甲烷；参考图1中沼气流f1的流动路径，混合物的气流、即沼气流f1中含有的各种组分进入分离区100，所述分离区100包括用于预处理来自发酵系统的沼气流f1的第一处理站101、及用于净化沼气流f1的第二处理站120。在分离区100中，来自发酵系统或消化器的沼气流f1遵循旨在将沼气流f1分离成各种组分的特定路径；其中，进入分离区100的沼气流f1温度为36℃至46℃之间且压力值基本上等于大气压值。具体如下：
31.所述第一处理站依次包括机械分离器、压缩装置、第一热交换器、活性炭过滤器、第二热交换器；
32.进一步的，参考图1，所述第一预处理站101包括至少一个活性炭过滤103，本实施例中，两个平行过滤器103配备有活性炭过滤装置，能够通过去除二氧化硫来净化沼气流f1的组分且至少部分地由其他污染成分组成，例如氨。进一步的，氨仅被过滤器103部分去除，这对于二氧化硫是特异性的，而剩余部分溶解在处理站120的液体中，通常是水，第一预处理站101还包括压缩装置105和热交换器107、109，能够使沼气流f1达到一定的压力和温度条件，达到预处理目的后，进入第二处理站120进行分离；其中，热交换器107和热交换器109优选为空气
‑
气体型的。
33.所述混合物的气流通过机械分离器过滤的灰尘后进入压缩装置获取4至6巴的压力值；所述第一热交换器将压缩阶段提升的温度冷却至特定温度；所述活性炭过滤器净化混合物后通过第二热交换器再次冷却；其中，所述第一处理站包括至少一个机械分离器和活性炭过滤器。
34.第一处理站预处理后的混合物气流通过管道传输至第二处理站，所述第二处理模块至少包括两个串联布置的分离模块，所述分离模块被配置为分离出含甲烷组分的气流；
35.具体的，第二处理站120包括串联布置的三个分离模块121，各分离模块121包括雾化塔123，该雾化塔123与对应的提取膜125相关联且还与公共回路关联，能够在所述雾化塔123的入口处供应液体l1；提取膜125能够分离二氧化碳组分气流f2，以获得气流f3富含甲烷。在本实施例中，由所述回路供应的液体l1主要由水组成。膜125对二氧化碳是选择性的应用，存在于沼气流f1中的氨溶解在水l1中，并随着水的增多二增加水l1的ph值。当ph值超过预定阈值时，连接到每个塔或反应器123的ph计124打开来自每个塔123的水净化回路，并将再循环液体引导至渗透膜，该渗透膜分离塔123内的氨。
36.进一步的，净化后的f1沼气流进入第一分离模块121，即第一雾化塔123，通过水雾化过程l1，从所述沼气流f1中分离出部分二氧化碳组分f2。所述co 2组分通过位于所述雾化塔123下游的相应提取膜125进一步提取。提取部分二氧化碳组分f 2之后所得气流f 3是包含高浓度甲烷的气流；
37.流出第二分离模块121的气流由相对流出第一分离模块121的气流具有更高浓度的甲烷气流；
38.接着，剩余气流经过第三分离模块121，其中通过在喷淋塔123内的水l1喷淋过程的过程中，通过与塔123相关联的各个提取膜125进行提取的二氧化碳组分f2的进一步分离。因此在第三分离模块121的出口处或在雾化塔123的出口处获得二氧化碳组分f2流，而另一方面，富含甲烷的气流f3此时具有非常高浓度的甲烷。分离模块121使用的水l1的温度
优选为1℃，并且在二氧化碳成分已经被膜125分离之后，水l1能够实现再循环，有利于节约生产成本。
39.参考图3，所述第一液化站包括：干燥过滤器，所述干燥过滤器过滤含甲烷组分的气流中的湿气；压缩装置，所述压缩装置平衡含甲烷组分的气流中的压力水平；热交换器，若干所述热交换器串联布置，被配置为执行液化含甲烷组分气流的冷却过程；膨胀容器，所述膨胀容器排出液态的甲烷气流；泵送装置，所述泵送装置将液态的甲烷气流分配到特定的储存容器中。
