CN101563439B - 加速从生物质生产甲烷的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于增加从生物质生产甲烷的方法和系统。在一些实施方案中，所述方法包括以下：分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；在催化剂存在下分解一部分气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；将分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；和使原料物流与生物质混合以促进生物质的分解。在一些实施方案中，所述系统包括：生物反应器，其用于从生物质生产甲烷；和另外的设备，其用于产生循环至生物反应器以加速甲烷生产的含氢气和二氧化碳的原料物流。所述另外的设备包括催化转化反应器和变换反应器。

Description

加速从生物质生产甲烷的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年11月21日提交的美国临时申请No.60/860,422的权益，该专利以全文公开的方式经此引用并入本文。
背景技术
对能量日益增长的全球需求已经重新引起了关于可持续替代能源的研究的兴趣。结果，对于具有较低碳足迹(carbonfootprint)的燃料例如甲烷(CH4)、氢气(H2)等的需求增加。
通常将天然气形式的甲烷用作加热燃料或用于机械和机动车辆中的发动机的替代燃料。也将甲烷用于燃料电池中和作为原料以生产氢气和甲醇。将甲烷作为碳燃料源的替代物的成功应用可以向环境提供明显的好处，并通过降低各国对石油燃料的依赖而影响世界政治。甲烷比其它燃料燃烧更清洁并产生更少的二氧化碳(CO2)或温室气体。
通常通过从天然气田提取甲烷而获得它，但也可通过收集在有机物质发酵期间产生的生物气(例如生物反应器中产生的气体)而生产。然而，传统的生物反应器通常需要过长的停留时间以生产甲烷和通常难以操作。
发明概述
公开了加速从生物质生产甲烷的方法。在一些实施方案中，所述方法包括以下：分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；在催化剂的存在下分解一部分气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；将分解的物流中基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；和使原料物流与生物质混合以促进生物质的分解。
公开了加速从生物质生产可消耗的能量的方法。在一些实施方案中，所述方法包括以下：分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；在催化剂的存在下分解一部分气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；将分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；使原料物流与生物质混合以促进生物质的分解；将一部分气态流出物进料到发电厂；和用一部分气态流出物产生可消耗的能量。
公开了加速从生物质生产甲烷的系统。在一些实施方案中，所述系统包括以下：生物反应器，其用于分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；催化转化反应器，其用于在催化剂的存在下分解一部分气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；变换反应器，其用于将分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；和从变换反应器至生物反应器的导管，其用于将原料物流导向生物反应器，以促进生物质的分解。
附图简述
附图显示了用于说明本发明的公开的主题的实施方案。然而，应理解本申请不限定于附图中显示的精确排列和手段，其中：
图1是根据公开的主题的一些实施方案的系统的图；和
图2是根据公开的主题的一些实施方案的方法的图。
发明详述
公开的主题通常涉及加速从生物质生产甲烷的系统和方法。分解生物质并收集含甲烷的生物气。将所收集的生物气的第一部分用作燃料源以产生能量。进一步处理所收集的生物气的第二部分以生产氢气和去除一氧化碳。然后使所述第二部分与生物质混合以帮助促进甲烷的产生。
现在参考图1，公开的主题的一个实施方案是用于加速从生物质104(例如卫生废水、城市固体废物(MSW)等)生产甲烷102的系统100。
在一些实施方案中，系统100包括生物反应器106以分解生物质104从而生产气态流出物108，例如含甲烷102的生物气108。通常但不总是将生物反应器106限定于封闭容器110，所述封闭容器110配置用于存储生物质104。容器110包括出口112和出口114，出口112用于在分解生物质104的同时从生物质104中去除液体113，出口114用于移出生物气108。容器110也包括用于向生物反应器106添加原料物流118的入口116。
