本发明属于生物天然气技术领域，涉及一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置及方法。
背景技术：
中国的沼气资源十分丰富，但利用方式比较传统，除少数获得发电上网补贴的企业外，主要为烧锅炉、发电自用。近年来，出现了较多高产量沼气工程，日产沼气量达到10000～150000Nm3，远远大于企业自用所需的气量，多余沼气往往通入锅炉不完全燃烧甚至直接排放，造成环境污染和资源浪费。在当前节能减排严峻趋势下，利用沼气精制生物天然气是必然的发展趋势。由于沼气主要组分除CH4和CO2外，此外还有CO、H2S、NH3、O2等气体。生物天然气按国家标准(GB17820-1999)二类气标准为：高位发热量≥31.4MJ/m3，二氧化碳≤3％，硫化氢≤20mg/m3。如何制得甲烷含量高的生物天然气是当今的重要研究领域。
如中国专利[CN20368954]公开了一种沼气净化所得的生物天然气制液化天然气的装置。该装置在将生物天然气制成液化天然气的同时把生物天然气中的其他组分气体分离出来。然而占有沼气气体分数30％-40％的CO2无法得到利用。中国专利 [CN10572355]公开了一种沼气制备生物天然气工艺，通过设置的第一储存罐，第二储存罐确保了供气的稳定性、连续性、高效性，然而该工艺复杂，难以大规模利用。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述问题，提供一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置。
本发明的另一目的是供一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，包括沼气池，储气柜，还包括沼气净化单元，沼气脱碳提纯单元，气体混合器，电解水制氢单元，甲烷化单元，换热器，气液分离器，水箱和控温器，所述的沼气池、储气柜、沼气净化单元和沼气脱碳提纯单元经管道依次相连，沼气脱碳提纯单元设有二氧化碳出口和生物天然气出口，沼气脱碳提纯单元的二氧化碳出口和气体混合器的气体入口相连，电解水制氢单元的氢气出口和气体混合器的气体入口相连，气体混合器的气体出口和甲烷化单元气体入口相连，甲烷化单元气体出口和换热器相连，换热器出口和气液分离器相连，气液分离器的液体出口和水箱的入口相连，水箱的出口经管道通过换热器分别与沼气池和控温器相连。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置中，所述的沼气净化单元包括经管道依次相连的风机、过滤器、干燥塔、脱硫塔。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置中，所述的沼气脱碳提纯单元包括提纯段和净化段，所述的沼气净化单元的气体出口和提纯段相连，提纯段的二氧化碳气体出口和气体混合器的气体入口相连，提纯段的混合气体出口和净化段相连，净化段设有二氧化碳出口和生物天然气出口，净化段的二氧化碳出口和气体混合器的气体入口相连。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置中，所述的电解水制氢单元包括电解水制氢设备、氢气收集装置、氧气收集装置、废气收集装置和氢气净化装置，所述的电解水制氢设备入口与控温器相连，所述的电解水制氢设备分别与氢气收集装置、氧气收集装置和废气收集装置相连，所述的氢气收集装置与氢气净化装置入口相连，所述的氢气净化装置的气体出口和气体混合器的气体入口相连。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置中，所述的甲烷化单元由若干个甲烷化反应器和分离器串联组成，所述的分离器出口均和换热器相连。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置中，还包括，压缩冷凝单元，所述的压缩冷凝单元气体入口和气液分离器的气体出口相连。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置中，所述的压缩冷凝单元气体入口分别和气液分离器的气体出口与沼气脱碳提纯单元4的生物天然气出口相连。
一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法，包括以下步骤：