40.如图3所示，第一液化站300包括放置在入口处的干燥过滤器302，用来分离湿气与含甲烷组分的气流f3分离，所述干燥过滤器内还含有活性氧化铝的分子，并带有热空气再生。在含甲烷组分的气流f3中过滤器302的下游有少量的氧气、氢气和氮气，在甲烷的液化温度下为不可冷凝的气体，因此会被筛分到上游的膨胀容器317的圆顶中。从第一液化站300的出口。优选将所述残余气体送至小型汽提塔以回收混合物中少量存在的气态甲烷，而剩余气体通过炬排出。在过滤器302的下游有压缩装置301，其允许进入第一液化站300的甲烷组分f3达到有利于液化过程的某些压力水平。
41.所述压缩装置至少包括一个容积式压缩机，所述容积式压缩机依次包括配备有压缩活塞的第一压缩缸、第三压缩缸和第二压缩缸；所述第一压缩缸、第三压缩缸与第二压缩缸在水平方向上同轴安装；参考图4和图5，压缩机201、301。有利地，压缩机201、301优选地是配备有液压供应系统的容积式压缩机，该液压供应系统能够接收流速介于100和500立方米/小时。
42.在图示的实施例中，压缩机201、301包括彼此相对的第一压缩缸211和第二压缩缸311，每个压缩缸都配备有各自的压缩活塞221、223并且进入的沼气流在其中被压缩。站200、300。有利地，第一压缩缸211和第二压缩缸213同轴并且彼此相对布置。
43.压缩机201、301包括第三气缸215，该第三气缸215也配备有各自的活塞225，该活塞225位于第一压缩气缸211和第二压缩气缸213之间的中央并且与所述第一压缩气缸211和第二压缩气缸213同轴。
44.压缩机201、301的液压供应系统包括包含液压油的储备罐217，所述储油罐217与同轴气缸、即第一压缩气缸211、第三个中央215缸和第二压缩气缸213呈t字形设置。
45.压缩机201、301的液压供应系统还包括用于调节液压油流量的装置219和布置在储油箱217和同轴气缸211、213、215之间的泵装置220。在所示实施例中，装置控制阀泵装置219由比例阀构成，泵送装置220由可变排量液压泵构成。
46.参考图4，现在将描述压缩机201、301的操作。压缩机201、301入口处的气流fi具有基本上5巴的压力并且可以由甲烷组分f3或二氧化碳组成。组分f2，取决于在相应的液化站200、300中要经受液化过程的组分。
47.具体的，进入压缩机201、301的气流fi通过其压力致动所述第一气缸211的活塞221而进入第一压缩气缸211。中央气缸215的活塞225由来自储油器的油流致动。储备217。在冲程开始时，中央气缸215的活塞225的推力显着减小，因为气流fi的背压最小。在这个初始阶段，来自储油罐217的油的流量会很高，与泵送装置220的流量相适应。随着进气压力fi的增加，还需要增加泵的推力。中央气缸的活塞225。为此，必须增加来自储油罐217的油的压力。调节流量的装置在中心缸215的活塞225的冲程期间执行调节油流量的功能。以保持
泵装置220的能量消耗恒定的方式泵送装置220。流出的气流在第一个213或第二个215压缩缸中受到压缩，并打算进行液化过程将具有约30巴的压力。压缩机201、301还包括检测装置，例如传感器，其适于检测中央气缸215的活塞225的冲程结束并产生用于使油流向储罐217反向流动的电指令信号。在本发明的一种优选实施方式中，活塞225包括与电感传感器配合的小型磁铁，该传感器放置在容纳所述活塞225的气缸215的壁上，以产生指示活塞行程末端的信号225以允许所述活塞225的线性运动的方向反转。
48.参考图6和图7，所述热交换器包括中空的管状元件和沿着管状元件径向延伸的若干翅片，两个所述热交换器通过管状元件在垂直方向上可转动的连接，且相邻热交换器上的翅片相交错。如图所述，所述第一液化站300内的热交换机包括热交换机305、热交换机307、热交换机313、热交换机315。
