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摘 要：本研究目的為将林区分散沼气工程的沼气提质作为天然气级燃料使用，为偏远林区用能提供新思路。研究采用多级气体回流脱碳工艺，设计处理气量5.5 m3/h的小试级沼气分离膜组件；应用化工原理计算膜组件膜芯中膜丝的用量，设计膜壳体参数；借助solidworks软件进行膜壳体3D建模并模拟受压工况进行静力学分析；最后应用机加技术加工出膜组件进行实验研究。研究结果表明：在常温进气压力为1.0MPa时，若只采用一级膜组件精制沼气，渗透气侧的CH4含量约48%，回收率低；若是采用二级膜组件串联精制沼气，甲烷纯度可高达95.52%，回收率大于75%。实验得出采用多级气体回流脱碳工艺设计的小试级沼气分离膜组件，当压力增大时，应用二级膜组件串联可以将原始初步净化沼气中甲烷浓度精制提升到我国车用燃气标准。
关键词：沼气精制；膜组件；车用燃料；中空纤维膜
中图分类号：S 216.4；TK 6 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2017）06-0052-04
The Structure Design and Experimental Study on Small Test Grade Biogas Refining Membrane Module
Ni Shuli1，Liang Suyu2，3*，Li Lin1，2，3，Liu Tienan1，2，3，Du Qian2，3，Chu Dongchen1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；
2.Heilongjiang Forest Engineering and Environmental Research Institute，Harbin 150081；
3.The Key Laboratory of Forest Ecology and Forestry Ecological Engineering in Heilongjiang，Harbin 150081）
Abstract：The purpose of this study is to use the biogas upgrading of biogas project in forest area as natural gas grade fuel，and to provide new ideas for the use of energy in remote forest areas.In this paper，a multi-stage gas reflux decarburization process was used to design a small scale biogas separation membrane module for the treatment of 5.5 m3/h.The amount of membrane in the membrane core was calculated by chemical principle and the membrane shell parameters were designed.The 3D model of membrane shell was modeled by SolidWorks software and static analysis under simulated compression condition was carried out.Finally，the experiments were carried out with manufactured membrane module.The results showed that，under the normal temperature with inlet pressure 1.0MPa，the concentration of CH4 in the osmotic side was about 48% and the recovery rate was low if only the first stage membrane module was used to purify biogas.If a secondary membrane component was used in tandem refining biogas，the purity of CH4 could be up to 95.52% and the CH4 recovery rate was greater than 75%.A small scale biogas separation membrane module designed by multi-stage gas reflux decarburization process could be got from the experiment.When the intake pressure increased，the application of the secondary membrane component in series can purify the methane concentration in the primary purified biogas to the standard of the vehicle gas in our country.
