CN115960643A

CN115960643A - 沼气提纯设备和工艺

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Publication number: CN115960643A
Application number: CN202211245348.8A
Authority: CN
Inventors: D·E·亨利
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2023-04-14
Also published as: US11998872B2; US20230114525A1; BR102022020484A2; IL297233A; CA3177579A1; EP4166217A1

Abstract

沼气提纯系统可以包括多阶段膜系统，其被配置成去除氧气，使得沼气被提纯为具有更高浓度的甲烷、预选的氧气(O₂)浓度(例如，小于或等于0.2摩尔％等)和预选的二氧化碳(CO₂)浓度(例如，小于或等于5摩尔％等)。膜系统可配置成通过利用在预定范围(例如，小于5或小于4.5)内的低CO₂/O₂选择性来排斥O₂。在一些实施例中，从系统输出的提纯沼气可以完全由甲烷、二氧化碳和氧气构成。在其他实施例中，沼气可以几乎完全由这些组分以及少量的氮气和痕量(例如，小于或等于0.2％‑0.1％等)的其他组分构成。

Description

沼气提纯设备和工艺

技术领域

本创新涉及沼气提纯系统、可用于此类系统的膜布置和设备，以及制造和使用它们的工艺。

背景技术

原始沼气可以提纯为更高纯度的甲烷流以供下游使用(例如，注入管道，用于热电联产厂(CHP)等)。沼气常常被净化，使得沼气的主要组分是甲烷。

沼气通常被定义为有机废物厌氧消化的产物。有机废物厌氧消化产生的沼气可常常含有甲烷、二氧化碳、氮气、氧气、硫化氢和硅氧烷。捕获和提纯沼气可有助于减少温室气体排放并创造可出售的可再生能源。

可用于处理原始沼气以获得高纯度甲烷的系统的示例可从美国专利第9,050,553号和第8,999,038号、美国专利申请公开第2011/0094378号、国际公开第WO2006/069868号和EP 1 634 946了解。

用于帮助提纯沼气的传统净化方法包括水洗、胺洗涤、催化系统或变压吸附(PSA)以去除二氧化碳和其他污染物。PSA工艺的建造和操作昂贵。催化系统的操作也常常是昂贵的，因为它们利用消耗性元素(例如，可能中毒的催化剂材料)并产生必须在下游去除的不需要的副产物(例如，水)。

发明内容

需要新系统来提纯沼气，以便其更容易用于下游操作(例如，提供给管道、在CHP系统中使用等)。在一些实施例中，沼气可以称为生物甲烷气体、垃圾填埋气或生物燃料。在一些实施例中，多阶段膜系统可用于处理来自沼气系统的沼气以增加甲烷浓度，同时还从沼气中去除氧气和二氧化碳，从而使从膜系统输出的提纯沼气内的氧气和二氧化碳在预选的氧气和二氧化碳浓度内，其中氧气浓度小于或等于提纯沼气输出流的0.2％。在此类实施例中，提纯沼气输出流中的预选的二氧化碳浓度可以小于2％。优选地，系统的实施例可以被配置成避免使用PSA并且还避免使用催化系统来从提纯沼气中去除氧气。氧气在本文中也可以称为O₂，二氧化碳在本文中也可以称为CO₂，并且甲烷在本文中也可以称为CH₄。

例如，在一些实施例中，沼气提纯系统可以包括多阶段膜系统，其被配置成去除氧气，使得沼气被提纯为具有处于预选的甲烷浓度(例如，94％、大于或等于94％、96％、大于或等于96％、大于97％、大于或等于97％、大于或等于99.5％等)的较高甲烷浓度、预选的氧浓度(例如，小于1％、小于0.2％、或小于或等于0.2％)和预选的二氧化碳浓度(例如，小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于0.5％等)。本文讨论的浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。

在一些实施例中，膜系统可以包括多个阶段，该多个阶段各自包括至少一个膜，该膜可以被配置成通过利用在预定范围(例如，小于5.0或小于4.5等)内的低CO₂/O₂选择性来排斥O₂以形成提纯的甲烷输出流。在一些实施例中，从系统输出的提纯沼气可以完全由甲烷、CO₂和O₂构成。在其他实施例中，沼气可以几乎完全由这些组分以及少量(例如，小于5％-1％)的氮气和/或痕量(例如，小于0.2％-0.1％等)的其他组分(例如，硫化氢等)构成。

例如，沼气提纯系统的一些实施例可以包括多阶段膜系统，其被配置成去除氧气和二氧化碳，使得沼气被提纯为具有更高浓度的甲烷(例如，至少95％的甲烷、至少97％的甲烷、至少99.5％的甲烷等)以及处于或低于预选氧气浓度(例如，小于3％、小于1％、最多0.2％或小于0.2％)的氧气水平同时保持高水平的甲烷回收率(例如，大于90％的甲烷回收率、大于95％的甲烷回收率、在95％和98％之间的甲烷回收率、在98％和99.5％之间的甲烷回收率等)，其中回收率定义为产物流中的甲烷与进料流中的甲烷之比。从提纯系统输出的沼气还可以包含在预选的组成范围(例如，最多5％、小于2％、小于或等于2％、0.5％、小于或等于0.5％等)内的二氧化碳。在膜系统的每个阶段中使用的一个或多个膜可以被配置成具有小于5或小于4.5的CO₂/O₂选择性。

在一些实施例中，膜系统可以被配置成使得氧气排斥因子(例如，进料内O₂的摩尔浓度与从膜系统输出的提纯沼气内O₂的摩尔浓度的比率，摩尔％O₂进料/摩尔％O₂输出在预定范围(例如，大于5，大于1.0，大于0.75，在1.0和1.25之间、在0.75和1.25之间、在0.77至1.22范围内，在0.8和1.2之间，在0.7至1.3范围内、在0.9至1.5范围内或在0.9至2.2范围内等)内。

在第一方面，一种用于经由去除氧气(O₂)和二氧化碳(CO₂)来净化沼气进料流的工艺可以包括将所述沼气进料流提供给膜系统的第一阶段以产生第一阶段非渗透流和第一阶段渗透流。第一阶段非渗透流可以由甲烷、O₂和CO₂构成，使得第一阶段非渗透流具有比第一阶段渗透流更低的CO₂浓度。第一阶段渗透流可以由甲烷、O₂和CO₂构成，并且可以具有比第一阶段非渗透流更低的甲烷浓度。该工艺还可以包括将第一阶段非渗透流供应到膜系统的第二阶段以产生第二阶段非渗透流和第二阶段渗透流。第二阶段非渗透流可包含至少90摩尔％的甲烷和小于1摩尔％的O₂。第二阶段渗透流的CO₂含量可大于第二阶段非渗透流的CO₂含量。

该工艺的实施例还可以包括将第一阶段渗透流供应到膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流，并提供第三阶段非渗透流以形成再循环流以用于将第三阶段非渗透流进料到第一阶段或压缩机系统。例如，执行的再循环可包括在将再循环流进料到压缩机系统以经历压缩至预选压力之前将第三阶段非渗透流与第二阶段渗透流混合以形成再循环流。在一些方面，该工艺还可以包括在将沼气进料流进料到压缩机系统之前将再循环流与沼气进料流混合，所述压缩机系统在膜系统的上游。

