一种用于沼气膜分离提纯制生物甲烷的装置，属于化工分离设备领域，具体涉及二氧化碳捕集及利用设备技术领域。
背景技术：
沼气是有机物质在厌氧条件下经多种微生物系统发酵产生的可燃混合气体，主要成分是甲烷和二氧化碳，还含有少量氢、一氧化碳、硫化氢、氧、氮等气体。一般而言，沼气中CO2含量在25%~55%（mol），H2S含量在0.0006%~2%。未经处理的沼气热值在20.16~28.98 MJ/Nm3，能量密度低，长期以来只能作为民用能源使用，而生物甲烷（CH4纯度99%~100%）的热值在38.22 MJ/Nm3，可作为石油替代品直接用作发动机燃料。然而，CO2、H2O和H2S在压缩过程中或在用作车用燃料燃烧过程中严重腐蚀设备和管道，CO2又降低了沼气的甲烷值（燃烧值），鉴于这两个原因，CO2、H2O、H2S必须在压缩之前除去，并达到我国《车用压缩天然气》的标准：CH4≥97%、CO2≤3%，H2S≤15 mg/m3。
传统沼气提纯的思路是，采用吸收、吸附、膜分离等方法分理出沼气中的酸性CO2、H2S，使CH4的纯度提高至相应标准。如吸收法是采用MEA、DEA等胺类溶剂，在吸收塔中将CO2吸收，然后使溶液再生，再生后的溶剂循环使用；吸附法是采用分子筛、介孔材料等吸附剂将沼气中的二氧化碳吸附，然后通过变压或吹扫方式使吸附剂再生，再生后的吸附剂循环使用。吸收和吸附法的缺点是操作前须增加脱硫处理工序，因为H2S不仅毒害吸附剂，而且使再生气CO2纯度降低，不利于后处理。含有高纯CO2的再生气需经过进一步压缩才能存储以作他用。膜分离法则是将沼气中的CO2、H2S选择性地透过膜，从而使CH4纯度提高的方法，由于不用再生而具有明显优势。然而，采用膜分离法直接提纯沼气需要复杂的预处理过程，且考虑到渗透侧酸性气体纯度不高、压力较低，含有CO2和H2S的酸性气体较难应用。
沼气提纯的另一种思路是将沼气中大量的CO2及少量H2S酸性气体在分离的同时直接加以利用，增大传质推动力。如CN201410153531.4提出了一种沼气提纯联产纳米碳酸钙的方法，将加入分散剂的石灰乳浆料与沼气在膜反应器中接触，在净化沼气得到高纯度生物甲烷的同时，可以获得性能优良的纳米碳酸钙。然而，已有专利并未提及H2S的去处，显然还需要提前进行去除，否则影响碳酸钙的品质。
磷石膏是磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣，其主要成分为硫酸钙。通常制取1吨磷酸（以100%P2O5计）产生4.8~5.0吨磷石膏。我国每年排放磷石膏约2000万吨，累计排放量近亿吨，是石膏废渣中排量最大的一种，排出的磷石膏占用大量土地，形成渣山，严重污染环境。然而，磷石膏在有水参与的情况下与CO2、NH3发生以下反应：
2NH3 + CO2 + CaSO4·2H2O → CaCO3（固）↓ + （NH4）2SO4 + H2O
而H2S也可以参与反应：2NH3 + H2S →（NH4）2S。
因此，我们可以考虑采用以废治废的思路，采用氨化的磷石膏浆液吸收沼气中的CO2和H2S，分离并利用CO2与H2S，省去了后处理步骤，同时联产碳酸钙和硫铵复合肥。本发明是针对沼气提纯制生物甲烷需要同时脱除CO2和H2S的特性，提供这样一种传质设备，将固体废渣磷石膏和沼气中的酸性气体同时加以利用，变废为宝，在提纯沼气的同时，将分离出的酸性气体加以固定利用，达到以废治废目的的。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种用于沼气膜分离提纯制生物甲烷的装置，将固体废渣磷石膏和沼气中的CO2和H2S同时加以利用，同时达到沼气提纯、废渣资源化利用、联产硫铵和碳酸钙的多重目的。
本实用新型的主要技术方案：用于沼气膜分离提纯制生物甲烷的装置，其特征在于该装置包括气体通道和液体通道；所述气体通道包括依次连接的沼气原料气储罐、一级膜分离器、二级膜分离器、气液分离器、脱水脱氨反应器；所述液体通道包括依次连接的氨吸收反应器、浆料泵、二级膜分离器、一级膜分离器、固液分离器、结晶器；所述一级膜分离器和二级膜分离器中均同时有气体通道和液体通道。
