用于分離高純度甲烷氣體的多段膜分離提純工序及裝置的制作方法

本發明涉及一種用于分離高純度甲烷氣體的多段膜分離提純工序及裝置，包括涉及將含有甲烷氣體的生物氣體分離提純成高純度甲烷氣體的四段分離膜再循環工序及運行條件。

背景技術：

食物垃圾、有機性廢棄物、畜牧廢水等通過厭氧性消化產生的生物氣體主要由約50～75體積％的甲烷、約25～50體積％的二氧化碳組成，包含約小于0.1體積％的空氣、約7,000～8,000ppm的硫化氫、約40ppm的硅氧烷等其它微量成分。甲烷作為生物氣體的主要成分，相比于二氧化碳，甲烷對地球暖化帶來的貢獻度約為20倍左右，繼約49體積％的二氧化碳之后，占約18體積％，因此其被指定為對地球暖化貢獻度大的溫室氣體。但是，甲烷氣體自身的能量達5,000kcal/m³，其被評價為能夠進行資源再利用的新再生能量源。

對生物氣體進行回收而使其資源化的方法有，直接燃燒、產電、供應為城市燃氣、用作汽車燃料等，根據甲烷氣體的產生背景及經濟性，選擇開發出了多種使用方法。其中，經濟性最高且能源利用效率高的技術為，經過使生物氣體中的甲烷濃度，即能量含量高純度地提高的提純過程，從而制備出能夠用于城市燃氣或汽車燃料的95體積％以上的高純度甲烷氣體燃料，與在發電中使用相比經濟性高，最近以瑞典、德國為首，在全世界呈現出用作產電方面的高純度燃料的趨勢。高純度化的甲烷氣體，可以在不更換現有設備的情況下，應用到現有的城市燃氣用儀器和天然氣汽車等中，因此作為下一時代的潔凈生物能源而被接納，并且作為新再生能源的發達國家瑞典及德國等正在為了將汽車或城市燃氣從天然氣代替為生物氣體而確立國家政策。

對于將這種生物氣體高純度化的分離工序及工廠和其運行條件，開發出了多種技術。生物甲烷的高純度化技術由預處理技術和去除二氧化碳分離技術組成。其中預處理技術為，在大量的成分以雜質的方式殘留的生物氣體中，大體上去除硅氧烷、氨氣、硫化氫、水分等，所述去除二氧化碳分離技術為，分離剩余的二氧化碳和甲烷。其中，去除二氧化碳分離技術大體上可以分為，在低溫下直接分離的冷凍法(cryogenic)、使用水或胺類的吸收法(Physical or chemical absorption)，以及使用沸石、碳分子吸附劑的變壓吸附法(Pressure swing adsorption)、使用高甲烷選擇性高分子分離膜的分離膜工序(membrane separation)等。

生物氣體高純度提純技術以美國和歐洲為中心，正在展開技術開發和產業化，保留有生物氣體提純技術的代表性的企業有，作為吸收劑以水或聚乙二醇、胺等作為吸收液使用的吸收法的瑞典的馬爾姆貝里普拉克開關(Malmberg，Purac，Flotech)公司、美國的普拉米修斯能源(Prometheus Energy)，使用聚酰亞胺膜或聚砜膜的分離膜法的德國的贏創(Evonik)公司、法國的空氣-液晶顯示器(Air-liquides)公司、澳大利亞的Acrion技術公司等，還有利用沸石或碳分子篩的吸附法的德國的Schmack，Carbotech公司、加拿大的Xebec公司等。另外，還對分離膜吸附法或冷卻法與吸收法的混合工序進行了大量的研究開發。

在吸收法的情況下，例如，在韓國公開專利第10-2010-0037249號中公開了高純度生物氣體提純系統及生物氣體提純方法。詳細地，涉及一種生物氣體提純系統及提純方法。所述生物氣體提純系統包括去除水分、硫化氫成分及硅氧烷成分的預處理部和通過吸附劑來去除二氧化碳的氣體吸附部，以及通過吸收劑來吸收并溶解二氧化碳的氣體吸收部，以能夠將在厭氧性消化部中產生的生物氣體作為氣體燃料使用。

此外，韓國公開專利第10-2012-0083220號中公開了甲烷回收方法及甲烷回收裝置。詳細地，涉及一種使生物氣體中的硅氧烷吸附到吸附劑上并去除，在反應去除工序中使硫化氫與金屬氧化物反應，從而作為金屬硫化物被去除，通過捕集工序使生物氣體中的氧氣與銅-氧化鋅進行反應并作為氧化銅被捕集，通過作為濃縮工序的旋轉壓力吸附法來分離生物氣體中的二氧化碳，從而對甲烷進行濃縮的方法。

但是，上述發明中的甲烷提純方法由于使用了二氧化碳吸收工序或PSA吸附工序，導致工廠的設置費用增加，需要大量的工序運行費用，而且存在不能夠實現小規模的裝置結構，以及提純效率降低的問題和工序復雜且需要大量能源等問題。

因此，在這些方法中，欲利用適合韓國生物氣體提純設備、容易維護且已知為甲烷純度高的分離膜法。其中，分離膜法與其它分離法相比能夠實施干式法，因此具有如下特征。在冬季時有利，而且不使用有毒的吸收劑而環保，工廠的費用低且運行費用低，按比例增加-按比例減小容易。因此，可以預想為在以后的生物甲烷提純技術中能夠占有獨一無二的位置。

在分離膜工序中，甲烷的濃度和回收率是最為重要的目標，在一段分離膜工序中通常顯示出60～75％的回收率。由此，為了提高甲烷的回收率，正在開發如下工序。將分離膜以兩段的方式串聯連接，將一段分離膜的透過部進行燒灼處理，將二段分離膜的透過部進行再循環的兩段分離膜重復工序，以及將分離膜在兩段再循環分離膜工序中，使一段分離膜的透過部再通過三段分離膜，將二段分離膜的未透過的甲烷氣體進行再循環的三段分離膜再循環工序。

首先，作為實施一段分離膜工序的例子，韓國公開專利第10-2011-0037921號公開了低溫生物氣體分離方法。詳細地，涉及一種將厭氧狀態下產生的生物氣體經過脫硫工序、硅氧烷去除工序、壓縮工序、除濕氣工序，使用聚苯乙烯材質的中空絲膜將用7巴壓縮的生物氣體通過一段分離膜工序從生物氣體中提純出甲烷的技術。

通過這種分離膜工序來從生物氣體中分離回收甲烷和二氧化碳的方式中，通過一直以來利用的一段分離膜工序時，生物氣體中所包含的甲烷的回收率僅為70％以下，因此需要附加的甲烷回收工序，從而存在效率降低的問題，并且由于在系統中消耗的能量仍然過度，存在系統的能量效率低的缺點。

為了解決這樣的問題，開發出了關于從生物氣體中提純出甲烷的多段分離膜工序的技術。

如上所述的多段分離膜工序的例子有，日本公開專利第2007-254572號中公開了甲烷濃縮二段系統及其運用方法。詳細地，涉及將混合氣體供應至第一分離膜，將非透過氣體在加壓狀態下供應至后段的分離膜，此外，通過使二氧化碳透過第二分離膜來回收高濃度的甲烷氣體的工序，并記載了作為二氧化碳透過膜，使用無機材料DDR型沸石(zeolite)膜為優選。

日本公開專利第2008-260739號中公開了二段甲烷濃縮裝置及甲烷濃縮方法。詳細地，涉及一種包括：使混合氣體透過無機多孔質材料制的第一分離膜的步驟；使非透過氣體透過無機多孔質材料制的第二分離膜的步驟的、使甲烷氣體濃縮的方法。此時，使用的分離膜采用無機多孔質材料。

美國專利第US2004/0099138號中公開了分離膜工序(Membrane sepa ration process)。詳細地，利用二氧化碳吸收塔和兩段分離膜工序從填筑地氣體中回收98％以上的甲烷，填筑氣體經過第一壓縮工序、除濕工序、第二壓縮工序、熱交換工序、二氧化碳吸收工序供應至二段分離膜，供應氣體在第一壓縮機中以21巴進行壓縮，通過第二壓縮機和熱交換機使用60巴進行壓縮，并以30℃進行加熱，以使得吸附塔運行容易。通過第一分離膜的透過部濃縮為包含90％的二氧化碳和10％的甲烷及雜質的氣體，并再循環至二氧化碳吸收塔的上部，希望通過將透過透過部的氣體供給至第二壓縮機來提高甲烷回收率。此外，二段再循環分離膜工序還有采用了法國的液化空氣公司的聚酰胺-酰亞胺膜的澳大利亞的ecrion技術。在上述現有技術中已公知的工序的二段分離膜工序使用了多種分離膜，這些工序的缺點為，提純甲烷氣體在95％以上的高純度下，回收率為90％以下，具有回收率非常低的缺點。

此外，在日本專利第2009-242773號中公開了三段分離膜工序。詳細地，在上述現有文獻中公開的甲烷濃縮裝置為從至少包含甲烷氣體和二氧化碳的混合氣體中分離出二氧化碳，并對甲烷氣體進行濃縮的甲烷氣體濃縮裝置，所述甲烷氣體濃縮裝置的特征為，具備通過優先透過二氧化碳的分離膜來從所述混合氣體中濃縮甲烷氣體的第一濃縮裝置和通過優先透過二氧化碳的分離膜來從上述第一濃縮裝置的非透過氣體中進一步濃縮甲烷氣體的第二濃縮裝置，以及通過優先透過二氧化碳的分離膜來從所述第一濃縮裝置的透過氣體中回收甲烷氣體的回收裝置，記載了作為分離膜優先使用聚酰亞胺。但是，在專利范圍中，一段和二段的面積比相似，三段分離膜的面積簡單地被限制為小于一段，從而導致對于溫度和膜面積等的工序條件未被具體化，因此被判斷為，在甲烷純度或回收率方面，能夠獲得商業上經濟性高的甲烷純度和回收率的具體實現可能性低。

2010年開發出三段分離膜工序而最早將其商業化的德國的贏創公司以自身開發出的聚酰亞胺(P84)中空絲膜作為對象，從2008年開始活躍地展開了分離膜工序方面的開發研究，目前將三段分離膜再循環工序進行專利及商用化，擁有在一段和二段的串聯內流透過物中從第二段開始再循環透過物，從而用于根據滯留物的階段性排列及再壓縮的透過物的、階段性三段工序方面的專利(PCT/EP2011/058636)。在采用分離膜的情況下，使用甲烷/二氧化碳的選擇度至少為35以上的材料，根據贏創公司關于三段分離膜工序的大量發表，在聚酰亞胺膜的情況下，與聚砜膜相比具有50左右之高的選擇度，因此，在16～20巴的高壓下，在三段工序中甲烷濃度為98％時，具有回收率為99％的優異的分離特性，在與此相同的回收率的情況下，本發明實施例中選用的聚砜膜具有300％以上的再循環率，而聚酰亞胺膜的再循環率為50％以下。