用于净化沼气进料流的工艺的一个方面还可以包括将第一阶段渗透流供应到膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流。第一阶段的至少一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间、或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值，并且第三阶段的至少一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间、或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。在一些实施例中，第一阶段的至少一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间、或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。在该工艺的一些方面，第一阶段的每一个膜、第二阶段的每一个膜和/或第三阶段的每一个膜具有小于5、小于4.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

可以执行该工艺的实施例，使得氧气减少因子大于1.0或在1.0和1.25之间。氧气减少因子可以是沼气进料流内O₂的摩尔浓度与第二阶段非渗透流内O₂的摩尔浓度的比率。

可以执行该工艺的实施例，使得第二阶段非渗透流是提纯沼气输出流，其具有至少95摩尔％甲烷(例如，95摩尔％-100摩尔％)、至少98摩尔％甲烷(例如，98摩尔％-100摩尔％)或至少99.5摩尔％甲烷(例如(例如，99.5摩尔％-100摩尔％)的甲烷含量。

在该工艺的一些实施例中，第二阶段非渗透流具有小于0.2摩尔％的O₂。在该工艺的其他实施例中，第二阶段非渗透流具有小于或等于0.2摩尔％的O₂并且具有大于或等于0.05摩尔％的O₂。在该工艺的其他实施例中，第二阶段非渗透流具有小于或等于0.2摩尔％的O₂并且具有大于或等于0.1摩尔％的O₂。在此类实施例中，第二阶段非渗透流的CO₂浓度可以小于或等于2摩尔％CO₂，小于或等于5摩尔％CO₂，或在不同的预选CO₂浓度范围内。

还提供了沼气提纯系统的实施例。实施例可以被布置和配置以执行用于净化沼气进料流的工艺的实施例。沼气提纯系统的实施例可以包括膜系统，该膜系统被配置成接收从沼气系统输出的沼气进料流。膜系统可以包括第一阶段，该第一阶段定位和配置成接收沼气进料流以产生第一阶段非渗透流和第一阶段渗透流。第一阶段非渗透流可以由甲烷、O₂和CO₂构成，使得第一阶段非渗透流具有比第一阶段渗透流更低的CO₂浓度。第一阶段渗透流可以由甲烷、O₂和CO₂构成，并且具有比第一阶段非渗透流更低的甲烷浓度。第二阶段可以连接到第一阶段以接收第一阶段非渗透流以产生第二阶段非渗透流和第二阶段渗透流。第二阶段非渗透流可以包含至少90摩尔％的甲烷和小于1摩尔％的O₂。第二阶段渗透流的CO₂含量可大于第二阶段非渗透流的CO₂含量。

沼气提纯系统的实施例可以配置成使得膜系统还包括连接到第一阶段以接收第一阶段渗透流并产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流的第三阶段。第三阶段可以连接到再循环导管，使得第三阶段非渗透流可通过再循环导管到达膜系统第一阶段的上游位置。

例如，沼气提纯系统的一些实施例可以包括定位在第一阶段上游的压缩机系统，以在将沼气进料流进料到第一阶段之前压缩沼气进料流。第三阶段可连接到再循环导管，使得第三阶段非渗透流可通过再循环导管到达压缩机系统，而不使用另一个压缩机系统。再循环导管配置成在将再循环流进料到压缩机系统以经历压缩至预选压力之前将第三阶段非渗透流与第二阶段渗透流混合以形成再循环流。

对于沼气提纯系统的实施例，第二阶段非渗透流可以具有小于0.2摩尔％的O₂，或者可以具有小于或等于0.2摩尔％的O₂并且具有大于或等于0.05摩尔％的O₂。在该系统的其他实施例中，第二阶段非渗透流可以具有小于或等于0.2摩尔％的O₂并且具有大于或等于0.1摩尔％的O₂或具有在涉及小于1摩尔％O₂或小于或等于0.2摩尔％O₂的氧气浓度的不同范围内的另一预选氧气含量。在此类实施例中，第二阶段非渗透流的CO₂浓度可以小于或等于2摩尔％CO₂，小于或等于5摩尔％CO₂，或在不同的预选CO₂浓度范围内。

在一些实施例中，第一阶段的至少一个膜、第二阶段的至少一个膜和/或第三阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。例如，沼气提纯系统的实施例可以配置成使得第一阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。作为另一个实例，第一阶段的每一个膜、第二阶段的每一个膜和/或第三阶段的每一个膜可以具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

沼气提纯系统的实施例可以配置成使得氧气减少因子大于1.0或在1.0和1.25之间。氧气减少因子可以是沼气进料流内O₂的摩尔浓度与第二阶段非渗透流内O₂的摩尔浓度的比率。

沼气提纯系统的实施例可以配置成使得第二阶段非渗透流是提纯沼气输出流，其具有至少95摩尔％甲烷(例如，95摩尔％-100摩尔％)、至少98摩尔％甲烷(例如，98摩尔％-100摩尔％)，或至少99.5摩尔％甲烷(例如(例如，99.5摩尔％-100摩尔％)的甲烷含量。一些实施例可以设计为提供大于95％甲烷、大于98甲烷，或大于99％甲烷的回收率。

沼气提纯系统的实施例可以包括沼气系统。沼气系统可以包括至少一个形成沼气进料流的消化器(例如，厌氧消化器)和至少一个沼气清洁装置，其定位成在将沼气进料流进料到膜系统的第一阶段之前处理沼气进料流。沼气系统可以定位成将沼气进料流进料到压缩机系统，以将压缩沼气进料流进料到膜系统的第一阶段。膜系统也可以包括如本文所讨论的第二阶段和第三阶段。

随着以下对其某些示例性实施例的描述的进行，沼气提纯系统、可用于此类系统的膜布置和设备，以及制造和使用它们的工艺的其他细节、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

沼气提纯系统的示例性实施例、可用于此类系统的膜布置和设备，以及制造和使用它们的工艺在随附的图中示出。应当理解，图中使用的相同参考符号可以标识相同的组件。

图1是沼气提纯系统的第一示例性实施例的框图。

图2是可用于沼气提纯系统的第一示例性实施例的示例性多阶段膜系统的第一示例性实施例的示意图。应当理解，以虚线示出的压缩机系统11和压缩进料冷却器HX可以包括在膜系统3的实施例中，或者可以是位于沼气系统2和膜系统3之间的单独组件，或者是沼气系统2的一部分，其布置成在将进料流进料到膜系统3之前压缩沼气进料流2o并随后冷却该压缩进料流。

图3是利用具有单阶段膜布置、两阶段膜布置和三阶段膜布置的系统说明甲烷回收率水平(x轴，以百分比％表示)与氧气排斥因子(例如，进料中的摩尔％O₂/沼气输出中的摩尔％O₂)关系的图。

