CN110094634A - 一种负碳排放生物质产沼气的系统及方法 - Google Patents

一种负碳排放生物质产沼气的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种负碳排放生物质产沼气的系统及方法，系统包括高压水塔、减压单元、供氢单元、储CO2罐、甲烷化装置、干燥器和储甲烷罐，高压水塔设有粗沼气进料口、循环进料口、底端出料口和顶端出料口，高压水塔的顶端出料口通过管路连接干燥器，高压水塔的底端出料口通过管路连接减压单元，减压单元的出料口连接储CO2罐，减压单元还设有与高压水塔的粗沼气进料口或循环进料口相连的回流管路，储CO2罐与供氢单元分别连接甲烷化装置，甲烷化装置的出料口连接干燥器，干燥器的出料口连接储甲烷罐。本发明甲烷与二氧化碳分离彻底、可充分利用由清洁能源产生的废置电能，实现沼气中的碳资源的全利用。

Description

一种负碳排放生物质产沼气的系统及方法
技术领域
本发明属于碳减排及清洁能源高效利用领域，具体涉及一种负碳排放生物质产沼气的系统及方法。
背景技术
工业化以来，全球能源需求迅猛增长，而目前化石燃料占据超过70％的比例。尽管可再生能源增长潜力强劲，但未来30年中仍难撼动化石能源的主体地位。欧盟在1997年就制定和发布了《可再生能源发展战略白皮书》，规定了可再生能源在所有消费能源中的占比，而可再生能源的组成中87％为生物质沼气。生物质沼气是农林废弃有机物(秸秆、藻类、厨餐垃圾等)在厌氧环境中，于一定的温度、湿度、pH值条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。它由50％-80％甲烷(CH4)、20％-40％二氧化碳(CO2)、0％-5％氮气(N2)、<1％的氢气(H2)、<0.4％的氧气(O2)与0.1％-3％硫化氢(H2S)等气体组成。化石能源的使用导致大量二氧化碳排放，占排放总量的90％以上，而由生产沼气而产生的二氧化碳也是不可忽略的。2017年全球与能源有关的二氧化碳排放量再度恢复增长，达325亿吨的历史最高点，打破了三年全球二氧化碳排放量持平的状态。CO2浓度急剧增长，带来一系列严峻的问题，如极端天气，冰川融化和海洋酸化等，已经严重威胁到人类的生存环境。
随着社会的不断发展，能源的需求量也在持续的上涨，同时人们对环境的要求也在不断的提高，沼气作为清洁能源也越来越受到大家的关注。由于沼气含有较高浓度的CO2和H2S，所以需要相应的净化工艺脱除其中的杂质气体。通常沼气需要通过提纯设备进行净化分离，净化后的沼气可采用气态或液态的方式进行储存和输送。欧洲国家的沼气提纯技术较为成熟，提纯后的沼气中CH4的浓度能到达95％左右，相当于天然气的标准(优质天然气中CH4的浓度在95％以上)。
沼气生产过程中，提纯后的甲烷可用作燃料等，而二氧化碳通常直接排放，不符合低碳和可持续发展策略。将沼气生产过程中的二氧化碳捕集用于加氢转化，可以实现组合过程的二氧化碳负排放目标，是温室气体治理的有效途径，也对其它减排需求具有借鉴意义。
专利CN104003832B公开了一种从沼气中同时提纯甲烷和二氧化碳的工艺及装置系统：沼气原料经压缩机Ⅰ压缩增压后，进入预处理装置Ⅰ进行预处理；然后进入第一级中空纤维膜分离出CH4粗品和CO2粗品；CH4粗品再经第二级中空纤维膜进行深度提纯，分离得到满足车用燃气标准GB18047-2000的CH4产品；CO2粗品再经CO2回收装置进行提纯，分离得到满足工业二氧化碳标准GB/T6052-2011的CO2产品，但该系统不能实现碳资源的全利用，无法实现温室气体零排放。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种负碳排放生物质产沼气的系统及方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种负碳排放生物质产沼气的系统，包括高压水塔、减压单元、供氢单元、储CO2罐、甲烷化装置、干燥器和储甲烷罐，所述高压水塔设有粗沼气进料口、循环进料口、底端出料口和顶端出料口，所述高压水塔的顶端出料口通过管路连接干燥器，所述高压水塔的底端出料口通过管路连接减压单元，所述减压单元的出料口连接储CO2罐，所述减压单元还设有与高压水塔的粗沼气进料口或循环进料口相连的回流管路，所述储CO2罐与供氢单元分别连接甲烷化装置，所述甲烷化装置的出料口连接干燥器，所述干燥器的出料口连接储甲烷罐。