但是，如下述表1中所示，通常的聚酰亞胺材料的膜材料價格昂貴，因此制備膜的費用高，二氧化碳/甲烷的選擇度雖然有50左右，但是二氧化碳的透過度為數巴(barrer)以下非常低，因此，為了少量地使用分離膜優選高壓的運行條件。但是，用于這種高壓條件的運行條件時，在高壓所需的壓縮機為首的管道、計量儀器、分離膜等方面的工廠費用高，因高壓壓縮導致的增加的能源消耗及工廠的故障可能性，以及甲烷爆炸事故的危險性而存在場所設置方面的局限性，存在因運行過程中的膜污染而導致的膜的替換費用高的缺點，因此難以開展市場。

在聚砜膜、纖維素醋酸酯、聚碳酸酯等的情況下，如表1中所示，通常與聚酰亞胺膜相比，這些膜材料的價格非常低廉且二氧化碳/甲烷的選擇度稍低，但具有二氧化碳的透過度非常高的優點，因此膜模塊低廉且透過度高，因此所需膜的數量相對少，使得工廠的建造費用低，在膜污染時，更換費用非常低。將使用了選擇度為20以下的選擇度過低的高分子分離膜材料的分離膜在工序中使用的情況下，為了獲得高純度的甲烷，再循環氣體的量較多，從而存在需要大量的能源的問題。另一方面，在選擇度為50以上的選擇度高的聚酰亞胺等的膜材料的情況下，大體上存在透過度非常低的傾向，將使用了這種材料的分離膜用在工序中時，所生產的高純度甲烷的量少，且因再循環的量增多，從而需要大量的分離膜和高壓運行條件，由此會使得工序的裝置規模增大。基于這種原因，只要是以高透過性材料作為對象，能夠確保以高回收率回收高純度甲烷的適當的運行條件，則優選具有20～34中間左右的二氧化碳/甲烷選擇度的聚砜、纖維素醋酸酯、聚碳酸酯等的分離膜材料，以分離膜材料為對象，優選開發為非對稱結構的中空絲膜或復合平膜的具有100GPU～1,000GPU的高二氧化碳透過度的分離膜。其中，尤其優選使用選擇度略低于聚酰亞胺，但二氧化碳的透過度高，且對于根據高的供應側壓力的二氧化碳的可塑性現象的抗性要比聚酰亞胺高的聚砜(PS)。尤其是在聚砜的情況下，分離膜材料的價格僅為價格昂貴的聚酰亞胺材料的1/20，因此在硫化氫、壓實化及膜污染等而導致分離膜受損時，具有更換費用非常有利的優點。尤其是與贏創公司的高壓工序不同，在使用聚砜等的情況下，由于透過性高，在使用低壓運行條件的情況下，具有分離膜的費用和管道費用等低廉，且運行條件安全，壓縮機及相關材料的費用降低的優點。

表1

在韓國獲得專利的多段膜分離工序方面，韓國授權專利第10-1086798號中公開了從填埋地氣體中分離高純度甲烷氣體的方法及甲烷氣體的提純裝置。詳細地，與上述預處理步驟相似，但是涉及一種通過在較低的壓力和溫度(7～15巴，-10～50℃)下實施的預處理步驟，兩段分離膜工序和壓力旋轉吸附的組合，從而能夠回收高純度的甲烷的工序。但是，上述工序局限于填埋地中產生的氣體，分離膜運行條件為，以在供應氣體中包含生物氣體中幾乎沒有的氮氣、氧氣等的氣體的供應氣體作為對象，因此，運行條件不同，尤其是在通過分離膜之后，以剩余的氣體作為對象，作為后處理包含PSA處理工序，因此，不適合從最初開始不包含氮氣或氧氣，硫化氫的濃度低，甲烷的濃度高的生物氣體的提純工序。

此外，韓國授權專利第10-1100321號中公開了生物氣體的提純/固質化及壓縮系統。詳細地，涉及一種利用硅氧烷去除裝置、脫硫裝置、壓縮裝置、氣體加熱器、二段分離膜裝置等來將厭氧性消化生物氣體設備中所生產的生物氣體進行固質化，通過壓縮裝置在約10巴下對供應氣體進行壓縮，從而在供應到分離膜之前，通過氣體加熱器在50℃下進行加熱的運行方法。但是，這種高溫的運行條件會促進高分子膜的可塑化，從而降低甲烷/二氧化碳的選擇性，上部壓力/下部壓力比例低，供應側的溫度過高，從而表現為實現可能性低。

進一步地，韓國公開專利第10-2014-0005846號中公開了在氣體的分離方法中使用35以上的選擇度的氣體分離膜模塊，在供應側9～75巴，透過側3～10巴的高壓下，能夠實現高效率的裝置及分離方法。此外，還公開了對于壓力比及選擇度的分離結果，記載了從一段至三段的多種排列的分離膜工序的缺點。但是，該工序大部分是在搞壓力下運行，因此，存在能量費用及工廠費用高的缺點。

此外，韓國授權專利第10-1327337號中公開了用于生產生物甲烷及二氧化碳回收的多段分離膜系統及其方法。詳細地，將分離膜結構形成為多段，將生物氣體通過一次分離膜處理而回收的二氧化碳再次通過分離膜處理，從而能夠回收高純度的二氧化碳。尤其是將壓縮的氣體的溫度調節為20～30℃而去除水分后，防止了冷凝水的產生，對生物氣體進行加壓，即，公開了以10～20巴進行加壓的方法。但是，如實施例中所示的圖3的情況下，由于再循環過程記載在壓縮機的后段，因此，可預測為從技術方面難以實現有效的工序運行。

上述記載的發明中通過二段或三段工序提純甲烷的方法存在以下問題。即，運行溫度或運行壓力、面積比、上部/下部壓力比等過高，或者將選擇度過高且昂貴的高分子膜材料作為膜材料使用等，并且僅考慮了上述提及的工序條件中的一或兩個條件，未具體地公開實施例的結果，從而因工序的回收率等的問題而顯示為實現可能性低。

此外，在對可變的甲烷濃度的生物氣體進行提純的情況下，尤其是對甲烷氣體的濃度低的生物氣體進行提純的情況下，存在難以提純高純度甲烷氣體的問題。

由此，本發明人在對通過膜分離來分離甲烷氣體的方法進行研究的過程中，與聚酰亞胺等的材料相比，使用了通過二氧化碳的透過度大，且甲烷/二氧化碳選擇性比聚酰亞胺低，但是相當高的低價的聚砜等高分子材料制備的高分子分離膜來實施三段分離膜工序，并使運轉溫度、低壓運轉條件、上部/下部壓力比等的條件最優化，從而使高分子分離膜的固有選擇度提高到最大，同時對氣體分離膜的總面積比及各階段面積比進行最優化，從而開發出將95％以上的高純度甲烷以90％以上的高回收率進行分離的方法。此外，以分離膜為對象，尤其是利用加工性優異而單位面積的模塊費用非常低廉的高分子分離膜的四段分離膜工序，開發出了95％以上的高純度甲烷的分離方法，從而完成了本發明。

技術實現要素：

技術問題

本發明的目的在于，提供一種用于分離高純度甲烷氣體的多段膜分離提純工序及裝置。

發明的效果

根據本發明的從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法，具有能夠從食物垃圾及有機物所產生的生物氣體中生產出高純度的甲烷的效果。

此外，對于甲烷氣體濃度多樣化的生物氣體，也具有可以通過四段的分離膜工序來分離高純度甲烷氣體的效果，通過再循環，以使得通過四段的分離膜工序能夠再次對殘留的微量的甲烷進行提純，從而具有提高甲烷生產率的效果。進一步地，通過一段高分子分離膜能夠單獨將高純度的二氧化碳分離出來，從而相比于對包含高濃度的二氧化碳的生物氣體進行二段或三段工序，從回收率和純度方面來說，具有優異的效果。

附圖說明

圖1為示出根據本發明實施例的甲烷氣體提純裝置的一例的模式圖。

圖2為示出根據本發明另一實施例的甲烷氣體提純裝置的一例的模式圖。

圖3為示出二段再循環工序的模式圖。

圖4為示出三段再循環工序的模式圖。

優選實施方式

為了實現上述目的，本發明提供一種從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法，所述方法包括下述步驟：對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟(步驟1)；以及將在所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用四段高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)，在所述氣體分離用四段高分子分離膜中，第一高分子分離膜的殘留部流(stream)與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

此外，本發明提供一種甲烷氣體提純裝置，所述甲烷氣體提純裝置包括：生物氣體的供給部；壓縮及冷卻部，對所述生物氣體的供給部供給的生物氣體進行壓縮及冷卻；以及提純部，其包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的氣體分離用四段高分子分離膜，在所述氣體分離用四段高分子分離膜中，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

進一步地，本發明提供一種通過上述方法分離的純度為95％以上的甲烷氣體。

更進一步地，本發明提供一種包含上述高純度甲烷氣體的汽車燃料及城市燃氣。

具體實施方式

根據本發明實施例的高純度甲烷氣體的分離方法包括對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟(步驟1)；以及將在所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)。

根據本發明一實施例的高純度甲烷氣體的分離方法包括對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟(步驟1)；以及將在所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)，還可以包括再循環至所述步驟1的壓縮工序之前的步驟(步驟3)。此時，所述步驟1為將所述生物氣體在壓力為3巴～11巴，所述生物的溫度控制為-20℃～10℃進行壓縮及冷卻，所述步驟2為，將所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用三段高分子分離膜中，從而分離甲烷及二氧化碳。對于所述氣體分離用三段高分子分離膜，其第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比例為1:1:1～1:5:1，第一高分子分離膜殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第一高分子分離膜透過部流與第三高分子分離膜相連接，在所述步驟2中，將第一高分子分離膜的透過部、第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的透過部維持在0.2巴～0.9巴的減壓條件，從而分離甲烷及二氧化碳。所述步驟3為，在維持所述第二高分子分離膜的透過部的減壓的同時，與第三高分子分離膜的殘留部一起再循環至所述步驟1的壓縮工序之前，所述高分子分離膜為，二氧化碳透過度為100GPU～1,000GPU，二氧化碳/甲烷選擇度為20～34的高分子分離膜。

上述的根據本發明一實施例的高純度甲烷的分離方法具有以下效果。能夠從食物垃圾及有機物中產生的生物氣體中生產出高純度的甲烷。此外，使得通過三段分離膜工序能夠再次對殘留的微量的甲烷進行提純，從而進行再循環，由此具有能夠提高甲烷生產率的效果。進一步地，在將生物氣體投入到高分子分離膜而分離二氧化碳的步驟之前，降低生物氣體的溫度，從而供應到高分子分離膜中，同時將供應側壓力和透過側的壓力調節為低的水平，最優化各段的分離膜的面積比，與現有的甲烷提純方法相比，能夠通過高純度甲烷的高回收率、運行能領費用的降低(甲烷提純裝置設置費用、甲烷提純裝置運行費用)及安全的運行等來分離甲烷氣體。具有提供新的甲烷分離提純技術的效果。

根據本發明另一實施例的高純度甲烷氣體的分離方法包括對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟(步驟1)，以及將所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)，所述步驟2的特征為，將所述步驟1中的壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用四段高分子分離膜中，從而分離二氧化碳。對于所述氣體分離用四段高分子分離膜，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

