專利名稱：一種利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法
一種利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于生物能源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法。
背景技術(shù)：
在節(jié)能減排政策的推動和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的拉動下，我國天然氣消費(fèi)量正以每年 16%的速度增長，預(yù)計到2020年，天然氣消費(fèi)量將會接近3000億m3，屆時天然氣消費(fèi)量將占到一次能源消費(fèi)總量的8% 10%。為滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對清潔能源的需求，開發(fā)生物天然氣作為天然氣的替代燃料已經(jīng)成為了一個重要發(fā)展趨勢。利用秸稈、城市有機(jī)垃圾、養(yǎng)殖糞便等有機(jī)廢棄物生產(chǎn)沼氣，然后進(jìn)一步提純生產(chǎn)生物天然氣以替代常規(guī)天然氣正在受到很多國家的重視，瑞典已成功的將生物天然氣用于驅(qū)動公共汽車、家庭轎車和城際列車等多種交通工具。
將上述有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物天然氣目前的工藝需要經(jīng)過兩個工藝環(huán)節(jié)，首先將有機(jī)廢棄物通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)出沼氣，然后再利用沼氣提純技術(shù)將沼氣中的二氧化碳和硫化氫等雜質(zhì)性氣體脫除，從而得到高純度的甲烷氣。根據(jù)發(fā)酵中原料濃度的不同，厭氧發(fā)酵主要分為濕發(fā)酵和干發(fā)酵兩種工藝。濕發(fā)酵能耗較高，容積產(chǎn)氣率低，發(fā)酵原料的總固體(TS) 濃度需要控制在10%以下，沼液的COD含量很高，直接排放會造成二次污染，作為有機(jī)肥使用面臨消納沼液土地資源不足的困境，進(jìn)一步處理則會增加大量的費(fèi)用，不具經(jīng)濟(jì)性。干發(fā)酵工藝運(yùn)行能耗低，無沼液的處理和排放問題，成為近年來沼氣能源領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。但是，在干發(fā)酵過程中，水分含量低，發(fā)酵基質(zhì)與微生物之間相互作用不充分，傳質(zhì)作用有限，有機(jī)廢棄物降解速率低，影響原料降解速率和沼氣產(chǎn)率，是干發(fā)酵面臨的障礙。液體噴淋和循環(huán)是解決傳質(zhì)障礙、提高有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)率的一種有效途徑。
制約沼氣制取生物天然氣的另一核心問題是CH4的提純分離。CH4提純方法主要有加壓水洗法、變壓吸附法、化學(xué)吸收法和膜分離法。加壓水洗法是利用水作為溶劑吸收沼氣中的ω2以達(dá)到分離提純CH4的目的；變壓吸附法是在加壓條件下使CO2和H2O吸附在活性炭、沸石等多孔介質(zhì)表面，實現(xiàn)沼氣組分的分離；化學(xué)吸收法是以弱堿性溶液作為吸收劑與(X)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將(X)2從沼氣中分離出來，該法具有強(qiáng)選擇性，CH4損失率低(小于 0.1%)的特點(diǎn)。利用上述方法可得到CH4含量大于96ν01%的生物天然氣。膜分離法是利用膜的選擇透過特性分離CO2A2S和O2，截留CH4,實現(xiàn)CH4與CO2等氣體的分離。膜分離技術(shù)裝置簡單，投資低，但難以得到高純度的CH4。
上述方法在工程應(yīng)用過程中存在的共性問題是運(yùn)行能耗高。為了降低提純成本， 研究人員正在積極探索開發(fā)新的提純工藝。中國石油大學(xué)研發(fā)了水合物分離技術(shù)，利用不同氣體形成水合物的條件差異，實現(xiàn)沼氣組分分離；受CO2在人體靜脈血管中運(yùn)輸和在肺部釋放機(jī)理的啟發(fā)，瑞典研究人員創(chuàng)造性地提出利用碳酸酐水化酶分離(X)2的“生態(tài)肺”工藝； Mosthauer等提出利用垃圾焚燒飛灰提純沼氣的方法。
