CN102242059A - 一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置和方法，所述装置包括预处理池、加热装置、进料泵、一次厌氧发酵装置、二次厌氧发酵装置、脱硫装置、吸收塔、再生塔、冷却装置、干燥装置、压缩装置、加气柱、火炬装置，干式柔性双模气柜，所述方法包括以下步骤：预处理；调配固体质量含量为8％-12％的发酵物；物料进行厌氧发酵产生沼气；将沼气脱硫；再将气体脱除二氧化碳气体以及硫化氢气体；吸收液再生；将沼气经过冷却和干燥后，通过压缩机和加气柱输送给撬装车或者燃气汽车使用。本发明可以将普通的有机废弃物产生的沼气中甲烷的纯度提高至97％，燃烧热值大于国家车用燃气的标准，且工艺过程简单，具有推广性，具有环保性。

Description

一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置和方法
技术领域
本发明属于可再生能源领域，涉及一种车用燃气的制备方法，尤其涉及一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置和方法。
背景技术
随着全球经济的高速增长，能源和环保问题日益突出，在全世界积极推动可再生能源开发和利用的背景下，利用有机废弃物生产沼气的模式已得到广泛推广应用，但是用现有模式直接产生的沼气其含量通常为：CH450％-65％；CO230％-39％；以及少量的H2S、N2等气体。
沼气由于二氧化碳浓度高，在高端应用方面受到很大限制，大规模的储存运输并不经济，而德国前些年95％以上的沼气工厂的沼气利用均用作热电联产(CHP)的方式，但近年来加快了沼气净化提纯方面的工程建设和应用，近3年就建设了30多家沼气净化提纯燃气工厂。通过对沼气进行净化提纯，将沼气中的杂质气体(主要是二氧化碳)进行去除，净化后的沼气的燃烧值达到车用燃气的标准，可以直接用作车用燃气或者城市管道燃气使用，大大提高沼气工程的经济效益和沼气的深度利用前景。
目前，在国际上普遍应用的沼气制备车用燃气的方法主要有：1、变压吸附法，即在加压条件下，使CO2吸附在活性炭、分子筛等吸附剂表面实现气体分离脱除二氧化碳。是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点：(1)一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济。(2)设备简单，操作、维护简便。(3)无废水产生，环保性能好。2、压力水洗法，该法脱除二氧化碳是物理吸收过程，根据沼气中主要组分甲烷和二氧化碳在水中的溶解度不同而实现气体分离，在整个过程温度变化不大的条件下，甲烷在水中的溶解度随压力变化不大，二氧化碳和硫化氢在较高压力下在水中溶解度大，在较低压力工况下因二氧化碳和硫化氢在水中的溶解度小而释放出来，从而实现对二氧化碳气体分离完成沼气的净化提纯。但是，上述两种方法较本专利涉及到的方法均具有其不足之处：(1)上述两种方法得到的沼气中甲烷的纯度较低，纯度最高仅能达到96％；(2)上述两种方法对甲烷的损失率大，一般损失率能够达到6％-8％，造成大量的浪费；(3)上述两种方法的技术系统结构复杂，不便于操作，实现推广；(4)上述两种方法工作压力较高，变压吸附法的工作压力为0.6-0.8Mpa，压力水洗法的工作压力为0.8-1.2Mpa；(5)压力水洗法在使用的过程中会产生大量的废水，污染环境。
发明内容
针对现有技术中制备车用燃气存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一利用有机废弃物制备车用燃气的装置和方法，它可以解决目前我国有机废弃物产生的的沼气无法用作车用燃气的的技术问题，用本发明方法制备的车用燃气纯度高、甲烷损失率小、操作简单方便、工作条件温和且不会污染环境。