A、沼气池生产的沼气通入储气柜存储，储气柜内的粗沼气进入沼气净化单元进行净化处理，得到二氧化碳和生物天然气组成的混合气体，
B、步骤A得到的混合气体进入沼气脱碳提纯单元进行脱碳处理，分别得到二氧化碳和生物天然气；二氧化碳气体通过气体混合器的气体入口进入气体混合器，
C、电解水制氢单元生产的氢气通过气体混合器的气体入口进入气体混合器，与步骤中得到的二氧化碳气体在气体混合器内充分混合并升温，
D、步骤C中得到的混合气体进入甲烷化单元进行甲烷化反应，甲烷化单元得到的水和粗制天然气均进入换热器中，
E、步骤D中甲烷化单元得到的水和粗制天然气所携带的热量通过换热器转换至换热器中水箱管道中的水中产生过热水蒸气，过热水蒸气经管道分别进入沼气池和控温器中，
F、换热器完成后的水和粗制天然气进入气液分离器中，经过分离处理后，分离后的水通过管道进入水箱中，分离后的气体即所述的生物天然气。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法中，所述的步骤A中沼气池温度为25℃-65℃，所述的步骤C中进入气体混合器的二氧化碳和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，进入气体混合器混合后得到的混合气体温度为 250-450℃，所述的步骤D中，甲烷化反应器最终出口温度为 250-350℃。
在上述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法中，步骤F中气液分离器分离后的生物天然气进入压缩冷凝单元，即通过天然气压缩机或液化气压缩机中处理，得到压缩天然气或液化天然气。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明在提纯沼气中的生物天然气的同时，利用沼气中的二氧化碳加氢甲烷化制备生物天然气，既避免了现有沼气提纯装置中产生的二氧化碳污染，同时还提高了沼气制备生物天然气的产量。
2、本发明利用换热网络将二氧化碳加氢甲烷化产生的热量和水回收，一部分供沼气池生产使用，一部分供电解水制氢使用，能量利用率高，污染小。
3、本发明结构合理装置简单，有大规模应用的可能。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式之一的装置图。
图2是本发明的具体实施方式之二的装置图。
图3是本发明的具体实施方式之三的装置图。
图中，沼气池1、储气柜2、沼气净化单元3、风机301、过滤器302、干燥塔303、脱硫塔304、脱氨塔305、增压风机306、沼气脱碳提纯单元4、提纯段401、净化段402、气体混合器5、电解水制氢单元6、电解水制氢设备601、氢气收集装置601a、氧气收集装置601b、废气收集装置601c、氢气净化装置602、甲烷化单元7、甲烷化反应器701、分离器702、换热器8、气液分离器9、水箱10、控温器11、压缩冷凝单元12，a生物天然气、 a＇二氧化碳、b粗制天然气、c生物天然气、d水、e液化天然气或压缩天然气。
具体实施方式
实施例1
如图1-3所示，一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，包括沼气池1，储气柜2，沼气净化单元3，沼气脱碳提纯单元4，气体混合器5，电解水制氢单元 6，甲烷化单元7，换热器8，气液分离器9，水箱10和控温器11，沼气池1、储气柜2、沼气净化单元3和沼气脱碳提纯单元4经管道依次相连，沼气脱碳提纯单元4设有二氧化碳出口和生物天然气出口，沼气脱碳提纯单元4的二氧化碳出口和气体混合器5的气体入口相连，电解水制氢单元6的氢气出口和气体混合器5的气体入口相连，气体混合器5的气体出口和甲烷化单元7气体入口相连，甲烷化单元7气体出口和换热器8相连，换热器8的出口和气液分离器9相连，气液分离器9的液体出口和水箱10的入口相连，水箱10的出口经管道通过换热器8分别与沼气池1和控温器11相连。
在本实施例中，沼气净化单元3包括经管道依次相连的风机301、过滤器302、干燥塔303和脱硫塔304。本领域技术人员应当理解，由于不同的厌氧消化原料、不同的厌氧消化工艺产生的沼气组成也有所不同，根据实际生产需要，沼气净化单元3还包括经管道依次相连的脱氨塔305，根据沼气脱碳提纯的工艺需要，沼气净化单元3还需要增压风机306。