根據本發明另一實施例的高純度甲烷氣體的分離方法具有能夠從食物垃圾及有機物中產生的生物氣體中生產出高純度的甲烷的效果。此外，具有通過四段的分離膜工序對甲烷氣體的濃度多樣的生物氣體能夠分離出高純度甲烷氣體的效果，通過四段的分離膜工序使得對殘留的微量的甲烷也能夠再次提純而再循環，從而具有能夠提高甲烷的生產率的效果。進一步地，能夠通過一段高分子分離膜將高純度的二氧化碳另外分離出來，因此，對于包含高濃度的二氧化碳的生物氣體來說，與二段或三段工序相比，在回收率和純度方面具有優異的效果。

根據本發明實施例的甲烷氣體提純裝置包括生物氣體的供給部；壓縮及冷卻部，對所述生物氣體的供給部供給的生物氣體進行壓縮及冷卻；以及提純部，其包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的高分子分離膜。

根據本發明一實施例的甲烷氣體提純裝置包括生物氣體的供給部；壓縮及冷卻部，對所述生物氣體的供給部供給的生物氣體進行壓縮及冷卻；以及提純部，其包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的高分子分離膜。在此，可以進一步包括再循環管線。此時，所述壓縮及冷卻部，將從所述生物氣體的供給部所供給的生物氣體在3巴～11巴的壓力，以及-20℃～10℃下進行壓縮及冷卻，所述提純部包含用于從所述壓縮及冷卻部壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的氣體分離用三段高分子分離膜，對于所述氣體分離用三段高分子分離膜，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比例為1:1:1～1:5:1，第一高分子分離膜殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第一高分子分離膜透過部流與第三高分子分離膜相連接，所述再循環管線，將所述第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的殘留部導入到壓縮及冷卻部，所述高分子分離膜的特征為，二氧化碳透過度為100GPU～1,000GPU，二氧化碳/甲烷選擇度為20～34。

根據本發明一實施例的甲烷氣體提純裝置具有從食物垃圾及有機物中所產生的生物氣體中能夠生產高純度甲烷的效果。此外，使得通過三段的分離膜工序能夠再次提純殘留的微量的甲烷，從而進行再循環，由此可以具有提高甲烷的生產率的效果。進一步地，在將生物氣體投入到高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟之前，降低生物氣體的溫度，并將其供給到高分子分離膜的同時，將供給側壓力和透過側的壓力調節為低水平，并將各段的分離膜的面積比最優化，從而與現有的甲烷提純方法相比，由于具有能夠通過高純度甲烷的高回收率、運行能源費用的降低(甲烷提純裝置設置費用、甲烷提純裝置運行費用)、安全的運行等來分離甲烷氣體的優異的效果，從而具有提供新的甲烷分離提純技術的效果。

根據本發明另一實施例的甲烷氣體提純裝置包括生物氣體的供給部；壓縮及冷卻部，對所述生物氣體的供給部供給的生物氣體進行壓縮及冷卻；以及提純部，其包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的高分子分離膜，所述提純部包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的氣體分離用四段高分子分離膜，對于所述氣體分離用四段高分子分離膜，其特征為，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

上述的根據本發明的另一實施例的甲烷氣體提純裝置，具有能夠從食物垃圾及有機物中所產生的生物氣體中生產出高純度的甲烷的效果。此外，對于多種甲烷濃度的生物氣體，具有能夠通過四段的分離膜工序來分離出高純度甲烷氣體的效果，通過四段的分離膜工序使得對殘留的微量的甲烷也能夠再次提純而再循環，從而具有能夠提高甲烷的生產率的效果。進一步地，可以通過一段高分子分離膜單獨分離出高純度的二氧化碳，從而對于包含高濃度的二氧化碳的生物氣體來說，與二段或三段工序相比，在回收率和純度方面具有優異的效果。

下面，對于根據本發明一實施例的用于分離高純度甲烷氣體的多段膜分離提純工序及裝置進行更具體的說明。

本發明的一實施例包括壓縮及冷卻生物氣體的步驟(步驟1)及將上述步驟1中進行壓縮及冷卻的生物氣體導入到高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)。還可以包含再循環至上述步驟1的壓縮工序之前的步驟(步驟3)，在所述步驟1中，將所述生物氣體在壓力為3巴～11巴下，使得生物氣體的溫度為-20℃～10℃下進行壓縮及冷卻，所述步驟2為，將所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用三段高分子分離膜中，使第一高分子分離膜的透過部、第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的透過部維持在0.2巴～0.9巴的減壓條件下，從而分離甲烷及二氧化碳，對于所述氣體分離用三段高分子分離膜，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比為1:1:1～1:5:1，第一高分子分離膜殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第一高分子分離膜透過部流與第三高分子分離膜相連接。所述步驟3為，所述第二高分子分離膜的透過部在維持減壓的同時，與第三高分子分離膜的殘留部一起再循環至所述步驟1的壓縮工序之前，所述高分子分離膜的二氧化碳透過部位100GPU～1,000GPU，二氧化碳/甲烷選擇度為20～34的高分子分離膜。

對此再次進行說明如下。本發明提供一種從生物氣體中分離出高純度甲烷氣體的方法。其包括壓縮及冷卻生物氣體的步驟(步驟1)；將上述步驟1中進行壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用三段高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)，對于所述氣體分利用三段高分子分離膜，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比為1:1:1～1:5:1，第一高分子分離膜殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第一高分子分離膜透過部流與第三高分子分離膜相連接；以及將第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的殘留部再循環至上述步驟1的壓縮工序之前(步驟3)，所述高分子分離膜的特征為，二氧化碳透過度為100GPU～1,000GPU，二氧化碳/甲烷的選擇為20～34。

下面，對本發明的從生物氣體中分離出高純度甲烷氣體的方法的各個步驟進行詳細說明。

首先，根據本發明的從生物氣體中分離出高純度甲烷氣體的方法，步驟1為將生物氣體在壓力為3巴～11巴，生物氣體的溫度為-20℃～10℃下進行壓縮及冷卻的步驟。

所述步驟1為將生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟，為了實施從生物氣體中分離高純度的甲烷氣體的分離膜工序，以合適的壓力及溫度進行壓縮及冷卻的步驟。

此時，所述步驟1的壓縮及冷卻優選在生物氣體的溫度在-20℃～10℃下實施。如果所述步驟2的壓縮及冷卻的生物氣體的溫度不足-20℃的情況下，會使高分子分離膜的選擇度非常高，但是存在分離膜裝置整體的冷卻費用變高的問題，尤其是會有分離膜凍住，從而因壓力而導致容易破碎的問題，在超過10℃的情況下，由于會使高分子分離膜的選擇度大大降低，從而導致甲烷回收率及純度降低，存在因熱導致的分離膜受損的問題。

此外，所述步驟1的壓縮及冷卻優選在上部的生物氣體的壓力為3巴～11巴，下部的生物氣體的壓力在0.2巴～0.9巴下實施。如果所述步驟2中的壓縮及冷卻的生物氣體的壓力小于3巴的情況下，因分離膜工序的上部壓力/下部壓力的比值降低而導致的高分子分離膜的選擇度利用界限，從而存在甲烷的純度及回收率大大降低的問題，在超過11巴的情況下，在分離膜工序中因二氧化碳導致的可塑化現象而使得選擇度降低，從而存在最終的甲烷純度及回收率降低或分離膜受損的問題。

進一步地，所述步驟1的生物氣體可以包含0.0001％～0.1％的水分、硫化氫、氨、硅氧烷、氮氣及氧氣等作為雜質。作為所述步驟1中供給的生物氣體的組成的一例，包含約65％～75％體積％的甲烷，約25％～35體積％的二氧化碳，大部分為甲烷和二氧化碳，可以包含約1500ppm～2500ppm的硫化氫，約90ppm～100ppm的硅氧烷及約3500ppm～4500ppm的水分。

此時，所述步驟1的生物氣體可以為實施了除濕、脫硫、脫氨及脫硅氧烷處理等預處理的生物氣體。

所述步驟1的生物氣體可以為實施了上述預處理的生物氣體，在所述生物氣體的預處理中，優選最先實施除濕處理。在實施干式脫硫及脫硅氧烷的預處理的情況下，為了保護脫硫劑及脫硅氧烷劑，在先實施所述除濕處理的情況下，能夠防止因水分與吸附劑產生凝結現象而導致的性能早期結束或降低的問題。此外，在導入濕式脫硫或濕式氨的去除工序的情況下，生物氣體的除濕處理被設置在濕式工序的后段時，對于保護分離膜的透過特性方面為優選。所述除濕處理可以通過使原料生物氣體通過內置有從外部冷卻器(chiller)供給的冷卻水循環的管道的圓筒形除濕器的方法來實施，但并不限定于此。

此外，所述除濕處理優選在氣體的露點溫度為0℃以下的溫度下實施。更優選地，優選在-15℃～-50℃下實施。經過除濕處理的氣體的露點溫度超過0℃時，在后續的工序中會存在裝置被腐蝕的問題，在之后的壓縮工序等中，各種吸附劑發生打結現象，從而存在性能降低的問題，導致最終生產的甲烷氣體不能作為汽車燃料使用的問題。

進一步地，所述脫硫處理可以通過干式脫硫或濕式脫硫來實施。包含在生物氣體中的硫化氫產生惡臭，會誘發機器的腐蝕，因此需要將其去除。此時，干式脫硫工序與濕式脫硫相比要環保，不需要進一步實施廢水處理工序，工序經濟性優異。

此外，所述脫硫處理可以通過氧化鐵塔來實施，脫硅氧烷處理可以通過浸漬活性炭塔及硅膠塔來實施。對于所述硅氧烷，通過提純工序中使用的壓縮機氣缸內部產生的高熱，或者最終生產的甲烷氣體作為汽車燃料使用的情況下，通過在引擎內部燃燒而經過很長的時間在表面生成二氧化硅(SiO₂)，使得固形成分附著在表面，從而能夠縮短提純工序裝置或引擎的部件壽命，因此需要用于去除硅氧烷的預處理步驟。氧化鐵類吸附劑吸附大量的硫化氫，未完全吸附的氨利用浸漬活性炭吸附劑被吸附，此時，一部分硅氧烷也一起被吸附。最后，在硅膠塔中硅氧烷被吸附去除。如此地，脫硫及脫硅氧烷工序與以單一的吸附劑構成的一般的脫硫工序相比，在緊急情況下也能夠運行，而不會降低脫硫及脫硅氧烷性能，具有各個吸附劑能夠保留相互之間的功能的效果。

對于所述脫硫及脫硅氧烷處理，優選使得在處理后氣體的硫化氫濃度為20ppm以下，硅氧烷的濃度為0.1ppb以下。當最終生成物中硫化氫的濃度超過20ppm的情況下，生成物中會產生惡臭，將其作為燃料使用的情況下，會引起所使用的裝置的腐蝕的問題。此外，硅氧烷的濃度超過0.1ppb的情況下，通過提純工序中使用的壓縮機氣缸內部產生的高熱，或者最終生產的甲烷氣體作為汽車燃料使用的情況下，通過在引擎內部燃燒而經過很長的時間在表面生成二氧化硅(SiO₂)，使得固形成分附著在表面，從而存在會縮短提純工序裝置或引擎的部件壽命。

進一步地，與所述脫硫及脫硅氧烷一起，可以實施脫氨處理。在所述步驟1中供給的生物氣體可以包含氨，由此通過脫氨處理可以去除氨。

然后，根據本發明的從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法，步驟2為，將所述步驟1中進行壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用三段高分子分離膜中，并將第一高分子分離膜的透過部、第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的透過部維持在0.2巴～0.9巴，從而分離甲烷及二氧化碳。對于氣體分利用三段高分子分離膜，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比例為1:1:1～1:5:1，第一高分子分離膜殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第一高分子分離膜透過部流與第三高分子分離膜相連接。