进一步地，所述粗沼气进料口设于高压水塔的中下部，所述循环进料口设于高压水塔的中上部。
进一步地，所述减压单元包括一级减压罐和二级减压罐，所述一级减压罐的出口端与二级减压罐的进口端相连，混合气出口端与粗沼气进料口连接，所述二级减压罐的出气口与储CO2罐连接，出水口与高压水塔的循环进料口相连。
进一步地，外来补水与二级减压罐的出水口连接。
进一步地，所述粗沼气进料口与循环进料口设有增压泵。
进一步地，所述供氢单元包括电解水产氢气装置和储氢罐，所述储氢罐将电解水产氢气装置产生的氢气储藏。
进一步地，所述电解水产氢气装置通过清洁能源产生的废置电能进行供电。由于目前光、风、潮汐能等清洁能源产生的电能存在间歇性峰谷比过大而造成大量电能废置不能上电网的现象，可利用这部分废置电能进行电解水制备氢气并储存。
进一步地，所述高压水塔内压力为8-10Mpa，高压水塔中的淋洗液主要来源于二级减压罐中的出水，部分来自外面补水，经过增压泵后流入高压水塔使用。一级减压罐内的压力为6-9MPa，即减压至初压力75％-90％，排出水中残余的全部甲烷甲烷及少量的二氧化碳，排出的混合气体回流至高压水塔中重新水洗分离。二级减压罐内的压力为0.3-0.5MPa，此时二氧化碳的溶解度含量最低，可几乎全部从水中释放。
进一步地，所述甲烷化装置中的氢气与二氧化碳的摩尔比值为(4～4.4)：1。
一种负碳排放生物质产沼气的系统的处理方法，粗沼气经该系统抽取后，进入高压水塔，沼气中的二氧化碳溶解于水洗液中，甲烷以气体形式从高压水塔上端分离出来，经干燥进入储甲烷罐(8)；溶解二氧化碳的水洗液进入减压单元，减压释放水洗液中剩余的全部甲烷，同时二氧化碳排出，收集至储CO2罐(11)中，CO2与供氢单元的氢气一同进入甲烷化装置(6)生成甲烷，经干燥后进入储甲烷罐(8)；减压单元的混合气体与粗沼气混合后，经过增压泵送入高压水塔重新水洗分离，以及释放出二氧化碳的水洗液经增压泵回流至高压水塔处理粗沼气。该系统将粗沼气中释放出的二氧化碳加氢生成甲烷，经过干燥，与粗沼气中分离出的甲烷混合。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)甲烷与二氧化碳分离彻底：通过高压水洗、两级减压，将二氧化碳和甲烷完全分离，沼气中部分硫化物和颗粒物溶于水中。
(2)充分利用清洁能源，利用废置的电能电解水产氢，并置于储氢罐中备用。
(3)二氧化碳得到有效利用，通过甲烷化，氢气与二氧化碳反应生成甲烷，并将多余的氢气和生成的甲烷经过干燥器，引入储气罐中，与粗沼气中提纯的甲烷混合。
本发明利用清洁能源产生的目前无法并入国家电网的过量电能制备氢气与二氧化碳反应生成甲烷，将沼气中的碳全部转化为甲烷，并且将二级减压罐的水洗液循环回流至高压水塔中。高压水洗具有分离效率较高、操作条件温和、反应材料易于得到与经济性较强等优点，降低了实际运行成本。整个系统实现了碳资源的全利用，温室气体零排放，同时无废水，废气排放，最大化利用了可再生能源。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图中：高压水塔1，一级减压罐2、二级减压罐3，电解水产氢气装置4、储氢罐5、甲烷化装置6、干燥器7、储甲烷罐8，增压泵9、10，储CO2罐11，外来补水12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种负碳排放生物质产沼气的系统，包括高压水塔1、减压单元、供氢单元、储CO2罐11、甲烷化装置6、干燥器7和储甲烷罐8，高压水塔1设有粗沼气进料口、循环进料口、底端出料口和顶端出料口，粗沼气进料口设于高压水塔1的中下部，循环进料口设于高压水塔1的中上部，粗沼气进料口与循环进料口设有增压泵9，10。