一般地，所述一级膜分离器和二级膜分离器气体通道中的气体和液体通道中的液体以逆流接触方式完成传质过程，一级膜分离器的气相出口与二级膜分离器的气相进口相连，二级膜分离器的液相出口与一级膜分离器的液相进口相连。
所述一级膜分离器和二级膜分离器所采用的膜组件为两级串联，沼气走纤维膜管程，液体浆料走纤维膜壳程。
所述一级膜分离器和二级膜分离器所采用膜组件型式为中空纤维膜，材质为聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜中的一种，膜表面孔径大小为5~10μm。
所述一级膜分离器和二级膜分离器为管壳式，其中气体走纤维膜的管程，磷石膏浆料走膜分离器的壳程。
所述气体通道和液体通道均设有流量调节阀。
所述固液分离器上安装有pH监测装置，通过该pH监测装置实现对液体流量的控制。
所述气液分离器上设有CO2传感器，通过该传感器实现对沼气进气量的控制。
所述固液分离器的底部分出的是固体碳酸钙，液体进入结晶器结晶后得到副产硫铵复合肥，同时水分予以回用。
本实用新型的优点和达到的效果是：采用两级膜分离器将沼气中的酸性气体与氨化后的磷石膏浆料逆流接触传质，将磷石膏转化为可资源化利用的硫铵复合肥及碳酸钙，同时沼气得到提纯。与传统的吸收装置相比，省去了预脱硫步骤，也无需考虑再生问题，操作及运行费用低，操作简单，占地面积小。特别适用于以各种原料发酵生成的沼气的提纯、净化，可制得高纯度的生物甲烷，实现了以废治废的目的。
附图说明
图1是实施例用于沼气膜分离提纯制生物甲烷的装置示意图。
图中，1-沼气原料气储罐，2-一级膜分离器，3-二级膜分离器，4-气液分离器，5-固液分离器，6-结晶器，7-脱水脱氨反应器，8-浆料泵，9-氨吸收反应器，10-CO2传感器，11-pH监测装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细描述。
实施例：用于沼气膜分离提纯制生物甲烷的装置参考附图1，主要包括气体通道和液体通道；所述气体通道包括依次连接的沼气原料气储罐1、一级膜分离器2、二级膜分离器3、气液分离器4、脱水脱氨反应器7；所述液体通道包括依次连接的氨吸收反应器9、浆料泵8、二级膜分离器3、一级膜分离器2、固液分离器5、结晶器6；所述一级膜分离器2和二级膜分离器3中均同时有气体通道和液体通道。
实施例中，一级膜分离器2和二级膜分离器3气体通道中的气体和液体通道中的液体以逆流接触方式完成传质过程，一级膜分离器2的气相出口与二级膜分离器3的气相进口相连，二级膜分离器3的液相出口与一级膜分离器2的液相进口相连。
所述一级膜分离器和二级膜分离器所采用的膜组件为两级串联，沼气走纤维膜管程，液体浆料走纤维膜壳程。
所述一级膜分离器和二级膜分离器所采用膜组件型式为中空纤维膜，材质为聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚砜中的一种，膜表面孔径大小为5~10μm。
所述一级膜分离器和二级膜分离器为管壳式，其中气体走纤维膜的管程，磷石膏浆料走膜分离器的壳程。
所述气体通道和液体通道均设有流量调节阀。
所述固液分离器5上安装有pH监测装置11，通过该pH监测装置实现对液体流量的控制。
所述气液分离器4上设有CO2传感器10，通过该传感器实现对沼气进气量的控制。
实施例运行方式：采用固体废渣磷石膏配制成质量百分浓度为3%~15%的浆料，在氨吸收反应器中将浆料进行氨化处理，控制氨的吸收温度为0~10℃，以保证浆料的氨吸收能力最大。氨化后的磷石膏浆料由浆料泵打入二级膜分离器的壳程进口，同时从一级膜分离器的壳程出口出来，氨化后的磷石膏在二级膜分离器中净化吸收CO2，在一级膜分离器中吸收CO2和少量H2S。出一级膜分离器的磷石膏浆料进入固液分离器，碳酸钙和硫酸铵此时得到充分的沉降分离，固液分离器底部得到碳酸钙，顶部溢流出的硫铵水溶液进入结晶器，在结晶器中水分蒸发后回用，结晶出的硫酸铵直接作为硫铵复合肥使用。
沼气从沼气原料气储罐中引出依次进入一级膜分离器和二级膜分离器，与氨化的磷石膏浆料逆流接触，沼气中的CO2和H2S在一级膜分离器中被大部分脱除，在二级膜分离器中进行CO2深度脱除至达到相应标准。出二级膜分离器的沼气为提纯后的生物甲烷，进入气液分离器分出水分，然后进入脱水脱氨反应器，除去气体中的水分和微量氨，送出界外使用。