在一些实施方案中，系统100包括催化转化反应器120，其用于在催化剂存在下(未显示)分解气态流出物108的一部分121，以形成含有氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流122。来自生物反应器106的部分121占气态流出物108的约10wt％。如下文进一步讨论，可以将剩余部分123，其为气态流出物108的约90％，送至装置124(例如发电厂)以产生可消耗的能量。
将催化转化反应器120中产生的氢气连续进料到生物反应器106。生物反应器106中的细菌将氢气用作电子供体以生成甲烷。在大多数情况下，氢气是限量反应物。因此，将氢气进料到生物反应器106可以帮助加速生物质104的分解和产生更大流量的甲烷和二氧化碳。
催化转化反应器120可以包括填充床或整材型的铑或镍催化剂并在约550摄氏度和650摄氏度之间的温度下。已经发现镍催化剂在它的有效使用的寿命内花费小于铑催化剂。然而，已经发现铑催化剂在更快的速率下分解甲烷和结垢速率低于镍催化剂。已经发现整材反应器的压降低于填充床反应器。
使用空气源125例如但不限于空气压缩机或类似装置以提供用于操作催化转化反应器120所需的空气物流126。空气物流126提供用于部分氧化反应的基本上所有的氧气，所述部分氧化反应将生产所需的氢气。在一些实施方案中，为了增加通过催化转化反应器120生产的分解的物流122中的氢气浓度，调节催化转化反应器的操作参数，例如添加额外量的分解的物流或添加额外量的空气物流126，以使得操作期间它具有3.0的当量比(Φ)。所述当量比定义为：其中F/A等于燃料(甲烷)与空气(氧气)的比。
催化转化反应器120的流出物，即分解的物流122，通常但不总是含有大量的一氧化碳，一氧化碳对生物反应器106内的细菌是有毒的。为了避免将一氧化碳进料到生物反应器106，系统100可以包括位于催化转化反应器120之后且位于生物反应器之前的变换反应器128，以根据以下反应将分解的物流122中的一氧化碳转化或变换成二氧化碳：也可以将通常但不总是富含氢气的分解的物流122的一部分130送至装置124。
变换反应器128用于将分解的物流122中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流118。将一氧化碳变换成二氧化碳的好处是双重的。第一，它防止了或充分降低了进料到生物反应器106的原料物流118中的有毒一氧化碳的量。第二，它向生物反应器106中的细菌提供了在甲烷生产中消耗的物质，即氢气和二氧化碳。使用水源132以提供操作变换反应器128所需的水134。系统100包括从变换反应器128至生物反应器106的导管136，以将原料物流118导向生物反应器，以促进生物质104的分解。
仍然参考图1，系统100可包括装置124或与装置124连接，以产生可消耗的能量，例如但不限于电。可以将例如生物气108的约70-90wt％的一部分123，用作装置124的燃料源。在一些实施方案中，装置124是甲烷动力发电机。在一些实施方案中，装置124是燃料电池。如上所述，也可以将通常但不总是富含氢气的分解的物流122的一部分130送至装置124。
现在参考图2，公开的主题的另一方面是加速从生物质例如但不限于卫生废水、MSW等生产甲烷的方法200。在202处，分解生物质以生产含甲烷的气态流出物。在204处，在分解生物质的同时从生物质中去除或排出液体。
在一些实施方案中，在202处，在具有约30-38摄氏度的细菌嗜温温度范围和约6.5-7.5的pH值的传统间歇生物反应器中使生物质初始分解，以维持适合的碱度。因为假定高速率的消化，所以在一些实施方案中，用约10天的停留时间操作该生物反应器。根据测量的实际消化速率，停留时间可以小于或大于10天。生物反应器容器总体积的约2/3装有初始量的MSW。将MSW简化成50wt％的葡萄糖在水中的悬浮体。
在206处，在催化剂的存在下分解气态流出物的一部分(例如在一些实施方案中为约5％-30wt％和在一些实施方案中为约10％)，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流。与206基本同时，在208处，当在催化剂的存在下分解所述气态流出物的同时使空气与该气态流出物混合。
在210处，将分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流。与210基本同时，在212处，使水与分解的物流混合以促进所述原料物流的生产。
在214处，使原料物流与生物质混合以促进生物质的分解。完成214之后，通常但不总是将所述生物反应器作为半间歇反应器操作，因为在需要时(这由停留时间规定)加入被细菌分解的废物，而连续加入在206和210处生产的氢气和二氧化碳的原料物流。
操作中，在将外部氢气和二氧化碳原料物流于214处进料到生物反应器之前，在202处使MSW的初始装料启动分解，并进行足以使基本上所有的发酵和大部分产乙酸反应(acetogenic reaction)发生的时间。随着该分解接近产乙酸阶段的终点和产甲烷阶段的起点，在214处引入连续的氢气和二氧化碳的原料物流。
如在216处所说明，在一些实施方案中，方法200包括用一部分气态流出物或生物气产生可消耗的能量。例如，可以将产生的一部分生物气用作甲烷动力发电机的燃料源或用于甲烷燃料电池中。
根据公开的主题的系统和方法提供可持续的替代能源且可以很容易地集成到现有的废水处理装置中。产生的电可以用于操作现有的废水处理装置中的其它常规设备。
