CN115092887A - 具有用于调节生物气质量的装置的用于从生物气料流生产生物甲烷和合成气的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从生物气料流生产生物甲烷和合成气的设备，所述设备包括:a.用于纯化生物气料流(1)以产生料流B和具有选定的CO2/CH4比的料流A的纯化单元(3)；b.用于蒸汽重整所述料流A以产生合成气(9)的蒸汽重整单元(6)；和c.用于从所述料流B产生生物甲烷料流(8)的膜分离单元(5)。本发明还涉及一种使用上述的设备从生物气料流生产生物甲烷和合成气的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从生物气料流生产生物甲烷和合成气的设备，以及一种使用这种设备的方法。
背景技术
生物气是有机物在无氧条件下分解(厌氧发酵)产生的气体，也称为甲烷化。这可以是自然分解----因此在沼泽地或家庭垃圾填埋场中可以观察到----但生物气的产生也可以是废物在专用反应器(称为甲烷化器或消化器)中甲烷化的结果。
由于其主要成分(甲烷和二氧化碳)，生物气是一种强大的温室气体；同时，它也是一种可再生能源，在化石燃料日益稀缺的背景下，这种能源是值得重视的。
生物气主要含有甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，其比例根据获得生物气的方式而变化，但也含有少量痕量的水、氮、硫化氢、氧和其他有机化合物。
取决于已经分解的有机物质和所使用的技术，组分的比例不同，但是平均而言，基于干燥气体，生物气包含30％至75％的甲烷、15％至60％的CO2、0％至15％的氮、0％至5％的氧和痕量化合物。
生物气以各种方式增加了其价值。一个具体的例子是从生物气生产合成气(H2和CO的混合物)，所述合成气是一种燃料气体，特别是可以从其生产热和电。
对生物气进行更深度的纯化可以使其得到更广泛的应用；特别地，生物气的深度纯化使得可以获得已经纯化到天然气规格的生物气，并且其可以替代天然气；如此纯化的生物气被称为“生物甲烷”。因此，生物甲烷补充了天然气资源，其可再生比例在该地区内生产；它可以和化石来源的天然气有完全相同的用途。它可以供给天然气网络或汽车加油站；它也可以被液化，以液化天然气(LNG)等形式储存。
生物气的产量及其组成取决于许多因素，通常是底物的类型、操作参数如温度、pH、碳/氮比和有机物含量，以及设计参数如建筑材料、消化器的类型和进料机构。CO2是主要成分之一，其浓度变化很大，这意味着生物气的质量波动很大。
粗制生物气的不稳定质量可能引起下游单元操作中的风险和波动。
以此为出发点，出现的一个问题是提供一种具有用于调节生物气质量的装置的设备。
调节生物气的质量意味着实现特定的CO2/CH4比，特别是通过纯化生物气，例如通过去除杂质如挥发性有机化合物和硅氧烷。因此，用于调节生物气质量的装置是设备及其控制信号的组件，用于调节操作条件以从生物气料流获得目标组成，特别是CO2/CH4比。
发明内容
本发明的一个解决方案是用于从生物气料流生产生物甲烷和合成气的设备，所述设备包括:
a.用于纯化生物气料流以产生料流B和具有选定的CO2/CH4比的料流A的纯化单元；
b.用于蒸汽重整所述料流A以产生合成气的蒸汽重整单元；和
c.用于从所述料流B产生生物甲烷料流的膜分离单元。
因此，可以根据对合成气组成的要求来调节CO2/CH4比。特别地，CO2/CH4比由纯化单元调节至目标比，以便在纯化单元的出口处获得料流A。
附图说明
图1示出了根据本发明的设备的一个例子。
具体实施方式
料流B优选具有与料流A相同的CO2/CH4比。原因在于，在这种情况下，用于纯化生物气料流的单元将产生具有选定CO2/CH4比的料流，该料流将被分成料流A和料流B。
注意，生物气料流将通过消化器10中的厌氧发酵产生。
料流A主要包含CO2和CH4，它们在蒸汽重整单元中与蒸汽混合，反应如下进行:
(1)CH4+H2O＝CO+3H2
(2)CH4+CO2＝2CO+2H2。
这些反应是吸热的，需要供热，而供热通常通过燃烧来提供。
来自这些重整反应的余热可以用于例如将消化器10保持在35℃至55℃范围内的温度。
根据这种情况，根据本发明的设备可以具有以下特征中的一者或多者:
-用于纯化生物气料流1的纯化单元3对应于膜分离单元5的第一膜分离级。特别地，可以调节(例如自动调节)操作膜的数量，以产生具有期望CO2/CH4比的料流A。
-用于纯化生物气料流1的纯化单元3是PSA(变压吸附)单元。特别地，PSA单元的循环时间允许将料流A的组成调节至期望的CO2/CH4比。
-该设备在用于纯化生物气料流1的单元3的上游包括用于压缩生物气料流的单元。
-该设备在纯化单元3的上游包括脱硫单元2。
-该设备包括用于根据所选的CO2/CH4比来产生控制信号的装置4。
-该设备包括用于将控制信号传输至用于纯化生物气料流的单元的装置7。
本发明的另一主题是使用根据本发明的设备从生物气料流生产生物甲烷和合成气的方法，该方法包括:
i.纯化生物气料流以产生具有选定的CO2/CH4比的料流A并产生料流B的步骤；
ii.蒸汽重整料流A以产生合成气的步骤；和
iii.膜分离以便从料流B产生生物甲烷料流的步骤。
根据这种情况，该生产方法可具有以下特征中的一者或多者:
-在步骤i)中，将生物气料流引入在步骤iii)中使用的膜分离单元的第一膜分离级中，并且在第一级的出口处回收第一渗余物，并将该第一渗余物分成料流B和具有选定的CO2/CH4比的料流A。
