CN105765040A - 合并生产用于采用膜分离的甲烷化器的热量的制备生物甲烷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备适于供应给天然气网络的生物甲烷的方法，其中合并了提供用于加热生物气体制备步骤的热量的工艺；所述方法包括至少以下步骤：通过有机物质的厌氧发酵制备生物气体，将生物气体进行预处理和压缩并且进行渗透，从而在第一次渗透分离之后得到生物甲烷料流和具有减少的甲烷含量的气态渗透物；此方法另外经由锅炉提供厌氧发酵步骤所需的热量，其中使用以第一次分离所得的渗透物为进料的第二渗透步骤的渗余物。

Description

合并生产用于采用膜分离的甲烷化器的热量的制备生物甲烷的方法

本发明涉及一种制备适于供应给天然气网络的生物甲烷的方法，其中合并了提供用于加热生物气体制备步骤的热量的工艺；所述方法包括至少以下步骤：通过有机物质的厌氧发酵制备生物气体，将生物气体进行预处理和压缩并且进行渗透，从而在第一次分离之后得到生物甲烷料流和具有减少的甲烷含量的气态渗透物；同时，此方法提供了厌氧发酵步骤所需的热量。

生物甲烷是富含甲烷的气体，其是通过从生物气体合适地提纯得到的，并且具有与可被替代的天然气相同的特性。

对于生物气体的升级，即主要是在现场或附近的升级，最近关注的是将这种生物气体提纯到天然气的规格。由此所制得的生物甲烷可以用作天然气的非化石替代品，以在地区中心生产的可再生物料补充天然气源。这种生物甲烷可以用于相同的目的。

尤其是，在升级方面，生物甲烷作为天然气的可再生替代品，具有与天然气相同的性能，可以被注入天然气分配或运输网络中，这使得气体生产者和消费者之间的连接成为可能。

天然气分配或运输网络可以向消费者供应天然气。此网络保持2-6巴的压力用于分配，保持15-25巴的压力用于中压分配，和保持25-80巴的压力用于运输。

关于生物气体，其是通过植物或动物有机物质的自然发酵或受控发酵(甲烷化)产生的气体。生物气体的特征组分是甲烷，其是在有机废料的生化降解期间形成的；其它主要成分是二氧化碳。生物气体也含有较小比例的水、氮气、硫化氢、氧气，以及痕量的其它有机化合物，

根据有机物质和所用的技术，这些组分的比例是不同的，但是生物气体平均包含作为干气体的30-75％的甲烷、15-60％的CO₂、0-5％的氮气、0-5％的氧气以及痕量化合物。

生物气体是通过有机物质的甲烷化制备的，也就是说通过厌氧发酵制备。生物气体是在密封罐(也称为甲烷化器或消化器)中制备。这必须在不存在空气的情况下操作(厌氧方法)，并且必须在反应器的室中保持稳定的温度。此温度取决于甲烷化方法，也就是说取决于用于降解有机物质的细菌的类型，但是在所有情况下都必须提供热量，因此对于嗜温方法而言，温度应当保持为30-37℃，而对于嗜热方法而言，要求温度为50-55℃。

由此，因为在比甲烷化器更低的温度下连续添加有机物质而且外部温度帮助冷却所述甲烷化器，所以必须向生物气体制备步骤提供热量。所提供的热量因此可以占在所制备生物气体中所含能量的5-20％。

同时，为了能从在注入网络期间购买生物甲烷的补贴价率受益，用于提供甲烷化所需热量的来源必须使用可再生能源。

为了解决这两个问题，最常用的热源是由消化器制备的生物气体。在这种情况下，热量是通过与锅炉水的热交换提供给甲烷化工艺的，这是在提纯所制备的生物气体之前使用取出的生物气体进行加热的。因此，在提纯之前取出的这部分生物气体并没有参与最终的生产。

但是，为了能以有效方式升级作为天然气替代品的生物气体制备，生物气体生产者必须能够具有尽可能最大化的产量，这是因为：(i)生物气体的提纯从投资角度而言是昂贵的，和(ii)必须能提供足量的生物甲烷以到达出口，尤其是在小规模生产的情况下。

所以，必要的是能利用尽可能大比例的生物气体制备生物甲烷，而且对于生物气体产量可能是20Nm³/h至数十Nm³/h级别的小规模生产者而言甚至是强制性的。对于这些小规模生产者而言，可能非常有利的是能利用尽可能大比例的制得的甲烷，直至所制得甲烷的99％或甚至更多。

同时，为了在注入网络期间从购买生物甲烷的补贴价率受益，必须的是采用利用可再生能源的热源。

已知的解决方案是建议回收由提纯单元产生的可得热量(压缩器的热量或冷却单元的热量)，但是从这种来源供应热量对于消化器的总体需求而言是不足的(其仅仅满足约20％的需求)。

另一种已知的解决方案包括回收由用于经由低-GCV锅炉燃烧含有10-20％甲烷、优选15％甲烷的生物气体破坏排气的体系所产生的热量，或回收由可应用于含有2-8％甲烷、优选5％甲烷的气体的热氧化所产生的热量。但是，这些破坏排气的方式是昂贵的，而且对于小规模项目而言过于昂贵。此外，它们仅仅能向甲烷化器提供小部分的所需热量(此方案满足至多15％的需求)。

