CN102517107B

CN102517107B - 一种利用有机物制取生物天然气的工艺方法

Info

Publication number: CN102517107B
Application number: CN201110404380.1A
Authority: CN
Inventors: 杨世关; 赵圆方; 李继红; 郑宗明; 王体朋; 覃吴
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: CN102517107A

Abstract

本发明公开了一种利用有机物制取生物天然气的工艺。将预处理过的有机物采用厌氧干发酵工艺进行生物降解，在此过程中，开启设置在干发酵装置上部的液体喷淋装置，根据干发酵传质的需要和液体吸收CO₂的需要控制喷淋液体在上部气体空间和下部发酵堆体之间的分配，保证干发酵的稳定运行和喷淋液体溶解CO₂的连续进行，溶解CO₂后的液体泵到脱碳装置脱除CO₂后重新返回干发酵装置继续吸收CO₂，通过这种方式产出CH₄大于85％的富甲烷沼气，然后再经过深度提纯得到CH₄大于95％的高纯度生物天然气。本发明通过将干发酵和甲烷原位富集进行耦合，为降低生物天然气的生产成本创造了条件。因此，本发明具有保护环境、资源综合利用、以及产出清洁燃气的多重功能。

Description

一种利用有机物制取生物天然气的工艺方法

技术领域

本发明属于生物能源开发与环境保护技术领域，特别涉及一种利用有机物制取生物天然气的工艺方法。

背景技术

在节能减排政策的推动和经济发展需求的拉动下，我国天然气消费量正以每年16％的速度增长，预计到2020年，天然气消费量将会接近3000亿m³，届时天然气消费量将占到一次能源消费总量的8％～10％。为满足社会经济发展对清洁能源的需求，开发生物天然气作为天然气的替代燃料已经成为了一个重要发展趋势。利用秸秆、城市有机垃圾、养殖粪便等有机废弃物生产沼气，然后进一步提纯生产生物天然气以替代常规天然气正在受到很多国家的重视，瑞典已成功的将生物天然气用于驱动公共汽车、家庭轿车和城际列车等多种交通工具。

将上述有机废弃物转化为生物天然气目前的工艺需要经过两个工艺环节，首先将有机废弃物通过厌氧发酵产出沼气，然后再利用沼气提纯技术将沼气中的二氧化碳和硫化氢等杂质性气体脱除，从而得到高纯度的甲烷气。根据发酵中原料浓度的不同，厌氧发酵主要分为湿发酵和干发酵两种工艺。湿发酵能耗较高，容积产气率低，发酵原料的总固体(TS)浓度需要控制在10％以下，沼液的COD含量很高，直接排放会造成二次污染，作为有机肥使用面临消纳沼液土地资源不足的困境，进一步处理则会增加大量的费用，不具经济性。干发酵工艺运行能耗低，无沼液的处理和排放问题，成为近年来沼气能源领域的一个重要发展方向。但是，在干发酵过程中，水分含量低，发酵基质与微生物之间相互作用不充分，传质作用有限，有机废弃物降解速率低，影响原料降解速率和沼气产率，是干发酵面临的障碍。液体喷淋和循环是解决传质障碍、提高有机废弃物厌氧发酵甲烷产率的一种有效途径。

制约沼气制取生物天然气的另一核心问题是CH₄的提纯分离。CH₄提纯方法主要有加压水洗法、变压吸附法、化学吸收法和膜分离法。加压水洗法是利用水作为溶剂吸收沼气中的CO₂以达到分离提纯CH₄的目的；变压吸附法是在加压条件下使CO₂和H₂O吸附在活性炭、沸石等多孔介质表面，实现沼气组分的分离；化学吸收法是以弱碱性溶液作为吸收剂与CO₂发生化学反应，将CO₂从沼气中分离出来，该法具有强选择性，CH₄损失率低(小于0.1％)的特点。利用上述方法可得到CH₄含量大于96vol％的生物天然气。膜分离法是利用膜的选择透过特性分离CO₂，H₂S和O₂，截留CH₄，实现CH₄与CO₂等气体的分离。膜分离技术装置简单，投资低，但难以得到高纯度的CH₄。

上述方法在工程应用过程中存在的共性问题是运行能耗高。为了降低提纯成本，研究人员正在积极探索开发新的提纯工艺。中国石油大学研发了水合物分离技术，利用不同气体形成水合物的条件差异，实现沼气组分分离；受CO₂在人体静脉血管中运输和在肺部释放机理的启发，瑞典研究人员创造性地提出利用碳酸酐水化酶分离CO₂的“生态肺”工艺；Mosthauer等提出利用垃圾焚烧飞灰提纯沼气的方法。

上述方法均是基于将沼气生产和沼气提纯净化作为两个独立的过程来实施的。沼气中CH₄含量通常为45-60％，而生物天然气中CH₄含量要求达到95％以上，这使得下游提纯净化环节承担了很高的提纯净化负荷，这是导致生物天然气生产成本居高不下的根本性原因。