图4是说明当将示例性沼气提纯系统1的实施例用于提纯的沼气输出流3o时，氧气排斥因子(进料中的摩尔％O₂/沼气输出中的摩尔％O₂)和CO₂/O₂选择性之间的关系的图，所述提纯的沼气输出流3o具有第一规定甲烷浓度内的甲烷，小于或等于0.5％的第一规定CO₂浓度内的CO₂，以及小于或等于0.2％的第一规定O₂浓度内的O₂

具体实施方式

参考图1至2，沼气提纯系统1可以配置成接收来自沼气系统2的沼气进料流2o。沼气系统可以包括处理农场废物、能源作物或其他沼气生产材料(例如，可生物降解废物、污水污泥、食物垃圾等)的消化器2a以形成沼气进料流2o。例如，消化器2a可以是厌氧消化器。

沼气进料流2o可以包括甲烷以及其他组分，诸如例如氮气、二氧化碳、氧气、硅氧烷和硫化氢。可以将沼气进料流2o进料到膜系统3以提高沼气内甲烷的纯度，使得提纯的沼气输出流3o可进料到管道4或其他下游装置(例如，CHP等)。可以定位至少一个进料导管以将沼气进料流2o从沼气系统2引导到膜系统3。膜系统3可以是多阶段膜系统3。

在一些实施例中，沼气系统2可以被配置成在将从消化器2a输出的沼气进料到膜系统3之前清洁该沼气以形成沼气进料流2o，使得进料到膜系统的沼气进料流2o由甲烷、氧气和二氧化碳组成或基本上由甲烷、氧气和二氧化碳组成，同时还含有少量氮气(例如，最多5％的氮气、最多2％的氮气等)和痕量的其他组分(例如，水、硫化氢、硅氧烷等中的一种或多种)。在此类实施例中，其他组分的痕量可以为具有此类痕量组分的一些实施例中沼气进料流的总组成的小于0.5％、小于0.2％或小于0.1％。

例如，可以将从消化器2a输出的沼气进料到至少一个沼气清洁装置2b，使得沼气被清洁以去除所有或基本上所有硅氧烷、硫化氢和/或其他组分以形成沼气进料流2o。至少一个沼气清洁装置2b可以包括定位在膜系统3和消化器2a之间的一个或多个沼气清洁装置2b(例如，聚结过滤器、一个或多个吸附系统或其他沼气调节装置等)的布置以在将沼气进料流2o进料到膜系统3之前清洁沼气，该膜系统被配置成将沼气的甲烷浓度提高到预选的较高浓度。

沼气清洁导管可定位成将来自消化器2a的沼气进料到至少一个沼气清洁装置2b以及不同沼气清洁装置2b之间。可以存在定位在最下游的沼气清洁装置和压缩机系统11之间的沼气进料导管。沼气膜系统进料导管可以定位成将从压缩系统11输出的压缩沼气进料流11o进料到膜系统3的第一阶段13。

从沼气系统2输出的沼气进料流2o可以包括处于第一原始沼气进料甲烷浓度的甲烷、处于第一原始沼气二氧化碳进料浓度的二氧化碳和处于第一原始沼气进料氧气浓度的氧气。在一些实施例中，第一原始沼气进料甲烷浓度可以在30％-80％甲烷(例如，40％、50％、60％、70％或75％甲烷等)的范围内，第一原始沼气二氧化碳进料浓度可以在20％-70％(例如25％、30％、40％、50％、60％、70％等)的范围内，并且第一原始沼气进料氧气浓度可以在小于0.2％至小于或等于2％(例如，小于0.3％、小于0.4％、小于1％、小于1.5％、最多2％等)的范围内。如上所述，应理解本文讨论的浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。

如上所讨论的，从沼气系统2输出的沼气进料流2o可以进料到膜系统3。膜系统3可以是被构造为多阶段膜系统的膜布置，该多阶段膜系统被配置成去除氧气和二氧化碳，使得沼气被提纯以形成提纯的沼气输出流3o，其具有较高浓度的甲烷(CH₄)和处于或低于预选O₂浓度的氧气(O₂)水平以及处于或低于预选CO₂浓度的二氧化碳(CO₂)浓度。例如，输出的提纯沼气可以包括在预选组成范围(例如，最多5％、小于2％、小于或等于2％、小于1％、小于0.5％、小于或等于0.5％、小于0.1％等)内的CO₂和在预选组成范围(例如，最多1％、小于1％、最多0.3％、小于0.3％、最多0.2％、或小于0.2％等)内的O₂。在一些实施例中，提纯的沼气输出流3o可以由或基本上由以下组成：在预选CH₄组成范围(例如，大于或等于94％CH₄、大于或等于95％CH₄、大于或等于98％CH₄、大于或等于99.5％CH₄等)内的CH₄、在预选组成范围(例如，最多5％、小于2％、小于或等于2％、0.5％、小于或等于0.5％等)内的CO₂和在预选组成范围(例如，0.2％或小于0.2％或小于或等于0.2％等)内的O₂。如上所述，应理解本文讨论的浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。

在膜系统3的每一阶段中可以使用至少一个膜，其以在预定范围(例如，小于5、小于4.5、在5.0和3.0之间、在4.5和3.4之间等)内的CO₂/O₂选择性操作。例如，膜系统3的每一阶段可以包括单个膜或者可以利用串联布置或并联布置的多个膜。膜系统3可以配置成使得氧气排斥因子(例如，沼气进料2o内的O₂浓度与来自膜系统的提纯沼气输出3o内的O₂浓度的比率，％O₂进料/％O₂输出)在预定范围(例如，大于5、大于1.0、大于0.75、在0.75和1.25之间、在0.77至1.22的范围内、在0.8和1.2之间、在0.7至1.3的范围内、在0.9至1.5的范围内或在0.9至2.2的范围内等)内

从图2可以理解膜系统3的实例。应该理解，图2中虚线所示的压缩机系统11和压缩进料冷却器HX可以包括在膜系统3的实施例中，可以是位于沼气系统2和膜系统3之间的单独组件，或者是沼气系统2的一部分。膜系统3的上游还可以存在其他组件。例如，液体去除装置和再热器可以定位于进料冷却器HX和膜系统3之间以在将冷却的进料进料到膜系统3之前从其中去除液体，并且随后再加热干燥的进料。这些组件可以是沼气系统2的一部分或膜系统3的一部分。

当压缩机系统11和压缩进料冷却器HX包括在沼气系统2中，布置在沼气系统2和膜系统3之间，或者包括在膜系统3中时，这些组件可以布置成使得压缩机系统11在将进料流进料到膜系统3之前压缩沼气进料流2o并随后冷却该压缩进料流。导管可以定位于压缩机系统11和压缩进料冷却器HX和压缩进料冷却器HX和膜系统3的第一阶段13之间，以将压缩沼气在被冷却到预选温度范围内的所需预选温度之后从压缩机系统11引导到膜系统3的第一阶段13。