沼气脱碳提纯单元4包括提纯段401和净化段402，沼气净化单元3的气体出口和提纯段401相连，提纯段401的二氧化碳气体出口和气体混合器5的气体入口相连，提纯段401的混合气体出口和净化段402相连，净化段402设有二氧化碳出口和生物天然气出口，净化段402的二氧化碳出口和气体混合器5的气体入口相连。沼气脱碳提纯单元4利用的是两段法变压吸附，即PSA 技术。提纯段可采用20-6-11-V流程，即20塔6塔同时吸附11 次均压抽真空流程。净化段可采用15-7-6-V流程，即15塔7塔同时吸附6次均压抽真空流程。
上述的，储气柜2、沼气净化单元3、风机301、过滤器302、干燥塔303、脱硫塔304、脱氨塔305、增压风机306、沼气脱碳提纯单元4、提纯段401、净化段402、气体混合器5、换热器8、气液分离器9、水箱10、控温器11均可以采用市售产品。其中，过滤器302可选择沼气过滤器或沼气精密过滤器。沼气脱碳提纯单元4可由中国专利[CN10022967.0]实现。气体混合器5 可采用管式静态混合器。换热器8可选用如中国专利 [CN101023300A]的热交换装置。水箱10可采用不锈钢过滤水箱。
气液分离反应器9可采用旋风式或精密芯式气水分离器。
电解水制氢单元6包括电解水制氢设备601和氢气净化装置 602，控温器11、电解水制氢设备601和氢气净化装置602依次相连，所述的氢气净化装置602的气体出口和气体混合器5的气体入口相连。本领域技术人员应当理解，电解水制氢单元6中的电解水制氢设备601在电解水制氢的过程中会产生氢气、氧气和废气，可以分别进行收集处理，因此本实施例中电解水制氢设备 601分别与氢气收集装置601a、氧气收集装置601b和废气收集装置601c相连，氢气收集装置601a与氢气净化装置602入口相连。
上述的电解水制氢设备601、氢气收集装置601a、氧气收集装置601b、废气收集装置601c、氢气净化装置602，均可以采用市售产品。其中，电解水制氢设备601为高温电解水制氢设备、碱性电解水制氢设备或聚合物薄膜电解水制氢设备中的一种。氢气收集装置601a、氧气收集装置601b、废气收集装置601c可采用不锈钢储罐或钢瓶等。氢气净化装置602即高纯氢气的制取装置，优选方案为使氢气先通过氢气纯化器进行预纯化处理将氢气纯度由99.8％提高到99.99％，再利用钯管提纯氢气设备将99.99％氢气提纯到99.9999％。
本实施例中，甲烷化单元7由若干个甲烷化反应器701和分离器702串联组成，分离器702出口均和换热器8相连。上述的甲烷化反应器701为固定床甲烷化反应器，分离器702为市售的气液分离器。
实际生产中，生物天然气往往还要进行压缩压缩冷凝处理，因此本实施例还包括压缩冷凝单元1，压缩冷凝单元12气体入口和气液分离器9的气体出口相连。为了提高本实施例沼气制备生物天然气的产量，压缩冷凝单元12气体入口分别和气液分离器9 的气体出口与沼气脱碳提纯单元4的生物天然气出口相连。压缩冷凝单元12选择天然气压缩机或液化气压缩机。
本实施例的工作原理：A、沼气池1生产的沼气通入储气柜2 存储，储气柜2内的粗沼气进入沼气净化单元3进行净化处理，得到二氧化碳和生物天然气组成的混合气体，
A、沼气池1生产的沼气通入储气柜2存储，储气柜2内的粗沼气进入沼气净化单元3进行净化处理，得到二氧化碳和生物天然气组成的混合气体。
B、步骤A得到的混合气体进入沼气脱碳提纯单元4进行脱碳处理，分别得到二氧化碳a＇和生物天然气a；二氧化碳a＇通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5。
C、电解水制氢单元6生产的氢气通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5，与步骤B中得到的二氧化碳a＇在气体混合器5内充分混合并升温。
D、步骤C中得到的混合气体进入甲烷化单元7进行甲烷化反应，甲烷化单元7得到的水和粗制天然气b均进入换热器8中。
E、步骤D中甲烷化单元7得到的水和粗制天然气b所携带的热量通过换热器8转换至换热器8中水箱10管道中的水中产生过热水蒸气，过热水蒸气经管道分别进入沼气池1和控温器11中。
F、换热完成后的水和粗制天然气b进入气液分离器9中，经过分离处理后，分离后的水通过管道进入水箱10中，分离后的气体即所述的生物天然气c。
G、步骤F中得到的生物天然气c和步骤B中得到的生物天然气a分别通过管道进入压缩冷凝单元12进行压缩冷凝处理，最终得到压缩天然气或液化天然气。
