膜分离沼气提纯（脱碳）技术详解

膜分离技术利用气体组分在膜材料中的渗透速率差异实现CO₂与CH₄的高效分离，具有设备紧凑、无化学消耗、操作灵活等优势，适用于中小规模沼气提纯（50~2000 Nm³/h）。

1. 技术原理

渗透机制：

CO₂、H₂O等极性分子在膜中的渗透速率远高于CH₄（CO₂/CH₄选择性可达50:1）。

高压侧（原料气）中CO₂快速透过膜，低压侧（渗透气）富集CO₂，高压侧剩余气体（滞留气）为高纯度CH₄。

分离效率：

单级膜CH₄纯度可达80~90%，多级串联或循环工艺可提升至95~99%。

2. 核心设备组成

组件

功能

预处理系统 去除H₂S（<100 ppm）、颗粒物、油雾、水蒸气（露点<-40℃），防止膜污染。

压缩机 提高原料气压力（通常6~20 bar），增强分离驱动力。

膜分离单元 核心组件，含中空纤维或螺旋卷式膜组，材料多为聚酰亚胺（PI）、聚砜（PSF）等。

真空泵 在渗透侧抽真空（可选），提高CO₂渗透效率。

控制系统 自动化调节压力、流量、温度，优化分离效率。

3. 工艺流程

（1）单级膜分离

沼气 → 预处理 → 压缩 → 膜分离 → CH₄（滞留气，纯度85~90%）
↘ CO₂（渗透气，可回收或排放）

特点：简单、成本低，适合低纯度需求场景。

（2）多级膜串联/循环

沼气 → 预处理 → 压缩 → 一级膜 → 二级膜 → 高纯CH₄（>95%）
↘ 渗透气返回压缩机或排放

特点：通过级联提高CH₄回收率（>98%），但投资和能耗增加。

4. 关键性能参数

操作压力 6~20 bar 压力↑→分离效率↑，但能耗↑

温度 20~50℃ 高温可能降低膜选择性

CH₄回收率 单级85~90%，多级>95% 与膜面积、级数正相关

膜寿命 3~8年（取决于预处理效果） H₂S、水蒸气会加速老化

5. 技术优势与局限

优势

无化学药剂：避免吸收法的废液处理问题。

模块化设计：易于扩容，适合分布式沼气工程。

快速启停：适应间歇性产气的沼气项目。

局限

预处理要求高：H₂S、硅氧烷等会不可逆损伤膜材料。

CH₄损失风险：单级膜CH₄可能随渗透气流失（需优化工艺）。

投资成本较高：膜组件占总投资40~60%（但维护成本低）。

6. 应用案例

农业沼气：德国某农场采用两级膜分离，CH₄纯度达98%，处理量200 Nm³/h。

垃圾填埋气：美国加州项目（膜+PSA组合），CH₄回收率>99%，H₂S<1 ppm。

工业废水沼气：国内某啤酒厂项目（预处理+膜分离），替代天然气锅炉燃料。

7. 选型建议

小规模（<500 Nm³/h）：优先选择膜分离。

含高浓度H₂S：需前置生物脱硫或活性炭吸附。

高纯度需求（>97%）：结合PSA或化学吸收法二级处理。

8. 市场主流供应商

国际品牌：美国AP。

膜分离技术适合中小型、低杂质沼气的提纯，具有环保和操作优势，但需严格预处理。