例如，压缩机系统11可以定位成接收来自至少一个沼气清洁装置2b的沼气进料流2o以将沼气进料流2o压缩到在预选压力范围内的预选压力，从而输出压缩沼气进料流11o。预选压力可以是例如14barg(巴表压)、10barg、15barg或10barg-15barg、10barg-16barg、5barg-15barg、5barg-20barg、5barg-25barg范围内的压力，并且预选压力范围可以是10bar-15bar、5bar-15bar或5bar-20bar或其他预选压力范围的压力范围。在一些实施例中，压缩系统11可以配置为单阶段压缩机、多阶段压缩机或一系列压缩机。

然后可以使压缩沼气进料流11o通过至少一个压缩进料冷却器HX以冷却到预选温度范围内的预选温度。预选温度可以是例如20℃、25℃、30℃或者是15℃-25℃、10℃-30℃或0℃-65℃范围内的温度，并且预选温度范围可以是以下温度范围：15℃-25℃、10℃-30℃、5℃-40℃、0℃-50℃、0℃-65℃或其他预选温度范围。在其他实施例中，可以不利用进料冷却器HX(例如，其中压缩沼气进料流2o可以在不需要冷却或在冷却之后处于期望的预选温度范围内的实施例)。在此类实施例中，压缩沼气进料流11o可以经由压缩的沼气进料导管直接进料到膜系统3的第一阶段13。

膜系统3的第一阶段13可包括至少一个其中保持一个或多个膜以用于流体分离的膜容器，该膜容器包括单个膜容器或并联或串联布置的多个膜容器。第一阶段13可以流体连接到膜系统3的第二阶段15和第三阶段17。阶段导管可以定位成将第一阶段13连接到第二阶段15和第三阶段17以在这些阶段之间引导流体。

第二阶段15可以包括至少一个其中保持一个或多个膜以用于流体分离的膜容器，该膜容器包括单个膜容器或并联或串联布置的多个膜容器。阶段导管可以定位成将第二阶段15连接到第一阶段13和第三阶段17以在这些阶段之间引导流体。

第三阶段17可以包括至少一个其中保持一个或多个膜以用于流体分离的膜容器，该膜容器包括单个膜容器或并联或串联布置的多个膜容器。可以定位再循环阶段导管以将第三阶段17连接到压缩机系统11(例如，压缩机系统11的上游以用于进料到压缩机系统11、到压缩机系统的特定压缩机阶段等)。输出导管也可以连接到第三阶段17以引导待从第三阶段作为排气输出的流体或将该流体输送到工厂内的另一单元以供在其中使用(例如，作为冷却或加热介质用于热交换器等)。

第一阶段13可以包括至少一个膜，该膜被设计成使得压缩沼气进料进入第一阶段13并接触第一阶段的容器内的膜结构。膜系统3的第一阶段13可以包括单个膜或者可以利用串联布置或并联布置的多个膜。每个膜可以被构成使得沼气进料的CO₂组分快速通过膜结构以作为第一阶段渗透气流13p或第一阶段快速气流输出，同时沼气进料的甲烷组分以显著较慢的速度通过膜结构，使得可以将大部分CO₂与进料到第一阶段13的沼气内的甲烷分离，并且可以将进料到第一阶段13的沼气流内的大部分甲烷输出为第一阶段非渗透流13np。第一阶段13的膜可以被定位和构成使得进料到第一阶段13的沼气内的O₂在第一阶段13的操作条件(例如，在还包括沼气的大部分CO₂的第一阶段渗透气流13p内)下也基本通过膜结构。

例如，从第一阶段13输出的第一阶段渗透气流13p可以主要由CO₂构成并且还可以在其中包含一些甲烷和一些O₂。例如，第一阶段渗透气流13p可以包含处于在60％-99％CO₂、60％-95％CO₂、60％-80％CO₂、80％-90％CO₂、70％-99％CO₂、70％-97％CO₂、75％-95％CO₂、80％-95％CO₂或85％-95％CO₂范围内的第一阶段CO₂渗透气流浓度的CO₂。第一阶段渗透气流13p可以包括在0.2％-6％O₂、0.1％-5％O₂、0.2％-4％O₂、0.2％-2％O₂、0.2％-0.4％O₂或0.3％-0.35％O₂范围内的第一阶段O₂渗透气流浓度。第一阶段渗透气流13p还可以包括第一阶段甲烷渗透气流浓度作为渗透气流的剩余部分。例如，第一阶段渗透气流13p还可以包括在1％-40％CH₄、3％-30％CH₄、5％-25％CH₄、5％-20％CH₄、5％-40％CH₄、10％-20％CH₄、5％-15％CH₄或5％-30％CH₄的范围内的第一阶段甲烷渗透气流浓度。如前所述，应当理解，本文讨论的这些示例性浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。第一阶段渗透压力可以保持于在1.5至15、1.5至10、2至10或3至7范围内的进料与渗透压力比。进料与渗透压力比可以是进料压力(P_f)/渗透压力(P_p)的比率P_f/P_p，其中P_f和P_p是膜任一侧的进料压力和渗透压力，以绝对压力而不是表压表示(例如，第一阶段13的P_f/P_p比可以是[压缩沼气进料流11o的压力]/[第一阶段渗透气流13p的压力])。

第一阶段非渗透气流13np可以主要由甲烷构成并且还可以在其中包括一些CO₂和一些O₂。例如，第一阶段非渗透气流13np可以包括处于在50％-95％CH₄、80％-90％CH₄、60％-80％CH₄、60％-90％CH₄、65％-90％CH₄、70％-85％CH₄、75％-85％CH₄或70％-95％CH₄范围内的第一阶段甲烷非渗透气流浓度的甲烷。第一阶段非渗透气流13np可以包括在0.2％-5％O₂、0.1％-5％O₂、0.1％-4％O₂、0.2％-4％O₂、0.2％-2％O₂、0.1％-0.4％O₂、0.2％-0.5％O₂、0.3％-0.35％O₂或0.2％-0.4％O₂范围内的第一阶段O₂非渗透气流浓度。第一阶段非渗透气流13np还可以包括作为非渗透气流的剩余部分的第一阶段CO₂非渗透气流浓度。例如，第一阶段非渗透气流13np还可以包括在5％-50％CO₂、5％-40％CO₂、10％-40％CO₂、10％-35％CO₂、15％-20％CO₂、0％-25％CO₂、10％-30％CO₂、10％-20％CO₂或15％-30％CO₂范围内的第一阶段CO₂非渗透气流浓度。如前所述，应当理解，本文讨论的这些示例性浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。从第一阶段13输出的第一阶段非渗透气流13np流的压力可以与进料到第一阶段13的进料的进料压力(例如，压缩沼气进料流11o的压力)几乎相同。

第一阶段非渗透流13np可以经由定位于第一阶段和第二阶段之间的第一阶段非渗透流导管进料到膜系统3的第二阶段15。第二阶段15可以包括至少一个膜(例如，可以包括单个膜或者可以利用串联布置或并联布置的多个膜)。第二阶段15的膜可以配置成使得第一阶段非渗透流13np进入第二阶段15并接触第二阶段15的容器内的膜结构。膜可以被构成使得第一阶段非渗透流13p的CO₂组分快速通过膜结构以作为第二阶段渗透气流15p或快速气流输出，同时进料到第二阶段15的第一阶段非渗透流13np的甲烷组分以显著较慢的速度通过膜结构，使得大部分CO₂可以与进料到第二阶段15的气体内的甲烷分离，并且进料到第二阶段15的第一阶段非渗透流13np内的大部分甲烷可以作为第二阶段非渗透流15o输出。