其中，所述的步骤A中沼气池1温度为25℃-65℃；所述的步骤C中进入气体混合器5的二氧化碳和氢气的气体体积比为1： 3.5-4.5，进入气体混合器5混合后得到的混合气体温度为 250-450℃，所述的步骤D中，甲烷化反应器701最终出口温度为 250-350℃。
实施例2
本实施例的装置如图1所示。
制备步骤如下：
A、沼气池1保持25℃-65℃进行沼气产沼，生产的沼气通入储气柜2存储，储气柜2内的粗沼气进入沼气净化单元3进行净化处理：粗沼气首先进入沼气净化单元3中的风机301增压稳定至1-20bar。压力稳定地沼气进入过滤器302，过滤粗沼气中的固体杂质，并通过吸附剂吸附沼气中的相应的杂质气体。过滤完成后进入干燥塔303，将沼气中的水分除去。干燥完成后的沼气进入脱硫塔304。脱硫完成后得到二氧化碳和生物天然气组分大于 96％的混合气体。
B、步骤A得到的混合气体进入沼气脱碳提纯单元4进行脱碳处理，分别得到二氧化碳a＇和生物天然气a；二氧化碳气体通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5。
C、电解水制氢单元6生产的氢气通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5，与步骤B中得到的二氧化碳气体在气体混合器5内充分混合二氧化碳和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，并升温至250-450℃。
D、步骤C中得到的混合气体进入甲烷化单元7进行甲烷化反应，甲烷化反应器701混合气体最终出口温度为250-350℃，混合气体进入分离器702进行气液分离。甲烷化单元7得到的水和粗制天然气b均进入换热器8中。
E、步骤D中甲烷化单元7得到的水和粗制天然气所携带的热量通过换热器8转换至换热器8中水箱10管道中的水中，产生过热水蒸气，过热水蒸气经管道分别进入沼气池1和控温器11中，
F、换热器8完成后的水和粗制天然气进入气液分离器9中。进行分离处理，分离后的水通过管道进入水箱10中，分离后的气体即所述的生物天然气c。
其中，步骤A沼气净化单元3时由于由于沼气含有杂质较多且沼气的流量、压力、温度、浓度等都很不稳定，所以必须对沼气进行净化处理。其中的过滤器302可以根据实际需要选择过滤器或精滤器，过滤器302中的吸附剂也可根据沼气的成分来选择。
步骤B中的沼气脱碳提纯单元4，要求二氧化碳a＇回收率达98％以上，生物天然气a中二氧化碳含量小于3％。
步骤C中CO2和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，保证氢气稍过量。既保证反应的充分进行，也减轻二氧化碳浓度过高造成的甲烷化反应中的飞温现象。甲烷化反应催化剂起活温度大约 220-275℃，所以混合气体需预热至250-450℃。
步骤D中甲烷化单元7中选用产物甲烷将二氧化碳稀释。甲烷化反应器701的循环比应不低于2.4以达到出口温度为 250-350℃的要求。甲烷化反应器选用不锈钢管式反应器。
步骤E中过热水蒸气根据实际生产需要分流，控温器11可进一步根据电解水制氢设备601的需要设定。
实施例3
本实施例的装置如图2所示。
制备步骤如下：
A、沼气池1保持25℃-65℃进行沼气产沼，生产的沼气通入储气柜2存储，储气柜2内的粗沼气进入沼气净化单元3进行净化处理：粗沼气首先进入沼气净化单元3中的风机301增压稳定至1-20bar。压力稳定地沼气进入过滤器302，过滤粗沼气中的固体杂质，并通过吸附剂吸附沼气中的相应的杂质气体。过滤完成后进入干燥塔303，将沼气中的水分除去。干燥完成后的沼气进入脱硫塔304。脱硫完成后得到二氧化碳和生物天然气组分大于 96％的混合气体。
B、步骤A得到的混合气体进入沼气脱碳提纯单元4进行脱碳处理，沼气脱碳提纯单元4利用的是两段法变压吸附，即PSA技术。沼气脱碳提纯单元4包括提纯段401和净化段402，提纯段 401可采用20-6-11-V流程，即20塔6塔同时吸附11次均压抽真空流程。净化段402可采用15-7-6-V流程，即15塔7塔同时吸附6次均压抽真空流程。分别得到二氧化碳a＇和生物天然气a；二氧化碳气体通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5。