具體地，在所述步驟2中分離二氧化碳的分離膜工序中所使用的材料優選為二氧化碳/甲烷選擇度為20～34的高分子材料，更優選為非晶形或半晶質聚合物，例如，最優選為聚砜、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、纖維素醋酸酯、聚苯醚、聚硅氧烷、聚氧乙烯、聚環氧丙烷及它們的混合物等。此外，在分離膜材料的制備過程中，為了提高二氧化碳的透過度而設計成低選擇度的聚合物材料的情況也包含于此。

此時，以這種材料作為對象，通過相轉移方法或薄膜涂布法采用非對稱結構的復合膜或中空絲膜加工為選擇層為薄膜的分離膜的情況下，優選二氧化碳的透過度為100GPU～1,000GPU。所述二氧化碳透過度的單位GPU表示氣體允許單位(gas permission unit)(1GPU＝(10^-6·cm³)/(cm²·sec·mmHg))，表示對于分離膜的單位面積(cm²)、單位壓力(mmHg)及單位時間(sec)通過的二氧化碳體積(cm³)。

一般情況下，用作分離膜材料的聚醚砜、聚酰亞胺等具有高的選擇度，但在本發明中使用的是雖然具有中間聚合度，但對于二氧化碳的可塑化抗性優異于聚酰亞胺的聚砜。在使用選擇度非常低的分離膜材料的情況下，為了獲得高純度的甲烷，因再循環的氣體的量較多而存在需要耗費大量的能源的問題。另一方面，在使用選擇度高的材料的情況下，大體上具有透過度低的傾向，而使用這種材料的分離膜工序所生產出的高純度甲烷的量少，并且再循環的量變多需要大量的分離膜和高壓運行條件，因此，存在工序的裝置規模變大的問題。基于上述理由，優選具有中間以上的選擇度的分離膜材料，在其中，優選對于根據壓力的可塑化現象的抗性高于聚酰亞胺的聚砜等高分子材料。

對分離膜的工序進行研究可知，甲烷回收率或純度不僅只被分離膜的選擇度所左右，也被分離膜的高壓側及低壓側之間的壓力比所左右。即，越是高壓對二氧化碳的可塑化現象會變高，因此因選擇度的降低而導致分離效果惡化。此外，上部壓力和下部壓力比越大，越能夠實現優異的最大分離效果，在低的壓力比范圍下，即使選擇度高，甲烷的純度或分離結果會很低。

對分離膜材料根據溫度的透過性進行研究可知，在分離膜的情況下，所供給的氣體的溫度越低，具有選擇度變高透過度變低的特性。由此，在使用與聚酰亞胺相比透過度高且選擇度低的聚砜或纖維素醋酸酯等材料的情況下，為了彌補較低的選擇度的缺點，選擇低溫的供給氣體的運行溫度的情況下，工序的分離度變高，從而最終能夠顯示出以高回收率獲得高純度甲烷的分離膜特性。

此外，在考慮到殘留部二氧化碳的濃度及回收率等的工序效率的情況下，高分子分離膜為三段分離膜，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比為1:1:1～1:5:1為優選。用單一的分離膜分離二氧化碳的情況下，存在殘留部二氧化碳濃度高且回收率低的問題。如果在所述步驟2中，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比小于1:1:1的情況下，因高分子分離膜的低選擇性，會使得回收率及甲烷的純度降低，再循環的甲烷的量多，從而存在壓縮所需的能量耗費大的問題，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比超過1:5:1的情況下，存在回收率及甲烷的純度變低，分離膜及相關管道的所需費用變高的問題。

進一步地，在所述步驟2中，優選使第一高分子分離膜、第二高分子分離膜及第三高分子分離膜的透過部維持0.2巴～0.9巴的減壓條件。如果所述步驟2中，第一高分子分離膜、第二高分子分離膜及第三高分子分離膜的透過部維持小于0.2巴的減壓條件的情況下，會存在減壓泵的價格和運行費用增加的問題，如果超過0.9巴而難以維持減壓條件的情況下，上部/下部壓力比降低到10以下，從而難以最大限度地利用分離膜的選擇度，從而存在回收率及純度降低的問題。

然后，根據本發明的從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法，步驟3是第二高分子分離膜的透過部維持減壓的同時，與第三高分子分離膜的殘留部一起再循環至所述步驟1的壓縮工序之前的步驟。

為了提高最終生成氣體的甲烷氣體的回收率，在所述三段高分子分離膜的最后，優選進一步包括將從第二高分子分離膜中出來的透過部及第三高分子分離膜的殘留部再循環至所述壓縮及冷卻步驟的步驟。

如此地，為了提高甲烷氣體的回收率，第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的殘留部再循環至所述壓縮及冷卻步驟，優選重復實施分離膜工序。此時，使通過第三高分子分離膜的透過部的氣體燃燒。經過所述二氧化碳分離步驟的氣體的二氧化碳濃度優選為1體積％以下。最終生產的氣體中的二氧化碳濃度超過1體積％的情況下，會使生產的甲烷氣體的純度降低，從而存在難以用于汽車燃料或城市燃氣能源的問題。

此外，本發明提供一種甲烷氣體提純裝置，其特征為，包括生物氣體的供給部；壓縮及冷卻部，對所述生物氣體的供給部供給的生物氣體進行壓縮及冷卻；提純部，其包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的氣體分離用三段高分子分離膜，在所述氣體分離用三段高分子分離膜中，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比為1:1:1～1:5:1，第一高分子分離膜殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第一高分子分離膜透過部流與第三高分子分離膜相連接；以及用于將第二高分子分離膜的透過部及第三高分子分離膜的殘留部導入到壓縮及冷卻部的再循環管線；所述高分子分離膜的二氧化碳透過度為100GPU～1,000GPU，高分子分離膜的二氧化碳/甲烷選擇度為20～34。

此時，圖1示出了根據本發明的甲烷氣體提純裝置的一例，下面，參照圖1對本發明的甲烷氣體提純裝置進行詳細說明。

根據本發明的甲烷氣體提純裝置100，所述供給生物氣體的生物氣體的供給部10是將食物垃圾處理場、下水污泥處理場、填埋地、畜產廢水處理場等中產生的生物氣體導入到本發明的提純裝置的裝置，可以是吹風機(blower)等的公知裝置。

此外，根據本發明的甲烷氣體提純裝置100可以包括除濕部20及用于從除濕的氣體中去除硫、氨及硅氧烷的預處理部30。所述除濕部20不被限定為特定結構的裝置，例如，可以是內置有從外部冷卻機供給的冷卻水進行循環的管件的圓筒形除濕裝置。

用于從所述除濕部20進行除濕的氣體中去除硫、氨及硅氧烷的預處理部30可以包括脫硫裝置及脫硅氧烷裝置，所述脫硫裝置可以包括氧化鐵塔，所述脫硅氧烷裝置可以包括氧化鐵塔、浸漬活性炭塔及硅膠塔。此時，用于脫硅氧烷的各個裝置可以串聯或并聯。氧化鐵類吸附劑吸附大量的硫化氫，未完全吸附的硫化氫利用浸漬活性炭吸附劑進行吸附，此時，一部分的硅氧烷一起被吸附。如上所述的脫硫及脫硅氧烷裝置與由單一的吸附劑構成的普通脫硫及脫硅氧烷裝置相比，在緊急狀態下也可以進行運行，而不會降低脫硫及脫硅氧烷的性能，各個吸附劑相互彌補性能，具有能夠有效地去除氣體內的硫成分及硅氧烷的效果。

根據本發明的甲烷氣體提純裝置100，所述壓縮及冷卻部40為對生物氣體進行壓縮及冷卻的裝置，以使得生物氣體適合經過分離膜工序，對其沒有特別的限制，只要是能夠壓縮及冷卻氣體的裝置，則可以使用任何裝置。

所述壓縮及冷卻部40由壓縮部41及冷卻部42組成，所述壓縮部41為，為了校對分離膜工序的引入壓力，利用適當的壓力壓縮所述預處理的生物氣體的結構，此時，被壓縮的生物氣體的壓力優選為3巴～11巴。如果在所述壓縮部被壓縮的生物氣體的壓力小于3巴的情況下，會因高分子分離膜的低選擇度而使得分離膜工序的上部壓力/下部壓力的比降低，由此導致甲烷純度及回收率大大降低的問題，如果超過11巴的情況下，在分離膜工序中因二氧化碳的可塑化現象而導致選擇度的降低，由此存在最終的甲烷純度及回收率降低或分離膜破損的問題。

所述冷卻部42為，為了校對生物氣體的分離膜工序的引入溫度而對生物氣體的溫度進行冷卻的結構，冷卻的氣體的溫度優選為-20℃～10℃。如果所述冷卻部中冷卻的生物氣體的溫度小于-20℃時，雖然高分子分離膜的選擇度會非常高，但是存在整體分離膜裝置的冷卻費用變高的問題，尤其是會有分離膜被凍住，因壓力而容易碎裂的問題，如果超過10℃的情況下，由于高分子分離膜的選擇度會大大降低，從而存在甲烷回收率及純度變低，分離膜因熱而受損的問題。

所述冷卻部42能夠防止生物氣體的溫度因在所述壓縮部41中壓縮生物氣體的過程中所產生的壓縮熱而被加熱，通過冷卻至適當的溫度，從而能夠提高生物氣體的分離膜效率，由此能夠提高最終生產的甲烷的生產效率。

對于本發明的甲烷氣體提純裝置100，所述提純部50能夠將在所述壓縮及冷卻部40中壓縮及冷卻的生物氣體導入到串聯連接的第一高分子分離膜51、第二高分子分離膜52及第三高分子分離膜53中，從而分離甲烷和二氧化碳。

此時，所述第一高分子分離膜51的面積、第二高分子分離膜52的面積及第三高分子分離53的面積的比優選為1:1:1～1:5:1。在使用單一分離膜分離二氧化碳的情況下，存在殘留部二氧化碳的濃度高且回收率低的問題。如果第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比例小于1:1:1，則會因高分子分離膜的低選擇性而導致回收率及甲烷的純度降低，會有再循環的甲烷的量多而大量消耗壓縮所需的能源的問題，如果第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的比例超過1:5:1，則會降低再循環率、回收率及甲烷的純度，會存在分離膜及相關管道所需費用變高的問題。

此外，在分離所述二氧化碳的分離膜工序中所使用的材料優選為二氧化碳/甲烷選擇度為20～34的高分子材料，更優選為非晶形或半晶質聚合物，例如，最優選為聚砜、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、纖維素醋酸酯、聚苯醚、聚硅氧烷、聚氧乙烯、聚環氧丙烷及它們的混合物等。此外，在分離膜材料的制備過程中，為了提高二氧化碳的透過度而設計成低選擇度的聚合物材料的情況也可以包含于此。