第二阶段15的一个或多个膜可以被构成使得进料到第二阶段15的第一阶段非渗透流13np内的O₂也通过膜结构(例如，在“快速气体”流内，或在还包括第一阶段非渗透流13np内的大部分CO₂的第二阶段渗透气流15p内)。第二阶段渗透压力可以保持于在1.5至100、1.5至50、至30或5至20范围内的进料与渗透压力比。如上所述，进料与渗透压力比可以是进料压力(P_f)/渗透压力(P_p)的比率P_f/P_p，其中P_f和P_p是膜任一侧的进料压力和渗透压力，以绝对压力而不是表压表示(例如，第二阶段15的P_f/P_p比可以是[第一阶段非渗透流13np的压力]/[第二阶段渗透气流15p的压力])。

从第二阶段15输出的第二阶段渗透气流15p可以主要由CO₂构成，并且也可以在其中包括一些甲烷和O₂。例如，第二阶段渗透气流15p可以包括处于30％-80％CO₂、40％-70％CO₂、45％-65％CO₂、50％-85％CO₂、55％-75％CO₂或60％-80％CO₂的第二阶段CO₂渗透气流浓度的CO₂。第二阶段渗透气流15p可以包括在最多6％O₂、最多5％O₂、0.2-1.0％O₂、0.2-5.0％O₂、0.5-3.0％O₂或0.45％-0.85％O₂范围内的第二阶段O₂渗透气流浓度。第二阶段渗透气流15p还可以包括作为渗透气流的剩余部分的第二阶段甲烷渗透气流浓度。例如，第二阶段渗透气流15p还可以包括在20％-70％CH₄、30％-60％CH₄、35％-55％CH₄、15％-50％CH₄、20％-40％CH₄、25％-45％CH₄或15％-20％CH₄范围内的第二阶段甲烷渗透气流浓度。如前所述，应当理解，本文讨论的这些示例性浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。第二阶段渗透气流15p可以从第二阶段15输出，使得其可以包括在再循环流19中，该再循环流被再循环回压缩机系统11以与沼气进料流2o合并并通过膜系统3返回以增强从第二阶段15输出的甲烷的回收。第二阶段渗透气流15p可以在高于大气压、接近大气压或低于大气压的压力下回收，并且可以通过真空泵或压缩机。

从第二阶段15输出的第二阶段非渗透气流15o可以主要由甲烷构成并且还可以在其中包含一些CO₂和O₂。例如，第二阶段非渗透气流15o可以包含处于90％-99.8％CH₄、95％-99.5％CH₄、95％-99.8％CH₄或97％-99.8％CH₄的第二阶段甲烷非渗透气流浓度的甲烷。作为其他实例，第二阶段非渗透气流15o可以包含处于大于94％CH₄、大于95％CH₄、大于98％CH₄、大于99％CH₄或大于99.5％CH₄的第二阶段甲烷非渗透气流浓度的甲烷。第二阶段非渗透气流15o可以包括最多1％O₂(例如，在0％和1.0％之间的O₂)或在小于或等于0.2％O₂、0.1-0.2％O₂、0.05％-0.20％O₂或小于1％O₂范围内的第二阶段O₂非渗透气流浓度。第二阶段非渗透气流15o还可以包括作为非渗透气流15o的剩余部分的第二阶段CO₂非渗透气流浓度。例如，第二阶段非渗透气流15o也可以包括在最多10％CO₂、最多5％CO₂、最多2％CO₂、小于2％CO₂、小于1％CO₂、最多0.5％CO₂、小于0.5％CO₂、小于0.1％CO₂或最多0.1％CO₂范围内的第二阶段CO₂非渗透气流浓度。如前所述，应当理解，本文讨论的这些示例性浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。从第二阶段15输出的非渗透气流15o流可以与进料到第二阶段15的进料流的进料压力(例如，进料到第二阶段15的第一阶段非渗透流13np的压力)几乎相同。

第二阶段非渗透气流15o可以是膜系统输出流3o，其提供主要由甲烷构成并适合注入甲烷气体管道4(例如，天然气管道)的产物气体。第二阶段非渗透气流15o可以是膜系统输出流3o，其也或替代地用于输出到CHP和/或甲烷储存容器以供随后运输、销售和/或使用。

膜系统3的第三阶段17可以经由定位于第一阶段13和第三阶段17之间的第一阶段渗透流进料导管接收从第一阶段13输出的渗透气流13p。可以提供第一阶段渗透流13p到第三阶段17的进料，使得第一阶段渗透流在被进料到第三阶段17之前不经历任何压缩或其他压力增加。第三阶段渗透压力可保持于在1.5至15、1.5至10、2至10或3至7的范围内的进料与渗透压力比。如上所述，渗透压力比可以是进料压力(P_f)/渗透压力(P_p)的比率P_f/P_p，其中P_f和P_p是膜任一侧的进料压力和渗透压力，以绝对压力而不是表压表示(例如，第三阶段17的P_f/P_p比可以是[第一阶段渗透流13p的压力]/[第三阶段渗透气流17o的压力])。

第三阶段17可以包括至少一个膜(例如，第三阶段17可以包括单个膜或者可以利用串联布置或并联布置的多个膜)。第三阶段17的至少一个膜可以配置成使得第一阶段渗透流13p进入第三阶段17并接触第三阶段17的容器内的膜结构。膜可以被构成使得第一阶段渗透流13p的CO₂组分快速通过膜结构以作为第三阶段渗透气流17o或快速气流输出，同时进料到第三阶段17的第一阶段渗透流13p的甲烷组分以显著较慢的速度通过膜结构，使得大部分CO₂可以与进料到第三阶段17的气体内的甲烷分离，并且进料到第三阶段17的第一阶段渗透流13p内的大部分甲烷可以作为第三阶段非渗透流17np输出，从而通过并入再循环流19以经由再循环导管19a进料到压缩机系统11来再循环回压缩机系统11。再循环流19可以在经历压缩之前与沼气进料流2o混合，或者可以经由再循环流导管19a的压缩机再循环进料导管19b单独进料到压缩机系统11，如图2中虚线所示。

在一些实施例中，第二阶段渗透气流15p可以与第三阶段非渗透流17np混合以形成再循环流19，该再循环流经由再循环导管19a再循环到压缩机系统11。在其他实施例中，这些流可以经由单独的再循环流导管单独再循环回压缩机系统11(例如，直接再循环到压缩机系统11或再循环到压缩机系统上游的位置以用于进料到压缩机系统11)。

第三阶段17的膜可以被构成使得进料到第三阶段15的第一阶段渗透流13p内的O₂也通过膜结构(例如，在“快速气体”流内或在还包括第一阶段渗透流13p内的大部分CO₂的第三阶段渗透气流17o内)。