C、电解水制氢单元6中的电解水制氢设备601进行电解水制氢反应，在电解水制氢的过程中产生的氢气、氧气和废气，分别被氢气收集装置601a、氧气收集装置601b和废气收集装置601c 收集。氢气收集装置601a的氢气进入氢气净化装置602进行净化。净化后的氢气通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5，与步骤B中得到的二氧化碳气体在气体混合器5内充分混合二氧化碳和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，并升温至250-450℃。
D、步骤C中得到的混合气体进入甲烷化单元7进行甲烷化反应，甲烷化反应器701混合气体最终出口温度为250-350℃，混合气体进入分离器702进行气液分离。甲烷化单元7得到的水和粗制天然气b均进入换热器8中，
E、步骤D中甲烷化单元7得到的水和粗制天然气所携带的热量通过换热器8转换至换热器8中水箱10管道中的水中，产生过热水蒸气，过热水蒸气经管道分别进入沼气池1和控温器11中，
F、换热器8完成后的水和粗制天然气进入气液分离器9中，进行分离处理，分离后的水通过管道进入水箱10中，分离后的气体即所述的生物天然气c。
其中，步骤A沼气净化单元3时由于由于沼气含有杂质较多且沼气的流量、压力、温度、浓度等都很不稳定，所以必须对沼气进行净化处理。其中的过滤器302可以根据实际需要选择过滤器或精滤器，过滤器302中的吸附剂也可根据沼气的成分来选择。
步骤B中的沼气脱碳提纯单元4，要求二氧化碳a＇回收率达98％以上，生物天然气a中二氧化碳含量小于3％。
步骤C中CO2和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，保证氢气稍过量。既保证反应的充分进行，也减轻二氧化碳浓度过高造成的甲烷化反应中的飞温现象。甲烷化反应催化剂起活温度大约 220-275℃，所以混合气体需预热至250-450℃。
步骤D中甲烷化单元7中选用产物甲烷将二氧化碳稀释。甲烷化反应器701的循环比应不低于2.4以达到出口温度为 250-350℃的要求。为了提高甲烷化的产率，甲烷化单元可以串联多个甲烷化反应器701和分离器702，甲烷化反应器701需经过分离器702进行气液分离后再进入下一甲烷化反应器701。
步骤E中过热水蒸气根据实际生产需要分流，控温器11可进一步根据电解水制氢设备601的需要设定。
实施例4
本实施例的装置如图3所示。
制备步骤如下：
A、沼气池1保持25℃-65℃进行沼气产沼，生产的沼气通入储气柜2存储，储气柜2内的粗沼气进入沼气净化单元3进行净化处理：粗沼气首先进入沼气净化单元3中的风机301增压稳定至1-20bar。压力稳定地沼气进入过滤器302，过滤粗沼气中的固体杂质，并通过吸附剂吸附沼气中的相应的杂质气体。过滤完成后进入干燥塔303，将沼气中的水分除去。干燥完成后的沼气进入脱硫塔304。脱硫完成后进入脱氨塔，脱氨完成后进入增压风机增压。步骤3最终得到二氧化碳和生物天然气组分大于96％，表压压力1.8-2.0MPa的混合气体。
B、步骤A得到的混合气体进入沼气脱碳提纯单元4进行脱碳处理，沼气脱碳提纯单元4利用的是两段法变压吸附，即PSA技术。沼气脱碳提纯单元4包括提纯段401和净化段402，提纯段 401可采用20-6-11-V流程，即20塔6塔同时吸附11次均压抽真空流程。净化段402可采用15-7-6-V流程，即15塔7塔同时吸附6次均压抽真空流程。分别得到二氧化碳a＇和生物天然气a；二氧化碳气体通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5。
C、电解水制氢单元6中的电解水制氢设备601进行电解水制氢反应，在电解水制氢的过程中产生的氢气、氧气和废气，分别被氢气收集装置601a、氧气收集装置601b和废气收集装置601c 收集。氢气收集装置601a的氢气进入氢气净化装置602进行净化。净化后的氢气通过气体混合器5的气体入口进入气体混合器5，与步骤B中得到的二氧化碳气体在气体混合器5内充分混合二氧化碳和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，并升温至250-450℃。
D、步骤C中得到的混合气体进入甲烷化单元7进行甲烷化反应，甲烷化反应器701混合气体最终出口温度为250-350℃，混合气体进入分离器702进行气液分离。为了提高甲烷化的产率，甲烷化单元可以串联多个甲烷化反应器701和分离器702，甲烷化反应器701需经过分离器702进行气液分离后再进入下一甲烷化反应器701。甲烷化单元7得到的水和粗制天然气b均进入换热器8中，