此時，以這種材料作為對象，通過相轉移方法或薄膜涂布法采用非對稱結構的復合膜或中空絲膜加工為選擇層為薄膜的分離膜的情況下，優選二氧化碳的透過度為100GPU～1,000GPU。所述二氧化碳透過度的單位GPU表示氣體允許單位(gas permission unit)(1GPU＝(10^-6·cm³)/(cm²·sec·mmHg))，表示對于分離膜的單位面積(cm²)、單位壓力(mmHg)及單位時間(sec)通過的二氧化碳體積(cm³)。

一般情況下，用作分離膜材料的聚醚砜、聚酰亞胺等具有高的選擇度，但在本發明中使用的是雖然具有中間聚合度，但對于二氧化碳的可塑化抗性優異于聚酰亞胺且樹脂價格低廉的聚砜、纖維素醋酸酯等。在使用選擇度非常低的分離膜材料的情況下，為了獲得高純度的甲烷，因再循環的氣體的量較多而存在需要耗費大量的能源的問題。另一方面，在使用選擇度高的材料的情況下，大體上具有透過度低的傾向，而使用這種材料的分離膜工序因透過的氣體的量少而導致處理容量不足，因此需要相對多的分離膜和高壓運行條件，因此，存在工序的裝置規模變大的問題。因上述原因，優選具有中間以上的選擇度，但具有高二氧化碳透過度的分離膜材料，其中，優選使用對于根據壓力的可塑化現象的抗性高于聚酰亞胺的聚砜等的高分子材料。

根據本發明的甲烷氣體提純裝置，包括用于將所述提純部50的第二高分子分離膜52的透過部及第三高分子分離膜53的殘留部再循環至壓縮及冷卻部40的第一再循環管線61及第二再循環管線為優選。通過如上所述的再循環，再次回收透過部中存在的甲烷，從而能夠提高甲烷氣體的回收率。

此時，參考甲烷氣體提純裝置100，對從生物氣體中分離高純度甲烷的方法進行說明如下。生物氣體從生物氣體供給部10供給，經過所述除濕部20及預處理部30使得氨及硅氧烷被去除，在所述壓縮及冷卻部40中將預處理的生物氣體在適當的壓力及溫度下進行壓縮及冷卻。然后，供給至所述提純部50的第一高分子分離膜51時，生物氣體中所包含的二氧化碳通過第一高分子分離膜的透過部，從而被供給至第三高分子分離膜53，甲烷則經過第一高分子分離膜的殘留部。此時，經過所述第一高分子分離膜的殘留部的氣體中包含有未透過的一定量的二氧化碳，從而會將這種包含二氧化碳的生物氣體再次供給到第二高分子分離膜52中。與所述第一高分子分離膜的分離過程同樣地，被供給的生物氣體中的大部分二氧化碳透過所述第二高分子分離膜而除去，經過所述第二高分子分離膜的殘留部的生物氣體只能夠生產高純度(95％以上)的甲烷。此外，通過所述第一高分子分離膜的透過部被供給到第三高分子分離膜的生物氣體中所包含的二氧化碳，其透過第三高分子分離膜而出去，可以使得所述第三高分子分離膜透過部氣體直接燃燒或連接到回收高純度的二氧化碳的工序。此時，經過所述第三高分子分離膜透過部而出來的氣體的二氧化碳濃度優選為90％以上，更優選為95％～99％。如果所述氣體的二氧化碳的濃度小于90％，則會降低甲烷氣體的生產效率。此外，經過第一高分子分離膜透過部的氣體通過與第三高分子分離膜殘留部相連接的第二再循環管線62向壓縮及冷卻部供給。

供給到所述第一高分子分離膜51、第二高分子分離膜52及第三高分子分離膜53的氣體的壓力優選為3巴～11巴，透過部的壓力維持0.2巴～0.9巴的減壓條件，上部和下部壓力的比例優選適當地維持在10～50。供給到所述第一高分子分離膜、第二高分子分離膜及第三高分子分離膜的氣體的壓力在所述壓縮部41中調節，為了調節所述透過部的壓力，可以使用真空泵或吹風機(未圖示)。

進一步地，本發明提供通過上述方法分離的純度為95％以上的甲烷氣體。

根據本發明的甲烷氣體為純度95％以上的甲烷氣體，從食物垃圾及有機物中產生的生物氣體中通過本發明的甲烷氣體分離方法來生成出高純度的甲烷。此時，本發明的甲烷氣體分離方法為上述三段的分離膜的工序方法，通過三段的分離膜工序進行再循環，以使得殘留的微量的甲烷也能夠再次進行提純，從而甲烷的生產率優異。

此外，本發明提供一種包括上述高純度甲烷氣體的汽車燃料及城市燃氣。

根據本發明的甲烷氣體分離方法可以將食物垃圾處理場、下水污泥處理場、填埋地、出產廢水處理場等中排放的生物氣體進行提純，從而有效地分離高純度的甲烷并進行活用，所述分離的甲烷氣體為95％以上的高純度甲烷氣體，回收率為90％以上，以低能源費用、低工廠費用、低運行費用被分離。通過上述方法分離的95％以上高純度的甲烷氣體燃料可以用作城市燃氣或汽車燃料。

下面，通過下述實驗例對本發明進行詳細說明。

但是，下述實驗例僅是用于例示本發明，本發明的范圍并不僅限于下述實驗例。

<實驗例1>根據運行壓力的甲烷氣體分離效率的確認

對于本發明甲烷氣體分離方法的根據運行壓力的甲烷氣體分離效率的確認

為了確認根據本發明的甲烷氣體分離方法的生物氣體壓縮工序的運行壓力的甲烷氣體分離效率，實施了如下實驗。

使用位于坡州市設施管理工團內的食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊(二氧化碳/甲烷選擇度30，二氧化碳透過度120GPU)來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約65％～75體積％，二氧化碳約25％～35體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-15℃，并維持10℃的溫度。供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為2巴～14巴，使第一聚砜中空絲膜的透過部壓力維持在3巴，第二聚砜中空絲膜及第三聚砜中空絲膜的透過部壓力維持在0.8巴。此外，使得第一聚砜中空絲膜、第二聚砜中空絲膜及第三聚砜中空絲膜的面積比為1:1:1，并已100L/min供給生物氣體，從而實施分離膜工序，并將其結果示于下述表2。

下述表2中的回收率為對于投入的低級甲烷的量的90％～99％提純的甲烷的量，通過下述數學式1來計算。

<數學式1>

殘留流量X殘留部甲烷濃度/供給流量X供給側甲烷濃度

表2

如上述表2中所示，在相同的運行溫度和供給流量的10℃，100L/min下進行實驗時，觀察到在3巴～11巴的運行壓力下，以90％以上的高回收率分離出95％以上的高純度甲烷。最終生產出的甲烷的濃度表現出隨著壓力的增大而增加的傾向，可知回收率隨著第二聚砜中空絲膜殘留部流量的減少而減小。

<實驗例2>對根據第一聚砜中空絲膜及第二聚砜中空絲膜透過部壓力的甲烷氣體分離效率的確認

對根據第一聚砜中空絲膜及第二聚砜中空絲膜透過部壓力的本發明的甲烷氣體分離方法的甲烷氣體分離效率的確認

為了對本發明甲烷氣體分離方法的根據第一聚砜中空絲膜及第二聚砜中空絲膜透過部壓力的甲烷氣體分離效率進行確認，實施了以下實驗。

*為了確認根據第一聚砜中空絲膜和第二聚砜中空絲膜透過部是否減壓的甲烷氣體分離效率，設置鼓風機(blower)，從而實施甲烷氣體分離方法。

使用位于坡州市設施管理公團內的食物垃圾處理設施產生的生物氣體，并利用由聚砜材料的分離膜制備的模塊(二氧化碳/甲烷選擇度：34，二氧化碳透過度200GPU)來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，約65％～75體積％的甲烷、約25％～35體積％的二氧化碳、約1500ppm～2500ppm的硫化氫、約90ppm～100ppm的硅氧烷、約3500ppm～4500ppm的水分。對供給的生物氣體進行預處理，將硫化氫去除至20ppm以下，將硅氧烷去除至0.1ppb以下，進行除濕使得露點溫度成為-15℃，并維持0℃的溫度。將供給到提純部的經過預處理的生物氣體的壓力調節為8巴，將第一聚砜中空絲膜和第二聚砜中空絲膜的透過部壓力調節為0.5～1巴。此外，使第一聚砜中空絲膜、第二聚砜中空絲膜及第三聚砜中空絲膜的面積比成為1:2:1，并以100L/min的流量供給生物氣體，從而實施分離膜工序，其結果記載于下述表3中。

表3

如上述表3中所示，在相同的運行溫度和供給流量的0℃、100L/min條件下進行實驗時，觀察到在運行壓力為8巴，第一聚砜中空絲膜和第二聚砜中空絲膜的透過部壓力為0.5～0.8巴下，能夠以90％以上的高回收率分離出95％以上的高純度甲烷。顯示出透過部壓力越低，最終生產出的甲烷的純度和回收率增高的傾向。

<實驗例3>根據運行溫度的甲烷氣體分離效率的確認

根據運行溫度的本發明的甲烷氣體分離方法的甲烷氣體分離效率的確認

為了確認根據本發明的甲烷氣體分離方法的運行溫度的甲烷氣體分離效率，實施了以下實驗。

使用位于坡州市設施管理公團內的食物垃圾處理設施產生的生物氣體，并利用由聚砜材料的分離膜制備的模塊(二氧化碳/甲烷選擇度：30，二氧化碳透過度120GPU)來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，約65％～75體積％的甲烷、約25％～35體積％的二氧化碳、約1500ppm～2500ppm的硫化氫、約90ppm～100ppm的硅氧烷、約3500ppm～4500ppm的水分。對供給的生物氣體進行預處理，將硫化氫去除至20ppm以下，將硅氧烷去除至0.1ppb以下，進行除濕使得露點溫度成為-15℃，然后將溫度調節為-15℃～35℃。將供給到提純部的經過預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，將第一聚砜中空絲膜和第二聚砜中空絲膜的透過部壓力維持在0.5巴。此外，使第一聚砜中空絲膜、第二聚砜中空絲膜及第三聚砜中空絲膜的面積比成為1:2:1，并以100L/min的流量供給生物氣體，從而實施分離膜工序，其結果記載于下述表4中。

表4

如上述表4中所示，觀察到在壓縮的生物氣體的溫度為10℃以下時，以90％以上的高回收率分離出95％以上的高純度甲烷。甲烷的純度當運行溫度高至35℃時，顯示出降低的傾向，隨著運行溫度的升高，聚砜中空絲膜的透過度也提高，從而回收率隨著第二聚砜中空絲膜的殘留部流量的減小而減小。