发明内容

本发明提出了一种将干发酵与甲烷原位富集耦合制取富甲烷沼气，并通过与下游沼气深度提纯技术关联，生产高纯度生物天然气的工艺。

该工艺由三个关键环节组成：厌氧干发酵、甲烷原位富集、沼气提纯净化。本发明通过工艺设计将这三个环节联结成了一个有机的整体。

通过厌氧干发酵装置和脱碳装置的有机结合实现甲烷的原位富集，使得由厌氧干发酵装置产生富甲烷沼气，富甲烷沼气可以直接利用或进一步通过气体提纯装置产生生物天然气；

工艺流程为：原料在预处理装置处理并添加接种物后转入厌氧干发酵装置进行厌氧发酵产生沼气，厌氧干发酵装置内上部空间设置液体喷淋装置，将由喷淋泵泵入的来自脱碳装置的低CO₂含量的液体进行喷淋，实现吸收干发酵装置所产沼气中CO₂以及提高干发酵体系内传质和传热效果的作用，吸收CO₂后的液体从干发酵装置底部流出后由液体循环泵泵入到脱碳装置，使液体恢复吸收CO₂的能力，从脱碳装置的排出的废气由净化装置处理后排空。

所述厌氧干发酵装置和脱碳装置采用分体设计或一体化设计，并通过发酵液的循环流动将二者连接成一个有机整体。

从所述液体喷淋装置喷出的液体的压力不低于0.5MPa，喷射方向可以调节，采用程控式喷淋技术定时向发酵原料堆体进行喷淋，非定时时间段使喷淋液只分布在上部气体空间，并从四周流向厌氧干发酵装置的底部。

从所述厌氧干发酵装置排出的富甲烷沼气中CH₄的浓度大于85％；从气体提纯装置排出的生物天然气中CH₄的浓度大于95％。

所述脱碳装置采用真空脱碳法或空气吹脱脱碳法，或二者相结合的方法。

所述的气体提纯装置采用变压吸附法、加压水洗法、化学吸收法、膜分离法中的一种，或多种联用。

所述的有机物为有机垃圾、粪便、食品加工废弃物、秸秆、草、城市污泥中的一种、两种或多种。

本发明所涉及的有机物制取生物天然气工艺具有以下几方面的特点：

(1)实现了厌氧干发酵与甲烷原位富集的耦合，在发酵环节进行甲烷原位富集，产出的富甲烷沼气再经过提纯环节处理产出高纯度生物天然气，降低了提纯单元的负荷，为降低生物天然气的生产成本创造了条件。

(2)整套工艺分别根据溶解吸收CO₂和满足干发酵传质的需要，控制液体喷淋在气固两相中的分配，实现了液体的连续循环，解决了厌氧干发酵对液体喷淋需求的间歇性与沼气脱碳对液体喷淋需求的连续性之间的矛盾。

(3)系统无废液产生，为工艺的大规模工程化应用创造了条件。

(4)经此工艺制取的高纯度生物天然气，可直接替代天然气用于工农业生产和生活领域。

附图说明

图1是本发明所述系统的连接关系图。

图中标号：

1-原料预处理装置；2-厌氧干发酵装置；3-液体喷淋装置；4-脱碳装置；5-液体喷淋泵；6-沼气提纯净化装置；7-尾气净化装置；8-液体循环泵。

具体实施方式

本发明提供了一种利用有机物制取生物天然气的工艺方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。下面详细的说明仅仅是阐述本发明的普遍原理，并非限制性的，实际应用过程中可以根据处理原料的不同性质和处理要求进行合理的调整和修改。

参考图1，首先，根据有机废弃物的物理化学特性及发酵要求，将原料送入预处理装置1，根据原料的性质，可分别采取物理、生物或化学方法进行预处理，然后添加接种物与发酵原料进行混合，接种物与发酵原料质量比不低于3∶1，连续运行条件下可利用发酵后的残渣作为接种物。并根据原料的营养成分添加必要的碳源或氮源将原料的C/N调整到20～30∶1的范围内。将调整好的发酵原料投入厌氧干发酵装置2，采用批量发酵的方式进行厌氧生物降解产沼气。发酵周期可在20～45天之间调节。发酵温度可采用常温、中温35～38℃、或高温55℃，优先选用中温发酵，在有外部热源可供利用的情况下可采用高温发酵。