上述方法均是基于將沼氣生產(chǎn)和沼氣提純凈化作為兩個獨(dú)立的過程來實施的。沼氣中CH4含量通常為45-60%，而生物天然氣中CH4含量要求達(dá)到95%以上，這使得下游提純凈化環(huán)節(jié)承擔(dān)了很高的提純凈化負(fù)荷，這是導(dǎo)致生物天然氣生產(chǎn)成本居高不下的根本性原因。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種將干發(fā)酵與甲烷原位富集耦合制取富甲烷沼氣，并通過與下游沼氣深度提純技術(shù)關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)高純度生物天然氣的工藝。
該工藝由三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)組成厭氧干發(fā)酵、甲烷原位富集、沼氣提純凈化。本發(fā)明通過工藝設(shè)計將這三個環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)成了一個有機(jī)的整體。
通過厭氧干發(fā)酵裝置和脫碳裝置的有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)甲烷的原位富集，使得由厭氧干發(fā)酵裝置產(chǎn)生富甲烷沼氣，富甲烷沼氣可以直接利用或進(jìn)一步通過氣體提純裝置產(chǎn)生生物天然氣；
工藝流程為原料在預(yù)處理裝置處理并添加接種物后轉(zhuǎn)入?yún)捬醺砂l(fā)酵裝置進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，厭氧干發(fā)酵裝置內(nèi)上部空間設(shè)置液體噴淋裝置，將由噴淋泵泵入的來自脫碳裝置的低(X)2含量的液體進(jìn)行噴淋，實現(xiàn)吸收干發(fā)酵裝置所產(chǎn)沼氣中(X)2以及提高干發(fā)酵體系內(nèi)傳質(zhì)和傳熱效果的作用，吸收CO2后的液體從干發(fā)酵裝置底部流出后由液體循環(huán)泵泵入到脫碳裝置，使液體恢復(fù)吸收(X)2的能力，從脫碳裝置的排出的廢氣由凈化裝置處理后排空。
所述厭氧干發(fā)酵裝置和脫碳裝置采用分體設(shè)計或一體化設(shè)計，并通過發(fā)酵液的循環(huán)流動將二者連接成一個有機(jī)整體。
從所述液體噴淋裝置噴出的液體的壓力不低于0.5MPa，噴射方向可以調(diào)節(jié)，采用程控式噴淋技術(shù)定時向發(fā)酵原料堆體進(jìn)行噴淋，非定時時間段使噴淋液只分布在上部氣體空間，并從四周流向厭氧干發(fā)酵裝置的底部。
從所述厭氧干發(fā)酵裝置排出的富甲烷沼氣中CH4的濃度大于85% ；從氣體提純裝置排出的生物天然氣中CH4的濃度大于95%。
所述脫碳裝置采用真空脫碳法或空氣吹脫脫碳法，或二者相結(jié)合的方法。
所述的氣體提純裝置采用變壓吸附法、加壓水洗法、化學(xué)吸收法、膜分離法中的一種，或多種聯(lián)用。
所述的有機(jī)物為有機(jī)垃圾、糞便、食品加工廢棄物、秸稈、草、城市污泥中的一種、 兩種或多種。
本發(fā)明所涉及的有機(jī)物制取生物天然氣工藝具有以下幾方面的特點(diǎn)
(1)實現(xiàn)了厭氧干發(fā)酵與甲烷原位富集的耦合，在發(fā)酵環(huán)節(jié)進(jìn)行甲烷原位富集，產(chǎn)出的富甲烷沼氣再經(jīng)過提純環(huán)節(jié)處理產(chǎn)出高純度生物天然氣，降低了提純單元的負(fù)荷，為降低生物天然氣的生產(chǎn)成本創(chuàng)造了條件。
( 整套工藝分別根據(jù)溶解吸收CO2和滿足干發(fā)酵傳質(zhì)的需要，控制液體噴淋在氣固兩相中的分配，實現(xiàn)了液體的連續(xù)循環(huán)，解決了厭氧干發(fā)酵對液體噴淋需求的間歇性與沼氣脫碳對液體噴淋需求的連續(xù)性之間的矛盾。
(3)系統(tǒng)無廢液產(chǎn)生，為工藝的大規(guī)模工程化應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