<實驗例4>對根據第一聚砜中空絲膜面積、第二聚砜中空絲膜面積及第三聚砜中空絲膜面積比的甲烷氣體分離效率的確認

對根據第一聚砜中空絲膜面積、第二聚砜中空絲膜面積及第三聚砜中空絲膜面積比的本發明的甲烷氣體分離方法的甲烷氣體分離效率的確認

為了確認根據本發明的甲烷氣體分離方法的第一聚砜中空絲膜面積、第二聚砜中空絲膜面積及第三聚砜中空絲膜面積的比的甲烷氣體的分離效率，實施了如下實驗。

使用位于坡州市設施管理公團內的食物垃圾處理設施產生的生物氣體，并利用由聚砜材料的分離膜制備的模塊(二氧化碳/甲烷選擇度：25，二氧化碳透過度100GPU)來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，約65％～75體積％的甲烷、約25％～35體積％的二氧化碳、約1500ppm～2500ppm的硫化氫、約90ppm～100ppm的硅氧烷、約3500ppm～4500ppm的水分。對供給的生物氣體進行預處理，將硫化氫去除至20ppm以下，將硅氧烷去除至0.1ppb以下，進行除濕使得露點溫度成為-15℃，然后將溫度維持在10℃。將供給到提純部的經過預處理的生物氣體的壓力調節為8巴，將第一聚砜中空絲膜和第二聚砜中空絲膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一聚砜中空絲膜和第二聚砜中空絲膜的面積比成為2:1:1及1:1:1～1:7:1，并以100L/min的流量供給生物氣體，從而實施分離膜工序，其結果記載于下述表5中。

表5

如上述表5中所示，確認了隨著第一聚砜中空絲膜面積、第二聚砜中空絲膜面積及第三聚砜中空絲膜面積的比從1:1:1增加到1:3:1，在第二聚砜中空絲膜的殘留部中回收得到的最終甲烷氣體的純度和回收率逐漸增加，隨著從1:4:1增加到1:5:1，雖然最終甲烷氣體的純度增加，但回收率逐漸減小。由此，確認到為了以90％以上的高回收率來分離約為95％以上的高純度甲烷，可以確認第一聚砜中空絲膜面積和第二聚砜中空絲膜面積的比應為1:1:1～1:5:1。

下面，對本發明另一實施例的用于分離高純度甲烷氣體的多段膜分離提純工序及裝置進行說明。

對于本發明的另一實施例，包括：對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟(步驟1)；以及將在所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)。所述步驟2的特征為，將所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用四段高分子分離膜中，從而分離二氧化碳。在所述氣體分離用四段高分子分離膜中，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

對此再次說明如下。本發明提供一種從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法。所述方法包括下述步驟：對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟(步驟1)；以及將在所述步驟1中壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用四段高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟(步驟2)。在所述氣體分離用四段高分子分離膜中，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

下面，對本發明的從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的分離方法按照各個步驟進行詳細說明。

首先，對于本發明的從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的分離方法，步驟1為對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟。

所述步驟1為對生物氣體進行壓縮及冷卻的步驟，是用于從生物氣體中分離出高純度的甲烷氣體的、用于實施分離膜工序而在適當的壓力及溫度下進行壓縮及冷卻的步驟。

此時，所述步驟1的壓縮及冷卻優選在生物氣體的溫度為-20℃～30℃下實施。如果，所述步驟2的壓縮及冷卻的生物氣體的溫度不足-20℃時，雖然高分子分離膜的選擇度會非常高，但存在整體分離膜裝置的冷卻費用變高的問題，尤其是會發生分離膜被凍住而因壓力導致的容易碎裂的問題，如果超過30℃時，會使高分子分離膜的選擇度大大降低，由此導致甲烷回收率及純度降低，存在分離膜因熱而受到損傷的問題。

此外，所述步驟1的壓縮及冷卻優選在上部的生物氣體的壓力為3～100巴下實施，更優選在5～30巴下實施。如果，所述步驟1中的壓縮及冷卻的生物氣體的壓力不足3巴時，會因高分子分離膜的低選擇度而存在甲烷的純度及回收率隨著分離工序的上部壓力/下部壓力比的降低而降低的問題，在超過100巴時，在分離膜工序中會因二氧化碳導致的可塑化現象而導致選擇度降低，由此會導致最終的甲烷純度及回收率的降低或分離膜受損的問題。

進一步地，所述步驟1的生物氣體可以包括0.0001％～0.1％的作為雜質的水分、硫化氫、氨、硅氧烷、氮氣及氧氣等。作為所述步驟1中所供給的生物氣體的組成的一例，甲烷約為65％～75體積％，二氧化碳約為25％～35體積％，即，大部分由二氧化碳和甲烷所占據，可以包括約1500ppm～2500ppm的硫化氫，約90ppm～100ppm的硅氧烷，約3500ppm～4500ppm的水分。

此時，所述步驟1的生物氣體可以是經過除濕、脫硫、脫氨及脫硅氧烷等預處理的生物氣體。

所述步驟1的生物氣體可以是實施了上述預處理的生物氣體，在所述生物氣體的預處理中，優選實施除濕處理。對于所述除濕處理，在實施干式脫硫及托硅氧烷的預處理的情況下，為了保護脫硫劑及脫硅氧烷劑，首先實施除濕處理，可以防止因水分而導致的各種吸附劑發生凝結的現象所引起的性能的早期終止或降低的問題。此外，在導入了濕式脫硫或濕式脫氨的去除工序的情況下，將生物氣體的除濕處理設置在濕式工序的后段對保護分離膜的透過特性方面為優選。所述除濕處理可以采用使生物氣體通過圓筒形除濕器來實施，但并不限定于此。所述圓筒形除濕器內置有從外部冷卻器(chiller)供給的冷卻水進行循環的管件。

此外，所述除濕處理優選使氣體的露點溫度成為0℃以下來實施。更優選成為-5℃～-50℃。經過除濕處理后的氣體的露點溫度超過0℃時，會在后續的工序中發生裝置腐蝕的問題，在之后的工序中，各種吸附劑會產生凝結謝翔，從而存在性能降低的問題，導致最終生產出的甲烷氣體不能作為汽車燃料使用。

進一步地，所述脫硫處理可以采用干式脫硫或濕式脫硫來實施。包含在生物氣體中的硫化氫會產生惡臭，而且會誘發機器的腐蝕，因此需要將其去除。此時，干式脫硫工序與濕式脫硫工序相比要環保，因不需要進一步實施廢水處理工序，工序經濟性優異。

此時，所述脫硫處理可以通過氧化鐵塔來實施，所述脫硅氧烷處理可以通過浸漬活性炭塔及硅膠塔來實施。所述硅氧烷會因在提純工序中使用的壓縮機氣缸內部產生的高熱，或者是當最終生產的甲烷氣體作為汽車燃料使用的情況下，會在發動機內部燃燒，從而經過很長時間在表面會生產二氧化硅(SiO₂)而使固體附著在表面上，由此會縮短提純工序裝置或發動機的部件壽命，為了將其去除需要進行預處理步驟。氧化鐵類吸附劑吸附大量的硫化氫，利用浸漬活性炭吸附劑來吸附未完全吸附的氨，此時，部分硅氧烷也一起被吸附。最后，硅氧烷在硅膠塔中被吸附而去除。像這樣的脫硫及托硅氧烷工序與由單一的脫硫劑構成的普通的脫硫工序相比，在緊急情況下也能夠運行，而不會降低脫硫及脫硅氧烷性能，各個吸附劑可以進行互補。

所述脫硫及脫硅氧烷處理，優選使得在處理后，氣體的硫化氫濃度為20ppm以下，硅氧烷的濃度為0.1ppb以下。當最終生成物中的硫化氫超過20ppm時，生成物中會產生惡臭，當將其用作燃料時，會誘發使用裝置的腐蝕。此外，當硅氧烷的濃度超過0.1ppb時，會因提純工序中使用的壓縮機氣缸內部所產生的高熱，或者是當最終生產的甲烷氣體作為汽車燃料使用的情況下，會在發動機內部燃燒，從而經過很長時間在表面會生產二氧化硅(SiO₂)而使固體附著在表面上，由此會縮短提純工序裝置或發動機的部件壽命。

進一步地，與所述脫硫及脫硅氧烷處理一起，可以實施脫氨處理。在所述步驟1中供給的生物氣體中可以包含氨，由此可以通過脫氨處理來去除氨。

然后，根據本發明的從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法，步驟2是將所述步驟1中經過壓縮及冷卻的生物氣體導入到氣體分離用四段高分子分離膜中，從而分離二氧化碳的步驟。對于所述氣體分利用四段高分子分離膜，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

在所述步驟2中，是將所述步驟1中經過壓縮及冷卻的生物氣體使用氣體分離用四段高分子分離膜來分離出高純度的甲烷和二氧化碳，此時，所述四段高分子分離膜包括第一高分子分離膜、第二高分子分離膜、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜，所述第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

具體地，在所述步驟2中分離二氧化碳的分離膜工序中所使用的材料為二氧化碳/甲烷選擇度為20～100的高選擇性材料至中等選擇性高分子材料為優選，更優選為20～60。更優選為非晶形或半晶質聚合物，例如，最優選為聚酰亞胺、聚酰胺、聚醚砜、聚砜、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、醋酸纖維素、聚苯醚、聚硅氧烷、聚環氧乙烷、聚環氧丙烷及它們的混合物。此外，在分離膜材料的制備過程中，為了提高二氧化碳的透過度，在這里可以包括以低選擇度合成的聚合物酰亞胺等材料。

此時，以這種高分子材料作為對象，通過相轉移法或薄膜涂布法來將非對稱結構的復合膜或中空絲膜加工成選擇層為薄膜的分離膜的情況下，二氧化碳透過度優選為10GPU～1,000GPU，更優選為100GPU～1,000GPU。所述二氧化碳透過度的單位GPU表示氣體允許單位(gas permission unit)(1GPU＝(10^-6·cm³)/(cm²·sec·mmHg))，表示對于分離膜的單位面積(cm²)、單位壓力(mmHg)及單位時間(sec)通過的二氧化碳體積(cm³)。

本發明中使用的分離膜材料與主要使用高選擇性高分子材料的三段工序不同，可以使用選擇度為40以上的高選擇度的聚酰亞胺和聚醚砜等，也可以使用選擇度為20～34左右的具有中等程度的選擇度的聚砜、醋酸纖維素、聚碳酸酯等多種分離膜材料。用作分離膜材料的聚醚砜、聚酰亞胺等雖然具有高的選擇度，但可以具有低的二氧化碳透過度，聚砜等雖然具有中等的選擇度，但由于對二氧化碳的可塑化抗性比聚酰亞胺要優異，可以在多種分離膜中選擇使用。在使用選擇度非常低的分離膜材料的情況下，為了獲得高純度的甲烷，由于再循環氣體的量較多，因此所需的能量也多，在使用選擇度高的材料的情況下，大體上具有透過度低的傾向，但由于使用這種材料的分離膜工序所生產的高純度甲烷的量少，再循環的量變多，從而需要大量的分離膜和高壓的運行條件，由此會導致工序裝置的規模變大。基于上述原因，可以使用具有中等以上的選擇度的分離膜材料，其中，可以使用對于根據壓力的可塑化現象的抗性高于聚酰亞胺的聚砜等的高分子材料，但并不限定于此。

此外，所述步驟2的第一高分子分離膜、第二高分子分離膜、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜各自的透過部及殘留部的壓力差優選調節為1～5巴，更優選調節為5～30巴。尤其是可以通過使透過部的壓力低于上部壓力，或者使用更高的減壓來使分離工序的透過驅動力存在。由此，具有上部壓力的壓力越高，分離膜的所需量變少的優點，如果所述步驟2的第一高分子分離膜、第二高分子分離膜、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜各自的透過部及殘留部的壓力差不足1巴時，分離膜的透過度會變低，不能充分地發揮分離膜的選擇度，從而會導致甲烷的最終回收率變低，由此會使甲烷氣體的再循環率變高，從而存在工廠的制造費用及能源費用增加的問題，當超過50巴時，壓縮機的費用或管道費用過多，從而會增大爆炸危險性。