E、步骤D中甲烷化单元7得到的水和粗制天然气所携带的热量通过换热器8转换至换热器8中水箱10管道中的水中，产生过热水蒸气，过热水蒸气经管道分别进入沼气池1和控温器11中，
F、换热器8完成后的水和粗制天然气进入气液分离器9中，进行分离处理，分离后的水通过管道进入水箱10中，分离后的气体即所述的生物天然气c。
G、步骤F中得到的生物天然气c和步骤B中得到的生物天然气a分别通过管道进入压缩冷凝单元12进行压缩冷凝处理，最终得到压缩天然气或液化天然气。
其中，步骤A沼气净化单元3时由于由于沼气含有杂质较多且沼气的流量、压力、温度、浓度等都很不稳定，所以必须对沼气进行净化处理。其中的过滤器302可以根据实际需要选择过滤器或精滤器，过滤器302中的吸附剂也可根据沼气的成分来选择。
步骤B中的沼气脱碳提纯单元4，要求二氧化碳a＇回收率达 98％以上，生物天然气a中二氧化碳含量小于3％。
步骤C中CO2和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，保证氢气稍过量。既保证反应的充分进行，也减轻二氧化碳浓度过高造成的甲烷化反应中的飞温现象。甲烷化反应催化剂起活温度大约 220-275℃，所以混合气体需预热至250-450℃。
步骤D中甲烷化单元7中选用产物甲烷将二氧化碳稀释。甲烷化反应器701的循环比应不低于2.4以达到出口温度为 250-350℃的要求。甲烷化反应器选用不锈钢管式反应器。
步骤E中过热水蒸气根据实际生产需要分流，控温器11可进一步根据电解水制氢设备601的需要设定。
步骤G是由于大规模天然气的运输贮存需要，可以通过天然气压缩机或液化气压缩机处理成压缩天然气或液化天然气。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了沼气池1、储气柜2、沼气净化单元3、风机301、过滤器302、干燥塔303、脱硫塔304、脱氨塔305、增压风机306、沼气脱碳提纯单元4、提纯段401、净化段402、气体混合器5、电解水制氢单元6、电解水制氢设备601、氢气收集装置601a、氧气收集装置601b、废气收集装置601c、氢气净化装置602、甲烷化单元7、甲烷化反应器701、分离器702、换热器8、气液分离器9、水箱10、控温器11、压缩冷凝单元12 等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
技术特征：
1.一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，包括沼气池(1)，储气柜(2)，其特征在于，还包括沼气净化单元(3)，沼气脱碳提纯单元(4)，气体混合器(5)，电解水制氢单元(6)，甲烷化单元(7)，换热器(8)，气液分离器(9)，水箱(10)和控温器(11)，所述的沼气池(1)、储气柜(2)、沼气净化单元(3)和沼气脱碳提纯单元(4)经管道依次相连，沼气脱碳提纯单元(4)设有二氧化碳出口和生物天然气出口，沼气脱碳提纯单元(4)的二氧化碳出口和气体混合器(5)的气体入口相连，电解水制氢单元(6)的氢气出口和气体混合器(5)的气体入口相连，气体混合器(5)的气体出口和甲烷化单元(7)气体入口相连，甲烷化单元(7)气体出口和换热器(8)相连，换热器(8)出口和气液分离器(9)相连，气液分离器(9)的液体出口和水箱(10)的入口相连，水箱(10)的出口经管道通过换热器(8)分别与沼气池(1)和控温器(11)相连。
2.根据权利要求1所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，其特征在于，所述的沼气净化单元(3)包括经管道依次相连的风机(301)、过滤器(302)、干燥塔(303)、脱硫塔(304)。
3.根据权利要求1所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，其特征在于，所述的沼气脱碳提纯单元(4)包括提纯段(401)和净化段(402)，所述的沼气净化单元(3)的气体出口和提纯段(401)相连，提纯段(401)的二氧化碳气体出口和气体混合器(5)的气体入口相连，提纯段(401)的混合气体出口和净化段(402)相连，净化段(402)设有二氧化碳出口和生物天然气出口，净化段(402)的二氧化碳出口和气体混合器(5)的气体入口相连。