从第三阶段17输出的第三阶段渗透气流17o可以主要由CO₂构成，并且还可以在其中包括一些甲烷和O₂。例如，第三阶段渗透气流17o可以包含处于85％-99.9％CO₂、85％-99.5％CO₂、90％-99.9％CO₂、95％-99.5％CO₂或95％-99.9％CO₂的第三阶段CO₂渗透气流浓度的CO₂。第三阶段渗透气流17o可以包括在小于或等于5％O₂、小于或等于4％O₂、小于或等于2％O₂、0.1％-0.4％O₂或0.1％-1.0％O₂范围内的第三阶段O₂渗透气流浓度。第三阶段渗透气流17o还可以包括作为进料到第三阶段17的渗透气流的剩余部分的第三阶段甲烷渗透气流浓度。例如，第三阶段渗透气流17o还可以包括在小于或等于15％CH₄、小于或等于6％CH₄、小于或等于5％CH₄或小于或等于1.0％CH₄范围内的第三阶段甲烷渗透气流浓度。如前所述，应当理解，本文讨论的这些示例性浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。第三阶段渗透气流17o可以在高于大气压、接近大气压或低于大气压的压力下回收，并且可以通过真空泵或压缩机。

第三阶段渗透气流17o可以从第三阶段17输出，使得其可以排放到环境中(例如，作为废气输出)。在其他实施例中，第三阶段渗透气流17o可被进料到碳捕获系统或输出以用于提供CO₂气体源或工艺流以供工厂的另一用途(例如，用作烟道气、用作在从工厂输出或储存在容器中之前用于一个或多个热交换器的工艺流等)。

从第三阶段17输出的第三阶段非渗透气流17np可以主要由甲烷构成并且还可以在其中包含一些CO₂和O₂。例如，第三阶段非渗透气流17np可以包含处于25％-95％CH₄、30％-90％CH₄、30％-80％CH₄或30％-50％CH₄的第三阶段甲烷非渗透气流浓度的甲烷。第三阶段非渗透气流17np可以包括在0.2％-7％O₂、0.5％-5％O₂、0.5％-4％O₂、0.7％-3％O₂、最多7％O₂、最多5％O₂、小于或等于2％O₂、0.2％-2.0％O₂、0.4％-1.0％O₂、0.5-0.9％O₂或0.4％-0.9％O₂范围内的第三阶段O₂非渗透气流浓度。第三阶段非渗透气流17np还可以包括作为非渗透气流17np的剩余部分的第三阶段CO₂非渗透气流浓度。例如，第三阶段非渗透气流17np还可以包括在5％-75％CO₂、5％-70％CO₂、10％-70％CO₂、20％-70％CO₂、50％-70％CO₂、5％-50％CO₂或5％-15％CO₂范围内的第三阶段CO₂非渗透气流浓度。如前所述，应当理解，本文讨论的这些示例性浓度百分比可以是体积分数(体积％)或摩尔分数(摩尔％)。从第三阶段输出的第三阶段非渗透气流17np流的压力可以与进料到第三阶段17的进料的压力(例如，进料到第三阶段的第一阶段渗透气流13p的压力)几乎相同。

在少量进料中存在氮气的实施例中，膜系统的不同阶段(例如，第一阶段13、第二阶段15和/或第三阶段17)的不同渗透气流和非渗透气流的甲烷浓度可以以下方式确定：它还包括确定的流的甲烷浓度内的氮气浓度，这可能会夸大甲烷浓度值(例如，当进料内存在少量氮气时，在由于存在氮气而将氮气和甲烷浓度组合在一起作为甲烷浓度的实施例中，在不同的膜输出流中的甲烷浓度可夸大最多10％)。这种方法可以在一些实施例中利用，因为氮气以相对少量存在，并且由于其性质，当接触膜结构时其作用类似于甲烷(例如，氮气和甲烷都不容易通过膜结构)。当利用这种方法时，氮气的存在会略微影响一些甲烷浓度，使得该浓度被夸大，因为氮气浓度包括在确定的甲烷浓度内。在其他实施例中，可以确定甲烷浓度，而不将气流内的任何氮气组合在甲烷内，从而不存在甲烷浓度的这种略微夸大。虽然对于一些实施例来说，氮气的存在可能会使一些甲烷浓度值略微夸大，但这对利用膜系统3的实施例的甲烷回收率的任何计算没有影响。

膜系统3的实施例可以被配置成回收99.5％-90％的经由沼气系统2进料到膜系统3的甲烷。由膜系统3的实施例产生的氧气减少因子可以大于5.0，大于1.0、大于0.75、在0.9和1.5之间或在0.9和2.2之间。氧气排斥因子可以定义为沼气进料流2o内氧气的摩尔浓度与第二阶段非渗透气流15o内氧气的摩尔浓度的比率，该第二阶段非渗透气流可以是提纯沼气输出流3o(例如[沼气进料流2o内氧气的摩尔浓度]/[第二阶段非渗透气流15o内氧气的摩尔浓度])。

膜系统3的第一、第二和第三阶段13、15和17的膜各自可以被配置成具有相对低的相对于O₂的CO₂预选选择性(也称为CO₂/O₂选择性)。这种相对低的预选CO₂/O₂选择性可以通过选择具有所述选择性特性的膜材料来实现。例如，在30℃的温度下，所选择的膜相对于O₂的CO₂预选选择性可小于5、小于4.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间。相对低的预选CO₂/O₂选择性也可以通过选择在30℃时选择性大于4.5的膜材料，但在超过30℃的高温下操作膜系统来实现，其中膜选择性将在高温度下降至低于4.5(例如，在3.4和4.5之间，小于或等于3.5等)。相对低的预选CO₂/O₂选择性也可以通过选择在30℃时选择性小于3.0的膜材料，但在低于30℃的较低温度下操作膜系统来实现，其中膜选择性将在较低温度下增加到在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的数字。

第一、第二和第三阶段13、15和17的膜也可以利用相对低的相对于甲烷的二氧化碳选择性值(也称为CO₂/CH₄选择性值)。例如，实施例可以利用在25和45之间、在30和40之间、或小于45和高于16的CO₂/CH₄选择性值。例如，膜的CO₂/CH₄选择性值可以是小于5、小于4.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的与CO₂/O₂选择性值相对应的值。

可以利用一些实施例，使得膜系统3的第一、第二和/或第三阶段的所有膜都利用此类CO₂/O₂选择性值和CO₂/CH₄选择性值。可以设计和利用其他实施例，使得第一阶段13和第三阶段17利用具有此类CO₂/O₂选择性值和CO₂/CH₄选择性值的膜，而第二阶段15可以利用具有不同选择性值(例如高得多的CO₂/O₂选择性值等)的膜。还可以配置其他实施例，使得仅第二阶段15、仅第三阶段17或仅第一阶段13的每一个膜具有此类CO₂/O₂选择性值。还可以提供其他实施例，使得这些阶段中的一些的仅一些膜利用此类CO₂/O₂选择性值。令人惊讶地发现使用相对于O₂的低CO₂选择性提供改进的生产结果，因为通常希望利用相对于O₂的高CO₂选择性以获得输出产物气体中足够高浓度的甲烷。