此時，向所述步驟2的第一高分子分離膜、第二高分子分離膜、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜分別供給的生物氣體的壓力優選為3～100巴。更優選為5～30巴。如果向所述步驟2的第一高分子分離膜、第二高分子分離膜、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜分別供給的生物氣體的壓力不足3巴時，分離膜工序的上部壓力/下部壓力的比的降低會導致的高分子分離膜的低選擇度，從而會引起甲烷的純度及回收率大大降低的問題，當超過100巴時，分離膜工序中的二氧化碳引起的可塑化現象會導致選擇度的降低，從而會使最終的甲烷的純度及回收率變低或分離膜受損。

進一步地，可以通過調節所述步驟2的第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比來調節殘留部二氧化碳的濃度及回收率等工序效率。具體的例子為，當供給的生物氣體的甲烷濃度約為60％～80％左右而很高時，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比中，從回收率方面考慮，優選使第一高分子分離膜面積和第四高分子分離膜面積控制為顯著低于第二高分子分離膜面積和第三高分子分離膜面積。供給的生物氣體的甲烷濃度約為40％～60％左右而非常低時，從回收率方面考慮，優選使第一高分子分離膜面積和第四高分子分離膜面積稍稍低于第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積。

更具體的例子為，當供給的生物氣體的甲烷濃度約為60％～80％左右而很高時，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比可以為1:2-5:2-8:1-5，當供給的生物氣體的甲烷濃度約為40％～60％左右而非常低時，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比可以為1:3-7:8-12:2-8。

對于所述步驟2的第一高分子分離膜，可以隨著所述步驟1的生物氣體中所包含的甲烷的濃度的減少而調節所述第一高分子分離膜的面積來提純高純度甲烷。根據所述步驟1中供給的生物氣體中所包含的甲烷的濃度來調節第一高分子分離膜的面積，從而能夠有效地制備高純度的甲烷氣體。

進一步地，所述步驟1中供給的生物氣體中所包含的甲烷的濃度約為60％～80％而很高時，可以不經過第一高分子分離膜，而通過向第二高分子分離膜直接供給的支路(by-pass)來實施甲烷氣體分離膜工序。如此地，通過包括支路能夠更加提高效率，并根據多種甲烷氣體分離工序的變體來實現技術靈活性。

此外，從所述生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法，可以包括將第三高分子分離膜的透過部及第四高分子分離膜的殘留部再循環至所述步驟1的壓縮工序之前的步驟(步驟3)。

通過包括步驟3可以提高最終生成氣體的甲烷氣體回收率。在所述第四高分子分離膜的最后，可以包括將第三高分子分離膜的透過部及第四高分子分離膜的殘留部再循環至所述壓縮及冷卻步驟的步驟。

如此地，為了提高甲烷氣體的回收率，第三高分子分離膜的透過部及第四高分子分離膜的殘留部再循環至所述壓縮及冷卻步驟，優選重復分離膜工序。此時，通過第四高分子分離膜的透過部的氣體被調節為5％以上而進行燃燒，或者當為1％以下的情況下，壓縮存儲到額外的儲藏設備中。經過所述分離二氧化碳步驟的氣體的二氧化碳濃度優選為1體積％以下，可以將通過所述第四高分子分離膜的透過部的高純度二氧化碳單獨進行分離而利用。

此外，具有還可以分離通過第一高分子分離膜的透過部而出來的高純度二氧化碳而進行利用的優點。

進一步地，本發明提供一種甲烷氣體提純裝置，其包括生物氣體的供給部；壓縮及冷卻部，對所述生物氣體的供給部供給的生物氣體進行壓縮及冷卻；提純部，其包含用于從所述壓縮及冷卻部中進行壓縮及冷卻的氣體中去除二氧化碳的氣體分離用四段高分子分離膜，在所述氣體分離用四段高分子分離膜中，第一高分子分離膜的殘留部流與第二高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜殘留部流與第三高分子分離膜相連接，第二高分子分離膜透過部流與第四高分子分離膜相連接。

圖2為示出根據本發明一實施例的甲烷氣體提純裝置的圖，下面，參照圖2對本發明的甲烷氣體提純裝置進行詳細說明。

根據本發明的甲烷氣體提純裝置100，供給所述生物氣體的生物氣體的供給部10可以是將食物垃圾處理廠、下水污泥處理場、填埋地、畜產廢水處理場等中產生的生物氣體導入到本發明的提純裝置的裝置，可以是吹風機(blower)等的公知裝置。

此外，根據本發明的甲烷氣體提純裝置100可以包括除濕部20及用于從除濕的氣體中去除硫、氨及硅氧烷的預處理部30。所述除濕部20不被限定為特定結構的裝置，例如，可以是內置有從外部冷卻機供給的冷卻水進行循環的管件的圓筒形除濕裝置。

用于從所述除濕部20進行除濕的氣體中去除硫、氨及硅氧烷的預處理部30可以包括脫硫裝置及脫硅氧烷裝置，所述脫硫裝置可以包括氧化鐵塔，所述脫硅氧烷裝置可以包括氧化鐵塔、浸漬活性炭塔及硅膠塔。此時，用于脫硅氧烷的各個裝置可以串聯或并聯。氧化鐵類吸附劑吸附大量的硫化氫，未完全吸附的硫化氫利用浸漬活性炭吸附劑進行吸附，此時，一部分的硅氧烷一起被吸附。如上所述的脫硫及脫硅氧烷裝置與由單一的吸附劑構成的普通脫硫及脫硅氧烷裝置相比，在緊急狀態下也可以進行運行，而不會降低脫硫及脫硅氧烷的性能，各個吸附劑相互彌補性能，具有能夠有效地去除氣體內的硫成分及硅氧烷的效果。

根據本發明的甲烷氣體提純裝置100，所述壓縮及冷卻部40為對生物氣體進行壓縮及冷卻的裝置，以使得生物氣體適合經過分離膜工序，對其沒有特別的限制，只要是能夠壓縮及冷卻氣體的裝置，則可以使用任何裝置。

所述壓縮及冷卻部40由壓縮部41及冷卻部42組成，所述壓縮部41為，為了校對分離膜工序的引入壓力，利用適當的壓力壓縮所述預處理的生物氣體的結構，此時，被壓縮的生物氣體的壓力優選為3巴～100巴，更優選為5巴～30巴。如果在所述壓縮部被壓縮的生物氣體的壓力小于3巴的情況下，會因高分子分離膜的低選擇度而使得分離膜工序的上部壓力/下部壓力的比降低，由此導致甲烷純度及回收率大大降低的問題，如果超過100巴的情況下，在分離膜工序中因二氧化碳的可塑化現象而導致選擇度的降低，由此存在最終的甲烷純度及回收率降低或分離膜破損的問題。此外，還會產生因高壓帶來的工廠制備費用增高，以及運行所帶來的爆炸危險性增高的問題。

所述冷卻部42為，為了校對生物氣體的分離膜工序的引入溫度而對生物氣體的溫度進行冷卻的結構，冷卻的氣體的溫度優選為-20℃～30℃。如果所述冷卻部中冷卻的生物氣體的溫度小于-20℃時，雖然高分子分離膜的選擇度會非常高，但是存在整體分離膜裝置的冷卻費用變高的問題，尤其是會有分離膜被凍住，因壓力而容易碎裂的問題，如果超過30℃的情況下，由于高分子分離膜的選擇度會大大降低，從而存在甲烷回收率及純度變低，分離膜因熱而受損的問題。

所述冷卻部42能夠防止生物氣體的溫度因在所述壓縮部41中壓縮生物氣體的過程中所產生的壓縮熱而被加熱，通過冷卻至適當的溫度，從而能夠提高生物氣體的分離膜效率，由此能夠提高最終生產的甲烷的生產效率。

對于本發明的甲烷氣體提純裝置100，所述提純部50能夠將在所述壓縮及冷卻部40中壓縮及冷卻的生物氣體導入到第一高分子分離膜51、第二高分子分離膜52、第三高分子分離膜53及第四高分子分離膜54中，從而分離甲烷和二氧化碳。

此時，用作所述高分子分離膜的材料優選為二氧化碳/甲烷選擇度為20～100的高分子材料，更優選為非晶形或半晶質聚合物，例如，最優選為聚酰亞胺、聚酰胺、聚醚砜、聚砜、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、醋酸纖維素、聚苯醚、聚硅氧烷、聚環氧乙烷、聚環氧丙烷及它們的混合物。此外，在分離膜材料的制備過程中，為了提高二氧化碳的透過度，在此可以包括將選擇度設計得低的聚合物材料的情況。

此時，以這種材料作為對象，通過相轉移法或薄膜涂布法來將非對稱結構的復合膜或中空絲膜加工成選擇層為薄膜的分離膜的情況下，二氧化碳透過度優選為10GPU～1,000GPU，更優選為100GPU～1,000GPU。所述二氧化碳透過度的單位GPU表示氣體允許單位(gas permission unit)(1GPU＝(10^-6·cm³)/(cm²·sec·mmHg))，表示對于分離膜的單位面積(cm²)、單位壓力(mmHg)及單位時間(sec)通過的二氧化碳體積(cm³)。

用于分離膜材料的聚醚砜、聚酰亞胺等雖然具有40以上的高選擇度，但二氧化碳透過度會低，聚砜等雖然具有中間程度的選擇度，但由于對二氧化碳的可塑化抗性優異于聚酰亞胺，因此可以在多種分離膜中選擇使用。在使用選擇度非常低的分離膜材料的情況下，為了獲得高純度的甲烷，由于再循環氣體的量較多，因此所需的能量也多，在使用選擇度高的材料的情況下，大體上具有透過度低的傾向，但由于使用這種材料的分離膜工序所生產的高純度甲烷的量少，再循環的量變多，從而需要大量的分離膜和高壓的運行條件，由此會導致工序裝置的規模變大。基于上述原因，可以使用具有中等以上的選擇度的分離膜材料，其中，可以使用對于根據壓力的可塑化現象的抗性高于聚酰亞胺的聚砜等高分子材料，但并不限定于此。

此外，優選將所述第一高分子分離膜51、第二高分子分離膜52、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜54各自的透過部及殘留部的壓力差調節為1～50巴，更優選為5～30巴。尤其是可以通過使透過部的壓力低于上部壓力，或使用更高的減壓來使分離工序具有透過驅動力。由此，具有上部壓力的壓力越高，分離膜的所需量變少的優點，如果所述第一高分子分離膜、第二高分子分離膜、第三高分子分離膜及第四高分子分離膜各自的透過部及殘留部的壓力差不足1巴時，分離膜的透過度會變低，不能充分地發揮分離膜的選擇度，從而會導致甲烷的最終回收率變低，由此會使甲烷氣體的再循環率變高，從而存在工廠的制造費用及能源費用增加的問題，當超過100巴時，壓縮機的費用或管道費用過多，從而會增大爆炸危險性。