(4)經(jīng)此工藝制取的高純度生物天然氣，可直接替代天然氣用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明所述系統(tǒng)的連接關(guān)系圖。
圖中標(biāo)號
1-原料預(yù)處理裝置；2-厭氧干發(fā)酵裝置；3-液體噴淋裝置；4-脫碳裝置；5-液體噴淋泵；6-沼氣提純凈化裝置；7-尾氣凈化裝置；8-液體循環(huán)泵。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。下面詳細(xì)的說明僅僅是闡述本發(fā)明的普遍原理，并非限制性的，實際應(yīng)用過程中可以根據(jù)處理原料的不同性質(zhì)和處理要求進(jìn)行合理的調(diào)整和修改。
參考圖1，首先，根據(jù)有機(jī)廢棄物的物理化學(xué)特性及發(fā)酵要求，將原料送入預(yù)處理裝置1，根據(jù)原料的性質(zhì)，可分別采取物理、生物或化學(xué)方法進(jìn)行預(yù)處理，然后添加接種物與發(fā)酵原料進(jìn)行混合，接種物與發(fā)酵原料質(zhì)量比不低于3 1，連續(xù)運(yùn)行條件下可利用發(fā)酵后的殘渣作為接種物。并根據(jù)原料的營養(yǎng)成分添加必要的碳源或氮源將原料的C/N調(diào)整到 20 30 1的范圍內(nèi)。將調(diào)整好的發(fā)酵原料投入?yún)捬醺砂l(fā)酵裝置2，采用批量發(fā)酵的方式進(jìn)行厭氧生物降解產(chǎn)沼氣。發(fā)酵周期可在20 45天之間調(diào)節(jié)。發(fā)酵溫度可采用常溫、中溫35 38°C、或高溫55°C，優(yōu)先選用中溫發(fā)酵，在有外部熱源可供利用的情況下可采用高溫發(fā)酵。
在啟動厭氧干發(fā)酵裝置2之前，在脫碳裝置4之中富集產(chǎn)酸發(fā)酵微生物。厭氧干發(fā)酵裝置上部安裝有液體噴淋裝置3，液體噴淋裝置3的噴淋方式可調(diào)，厭氧干發(fā)酵裝置2 啟動后，開啟噴淋裝置3向發(fā)酵原料堆體噴灑富含產(chǎn)酸發(fā)酵微生物的液體，待發(fā)酵原料堆體下部有明顯的液體滲出后，停止噴淋，當(dāng)有氣體產(chǎn)生后，重新開啟噴淋裝置3并調(diào)整其噴射方向，使其噴出的液體只分布在上部的氣體空間，吸收所產(chǎn)沼氣中的CO2后，從厭氧干發(fā)酵裝置2的器壁流向底部。適時調(diào)整噴淋方式，使噴淋在上部氣體空間和下部發(fā)酵堆體之間切換。噴淋所需動力由液體噴淋泵5提供，壓力控制在0. 5 0. 7MPa，通過噴淋將沼氣中的(X)2吸收，然后通過液體循環(huán)泵8將(X)2飽和液體泵入到脫碳裝置4，通過鼓風(fēng)或真空脫碳方式將液體中的CO2轉(zhuǎn)移到氣相當(dāng)中并帶出脫碳裝置4，使液體重新獲得吸收CO2的能力，這部分液體通過液體噴淋泵5泵回厭氧干發(fā)酵裝置2，用于促進(jìn)厭氧發(fā)酵過程并吸收C02。從脫碳裝置4釋放出的廢氣經(jīng)過尾氣凈化裝置7脫除其中的具有氣味性的氣體后排入大氣。 從厭氧干發(fā)酵裝置引出CH4含量大于85%的富含甲烷的沼氣經(jīng)過沼氣提純凈化裝置6后即可得到CH4含量大于95%高純度的生物天然氣。整個發(fā)酵過程中要控制發(fā)酵環(huán)境的pH 為6. 8 7. 2，控制脫碳裝置4內(nèi)液體的pH在4. 5以下。發(fā)酵溫度可根據(jù)需要控制在中溫 (38 0C )或高溫(55 °C )。
通過上述厭氧干發(fā)酵與脫碳過程的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)甲烷的原位富集，產(chǎn)出CH4含量大于85 %的富甲烷沼氣，產(chǎn)生的富甲烷沼氣可直接利用，或根據(jù)需要送入氣體提純凈化裝置(6)后得到CH4含量大于95%高純度的生物天然氣。
雖然針對本發(fā)明舉例說明性的實施方案已經(jīng)具體展示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上對上述實施舉例說明的過程做出改變。
權(quán)利要求