-在步骤i)中，在第一级的出口处回收第一渗透物，并且在步骤ii)中，使用重整器，并且第一渗透物用作重整器的燃烧器中的燃料。
-在步骤ii)中，将料流B引入第二膜分离级，并在出口处回收生物甲烷。还回收了第二渗透物，该第二渗透物可用作蒸汽重整单元燃烧器中的燃料。
-在步骤i)中，通过吸附纯化生物气料流，以提供具有选定CO2/CH4比的料流A并产生料流B；
-在步骤i)之前对生物气料流进行压缩和脱硫。注意，挥发性有机化合物和硅氧烷可以与硫化氢同时除去。挥发性有机化合物和硅氧烷在纯化步骤i)中被进一步除去。因此，步骤i)中产生的料流A和B可能仅含有痕量的挥发性有机化合物和硅氧烷。
-该方法包括根据合成气中期望的氢气和一氧化碳的量和/或根据期望的生物甲烷的量来确定料流A中选定的CO2/CH4比的步骤。
-该方法包括根据选定的CO2/CH4比来产生控制信号的步骤。
-该方法包括将控制信号传输至用于纯化生物气料流的单元的步骤。
重整步骤之后可以是水煤气变换反应和吸附纯化，从而产生氢气料流。
如果消费者需要含有更多氢气的合成气，则将料流A中的CH4浓度调节到更高的水平。
如果消费者需要含有更多CO的合成气，则将料流A中的CO2浓度调节到更高的水平。
如果消费者主要需要生物甲烷，则料流A的流量将降低，而料流B的流量将增大。
例如，料流A中的CO2/CH4比可调整如下:
-50/50的比率用于生产H2和CO的混合物；
-优选大于50/50、更优选大于等于70/30的比率用于优先生产CO；或者
-优选低于50/50、更优选低于或等于30/70的比率用于优先生产H2。
Claims (16)
1.一种用于从生物气料流生产生物甲烷和合成气的设备，所述设备包括:
a.用于纯化生物气料流(1)以产生料流B和具有选定的CO2/CH4比的料流A的纯化单元(3)；
b.用于蒸汽重整所述料流A以产生合成气(9)的蒸汽重整单元(6)；和
c.用于从所述料流B产生生物甲烷料流(8)的膜分离单元(5)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于纯化所述生物气料流的所述纯化单元(3)对应于所述膜分离单元(5)的第一膜分离级。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于纯化所述生物气料流的所述纯化单元(3)是PSA单元。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，该设备在用于纯化生物气料流的所述纯化单元的上游包括用于压缩所述生物气料流的单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，该设备在所述纯化单元(3)的上游包括脱硫单元(2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括用于根据所述选定的CO2/CH4比来产生控制信号的装置(4)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该设备包括用于将所述控制信号传输至用于纯化生物气料流的所述纯化单元(3)的装置(7)。
8.一种使用根据权利要求1至7中任一项所述的设备从生物气料流生产生物甲烷和合成气的方法，该方法包括:
i.纯化生物气料流以产生具有选定的CO2/CH4比的料流A并产生料流B的步骤；
ii.蒸汽重整所述料流A以产生合成气的步骤；和
iii.膜分离以便从所述料流B产生生物甲烷料流的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，将所述生物气料流引入在步骤iii)中使用的膜分离单元的第一膜分离级中，并且在该第一膜分离级的出口处回收第一渗余物，并将该第一渗余物分成料流B和具有选定的CO2/CH4比的料流A。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，在第一级的出口处回收第一渗透物，并且在步骤ii)中，使用重整器，并且所述第一渗透物被用作所述重整器的燃烧器中的燃料。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在步骤iii)中，将所述料流B引入第二膜分离级，并在出口处回收生物甲烷。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，通过吸附纯化所述生物气料流，以提供料流B和具有选定的CO2/CH4比的料流A。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤i)之前对所述生物气料流进行压缩和脱硫。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括根据合成气中期望的氢气和一氧化碳的量和/或根据期望的生物甲烷的量来确定所述料流A中的所述选定的CO2/CH4比的步骤。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括根据所述选定的CO2/CH4比来产生控制信号的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，该方法包括将所述控制信号传输至用于纯化生物气料流的纯化单元的步骤。
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