進一步地，可以通過調節第一高分子分離膜51的面積、第二高分子分離膜52的面積、第三高分子分離膜53的面積及第四高分子分離膜54的面積的比來調節二氧化碳的濃度及回收率等的工序效率。作為具體例，當供給的生物氣體的甲烷濃度約為60％～80％左右而很高時，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比中，從回收率方面考慮，優選使第一高分子分離膜面積和第四高分子分離膜面積控制為顯著低于第二高分子分離膜面積和第三高分子分離膜面積。供給的生物氣體的甲烷濃度約為40％～60％左右而非常低時，從回收率方面考慮，優選使第一高分子分離膜面積和第四高分子分離膜面積稍稍低于第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積。

更具體的例子為，當供給的生物氣體的甲烷濃度約為60％～80％左右而很高時，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比可以為1:2-5:2-8:1-5，當供給的生物氣體的甲烷濃度約為40％～60％左右而非常低時，第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的比可以為1:3-7:8-12:2-8。

此外，隨著生物氣體中所含的甲烷的濃度的降低，所述第一高分子分離膜51可以通過調節所述第一高分子分離膜的面積來提純高純度甲烷氣體。可以根據供給的生物氣體中所含的甲烷的濃度來調節第一高分子分離膜的面積，從而有效地提純出高純度甲烷氣體。

進一步地，供給的生物氣體中所包含的甲烷的濃度約為60％～80％而很高時，可以不經過第一高分子分離膜51，而通過向第二高分子分離膜52直接供給的支路(by-pass)來實施甲烷氣體分離膜工序。如此地，通過包括支路能夠更加提高效率，并根據多種甲烷氣體分離工序的變體來實現技術靈活性。

根據本發明的甲烷氣體提純裝置100，包括用于將提純部50的第三高分子分離膜53的透過部及第四高分子分離膜54的殘留部再循環至壓縮及冷卻部40的第一再循環管線61及第二再循環管線62。通過如上所述的再循環，再次回收透過部中存在的甲烷，從而能夠提高甲烷氣體的回收率。

此時，參考所述甲烷氣體提純裝置100，對從生物氣體中分離高純度甲烷氣體的方法進行說明如下。生物氣體從生物氣體供給部10供給，經過所述除濕部20及預處理部30使得水分、硫、氨及硅氧烷被去除，在所述壓縮及冷卻部40中將預處理的生物氣體在適當的壓力及溫度下進行壓縮及冷卻。

然后，供給至所述提純部50的第一高分子分離膜51時，生物氣體中所包含的二氧化碳通過第一高分子分離膜的透過部被排出，甲烷則經過第一高分子分離膜的殘留部。通過所述第一高分子分離膜透過部排出的二氧化碳可以被用作高純度的二氧化碳。此時，經過所述第一高分子分離膜的殘留部的氣體中包含有未透過的一定量的二氧化碳，這種包含二氧化碳的生物氣體會再被供給到第二高分子分離膜52中。在供給的生物氣體中，大部分的二氧化碳通過所述第二高分子分離膜的透過部供給至第四高分子分離膜54，甲烷會經過第二高分子分離膜的殘留部。此外，經過所述第二高分子分離膜的殘留部的氣體中也會包含有未透過的一定量的二氧化碳，會將這種包含二氧化碳的生物氣體再次供給到第三高分子分離膜53。與所述第二高分子分離膜的分離過程相同地，被供給的生物氣體中的大部分的二氧化碳會透過所述第三高分子分離膜而出去，經過所述第三高分子分離膜的殘留部的生物提起可以僅生產高純度(95％以上)的甲烷。

此外，通過所述第二高分子分離膜52的透過部向第四高分子分離膜54供給的生物氣體中所包含的二氧化碳會透過第四高分子分離膜而出去，所述第四高分子分離膜透過部氣體可以直接進行燃燒或將其連接到高純度的二氧化碳回收工序中而被利用。此時，經過所述第四高分子分離膜透過部而出來的氣體的二氧化碳濃度優選為90％以上，更優選為95～99％。如果所述氣體的二氧化碳濃度不足90％時，甲烷氣體的生產效率會降低。此外，經過第三高分子分離膜53透過部的氣體及向第四高分子分離膜殘留部移動的氣體會通過與壓縮及冷卻部連接的再循環管線61、62來向壓縮及冷卻部供給，從而能夠生成更高純度的甲烷氣體。

此外，所述第一高分子分離膜51，當包含在生物氣體中的甲烷的濃度為可變的情況下，可以通過調節所述第一高分子分離膜的面積來提純高純度甲烷氣體。可以根據供給的生物氣體中所包含的甲烷的濃度來調節第一高分子分離膜的面積，從而有效地提純出高純度甲烷氣體。

進一步地，供給的生物氣體中所包含的甲烷的濃度約為50％～80％而很高時，可以不經過第一高分子分離膜51，而通過向第二高分子分離膜52直接供給的支路70(by-pass)來實施甲烷氣體分離膜工序。如此地，通過支路向第二高分子分離膜供給生物氣體，能夠更加提高甲烷氣體分離工序的能量效率，并根據多種甲烷氣體分離工序的變體來實現技術靈活性。

進一步地，本發明提供通過上述方法來分離的純度為95％以上的甲烷氣體。

根據本發明的甲烷氣體為純度在95％以上的甲烷氣體，是利用本發明的甲烷氣體分離方法來從食物垃圾及有機物中所產生的生物氣體中生產高純度的甲烷。此時，根據本發明的甲烷氣體分離方法為上述的四段分離膜工序方法，通過四段的分離膜工序進行再循環，從而使得對殘留的微量的甲烷也能夠被再次提純，從而甲烷的生產率優異。此外，通過四段分離膜工序，對于甲烷氣體濃度多樣的生物氣體也能夠分離出高純度甲烷氣體，可以單獨分離出高純度的二氧化碳。

此外，本發明提供包含上述高純度甲烷氣體的汽車燃料及城市燃氣。

根據本發明的甲烷氣體分離方法可以將食物垃圾處理場、下水污泥處理場、填埋地、畜產廢水處理場等中排出的生物氣體進行提純，從而有效地分離出高純度的甲烷而被利用，所述分離的甲烷氣體為95％以上的高純度甲烷氣體，回收率為90％以上，并且可以以低能源費用、低工廠費用、低運行費用分離。按照上述方法分離的95％以上的高純度的甲烷氣體燃料可以用作城市燃氣或汽車燃料。

下面，通過下述實施例及實驗例對本發明進行詳細說明。

但是，下述實施例及實驗例只是為了例示本發明，本發明的范圍并不僅限于下述實施例及實驗例。

<實施例1>高純度甲烷氣體分離1

步驟1：使用食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約65％～75體積％，二氧化碳約25％～35體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-5℃，然后維持20℃的溫度。

步驟2：供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，第二高分子分離膜的透過部壓力維持在3巴，第三高分子分離膜及第四高分子分離膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的面積比成為1:3:6:1，以100L/min的量供給生物氣體，從而實施膜分離工序。

<實施例2>高純度甲烷氣體分離2

*步驟1：使用食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約45體積％，二氧化碳約55體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-5℃，然后維持10℃的溫度。

步驟2：供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，第二高分子分離膜的透過部壓力維持在3巴，第三高分子分離膜及第四高分子分離膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積、第三高分子分離膜面積及第四高分子分離膜面積的面積比成為1:5:10:2，以100L/min的量供給生物氣體，從而實施膜分離工序。

<比較例1>

步驟1：使用食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊，構成如圖3所示的二段再循環工序來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約65％～75體積％，二氧化碳約25％～35體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-5℃，然后維持20℃的溫度。

步驟2：供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，第一高分子分離膜及第二高分子分離膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一高分子分離膜面積及第二高分子分離膜面積的面積比成為1:3，以100L/min的量供給生物氣體，從而實施膜分離工序。

<比較例2>

步驟1：使用食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊，構成如圖4所示的三段再循環工序來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約65％～75體積％，二氧化碳約25％～35體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-5℃，然后維持20℃的溫度。

步驟2：供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，第一高分子分離膜的透過部壓力維持在3巴，第二高分子分離膜及第三高分子分離膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的面積比成為1:3:1，以100L/min的量供給生物氣體，從而實施膜分離工序。

<比較例3>

步驟1：使用食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊，構成如圖3所示的二段再循環工序來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約45體積％，二氧化碳約55體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-5℃，然后維持10℃的溫度。

*步驟2：供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，第一高分子分離膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一高分子分離膜面積及第二高分子分離膜面積的面積比成為1:3，以100L/min的量供給生物氣體，從而實施膜分離工序。

<比較例4>

步驟1：使用食物垃圾處理設施中產生的生物氣體，并利用聚砜材料的分離膜所制備的模塊，構成如圖4所示的三段再循環工序來提純甲烷氣體。供給的生物氣體的組成為，甲烷約45體積％，二氧化碳約55體積％，硫化氫約1500ppm～2500ppm，硅氧烷約90ppm～100ppm，水分約3500ppm～4500ppm。對供給的生物氣體進行預處理，去除硫化氫至20ppm以下，硅氧烷至0.1ppb以下，進行除濕，使得露點溫度為-5℃，然后維持10℃的溫度。

步驟2：供給到提純部的預處理的生物氣體的壓力調節為11巴，第一高分子分離膜的透過部壓力維持在3巴，第二高分子分離膜及第三高分子分離膜的透過部壓力維持在1巴。此外，使第一高分子分離膜面積、第二高分子分離膜面積及第三高分子分離膜面積的面積比成為1:3:1，以100L/min的量供給生物氣體，從而實施膜分離工序。

<實驗例5>甲烷氣體分離效率分析

為了確認本發明的甲烷氣體分離膜方法的甲烷氣體分離效率，實施上述實施例1、實施例2及比較例1～4后，分析了甲烷氣體的濃度、二氧化碳的濃度及回收率，其結果記載于表6。

在下述表6中，回收率為相對于加入的低級甲烷的量的90％～99％提純甲烷的量，通過下述數學式2來計算。

<數學式2>

殘留流量X殘留部甲烷濃度/供給流量X供給側甲烷濃度

表6

如上述表6中所示，在相同的條件下(運行溫度、運行壓力等)，實施例二段分離膜工序的比較例1中，觀察到約以80.1％的回收率分離出約90.3％的甲烷。此外，在實施了三段分離膜工序的比較例2中，觀察到約以89.2％的回收率分離出約93.2％的甲烷。另一方面，實施了根據本發明的四段分離膜工序的實施例1中，確認到可以提純出約98％以上的高純度甲烷，并以99％的回收率進行分離，另外還能夠獲得約95％以上的二氧化碳。

此外，在相同的條件下，為了提純出包含約45％的甲烷的生物氣體而實施了二段分離膜工序的比較例3中，觀察到約以80.2％的回收率分離出約95.2％的甲烷，實施了三段分離膜工序的比較例4中，觀察到約以89.2％的回收率分離出約94.2％的甲烷。另一方面，實施了根據本發明的四段分離膜工序的實施例2中，確認到約以98％的回收率分離出約99％以上的甲烷，并可以獲得約99％以上的二氧化碳。

如上所述，根據本發明的從生物氣體中分離高純度的甲烷氣體的方法，能夠從食物垃圾及有機物中產生的生物氣體中生產出高純度的甲烷，通過四段的分離膜工序，對于甲烷濃度多樣的生物氣體也能夠分離出高純度甲烷氣體，通過四段的分離膜工序進行再循環，從而使得殘留的微量的甲烷也能夠被再提純，從而能夠提高甲烷的生產率。進一步地，還能夠單獨分離出高純度的二氧化碳。