在启动厌氧干发酵装置2之前，在脱碳装置4之中富集产酸发酵微生物。厌氧干发酵装置上部安装有液体喷淋装置3，液体喷淋装置3的喷淋方式可调，厌氧干发酵装置2启动后，开启喷淋装置3向发酵原料堆体喷洒富含产酸发酵微生物的液体，待发酵原料堆体下部有明显的液体渗出后，停止喷淋，当有气体产生后，重新开启喷淋装置3并调整其喷射方向，使其喷出的液体只分布在上部的气体空间，吸收所产沼气中的CO₂后，从厌氧干发酵装置2的器壁流向底部。适时调整喷淋方式，使喷淋在上部气体空间和下部发酵堆体之间切换。喷淋所需动力由液体喷淋泵5提供，压力控制在0.5～0.7MPa，通过喷淋将沼气中的CO₂吸收，然后通过液体循环泵8将CO₂饱和液体泵入到脱碳装置4，通过鼓风或真空脱碳方式将液体中的CO₂转移到气相当中并带出脱碳装置4，使液体重新获得吸收CO₂的能力，这部分液体通过液体喷淋泵5泵回厌氧干发酵装置2，用于促进厌氧发酵过程并吸收CO₂。从脱碳装置4释放出的废气经过尾气净化装置7脱除其中的具有气味性的气体后排入大气。从厌氧干发酵装置引出CH₄含量大于85％的富含甲烷的沼气经过沼气提纯净化装置6后即可得到CH₄含量大于95％高纯度的生物天然气。整个发酵过程中要控制发酵环境的pH为6.8～7.2，控制脱碳装置4内液体的pH在4.5以下。发酵温度可根据需要控制在中温(38℃)或高温(55℃)。

通过上述厌氧干发酵与脱碳过程的有机结合，实现甲烷的原位富集，产出CH₄含量大于85％的富甲烷沼气，产生的富甲烷沼气可直接利用，或根据需要送入气体提纯净化装置(6)后得到CH₄含量大于95％高纯度的生物天然气。

虽然针对本发明举例说明性的实施方案已经具体展示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本发明实质的前提下，可以在形式和细节上对上述实施举例说明的过程做出改变。

Claims

1.一种利用有机物制取生物天然气的工艺方法，其特征在于，通过厌氧干发酵装置(2)和脱碳装置(4)的有机结合实现甲烷的原位富集，使得由厌氧干发酵装置(2)产生富甲烷沼气，富甲烷沼气可以直接利用或进一步通过气体提纯装置(6)产生生物天然气；

工艺流程为：根据有机废弃物的物理化学特性及发酵要求，将发酵原料送入预处理装置(1)，然后添加接种物与发酵原料进行混合，接种物与发酵原料质量比不低于3:1，并根据发酵原料的营养成分添加必要的碳源或氮源将发酵原料的C/N调整到20～30:1的范围内；将调整好的发酵原料投入厌氧干发酵装置(2)，采用批量发酵的方式进行厌氧生物降解产沼气，发酵周期在20～45天之间调节，发酵温度采用常温、中温35～38℃、或高温55℃；

在启动厌氧干发酵装置(2)之前，在脱碳装置(4)之中富集产酸发酵微生物；厌氧干发酵装置上部安装有液体喷淋装置(3)，厌氧干发酵装置(2)启动后，开启喷淋装置(3)向发酵原料堆体喷洒富含产酸发酵微生物的液体，待发酵原料堆体下部有明显的液体渗出后，停止喷淋，当有气体产生后，重新开启喷淋装置(3)并调整其喷射方向，使其喷出的液体只分布在上部的气体空间，吸收所产沼气中的CO₂后，从厌氧干发酵装置(2)的器壁流向底部；适时调整喷淋方式，使喷淋在上部气体空间和下部发酵堆体之间切换；喷淋所需动力由液体喷淋泵(5)提供，压力控制在0.5～0.7MPa，通过喷淋将沼气中的CO₂吸收，然后通过液体循环泵(8)将CO₂饱和液体泵入到脱碳装置(4)，通过鼓风或真空脱碳方式将液体中的CO₂转移到气相当中并带出脱碳装置(4)，使液体重新获得吸收CO₂的能力，这部分液体通过液体喷淋泵(5)泵回厌氧干发酵装置(2)，用于促进厌氧发酵过程并吸收CO₂；从脱碳装置(4)释放出的废气经过尾气净化装置(7)脱除其中的具有气味性的气体后排入大气；从厌氧干发酵装置引出CH₄含量大于85％的富含甲烷的沼气经过沼气提纯净化装置(6)后即可得到CH₄含量大于95％高纯度的生物天然气；整个发酵过程中控制发酵环境的pH为6.8～7.2，控制脱碳装置(4)内液体的pH在4.5以下。

2.根据权利要求1所述的利用有机物制取生物天然气的工艺方法，其特征在于，所述厌氧干发酵装置(2)和脱碳装置(4)采用分体设计，并通过发酵液的循环流动将二者连接成一个有机整体。

3.根据权利要求1所述的利用有机物制取生物天然气的工艺方法，其特征在于，所述的气体提纯装置(6)采用变压吸附法、加压水洗法、化学吸收法、膜分离法中的一种，或多种联用。

4.根据权利要求1所述的利用有机物制取生物天然气的工艺方法，其特征在于，所述的有机物为有机垃圾、粪便、食品加工废弃物、秸秆、草、城市污泥中的一种或多种。