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置，其特征在于它包括预处理池、进料泵、加热装置、一次厌氧发酵装置、二次厌氧发酵装置、脱硫装置、吸收塔、再生塔、冷却装置、干燥装置、压缩装置、加气柱、火炬装置和柔性气柜，所述预处理池的出料口与进料泵的进料口连接，所述进料泵的出料口与一次厌氧发酵装置连接，所述一次厌氧发酵装置内设有搅拌装置、物料溢流口和第一出气口，所述加热装置通过管道对一次厌氧发酵装置进行加热，所述物料溢流口通过管道与二次厌氧发酵装置连接，所述第一出气口通过管道与二次厌氧发酵装置连接，所述二次厌氧发酵装置设有第二出气口，所述第二出气口通过管道与脱硫装置的进气口连接，所述脱硫装置的出气口通过管道与吸收塔进气口连接，吸收塔的出气口通过管道与冷却装置进气口连接，吸收塔通过富液泵与再生塔连接，再生塔通过贫液泵与吸收塔连接，冷却装置出气口与干燥装置连接，所述干燥装置通过干式柔性双模气柜与压缩装置连接，压缩装置与加气柱连接。
对技术方案的进一步改进：所述脱硫装置为生物脱硫装置或者干式脱硫装置，所述干式脱硫装置的填料为氧化铁。
对技术方案的进一步改进：所述二次发酵装置上设有具有储存气体功能的柔性气柜。
本发明还提供一种制备车用燃气的方法，它包括以下步骤：
1)对有机废弃物进行预处理，将大块物质破碎同时将无机物去除；调配有机废弃物使其为固体质量含量8％-12％的发酵物；
2)将所述发酵物输送至一次厌氧发酵装置内，对发酵物进行高温或者中温厌氧发酵产生沼气，所述高温发酵温度为53℃-57℃，发酵周期15～20天，所述中温发酵温度为31℃-35℃，发酵周期20～25天，两种发酵方式的pH值均要控制在6.8～7.4之间；
3)将步骤2)产生的沼气通入到脱硫装置中，脱除步骤2)产生的沼气中的硫化氢气体，使硫化氢气体的体积浓度小于50ppm；
4)将步骤3)形成的气体通入到吸收塔中，吸收塔中的吸收剂溶液脱除沼气中的二氧化碳气体以及少量的硫化氢气体，制得纯净的沼气；
5)将步骤4)制得的沼气经过冷却装置和干燥装置后，通入到柔性气柜储存或者直接通过压缩机和加气柱输送给撬装车或者燃气汽车使用；
6)步骤4)吸收有二氧化碳气体的吸收剂溶液为富液，将富液送入到再生塔中，使富液中的二氧化碳气体以及少量的硫化氢气体解析出来，形成可以再吸收二氧化碳的贫液。
对技术方案的进一步改进：步骤1)中所述的有机废弃物可以是人畜粪便、屠宰垃圾、餐厨垃圾、干秸秆、青储秸秆、农贸市场废菜叶、酒糟、工业有机废弃物或城市污水处理厂生污泥中的一种或几种。
对技术方案的进一步改进：步骤4)中所述的纯净的沼气成份为甲烷含量＞97％，二氧化碳气体＜3％，硫化氢含量小于10ppm，含水率小于0.2g/Nm3。
对技术方案的进一步改进：步骤4)中的吸收剂溶液为复合胺溶液，所述复合胺溶液的总胺浓度为25％～45％，所述复合胺由多种叔胺、伯胺和仲胺组成，其中，总胺浓度的70％～90％为至少两种的叔胺，总胺浓度的5％～15％为一种或多种伯胺，总胺的浓度5％～15％为一种或多种仲胺。
对技术方案的进一步改进：在所述物料的预处理池、调配池和预处理设备房间设置负压抽气系统，将产生的臭气通过负压输送至生物除臭池中，对臭气进行吸收。
对技术方案的进一步改进：所述步骤2)中的加热方式中还设置了热储罐。
对技术方案的进一步改进：所述方法采用了实时在线监测系统，它包括可以在线实时监测沼气中CH4、CO2、H2S和O2含量的气成份分析仪、污泥浓度计、热式流量计，所述方法还采用了网络远程传输技术。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
1、相对于现有技术中制备车用燃气物料形式单一的缺陷，本发明可将农村和城市有机废弃物等多种原料通过厌氧发酵的方式产生沼气。
2、采用复合胺液对CO2进行吸收，不仅吸收效率高，甲烷损失量小，甲烷的损失率低于0.1％，同时复合胺溶液还可以对沼气里的硫化氢气体脱除的作用。
3、本发明的系统采取了在线监测系统，可以实时监测整个系统的运行状态，及时调整运行参数，保证该系统的正常稳定运行。
4、本发明的系统采用了网络远程传输技术，实现了整套系统的远程监控和专家诊断。
5、本发明的技术对沼气进行了净化提纯，使沼气的气体中甲烷的含量提高，甲烷的纯度可以达到99％以上，二氧化碳的含量减少，使沼气的燃烧热值大大提高，且满足我国车用天然气的标准，因此，净化后的气体可以直接作为CNG汽车车用燃料使用，提高了沼气的附加值，摒弃现有技术中沼气作为户用或者发电使用的效率低的缺点。