Keywords：Biogas refining；membrane module；vehicle fuel；hollow fiber membrane
0 引言
沼气作为一种清洁能源，对城市的节能和村屯的环境治理有着不可替代的优势和广泛的应用前景[1-2]。目前黑龙江森工的林下经济发展迅速，林牧结合的方式使有机废物增多，林区从环保和节能考虑建立了沼气工程项目。由于未经处理的原始沼气能量密度低，品质参数不稳定，热值一般在20.16 ～28.98 MJ/m3之间，所以不能成为商品能源[3-4]。如果将原始沼气经过一系列净化、精制后，沼气中甲烷（CH4）纯度可提高至95%以上，热值约为34 MJ/m3[5-7]。精制后的沼气就可与天然气一样，作为石油替代品直接用于车用发动机燃料[8-10]，为林民提供基本的日常生活能源和为林区提供车用能源，真正做到能源循环利用，造福林民。
精制沼气的常用工艺方法有液体吸收分离法[11]、深冷分离法[12]、变压（温）吸附分离法[13-16]，这些工艺一次性投资较大、能耗较高。而气体膜分离技术纯化精制沼气则可大大降低其分离纯化精制成本、增加社会效益、生态效益和经济效益[17-19]。一般沼气工程可以使所产生的沼气中甲烷的含量为55%～60%、二氧化碳的含量为35%～40%；其余5%或者更少的占比是一氧化碳、氮、水汽、氧和硫化氢等其它微量杂气。根据TRIZ的分离原理，把技术成熟的脱水、脱硫工艺和热值提升的脱碳技术环节分离，在沼气精制时，使进入膜精制分离组件前的沼气先进行预处理工艺，其中硫化氢、水露点、氧含量、杂气（诸如氨气）等满足膜处理工艺要求的参数[20-21]。林区分散地沼气工程在气体组分的组成上与其它来源沼气虽因发酵原料不同而略有差异，但经过前期净化处理后，在甲烷和二氧化碳占比上没有多大变化。但因林区偏远且各工程地分散，一次性投资较大、能耗较高的精制工艺不利于林区沼气的精制和利用，从实用性和经济性考虑，研制可移动式、模块式组装的膜精制纯化设备是有必要的。
本课题对小试级沼气膜分离精制装置的关键部件膜组件进行了结构设计与计算，并用研制的膜组件将沼气中的CH4纯化，纯化气体的品质和性能参数参考车用压缩天然气，可用作车用洁净气体燃料。实验中经纯化获得的副产品CO2也具有较高纯度，企业可以进行循环利用，增加效益达到节能减排的目的[22-23]。
1 膜精制组件的膜芯设计
1.1 膜精制组件的特点及技术参数
膜精制组件由外部壳体及内部膜芯两部分组成，如图1所示。
外部壳体由圆筒形耐压筒体和两侧的端头组成，筒体是内置膜芯。膜芯由中空纤维束和膜头组成。膜组件流型选用目前分离效率最好的内压逆流型，采用组件与外壳体的专利密封技术达到一体浇铸的效果。膜芯的膜头密封固定在筒体内二端，端头则固定在筒体外两侧，中间的纤维束与壳体间留有缝隙，壳體和端头上留有气孔，方便气体管路连接。
膜精制组件的设计环境温度为25 ℃，压强为1 MPa；工作介质是温度为40 ℃净化沼气；进气工作压力为1.0 MPa。CO2和CH4分离膜系数为αCO2/CH4=26。
1.2 膜芯的膜丝用量设计
组成膜芯的纤维束是由大量高压下不形变的中空纤维膜丝组成。
利用公式J=Q/SmtΔp可得到膜面积计算公式：
Sm=Q/JtΔp。
（1）
式中：J为渗透速率，cm3/（cm2.s.cmHg）；Q为气体透过量，cm3；Δp为压力差，cmHg；t为气体渗透的时间，s；Sm为膜表面积，cm2。
由设计给出条件：沼气组分按CO2为40%，CH4为60%，Δp压力差为1.0 MPa，温度为40℃，产生的CH4气体为85%，流量不小于5.5 Nm3/h，膜丝的外径Φ 0.25 mm，内径Φ 0.15 mm，计算出膜面积Sm为21.11 m2，考虑安全系数膜丝的根数选取4.8万根，制成膜芯。
2 膜精制组件的膜壳体设计
壳体的设计是确定组成壳体的筒体及端头的应用材料、应用壁厚及设计尺寸。
2.1 确定筒体及端头材料
设计时除了要考虑工艺性和经济性，还要满足钢制压力容器标准，初选经济性好适应广的Q235-B钢，其设计压力≤1.6 MPa；使用温度为0～350 ℃；用于壳体时厚度不大于20 mm，不得用于高度危害的介质。
2.2 确定筒体及端头应用厚度