4.根据权利要求1所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，其特征在于，所述的电解水制氢单元(6)包括电解水制氢设备(601)、氢气收集装置(601a)、氧气收集装置(601b)、废气收集装置(601c)和氢气净化装置(602)，所述的电解水制氢设备(601)入口与控温器(11)相连，所述的电解水制氢设备(601)分别与氢气收集装置(601a)、氧气收集装置(601b)和废气收集装置(601c)相连，所述的氢气收集装置(601a)与氢气净化装置(602)入口相连，所述的氢气净化装置(602)的气体出口和气体混合器(5)的气体入口相连。
5.根据权利要求1所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，其特征在于，所述的甲烷化单元(7)由若干个甲烷化反应器(701)和分离器(702)串联组成，所述的分离器(702)出口均和换热器(8)相连。
6.根据权利要求1所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，其特征在于，还包括，压缩冷凝单元(12)，所述的压缩冷凝单元(12)气体入口和气液分离器(9)的气体出口相连。
7.根据权利要求6所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置，其特征在于，所述的压缩冷凝单元(12)气体入口分别和气液分离器(9)的气体出口与沼气脱碳提纯单元(4)的生物天然气出口相连。
8.一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、沼气池(1)生产的沼气通入储气柜(2)存储，储气柜(2)内的粗沼气进入沼气净化单元(3)进行净化处理，得到二氧化碳和生物天然气组成的混合气体，
B、步骤A得到的混合气体进入沼气脱碳提纯单元(4)进行脱碳处理，分别得到二氧化碳a＇和生物天然气a；二氧化碳气体通过气体混合器(5)的气体入口进入气体混合器(5)，
C、电解水制氢单元(6)生产的氢气通过气体混合器(5)的气体入口进入气体混合器(5)，与步骤B中得到的二氧化碳气体在气体混合器(5)内充分混合并升温，
D、步骤C中得到的混合气体进入甲烷化单元(7)进行甲烷化反应，甲烷化单元(7)得到的水和粗制天然气均进入换热器(8)中，
E、步骤D中甲烷化单元(7)得到的水和粗制天然气所携带的热量通过换热器(8)转换至换热器(8)中水箱(10)管道中的水中，产生过热水蒸气，过热水蒸气经管道分别进入沼气池(1)和控温器(11)中，
F、换热器(8)完成后的水和粗制天然气进入气液分离器(9)中，经过分离处理后，分离后的水通过管道进入水箱(10)中，分离后的气体即所述的生物天然气。
9.根据权利要求8所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法中，其特征在于，所述的步骤A中沼气池(1)温度为25℃-65℃，所述的步骤C中进入气体混合器(5)的二氧化碳和氢气的气体体积比为1：3.5-4.5，进入气体混合器(5)混合后得到的混合气体温度为250-450℃，所述的步骤D中，甲烷化反应器(701)最终出口温度为250-350℃。
10.根据权利要求8所述的联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备方法中，其特征在于，步骤F中气液分离器(9)分离后的生物天然气进入压缩冷凝单元(12)，即通过天然气压缩机或液化气压缩机中处理，得到压缩天然气或液化天然气。
技术总结
本发明属于生物天然气技术领域，涉及一种联合沼气脱碳提纯技术与二氧化碳加氢甲烷化的生物天然气制备装置及方法。它包括沼气池，储气柜，还包括沼气净化单元，沼气脱碳提纯单元，气体混合器，电解水制氢单元，甲烷化单元，换热器，气液分离器，水箱和控温器。本发明在提纯沼气中的生物天然气的同时，利用沼气中的二氧化碳加氢甲烷化制备生物天然气，既避免了现有沼气提纯装置中产生的二氧化碳污染，同时还提高了沼气制备生物天然气的产量。
技术研发人员：曾庆;胡强;吴剑;张桂敏
受保护的技术使用者：浙江臻泰能源科技有限公司
技术研发日：.06.21
技术公布日：.10.01