6、本发明的系统实现了将发电机房、净化系统以及压缩系统的多余热量进行了回收，降低了整个系统的运行能耗。
7、本发明实现了多原料的混合厌氧发酵，摒弃了以往的单一原料的弊端。
8、本发明中加热装置中设置了热储罐，保证了当加热装置需要维修的时候，热储罐里的热量能够维持整个系统所需的热量2-3天。
9、本发明所述方法的工作压力仅为0-0.1Mpa，操作人员工作时更安全。
10、本发明所述方法不会产生大量的废水，具有环保性。
除此之外，本发明还具有装置简单、操作简便、投资少且便于工业化生产和推广的优点。
附图说明
图1是本发明中利用有机废弃物制备车用燃气的方法和装置的工艺流程图。
图中1为预处理池，2为流体切割泵，3为CSTR厌氧发酵装置，4搅拌装置，5为二次发酵池，6为生物脱硫装置，7为吸收塔，8为富液泵，9为贫液泵，10为再生塔，11、12为加热装置，13为冷却装置，14干燥装置，15为压缩装置，16为加气柱，17为热储罐，18为火炬装置，19为干式柔性双模气柜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
如附图1所示，本发明所述利用有机废弃物制备车用燃气的装置包括为预处理池1、进料泵2、一次厌氧发酵装置3、二次厌氧发酵装置5、脱硫装置6、吸收塔7、再生塔10、加热装置11和12、冷却装置13、干燥装置14、压缩装置15和加气柱16。所述预处理池1的出料口与进料泵2的进料口连接，所述进料泵2的出料口与一次厌氧发酵装置连接，所述进料泵为流体式切割泵2，所述一次厌氧发酵装置为CSTR厌氧发酵装置3，所述CSTR厌氧发酵装置3内部设有搅拌装置4对发酵物进行搅拌，所述CSTR厌氧发酵装置3还设有物料溢流口和第一出气口，CSTR厌氧发酵装置3中的厌氧消化后的料液通过物料溢流扣自动流入到二次厌氧发酵装置中，所述二次厌氧发酵装置为二次厌氧发酵池5，CSTR厌氧发酵装置3中产生的沼气通过管道输送至二次发酵池5中上端的干式柔性双模气柜中，二次发酵池5产生的沼气通过管道输送给脱硫装置6中，所述脱硫装置为生物脱硫装置或填料为氧化铁的干式脱硫装置。
生物脱硫装置6中出来的气体通过管道输送至吸收塔7中，所述吸收塔7中装有复合胺溶液，所述复合胺溶液可以吸收气体中的二氧化碳，吸收有二氧化碳的液体为富液，脱去二氧化碳的复合胺溶液为贫液，经吸收塔7出来的净化气体通过管道输送至为冷却装置13和干燥装置14中，干燥后的气体输送至干式柔性双模气柜19或者直接进入压缩装置15中，通过压缩装置15出来进行脱水后输送至为加气柱16中。
加热装置12通过管道对CSTR厌氧发酵装置3以及配合使用热储罐17进行加热，使其温度维持在高温55±2°或中温33±2°，当加热装置维修时，热储罐里储存的热量可以维持系统正常运行2-3天。吸收塔7中出来的富液通过富液泵8输送至再生塔10中，再生塔中的富液通过加热装置11加热进行再生，富液在120℃的高温下二氧化碳气体被解析出来，形成贫液，所述贫液具有再次吸收二氧化碳的特性，再生后的贫液通过贫液泵9将其从再生塔10中输送至吸收塔7中。整个过程中产生的多余气体或废气可以通过火炬装置18进行燃烧，降低气体对环境的污染。
利用本发明所述的装置制备车用燃气的方法包括以下步骤：
1)有机废弃物预处理：畜禽粪便：30吨/天、人类粪便：250吨/天、屠宰垃圾：2吨/天、厨余垃圾：10吨/天、污水：205吨/天，以及其他有机废弃物2吨/天，按上述有机废弃物的投入量投入到预处理池1中，通过加污水或回流的沼液调配物料的总浓度，当固体含量(TS，total solid)浓度达到8％-12％时即可。预处理池1中具有粉碎和除砂装置，粉碎装置需要对大颗粒有机物进行粉碎至颗粒小于4mm，以便于输送和发酵；同时除砂装置对物料里的无机物进行去除。本实施例所述有机废弃物的用量仅为举例说明，本发明可以对上述有机废弃物以任何比例混合进行处理。