按照压力容器标准，应用厚度是计算厚度δ与腐蚀裕量之和，腐蚀裕量是指因环境介质的腐蚀作用而导致设备失效时的最大允许腐蚀深度，计算出二者之和后，实际应用厚度向上最接近的钢板商品厚度。
（1）筒体及端头壁厚计算
筒体的计算厚度按下式计算，公式的适用范围为
式中：Di为圆筒的内直径，mm，上文可知Di=60mm；pc为计算压力，MPa，考虑最高工作压力及安全系数，1.22MPa；[σ]t为设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，MPa，取113MPa；为焊接接头系数，本壳体选焊缝系数=0.85。
通过公式计算得到厚度δ=0.40mm。
（2）确定腐蚀裕量
一般无腐蚀的介质，容器腐蚀裕量取1～2 mm。壳体的工作介质沼气具有一定的腐蚀性，所以取腐蚀裕量最大值为2 mm。
（3）确定筒体及端头应用厚度
根据前述计算可知壁厚为δ=0.40 mm，腐蚀裕量为2 mm，按照规定向上取最接近的钢板的商品厚度，所以筒体及端头的应用厚度取3 mm。
2.3 确定筒体的长度及内径
膜组件的膜芯内置在壳体中，所以壳体的设计尺寸由中空纤维膜的用量和长度决定。根据长径比和设计经验，选膜丝长度550 mm，纤维束的开口端环氧树脂管板每端10 mm，距离壳体内壁每端10 mm，则壳体的长度可取L=600 mm；其内径Di应大于纤维膜束直径R，取为60 mm。
2.4 膜壳体的静力学分析
借助solidworks 3D CAD设计软件对已设计完毕的壳体进行有限元建模，将壳体分成多个有限单元，每个单元建模要尽量简单，做取应用较少的简单单元较真实地反映结构主要力学特征，简化的3D模型如图2所示。对模型进行静力学分析，工作时，设壳体外部为固定约束。壳体的材质选择为低碳结构钢，计算压力pc=1.22 MPa，均匀加载在壳体内表面。通过对壳体各组成部分的应力与位移静力分析结果可知，在极限压力工况下，筒体的最大应力为1.93 MPa，端头的最大应力为0.002 8 MPa，均小于Q235-B钢的许用应力113 MPa，说明此时壳体强度设计满足作业要求。
3 流量为5.5 m3/h小试级精制膜组
件实验3.1 实验工况
本实验设计了两个相同的膜组件，进行一级与二级膜串联实验。因前期对沼气脱水、脱氧、脱硫已经研究过，所以本次针对脱碳热值提升进行研究，实验采用配制气打入气袋进行循环实现所需气量，调节膜组件压力到0.6、0.8、1.0 MPa，气体组分采用便携式红外线沼气分析仪测量。
3.2 实验结果
应用TRIZ的分离原理，氮气和氧气的影响暂不予考虑，配制气的成分见表1。
采用一级膜，在压力为0.6 MPa时，测定了渗余气与渗透气侧的CH4和CO2的含量见表2。
从表2中可看出，一级膜渗透侧的CH4含量还是很高的，所以要提高回收率还需要再经过一级膜。采用两个膜组件串联进行实验的结果见表3。
从表3中可以看出，随着膜压力的增加，渗余气侧CO2的含量逐渐下降，CH4的含量逐渐升高，当压力增至1.0 MPa时，CH4的含量一级膜组件达到93.50，二级膜组件达到95.52%。
采用二级膜，压力为1.0 MPa时，测定了渗余气与渗透气侧的CH4和CO2的含量见表4。
从表4中可看出，二级膜渗透侧的CH4含量明显降低。
3.3 甲烷回收率的简易计算
配制实验气体总气量为10 m3，其中甲烷的含量为60%，计算有6 m3的纯甲烷。经二级膜分离回收后，测得的渗余气的气量约为5 m3。如若回收效率达到75%，则需要回收计算6 m3的纯甲烷中的75%，即纯甲烷为4.5 m3。经过二级膜分离实验后，渗余气的气量为5 m3，渗余气甲烷含量93.5%，计算分离纯甲烷为4.675 m3 大于4.5 m3，所以甲烷回收率已经大于75%。而一级膜的甲烷回收率只有60%。
4 结论与分析
本文采用的多级膜气体回流脱碳工艺，在常温进气压力为1.0 MPa时，二级膜精制甲烷纯度可高达95.52%，回收率大于75%，精制浓度可达到我国车用燃气标准。
本设计采用日本UBE公司CO2膜是由芳香族聚酰亚胺材料加工而成，最佳分离效率是温度40～50 ℃，压力0.8～1.2 MPa，处理流量达到1 000～10 000 m3/h。实验条件是工作环境下温约25 ℃，压力0.6～1.0 MPa，分析数据可知：采用二级膜进行分离时，甲烷的浓度一级膜中含量从93.5%增至到二级中的95.52%；回收率二级达到75%大于一级的60%，所以二级膜效果好于一级膜。若设计的膜组件规模增大时，可以在膜组件外增加伴热带提高气体的温度，二级膜的设计流量和压力都可以增大，这样甲烷的纯度和回收率会更高。此关键部件的设计研发是为中试级沼气精制纯化一体机做前期准备，该机研发可将林区分散沼气工程的沼气提质作为天然气级燃料使用提供技术支持，同时也为偏远林区用能提供了新的思路，即可以用一體机直接将纯化精制后的沼气按照所需压力充装到高压钢瓶中，省去了建设加气站的庞大费用。
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