高压水塔1的顶端出料口通过管路连接干燥器7，高压水塔1的底端出料口通过管路连接减压单元，减压单元的出料口连接储CO2罐11，减压单元还设有与高压水塔1的粗沼气进料口或循环进料口相连的回流管路，储CO2罐11与供氢单元分别连接甲烷化装置6，甲烷化装置6的出料口连接干燥器7，干燥器7的出料口连接储甲烷罐8。
减压单元包括一级减压罐2和二级减压罐3，一级减压罐2的出口端与二级减压罐3的进口端相连，混合气出口端与粗沼气进料口连接，二级减压罐3的出气口与储CO2罐11连接，出水口与高压水塔1的循环进料口相连。外来补水12与二级减压罐3的出水口连接。供氢单元包括电解水产氢气装置4和储氢罐5，储氢罐5将电解水产氢气装置4产生的氢气储藏。电解水产氢气装置4通过清洁能源产生的废置电能进行供电。
高压水塔内压力为8-10Mpa，高压水塔中的淋洗液主要来源于二级减压罐中的出水，部分来自外面补水，经过增压泵后流入高压水塔使用。一级减压罐内的压力为6-9MPa，即减压至初压力75％-90％，排出水中全部甲烷及少量的二氧化碳，排出的混合气体回流至高压水塔中重新水洗分离。二级减压罐内的压力为0.3-0.5MPa，此时二氧化碳的溶解度含量最低，可几乎全部从水中释放。甲烷化装置中的氢气与二氧化碳的摩尔比值为4～4.4：1。
具体工作过程为，粗沼气经该系统抽取后，通过增压泵进入高压水塔，在高压水塔内沼气中的二氧化碳溶解于水洗液中，而甲烷因溶解度较低大部分得以以气体形式分离出来。分离出的甲烷经干燥设备后进入储气罐；溶解二氧化碳的水洗液则进入一级减压罐中，减压释放水洗液中剩余的全部甲烷，同时还有少量二氧化碳排出；将一级减压罐中释放出的混合气体与粗沼气混合后，经过增压泵送入高压水塔重新水洗分离。一级减压罐流出的溶解二氧化碳的水洗液再流入二级减压罐中释放水中的全部二氧化碳，将二氧化碳气体引入储气罐待用。释放出二氧化碳的水洗液经增压泵后回流至高压水塔处理粗沼气。本发明的方法及系统利用清洁能源产生的过量电能所制备的氢气与从粗沼气中捕集的二氧化碳反应生成甲烷，可将沼气中的碳全部转化为甲烷，实现了碳资源的全利用，温室气体零排放，同时无废水，废气排放，最大化利用了清洁能源。
实施例1
浙江宁波某工厂日产10000吨的生物质沼气，其中含有CH4(5000t-8000t)，CO2(2000t-4000t)，其中CO2加氢还原成甲烷的方程式如下：
CO2(g)+4H2(g)→CH4(g)+2H2O ΔrHm(298.15K)＝-164.9KJ/mol
电解水：
H2O(L)→H2(g)+1/2O2(g) ΔrHm(298.15K)＝285.838KJ/mol
二氧化碳提纯率以99％计算，可知经过两级减压罐之后；
CO2的总量为MC＝(2000～4000)×99％＝(1980～3960)t
如权利要求5所述，可知氢气与二氧化碳的比值为(4～4.4)：1。则所需氢气的总重量为：
M氢max＝3960t÷44×4.4÷2＝198t
M氢min＝1980t÷44×4÷2＝90t
又1度电＝3.6×106J
由电解水产氢气的摩尔生成焓可知，生成1mol(2g)H2，需吸收285.838KJ热量，那么分别生成198t、90t氢气需要能量2.83×1010KJ，1.29×1010KJ,即分别需要7860545，3572975度电。按照1MW光伏日发电产2400度电计算，可知每日需1.488GW～3.275GW，小于目前周边光伏发电弃置不用的浪费电量，具有节能减排的实际贡献。
实施例2