2)有机废弃物厌氧发酵：通过流体切割泵2将步骤1)调配好的物料进行进一步的破碎，确保输送至CSTR厌氧发酵装置3的物料的粒径均小于4mm，，所述CSTR厌氧发酵装置3内设有搅拌装置4对物料进行搅拌以利于充分发酵，同时使用加热装置12配合热储罐17对CSTR厌氧发酵装置3内的温度进行加热，使其温度维持在高温55±2°或中温33±2°，每天重复步骤1)，多余的物料会通过溢流口自动溢流至二次发酵池5中，高温发酵时物料停留15天，中温发酵物料停留周期25天后，CSTR厌氧发酵装置3中和二次发酵池5中共可以产生14000Nm3/d沼气。此时沼气中主要成分为：CH450％-65％，CO230％-39％，H2S含量约为2000PPm，以及少量的其他杂质气体。
3)沼气脱硫：脱硫装置6可以是生物脱硫的方式也可以采用干式(添加氧化铁)脱硫的方式，将步骤2)中产生的沼气通入到生物脱硫装置6中，实现脱硫，脱硫后气体中硫化氢的含量在50ppm左右。
4)沼气净化：将步骤3)脱硫后得到的气体通入吸收塔7中，吸收塔7中自上往下喷淋复合胺吸收液，所述复合胺溶液由多种叔胺、伯胺、仲胺和水组成，总胺浓度为30％，其中，总胺浓度的75％为三乙醇胺与甲基二乙醇胺1∶1组成，总胺的10％为一乙醇胺，总胺的15％为二乙醇胺。吸收液和步骤3)得到的气体充分接触，实现对气体中的CO2的吸收，从吸收塔7顶端出来8400Nm3/d沼气，该沼气中甲烷含量＞97％，二氧化碳含量＜3％，O2的含量小于0.2％。
5)净化后的沼气通过冷却装置13和干燥装置14后进入干式柔性双模气柜19或者直接通过压缩装置15将净化气体压强增压至25Mpa，进而通过加气柱16实现对撬装车或燃气汽车直接加气。
6)吸收液再生：通过步骤4)形成的吸收液中含有吸收到的二氧化碳称作富液，富液在吸收塔7底部通过富液泵8输送至再生塔10中，富液在吸收塔10中通过加热装置11实现高温煮沸，此时，二氧化碳气体通过高温从富液中解析出来，此时不含二氧化碳的液体称作为贫液，通过贫液泵9输送至吸收塔7中，实现再次吸收二氧化碳的过程。通过加热装置11的作用，二氧化碳以气体形式通过再生塔10顶部排放出来。
其中，步骤2)中的进料装置可以是一种液体泵加流体切割泵，对调配好的物料再进行进一步的粉碎，使物料粒径均小于4mm以下。
步骤4)中经吸收塔7出来的净化后的气体如果质量不合格或者本系统有多余的气体可通过火炬装置18进行燃烧，避免沼气对大气的污染。
步骤6)中的吸收剂溶液是一种可以从沼气中吸收二氧化碳的复合胺溶液。
步骤2)中的采用的CSTR一次厌氧发酵罐和二次发酵池中的发酵物厌氧发酵采用连续搅拌厌氧发酵工艺。
物料的预处理池、调配池和预处理设备间设置负压抽气系统，将该部分产生的臭气通过负压输送至生物除臭池中，将臭气进行吸收，降低臭气对环境的污染。
本发明充分利用了发电机房、净化系统以及压缩车间的多余热量，将多余热量今行了回收再利用，降低本发明方法中的整体能耗。
本发明整个系统采用了实时在线检测系统，如沼气成份分析仪，可以在线实时监测沼气的主要成份(CH4、CO2、H2S、O2)的含量，实时监测沼气中各项指标，例如在脱硫后通过沼气分析仪检测沼气中H2S的含量，如果H2S含量超标立即对脱硫装置进行检查调整，保障脱硫效果；同时沼气分析仪需要对净化后的气体进行成份分析，如果检测出的CH4含量低于97％，则表示该成品气不合格，需要重新净化或者以废气进行燃烧处理，通过沼气分析仪确保成品气的质量；还采用了污泥浓度计，通过该传感器检测反应器中的物料浓度，如果反应器中的浓度超出设定范围，则在进料前进行及时调整，使反应器中的物料浓度维持在8％～12％之间；而且还采用了温度传感器，及时检测反应器内的温度，以便及时调整反应器内的温度，使反应器内的温度控制在设定的范围内；通过使用各个传感器实时在线监测整套系统的工作状态，便于及时调整运行参数。本发明的整套系统实现了网络远程传输技术，将现场的一些运行状况和运行参数实现了网络远程传输，便于专家不去现场就可以对工程的运行状况的把握或者故障诊断，及时进行调整，保证系统的正常运行。