49.具体的，热交换器包括配备有中空结构的圆柱形管状元件3和多个径向翅片5，这些翅片5沿着它们各自的发生器同心地布置在圆柱形中空结构的内部和外部。翅片5从圆柱形元件3的中心径向延伸，并且所述翅片5中的至少一些可以是不连续的，以便在热交换过程中产生更大的湍流，即所述翅片可以沿着相应的发生器被中断。在所示实施例中，圆柱形元件3的内部的直径在60cm和70cm之间，优选地为65cm，而交换器的外径在80cm和95cm之间，优选地为90厘米。
50.进一步的，所述圆柱形元件3可以沿着纵向轴线串联连接，以便达到热交换器305、307、313、315的期望长度。为此目的，热交换器305、307的端部7、9 313、315被适当地配置成允许与其他类似的热交换器互锁以达到期望的长度。在图示的实施例中，圆柱形元件3具有大约200cm的长度。圆柱形元件3同轴地串联布置并且优选地相对于彼此旋转以确定径向翅片5中的不连续性，从而对富含甲烷的气体的流动产生相应更大的湍流影响它接触所述径向鳍。进一步的，第一圆柱形元件3相对于随后的第二圆柱形元件3旋转，使得第一圆柱形元件3的翅片5基本上位于相邻圆柱形元件3的两个翅片5之间的中间。为了确保工厂在停工时正确运行，第一液化站300还包括图8中示意性示出的安全系统400。安全系统400优选地应用于存在液相的工厂的所有制冷回路，能够消除由于液相沸腾引起的压力剧增而造成的危险。
51.参考图2，还包括分离出的二氧化碳组分气流，所述二氧化碳组分的气流进入第二液化站，所述第二液化站依次包括：压缩机，所述压缩机将二氧化碳组分的气流增压至10至21巴；连接有气体
‑
空气交换器的热交换器，所述热交换器冷却增压后的二氧化碳组分的气流，所述热交换器的管道出口排出液态二氧化碳。根据前述的，从第一分离模块121出来的气流进入第二分离模块121，经过同样的分离过程，即在相应的雾化塔123内通过雾化或粘附分离过程分离，润湿另一部分碳通过位于雾化塔123下游的相应膜125进一步提取二氧化物组分f2。接着，离开分离区100的二氧化碳流f2处于约0℃的温度和5巴的压力下；在液化阶段，二氧化碳组分f2经受借助于根据本发明的特定压缩机201执行的第一压缩阶段。压缩机201使二氧化碳成分f2达到约20巴的压力。在压缩阶段，二氧化碳组分f2的温度上升，直至达到大致40℃的温度值。为了进行二氧化碳组分f2的液化，随后，二氧化碳组分f2通过位于与气体
‑
空气交换器205相关联的压缩机201下游的特殊热交换器203冷却以获得温度为约
‑
20℃。在所述热交换器203的出口处，获得液态二氧化碳f2'。
52.还包括安全装置，所述安全装置包括膨胀容器和主油箱，所述膨胀容器和主油箱
之间设有安全阀。参考图8，安全装置400主要包括多个膨胀容器或储液器401，优选地包含液压油，其在各种冷却步骤期间平衡冷却压力；安全系统还包括主油箱403，其又包含液压油。膨胀容器401还配备有位于膨胀容器下游的安全阀402；安全阀402将所述膨胀容器401连接到主罐403。膨胀容器401还被配置为将高于阈值的压力变化转化为膨胀容器401内体积的相应增加，从而油的转移从膨胀容器401流向主罐403，当超过所述阈值时，安全阀402自动打开。
53.一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的方法，所述方法应用在如上所述的含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备上，所述混合物的气流经过分离区至少分离出一种液化组分，所述液化组分中含有甲烷组分的气流置于液化站中，在相应阈值的压力下进行冷却循环后，提取液态甲烷。
