生物天然气、沼气等等，一般含有50-70%的甲烷，剩下的气体主要是二氧化碳，这种厌氧发酵产生的气体，是一种给非常好的原料，不管用来做燃气发电、做绿色天然气，还是继续往下游生产氢气、甲醇、合成氨等等。

今天主要介绍两种沼气净化提纯甲烷技术。

VPSA沼气浓缩提纯甲烷技术

VPSA（真空变压吸附）沼气浓缩甲烷技术是一种高效的气体分离工艺，通过压力周期性变化选择性吸附沼气中的杂质（如CO₂、N₂、水蒸气），从而提纯甲烷（CH₄）。

一、技术原理与核心机制

1. 吸附选择性差异
   VPSA利用吸附剂（如沸石分子筛、活性炭、硅胶等）对气体组分的吸附能力差异实现分离：

• CO₂与CH₄分离：CO₂极性更强，在分子筛/硅胶上的吸附量是CH₄的5-10倍，高压下优先被吸附，而CH₄作为产品气输出。
• N₂与CH₄分离：采用分子筛，利用N₂扩散速率快于CH₄的动力学差异实现分离。

2. 压力循环再生

• 吸附阶段：沼气加压至0.4-1.0 MPa，杂质被吸附剂捕获（沼气分离二氧化碳，无需过高的压力，因为二氧化碳本身在低压下i夫能力很强）。
• 解吸阶段：抽真空至-0.05~-0.08 MPa，降低杂质分压实现脱附，吸附剂再生。
• 多塔协同：采用4-6塔并联设计，通过均压步骤提高产品甲烷的收率。

、工艺流程与关键设备

1. 典型流程

• 压缩：原料沼气压力一般较低，只有几十千帕，选用VPSA技术，需要前端增压。（主要耗电设备，电耗大头）
• 预处理：去除H₂S、水分及粉尘（避免吸附剂中毒）。
• VPSA提纯甲烷：使CH₄纯度提升至>99%。

2. 核心设备

• 吸附塔：径向设计降低压损，填充专用吸附剂。
• 真空系统：真空泵实现高效解吸，次要耗电设备。
• 智能控制：PLC动态调节压力、切换时序。

三、技术优势与性能指标

1. 高效性与经济性

• 甲烷回收率：>85%，能耗较低：双重压缩能耗<30%。
• 无需化学试剂：物理吸附无废水排放，CO₂副产品可液化销售（符合食品级标准GB1886.228-2016）。

2. 灵活性与可靠性

• 原料适应性：适用于CH₄浓度20%-60%的沼气、填埋气、煤层气。
• 快速启停：启动时间<30分钟，支持无人值守。

膜分离技术

膜分离技术用于沼气浓缩甲烷，是一种基于气体分子在膜材料中渗透速率差异的高效物理分离方法，可将沼气中的甲烷（CH₄）从50%~70%提纯至95%以上，满足车用燃料或并网标准。

一、技术原理

1. 渗透选择性机制
• 分子扩散差异：CO₂、H₂O等极性分子因分子量小、溶解度高，在膜中的渗透速率远高于CH₄（CO₂/CH₄选择性可达20:1~50:1）。
• 压力驱动分离：沼气加压至10~20 bar后进入膜组件，CO₂优先透过膜成为渗透气，CH₄因渗透慢滞留于高压侧成为产品气（纯度85%~99%）。
• 膜材料关键作用：高性能中控纤维聚合膜，兼具高选择性（CO₂/CH₄>30）和化学稳定性。

二、系统组成与核心设备

1. 预处理系统

• 功能：去除H₂S（<50 ppm）、颗粒物（＜1um）、水蒸气（露点低于工况露点20°以下，需要配置冷干机进行低温冷干，降低露点），防止膜污染或化学损伤。
• 单元：干法脱硫塔（活性炭/氧化铁）、冷干机、精密过滤器。

2. 压缩与膜分离单元

• 压缩机：提升压力至10~20 bar，增强分离驱动力。
• 膜组件：中空纤维膜结构，多级串联（1~3级）以提高回收率和浓缩后甲烷纯度。
• 真空泵（可选）：渗透侧抽真空加速CO₂渗出，减少CH₄损失。

3. 控制系统

• 智能调控：PLC实时监测压力、温度、流量。

三、工艺流程

1. 单级膜分离
   流程：沼气 → 预处理 → 压缩 → 膜分离 → CH₄产品气（纯度85%~90%） + CO₂渗透气（直接排放或回收）。

2. 多级膜串联/循环
   流程（以三级为例）：

• 一级膜：粗分离（CH₄纯度提升至80%~85%）
• 二级膜：渗透气回流至压缩机，滞留气进入三级膜
• 三级膜：产出高纯CH₄（>97%），渗透气富集CO₂用于液化回收。
  优势：甲烷回收率>99%，CO₂纯度>95%可液化销售。

3. 耦合CO₂液化回收
   渗透气经压缩、干燥、制冷（氟利昂系统）液化，获得食品级液态CO₂（符合GB1886.228-2016），实现资源全利用。

四、技术优势

1. 高效环保

• 零化学添加：无胺液/碱液消耗，无废水排放。
• 低甲烷损失：多级设计回收率>99%，远高于PSA法（90%~95%）。

2. 操作灵活

• 模块化扩容：处理量40~5000 Nm³/h，可分段投资（如先单级后升级多级）。

以国际沼气提纯膜巨头公司赢创工业（Evonik）的SEPURAN Green膜为例：

（Evonik）的SEPURAN Green膜

1. 膜材料本质

• 高性能聚合物（High-Performance Polymers）

• 高选择性（CO₂/CH₄ 分离选择性 >30）
• 耐高压、耐温
• 抗腐蚀性（耐受 H₂S 浓度高达 3% ）
• 长寿命（>10 年稳定运行）
• 关键特性：

• 结构形式
  膜为中空纤维（Hollow Fibre）结构，封装在不锈钢压力容器中形成膜组件（Module）。

2. 技术原理

• 选择性渗透（Selective Permeation）
• 溶解度（在膜材料中的溶解能力）
• 分子尺寸（扩散速率）
• 气体通过膜的速度取决于：
• CO₂ 比 CH₄ 渗透更快（因分子更小、溶解度更高），实现高效分离。
• 驱动力：膜两侧的分压差（Partial Pressure Gradient）。

3. 核心优势

• 高效低能耗
• 回收率 >99%，甲烷纯度高达 99%。
• 仅需单级压缩，能耗降低 30-40%。
• 专利三级膜分离工艺（3-Stage Process）：
• 二级工艺（2-Stage）：适用于成本敏感场景，甲烷损失 <2%。
• 环境友好
• 无需水/吸附剂，无二次污染。
• 模块化灵活扩展
• 提供 4"/6" 直径膜组件（GSX 最新一代），适配小型农场至工业级项目。

4. 应用场景

• 沼气升级为可再生天然气（RNG）
  原料包括：
• 粪肥（Manure）、有机废物（Organic Waste）
• 污水污泥（Sewage Sludge）、垃圾填埋气（Landfill Gas）
• 终端产品
• 生物液化天然气（Bio-LNG）
• 生物压缩天然气（Bio-CNG）
• 工业用绿色燃气或并入天然气管网。
• 副产品 Bio-CO₂ 利用
• 温室农业、食品工业、甲烷化（合成 CH₄）。