传统上，去除少量或痕量的气体，诸如在这种情况下的氧气，通过使用高渗透性膜来完成，该膜以非常高的速率渗透CO₂和O₂，但对较慢的气体诸如甲烷和氮气的选择性低。这种传统方法通常以最高的CO₂/CH₄选择性为目标来进行，这导致使用非常高的CO₂/O₂选择性，因为CO₂/CH₄选择性和CO₂/O₂选择性不能独立控制。

与此常规方法相比，可用于本文所述的沼气提纯系统、可用于此类系统的膜布置和设备，以及制造和使用它们的方法的实施例中的膜，令人惊讶且出乎意料地平衡了足够高的CO₂/CH₄选择性，使得可以富集生物甲烷并且循环流量不会太高但足够低，以至于CO₂/O₂选择性不会太高，使得多阶段工艺可以充分排斥O₂以及CO₂，以允许从多阶段膜系统3输出的富集甲烷中相对低的氧气浓度，同时还提供高甲烷回收率。

可以在第一、第二和第三阶段13、15和17中利用的膜可以制造成中空纤维并包装成膜束或缠绕膜筒，或者是平板，包装成螺旋缠绕或板框单位。例如，一些优选的实施例可以利用含有由聚合物制成的中空纤维膜的中空纤维膜单元。用于制造针对预选操作温度提供预选CO₂/O₂选择性的膜的聚合物的实例包括但不限于聚苯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯醚、聚乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚酰亚胺(如Matrimid 5218或P-84)、聚酰胺、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚环氧乙烷、聚二甲基硅氧烷、共聚物、嵌段共聚物或聚合物共混物。中空纤维膜可以是具有无孔层的、不对称的，或者可以含有具有无孔涂层的多孔载体。涂层可以施加到中空纤维的内表面或外表面。

在膜阶段的一些实施例中，多个中空纤维膜可以形成膜束，该膜束可以通过由热塑性或热固性材料制成的管板在一端或两端保持在一起。管板材料的实例包括固化的环氧树脂或聚氨酯基制剂。在一些实施例中，中空纤维膜束可以容纳在容器中，该容器的直径范围可以为25.4mm至254mm(1英寸至10英寸)并且长度从305mm到3050mm(1英尺至10英尺)不等。容器可以由塑料、金属或其他合适的材料制成。容器可以具有至少一个与中空纤维膜的壳侧流体流动连通的流体端口。容器还可以具有与中空纤维膜的孔侧流体流动连通的至少一个端口，并且可以具有与中空纤维膜的相对端流体流动连通的另一端口。管板可用于将孔侧流体与壳侧流体分离。进料气体可被引入膜的孔侧或壳侧。

图3说明了当在压力为14barg和温度为20℃，流速为1000nmch(标准立方米/小时)，沼气进料组成为59.88摩尔％CH₄、39.93摩尔％CO₂和0.2％O₂操作时，利用膜系统的一阶段、二阶段和三阶段实施例的膜系统3的实施例预计将如何执行的模拟结果，该膜系统具有使用相对于O₂的低CO₂选择性的膜。如图3所示，对于一阶段和二阶段膜系统，在实现高回收率和高氧气减少之间存在显著的平衡，其中当O₂减少因子低于约1.2时，常常预计获得甲烷回收率的最佳结果。

然而，令人惊讶地发现，当使用具有降低的CO₂/O₂选择性的膜材料时，氧气减少可以得到改善，且仅适度牺牲回收率。较低的选择性值导致更多的氧气与CO₂渗透到膜系统3的每个阶段，这有助于促进从提纯沼气输出流3o的甲烷中去除氧气。

下表1说明了在30℃的参考温度下，具有与图2中所示示例性实施例的配置相似的配置的膜系统3的实施例将如何使用第一、第二和第三阶段13、15和17中的范围为5至3.4的不同的CO₂/O₂选择性值的膜执行的实例。下表1提供了膜系统3的实施例的模拟结果，操作该系统以获得含有0.5摩尔％CO₂的第二非渗透流15o，甲烷回收率为99.5％，并且在14barg和20℃下操作使用具有所列可变CO₂/O₂选择性值的由聚合中空纤维构成的膜：

表1

从以上可以理解，发现使用具有低选择性值的膜提供处于或低于0.2摩尔％的第二阶段非渗透气流15o(可以是提纯沼气输出流3o)中的氧气浓度。在上述实例中，使用此类小于或等于4.0或小于或等于3.5的选择性可以提供此类降低的氧气水平。此类结果可以允许输出流3o满足高度严格的甲烷管道氧气规格，该规格可能要求氧气处于或低于0.2摩尔％以帮助避免危险情况(例如，管道导管材料的加速腐蚀)。

图4还说明了上述模拟的结果。图4说明了第一、第二和第三阶段13、15和17的膜的CO₂/O₂选择性值如何影响获得表1中列出的第二阶段非渗透气流15o的氧气排斥因子。令人惊讶的是发现使用膜的较低的CO₂/O₂选择性值提供较高的氧气排斥因子，同时仍能生产适合满足高度严格的管道氧气含量规格并提供高回收率的高甲烷纯度产品。从图4可以理解，在膜系统的实施例中可以产生高达1.2-1.0的氧气排斥因子，同时仍然提供提纯沼气输出流3o的高度纯化的甲烷含量，并提供99.5％的甲烷回收率(例如，进料到膜系统3的进料内99.5％的甲烷在系统输出的产物流内被回收)。

这是一个令人惊讶和意想不到的结果。传统上，认为在不显著降低甲烷回收率的情况下，使用膜无法获得输出流内的低氧气水平。(参见例如美国专利申请公开2011/0094378的第9段)。与这种传统观点相反，沼气提纯系统1和/或膜系统3的实施例可以提供高水平的甲烷回收率(例如，99.5％的回收率)，同时还提供在提纯沼气输出流3o内非常低的氧气浓度。

沼气提纯系统1和/或膜系统3的实施例可以配置成提供工艺灵活性。如果发现氧气在提纯沼气输出流3o中浓缩到不希望的水平或以其他方式耗尽沼气输出流3o内的甲烷，则可以操作膜系统3以在膜系统3的膜阶段内提供改进的氧气排斥以去除更多氧气，从而解决这种情况。例如，更多的氧气可以作为第三阶段渗透流17o输出。此类操作灵活性可以通过在膜系统的阶段内利用如本文所讨论的具有低CO₂/O₂选择性值的膜来增强。此外，可以提供以下实施例：其可以提供提纯沼气输出流3o而不需要使用PSA系统和/或催化系统在提纯沼气输出流3o被进料到管道4之前进一步从该流中去除氧气。