1.一種利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，通過厭氧干發(fā)酵裝置 (2)和脫碳裝置(4)的有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)甲烷的原位富集，使得由厭氧干發(fā)酵裝置(2)產(chǎn)生富甲烷沼氣，富甲烷沼氣可以直接利用或進(jìn)一步通過氣體提純裝置(6)產(chǎn)生生物天然氣；工藝流程為原料在預(yù)處理裝置(1)處理并添加接種物后轉(zhuǎn)入?yún)捬醺砂l(fā)酵裝置(2)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，厭氧干發(fā)酵裝置O)內(nèi)上部空間設(shè)置液體噴淋裝置(3)，將由噴淋泵 (5)泵入的來自脫碳裝置(4)的低CO2含量的液體進(jìn)行噴淋，實現(xiàn)吸收干發(fā)酵裝置( 所產(chǎn)沼氣中(X)2以及提高干發(fā)酵體系內(nèi)傳質(zhì)和傳熱效果的作用，吸收CO2后的液體從干發(fā)酵裝置底部流出后由液體循環(huán)泵泵入到脫碳裝置G)，使液體恢復(fù)吸收(X)2的能力，從脫碳裝置 (4)的排出的廢氣由凈化裝置(7)處理后排空。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，所述厭氧干發(fā)酵裝置( 和脫碳裝置(4)采用分體設(shè)計或一體化設(shè)計，并通過發(fā)酵液的循環(huán)流動將二者連接成一個有機(jī)整體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，從所述液體噴淋裝置(3)噴出的液體的壓力不低于0. 5MPa，噴射方向可以調(diào)節(jié)，采用程控式噴淋技術(shù)定時向發(fā)酵原料堆體進(jìn)行噴淋，非定時時間段使噴淋液只分布在上部氣體空間，并從四周流向厭氧干發(fā)酵裝置O)的底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，從所述厭氧干發(fā)酵裝置(2)排出的富甲烷沼氣中CH4的濃度大于85% ；從氣體提純裝置(6)排出的生物天然氣中CH4的濃度大于95%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，所述脫碳裝置(4)采用真空脫碳法或空氣吹脫脫碳法，或二者相結(jié)合的方 >法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，所述的氣體提純裝置(6)采用變壓吸附法、加壓水洗法、化學(xué)吸收法、膜分離法中的一種，或多種聯(lián)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝方法，其特征在于，所述的有機(jī)物為有機(jī)垃圾、糞便、食品加工廢棄物、秸稈、草、城市污泥中的一種、兩種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用有機(jī)物制取生物天然氣的工藝。將預(yù)處理過的有機(jī)物采用厭氧干發(fā)酵工藝進(jìn)行生物降解，在此過程中，開啟設(shè)置在干發(fā)酵裝置上部的液體噴淋裝置，根據(jù)干發(fā)酵傳質(zhì)的需要和液體吸收CO2的需要控制噴淋液體在上部氣體空間和下部發(fā)酵堆體之間的分配，保證干發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行和噴淋液體溶解CO2的連續(xù)進(jìn)行，溶解CO2后的液體泵到脫碳裝置脫除CO2后重新返回干發(fā)酵裝置繼續(xù)吸收CO2，通過這種方式產(chǎn)出CH4大于85％的富甲烷沼氣，然后再經(jīng)過深度提純得到CH4大于95％的高純度生物天然氣。本發(fā)明通過將干發(fā)酵和甲烷原位富集進(jìn)行耦合，為降低生物天然氣的生產(chǎn)成本創(chuàng)造了條件。因此，本發(fā)明具有保護(hù)環(huán)境、資源綜合利用、以及產(chǎn)出清潔燃?xì)獾亩嘀毓δ堋?br> 文檔編號C10L3/06GK102517107SQ201110404380
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者李繼紅, 楊世關(guān), 王體朋, 覃吳, 趙圓方, 鄭宗明 申請人:華北電力大學(xué)