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置，其特征在于它包括预处理池、进料泵、加热装置、一次厌氧发酵装置、二次厌氧发酵装置、脱硫装置、吸收塔、再生塔、冷却装置、干燥装置、压缩装置、加气柱、火炬装置和柔性气柜，所述预处理池的出料口与进料泵的进料口连接，所述进料泵的出料口与一次厌氧发酵装置连接，所述一次厌氧发酵装置内设有搅拌装置、物料溢流口和第一出气口，所述加热装置通过管道对一次厌氧发酵装置进行加热，所述物料溢流口通过管道与二次厌氧发酵装置连接，所述第一出气口通过管道与二次厌氧发酵装置连接，所述二次厌氧发酵装置设有第二出气口，所述第二出气口通过管道与脱硫装置的进气口连接，所述脱硫装置的出气口通过管道与吸收塔进气口连接，吸收塔的出气口通过管道与冷却装置进气口连接，吸收塔通过富液泵与再生塔连接，再生塔通过贫液泵与吸收塔连接，冷却装置出气口与干燥装置连接，所述干燥装置通过柔性气柜与压缩装置连接，压缩装置与加气柱连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置，其特征在于，所述脱硫装置为生物脱硫装置或者干式脱硫装置，所述干式脱硫装置的填料为氧化铁。
3.根据权利要求1所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的装置，其特征在于，所述二次发酵装置上设有具有储存气体功能的柔性气柜。
4.一种利用权利要求1所述装置制备车用燃气的方法，其特征在于它包括以下步骤：
1)对有机废弃物进行预处理，将大块物质破碎同时将无机物去除；调配有机废弃物使其为固体质量含量8％-12％的发酵物；
2)将所述发酵物输送至一次厌氧发酵装置内，对发酵物进行高温或者中温厌氧发酵产生沼气，所述高温发酵温度为53℃-57℃，发酵周期15～20天，所述中温发酵温度为31℃-35℃，发酵周期20～25天，两种发酵方式的pH值均要控制在6.8～7.4之间；
3)将步骤2)产生的沼气通入到脱硫装置中，脱除步骤2)产生的沼气中的硫化氢气体，使硫化氢气体的体积浓度小于50ppm；
4)将步骤3)形成的气体通入到吸收塔中，吸收塔中的吸收剂溶液脱除沼气中的二氧化碳气体以及少量的硫化氢气体，制得纯净的沼气；
5)将步骤4)制得的沼气经过冷却装置和干燥装置后，通入到柔性气柜储存或者直接通过压缩机和加气柱输送给撬装车或者燃气汽车使用；
6)步骤4)吸收有二氧化碳气体的吸收剂溶液为富液，将富液送入到再生塔中，使富液中的二氧化碳气体以及少量的硫化氢气体解析出来，形成可以再吸收二氧化碳的贫液。
5.根据权利要求4所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的方法，其特征在于，步骤1)中所述的有机废弃物可以是人畜粪便、屠宰垃圾、餐厨垃圾、干秸秆、青储秸秆、农贸市场废菜叶、酒糟、工业有机废弃物或城市污水处理厂生污泥中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的方法，其特征在于，步骤4)中所述的纯净的沼气成份为甲烷含量＞97％，二氧化碳气体＜3％，硫化氢含量小于10ppm，含水率小于0.2g/Nm3。
7.根据权利要求4所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的方法，其特征在于，步骤4)中的吸收剂溶液为复合胺溶液，所述复合胺溶液的总胺浓度为25％～45％，所述复合胺由多种叔胺、伯胺和仲胺组成，其中，总胺浓度的70％～90％为至少两种的叔胺，总胺浓度的5％～15％为一种或多种伯胺，总胺的浓度5％～15％为一种或多种仲胺。
8.根据权利要求4所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的方法，其特征在于，在所述物料的预处理池、调配池和预处理设备房间设置负压抽气系统，将产生的臭气通过负压输送至生物除臭池中，对臭气进行吸收。
9.根据权利要求4所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的方法，其特征在于，所述步骤2)中的加热方式中还设置了热储罐。
10.根据权利要求4所述的一种利用有机废弃物制备车用燃气的方法，其特征在于，所述方法采用了实时在线监测系统，它包括可以在线实时监测沼气中CH4、CO2、H2S和O2含量的气成份分析仪、污泥浓度计、热式流量计，所述方法还采用了网络远程传输技术。
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