浙江嘉兴某工厂工业化沼气副产CO2转化的实践，该工厂利用由无碳排放的光伏发电所产生的废置电能进行电解水制氢，然后将氢气与从沼气中分离出的二氧化碳反应完成转化。它的最终产品是氢气和合成甲烷气。工厂通过两个过程实现二氧化碳转化：电解水和二氧化碳甲烷化。首先，工厂使用产能过量的光伏将水分解成氧和氢，并将氢气储存。然后，将从粗沼气中提取的二氧化碳甲烷化：氢气与CO2反应生成合成甲烷。其产生的合成甲烷气浓度超过97％，与实际应用的普通天然气相同。通过现有的基础设施，即天然气网络，分布到各地的加气站。该工厂在2013年秋季开始向天然气网络输送气体。工厂每年生产约1000吨的合成甲烷气，消除了约2800吨的CO2排放。这大致相当于超过220000棵山毛榉的森林一年吸收的量。而该工厂唯一的副产品是对环境无害的水和氧气。该工厂显示了大量绿色电力如何能够高效且独立地储存：通过将其转化成甲烷并将其储存在最大的能源储存设施天然气网络中。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，包括高压水塔(1)、减压单元、供氢单元、储CO2罐(11)、甲烷化装置(6)、干燥器(7)和储甲烷罐(8)，
所述高压水塔(1)设有粗沼气进料口、循环进料口、底端出料口和顶端出料口，所述高压水塔(1)的顶端出料口通过管路连接干燥器(7)，所述高压水塔(1)的底端出料口通过管路连接减压单元，
所述减压单元的出料口连接储CO2罐(11)，所述减压单元还设有与高压水塔(1)的粗沼气进料口或循环进料口相连的回流管路，
所述储CO2罐(11)与供氢单元分别连接甲烷化装置(6)，所述甲烷化装置(6)的出料口连接干燥器(7)，
所述干燥器(7)的出料口连接储甲烷罐(8)。
2.根据权利要求1所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，所述减压单元包括一级减压罐(2)和二级减压罐(3)，所述一级减压罐(2)的出口端与二级减压罐(3)的进口端相连，混合气出口端与粗沼气进料口连接，所述二级减压罐(3)的出气口与储CO2罐(11)连接，出水口与高压水塔(1)的循环进料口相连。
3.根据权利要求2所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，所述高压水塔内压力为8-10Mpa，一级减压罐内的压力为6-9MPa，二级减压罐内的压力为0.3-0.5MPa。
4.根据权利要求2所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，外来补水(12)与二级减压罐(3)的出水口连接。
5.根据权利要求1所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，所述粗沼气进料口与循环进料口设有增压泵(9，10)。
6.根据权利要求1所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，所述供氢单元包括电解水产氢气装置(4)和储氢罐(5)，所述储氢罐(5)将电解水产氢气装置(4)产生的氢气储藏。
7.根据权利要求6所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，所述电解水产氢气装置(4)通过清洁能源产生的废置电能进行供电。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统，其特征在于，所述甲烷化装置中的氢气与二氧化碳的摩尔比值为(4～4.4)：1。
9.如权利要求1所述的一种负碳排放生物质产沼气的系统的处理方法，其特征在于，
粗沼气经该系统抽取后，进入高压水塔，沼气中的二氧化碳溶解于水洗液中，甲烷以气体形式从高压水塔上端分离出来，经干燥进入储甲烷罐(8)；
溶解二氧化碳的水洗液进入减压单元，减压释放水洗液中剩余的全部甲烷，同时二氧化碳排出，收集至储CO2罐(11)中，CO2与供氢单元的氢气一同进入甲烷化装置(6)生成甲烷，经干燥进入储甲烷罐(8)；
减压单元的混合气体与粗沼气混合后，经过增压泵送入高压水塔重新水洗分离，减压单元释放出二氧化碳的水洗液经增压泵回流至高压水塔处理粗沼气。
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