54.具体的，参考图1至图8，在进入第一液化站300后，甲烷组分f3温度约为1℃、压力值约为5巴，基本上是离开分离区100的甲烷组分f3达到的温度和压力值。最初，进入第一液化站300的甲烷组分f3将经受通过合适的压缩机301压缩级以达到约30巴的压力值。在图示的实施例中，压缩机301是容积式压缩机。在压缩阶段之后，甲烷组分f3达到约130℃的温度，该温度通过位于压缩机301下游的气体
‑
空气热交换器303升至室温，此处基本上为约35℃。在通过交换器303使甲烷组分f3达到室温后，进行随后的冷却步骤，提供逐渐降低的温度，直到甲烷组分f3达到大约
‑
130℃的液化温度。包括以下五个步骤：
55.步骤1、将甲烷组分f3从室温，即35℃带到低于0℃的温度，或达到约
‑
30℃的温度。第一液化站300包括热交换器305，其使用制冷剂流体，如r448a型，位于热交换器303的下游并且与相应的空气
‑
气体热交换器306相关联。
56.步骤2、将所述甲烷组分f3从约
‑
30℃的温度降低至约
‑
60℃的温度。液化站300包括位于热交换器305下游的相应热交换器307，其通过使用制冷剂组分，例如气态的乙烯，在大约0相对巴的压力下以及
‑
30℃左右的温度水平，提供了降低甲烷组分f3的温度水平。
57.第二冷却步骤还提供所用乙烯制冷剂组分的液化阶段，其将被再循环以在甲烷组分f3的后续冷却步骤中或在甲烷组分f3的第四冷却步骤中利用所述乙烯组分的显热。连续的冷却步骤。为此目的，液化站300包括与空气
‑
气体热交换器311相关联的另外的热交换器309，其通过乙烯的敏感热有利于第二和第四冷却步骤中的冷却过程。在所述热交换器309、311之间还有适合实现乙烯从0巴压缩到30巴的压缩机308。
58.所述压缩机308优选地是涡旋式压缩机。通过气体
‑
空气交换器311使乙烯温度回到室温，然后通过装有r448a制冷剂流体的热交换器309使乙烯温度达到
‑
30℃，将其液化并随后它将被再循环用于步骤4。
59.在第二个冷却步骤之后的第三个冷却步骤预见到甲烷组分f3达到甚至更低的温度水平，从
‑
60℃到
‑
80℃。为了进行所述第三冷却步骤，液化站300包括位于热交换器307下游的相应热交换器313，其进一步有利于回收在液化之前在步骤5中蒸发的甲烷组分f3的显热和其在所述热交换器313内再循环。
60.然后通过回收所述组分的显热，通过将其从步骤五再循环到步骤3，降低步骤3中的甲烷组分f3的温度。
61.步骤4，液化站300包括位于第三冷却步骤的交换器313下游的相应热交换器315，其通过再循环第二冷却步骤的乙烯组分来降低甲烷的温度组分f3下降至
‑
100℃左右。
62.步骤五，进一步冷却，将甲烷组分f3从
‑
100℃的温度值带到约
‑
130℃的液化温度。为此目的，在图示的实施例中，液化站300包括位于热交换器315下游的膨胀容器317，在该膨胀容器317内实现甲烷组分f3在压力值下从30巴的压力值膨胀8巴；其中，8巴的压力值一般为液化甲烷储存在储罐或储罐中以备后续运输时的压力值。
63.在该第五冷却步骤中，约30％的甲烷组分f3被蒸发和再循环，以回收所述甲烷组分f3的显热，这是进行第三冷却步骤的冷却所必需的。其中，液化站300还包括与膨胀罐317相关联的泵送装置319，适于将从膨胀罐317流出的液化气流f4或液态甲烷分配到特殊的储罐，用于随后的运输和用作燃料。
64.还包括二氧化碳组分的气流，所述二氧化碳的气流经过液压冷却后获取液态二氧化碳。参考上述，此处不再赘述。
65.以上是对本发明一种从含有甲烷的混合物中获得液态甲烷的设备及方法进行的阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。