应当理解，可以对本文明确示出和讨论的实施例进行修改以满足一组特定的设计目标或一组特定的设计标准。例如，用于互连沼气提纯系统和/或膜系统的不同单元以用于不同单元之间流体流的流连通的阀、管道和其他导管元件(例如，导管连接机构、管材、密封件等)的布置可以被布置成满足特定的工厂布局设计，该设计考虑了工厂的可用面积、工厂的设备尺寸和其他设计考虑因素。作为另一个实例，通过膜系统的不同阶段以及通过其他系统元件的流体的流速、压力和温度可以变化以考虑不同的工厂设计配置和其他设计标准。作为又一个实例，可以调整膜阶段的数量以及它们的布置方式以满足一组特定的设计标准。作为又一个实例，用于膜、压缩机系统和沼气系统的不同结构组件的材料组成可以是满足一组特定设计标准可能需要的任何类型的合适材料。

应当理解，沼气提纯系统1或膜系统3的实施例可以配置为独立的工厂或并入另一种类型的工厂(例如，具有至少一个沼气系统2的沼气工厂)，其中可以利用至少一个膜系统3。工厂沼气提纯系统1和膜系统3可以各自配置成包括过程控制元件，其定位和配置成监测和控制操作(例如，温度和压力传感器，流量传感器，自动化过程控制系统，该自动化过程控制系统具有至少一个包括处理器、非瞬时性存储器和用于与传感器元件连通的至少一个收发器的工作站，阀以及用于为可在工作站和/或工厂的另一个计算机装置运行的自动化过程控制系统提供用户界面的控制器等)。

作为另一实例，预期单独或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他实施例的其他单独描述的特征或部分组合。因此可以组合本文所述的各种实施例的元素和动作以提供进一步的实施例。因此，虽然上面已经显示和描述了沼气提纯系统、可用于此类系统的膜布置和设备以及制造和使用它们的方法的某些示例性实施例，但应清楚地理解，本发明不限于此，而是可以在以下权利要求的范围内以其他方式不同地体现和实践。

Claims

1.一种经由去除氧气(O₂)和二氧化碳(CO₂)来净化沼气进料流的工艺，所述工艺包括：

将所述沼气进料流提供给膜系统的第一阶段以产生第一阶段非渗透流和第一阶段渗透流，所述第一阶段非渗透流由甲烷、O₂和CO₂构成，使得所述第一阶段非渗透流具有比所述第一阶段渗透流低的CO₂浓度，所述第一阶段渗透流由甲烷、O₂和CO₂构成，并且具有比所述第一阶段非渗透流低的甲烷浓度；以及

将所述第一阶段非渗透流供应到所述膜系统的第二阶段以产生第二阶段非渗透流和第二阶段渗透流，所述第二阶段非渗透流包含至少90摩尔％的甲烷和小于1摩尔％的O₂，所述第二阶段渗透流的CO₂含量大于所述第二阶段非渗透流的CO₂含量。

2.根据权利要求1所述的工艺，其包括：

将所述第一阶段渗透流供应到所述膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流；以及

提供所述第三阶段非渗透流以形成再循环流以用于将所述第三阶段非渗透流进料到所述第一阶段或压缩机系统。

3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述再循环包括：

在将所述再循环流进料到所述压缩机系统以经历压缩至预选压力之前将所述第三阶段非渗透流与所述第二阶段渗透流混合以形成所述再循环流。

4.根据权利要求3所述的工艺，其包括：

在将所述沼气进料流进料到所述压缩机系统之前将所述再循环流与所述沼气进料流混合，所述压缩机系统在所述膜系统的上游。

5.根据权利要求1所述的工艺，其包括：

将所述第一阶段渗透流供应到所述膜系统的第三阶段以产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流；

其中所述第一阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值；并且

其中所述第三阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

6.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

7.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一阶段的每一个膜、所述第二阶段的每一个膜和/或所述第三阶段的每一个膜具有小于5、小于4.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

8.根据权利要求1所述的工艺，其中执行所述工艺使得氧气减少因子大于1.0或在1.0和1.25之间，所述氧气减少因子是所述沼气进料流内O₂的摩尔浓度与所述第二阶段非渗透流内O₂的摩尔浓度的比率。

9.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第二阶段非渗透流是具有至少95摩尔％甲烷的甲烷含量的提纯沼气输出流。

10.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第二阶段非渗透流具有小于或等于0.2摩尔％的O₂。

11.一种沼气提纯系统，其包括：

被配置成接收从沼气系统输出的沼气进料流的膜系统，所述膜系统包括：

第一阶段，其被定位和配置成接收所述沼气进料流以产生第一阶段非渗透流和第一阶段渗透流，所述第一阶段非渗透流由甲烷、O₂和CO₂构成，使得所述第一阶段非渗透流具有比所述第一阶段渗透流低的CO₂浓度，所述第一阶段渗透流由甲烷、O₂和CO₂构成，并且具有比所述第一阶段非渗透流低的甲烷浓度；和

第二阶段，其连接到所述第一阶段以接收所述第一阶段非渗透流从而产生第二阶段非渗透流和第二阶段渗透流，所述第二阶段非渗透流包含至少90摩尔％的甲烷和小于1摩尔％的O₂，所述第二阶段渗透流的CO₂含量大于所述第二阶段非渗透流的CO₂含量。

12.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，其包括：

第三阶段，其连接到所述第一阶段以接收所述第一阶段渗透流并产生第三阶段非渗透流和第三阶段渗透流，所述第三阶段连接到再循环导管使得所述第三阶段非渗透流可通过所述再循环导管到达所述膜系统的所述第一阶段上游的位置。

13.根据权利要求12所述的沼气提纯系统，其包括：

压缩机系统，其被定位于所述第一阶段的上游以在将所述沼气进料流进料到所述第一阶段之前压缩所述沼气进料流，所述第三阶段连接到所述再循环导管，使得所述第三阶段非渗透流可通过所述再循环导管到达所述压缩机系统，而不使用另一个压缩机系统。

14.根据权利要求13所述的沼气提纯系统，其中所述再循环导管被配置成在将所述再循环流进料到所述压缩机系统以经历压缩至预选压力之前将所述第三阶段非渗透流与所述第二阶段渗透流混合以形成再循环流。

15.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，并且所述第二阶段非渗透流具有小于或等于0.2摩尔％的O₂。

16.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，其中所述第一阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

17.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，其中：

所述第一阶段的至少一个膜、所述第二阶段的至少一个膜和/或所述第三阶段的至少一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值；或者

所述第一阶段的每一个膜、所述第二阶段的每一个膜和/或所述第三阶段的每一个膜具有小于5.0、小于4.5、小于4.0、小于或等于3.5、在3.0和5.0之间或在3.4和4.5之间的CO₂/O₂选择性值。

18.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，其中所述沼气提纯系统被配置成使得氧气减少因子大于1.0或在1.0和1.25之间，所述氧气减少因子是所述沼气进料流内O₂的摩尔浓度与所述第二阶段非渗透流内O₂的摩尔浓度的比率。

19.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，其中所述第二阶段非渗透流是具有至少95摩尔％甲烷的甲烷含量的提纯沼气输出流。

20.根据权利要求11所述的沼气提纯系统，其包括：

所述沼气系统，所述沼气系统包括至少一个形成所述沼气进料流的消化器和至少一个沼气清洁装置，所述沼气清洁装置定位成在将所述沼气进料流进料到所述膜系统的所述第一阶段之前处理所述沼气进料流。