根据公开的主题的系统或方法的一些优点是很容易将它集成到现有的系统中，和它降低了设施的处理成本，同时也节省了能量。在小生境应用中，甚至可以将根据公开的主题的系统或方法用作孤立的技术。
将外部原料物流即上述的原料物流118引入到生物反应器中存在许多好处。第一，氢气和二氧化碳向细菌提供直接的电子和碳源。第二，原料物流增加了细菌和可利用的食物源之间的接触面积。第三，因为外部原料物流是在升高的温度下，它提升了生物反应器内的消化速率。
表1包括模型结果，它显示了与不包括氢气和二氧化碳的原料物流的传统生物反应器系统相比，氢气和二氧化碳的外部原料物流即上述系统100中的原料物流118是如何影响产生的电的。表1
  传统生物反应器   包括外部原料物流的生物反应器(单程)
  产生的甲烷，lbmol/min   7.65   8.16
  消耗的甲烷，lbmol/min   --   0.765
  送至发电厂的甲烷，lbmol/min   7.65   7.40
  生物气比例，甲烷/二氧化碳   0.89/1   0.72/1
如表1中所示，与产生7.65lbmol/min的甲烷的不包括氢气和二氧化碳的原料物流的传统生物反应器相比，具有氢气和二氧化碳的原料物流的生物反应器系统产生8.16lbmol/min的甲烷。具有氢氖和二氧化碳的原料物流的生物反应器系统通过产生更多的甲烷加速了生物质的分解。
虽然已经就公开的主题的实施方案描述和举例说明了公开的主题，但是本领域技术人员应理解公开的实施方案的特征可以进行组合、重排等，以产生在本发明范围内的另外的实施方案，和可以在不偏离本发明的精神和范围的条件下，在其中和对其进行多种其它改变、省略和增加。

Claims (20)

1.一种加速从生物质生产甲烷的方法，所述方法包括：
分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；
在催化剂的存在下分解一部分所述气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；
将所述分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；和
与分解所述生物质的产甲烷阶段的开始基本上同时地，开始使所述含氢气和二氧化碳的原料物流与所述生物质的连续混合，以促进所述生物质的分解。
2.权利要求1的方法，其中所述生物质是卫生废水。
3.权利要求1的方法，还包括在分解所述生物质的同时从所述生物质中去除液体。
4.权利要求1的方法，还包括当在催化剂的存在下分解所述气态流出物的同时，使空气与所述气态流出物混合。
5.权利要求4的方法，其中所述分解的物流具有3.0的甲烷与空气之比。
6.权利要求1的方法，还包括使水与所述分解的物流混合，以促进所述原料的生产。
7.权利要求1的方法，还包括用一部分所述气态流出物产生可消耗的能量。
8.权利要求1的方法，还包括分解所述生物质约8-12小时。
9.一种加速从生物质产生可消耗的能量的方法，所述方法包括：
分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；
在催化剂的存在下分解一部分所述气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；
将所述分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；
与分解所述生物质的产甲烷阶段的开始基本上同时地，开始使所述含氢气和二氧化碳的原料物流与生物质连续混合，以促进所述生物质的分解；
将一部分所述气态流出物进料到发电厂；和
用一部分所述气态流出物产生可消耗的能量。
10.权利要求9的方法，还包括在分解所述生物质的同时从所述生物质中去除液体。
11.权利要求9的方法，还包括当在催化剂的存在下分解所述气态流出物的同时，使空气与所述气态流出物混合。
12.权利要求9的方法，还包括使水与所述分解的物流混合，以促进所述原料的生产。
13.一种用于加速从生物质生产甲烷的系统，所述系统包括：
生物反应器，其用于分解生物质以生产含甲烷的气态流出物；
催化转化反应器，其用于在催化剂的存在下分解一部分所述气态流出物，以形成含氢气、二氧化碳和一氧化碳的分解的物流；
变换反应器，其用于将所述分解的物流中的基本上所有的一氧化碳转化成二氧化碳，以生产含氢气和二氧化碳的原料物流；和
从所述变换反应器至所述生物反应器的导管，其用于将含氢气和二氧化碳的原料物流导向所述生物反应器，以促进所述生物质的分解。
14.权利要求13的系统，其中所述生物质是卫生废水。
15.权利要求13的系统，还包括用于产生可消耗的能量的装置。
16.权利要求15的系统，其中所述用于产生可消耗的能量的装置包括甲烷动力发电机。
17.权利要求15的系统，其中所述用于产生可消耗的能量的装置包括燃料电池。
18.权利要求15的系统，还包括用于所述变换反应器的水源。
19.权利要求15的系统，还包括用于所述催化转化反应器的空气源。
20.权利要求17的系统，还包括从所述催化转化反应器至所述燃料电池的导管以向所述燃料电池提供氢气。
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