所以，目前还没有能向甲烷化器提供所需的全部热量且同时满足以下条件的方法：

-源自生物甲烷制备工艺，并因此利用可再生能源，

-保持制得的全部生物气体能进行提纯，

-不涉及对于小规模生产者而言过多的大量额外成本，所以不需要昂贵的补充处理来提供用于加热甲烷化器的装置。

本发明的一个目的是克服这些缺陷，并向生物甲烷生产者提供能加热在甲烷化器中存在的进料且满足上述需求的技术方案。

因此根据本发明，提供一种制备要供应给天然气网络的生物甲烷的方法，其中合并了提供用于加热生物气体制备步骤的热量的工艺，其中：

·生物甲烷制备方法包括至少以下步骤：

·步骤(a)：通过有机物质的甲烷化制备生物气体，

·步骤(b)：对在步骤(a)期间制得的全部生物气体进行预处理，

·步骤(c)：压缩全部已预处理的生物气体，

·步骤(d)：对来自步骤(c)的全部已预处理和压缩的生物气体通过渗透进行分离，产生具有大于89％、优选大于96.5％甲烷含量的气态渗余物，和具有10-25％、优选约20％甲烷含量的气态渗透物，

·步骤(e)：提供来自步骤(d)的气态渗余物作为生物甲烷，

·用于加热生物气体制备步骤(a)的工艺包括至少以下步骤：

·步骤(f)：经由加热水回路向步骤(a)提供热量，

·步骤(g)：在燃气锅炉中加热所述加热水，

其特征在于提供热量的所述工艺还至少包括：

·步骤(h)：对来自第一渗透分离步骤(d)的气态渗透物通过渗透进行分离，从而制得富含甲烷的气态渗余物和贫化甲烷的渗透物，其中富含甲烷的气态渗余物的甲烷含量大于或等于25％，优选是30-40％，更优选是约35％，

·步骤(i)：向步骤(g)的锅炉的燃烧器供应来自分离步骤(h)的渗余物，

·步骤(j)：排出由渗透分离步骤(h)制得的渗透物。

因此，本发明方法建议了将生物气体向生物甲烷的提纯和用于消化器的热量的产生集成。将全部生物气体送到提纯器而不需要转移一部分制得物来产生热量；这可以构成一个显著的区别，尤其是对于小规模生产者而言，因为当生产规模过小时没有到达网络的出口。

膜提纯技术能有效地分离CO₂和CH₄。所以可以通过单个膜阶段获得具有网络运行者所需的品质的生物甲烷。实际上，在第一膜阶段的出口处，制得富集气体，其具有大于89％的甲烷浓度，根据客户所需的品质可以具有大于96.5％的甲烷浓度。

在该第一膜的渗透物中的CH₄浓度是10-25％，优选约20％，并且不能用于采用简单技术的燃气锅炉；具体而言，这些燃气锅炉要求甲烷含量大于25％，优选大于或等于30％。为了达到此最低含量，本发明方法将渗透物加入第二膜阶段。对于生物气体生产者而言，此方案实现了初始投资和操作成本比常规提纯体系和常规加热体系低30-50％。通过该第二膜阶段制得的渗余物是富含CH₄的气体，其具有大于25％、优选30-40％的甲烷含量，可以用于简单燃气锅炉中。来自该第二阶段的渗透物是极度贫化CH₄的，可以被排放到大气中且不需要昂贵的排气处理。因此，由甲烷化器产生的CH₄的小于2％、优选小于1％排放到大气中。

根据具体情况，本发明方法可以包括全部或部分的以下特征。

-用于加热步骤(a)的工艺包括步骤(k)，其中使用在步骤(b)和(c)期间回收的热量向在所述加热水回路中循环的水额外提供热量。具体而言，热量是可以在任何情况下在例如压缩器和冷却单元的设备处可得的；这些热量可在无需过量投资的情况下利用，因此贡献于向甲烷化器的总热量提供。

-当供应的热量大于生物气体制备步骤(a)所需的热量时，可以将可变份额的来自分离步骤(h)的富含甲烷的渗余物返回到压缩步骤(c)的入口。具体而言，一旦满足了甲烷化器的热量需求，就回收在第二膜阶段的渗余物中可得的额外甲烷，从而循环到膜分离的上游以提高生物甲烷的产量。为此目的，配备可变流量阀的循环管线与用于将渗余物输送到锅炉的燃烧器的管线相连。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种用于实施本发明方法的设备。

尤其是，涉及一种用于制备要供应给天然气网络的生物甲烷，以及整合提供用于加热生物气体制备步骤的热量的设备，此设备至少包括：

·生物甲烷制备单元，其至少包括：

·有机物质源，

·甲烷化器，用于通过所述有机物质的甲烷化制备生物气体，

·用于对制得的生物气体进行预处理的组件，

·压缩器，适于压缩已预提纯的生物气体，

·第一分离组件，其用于对已预处理和压缩的生物气体通过膜渗透进行分离，适于制得具有大于89％、优选大于96.5％甲烷含量的气态渗余物和具有10-25％、优选约20％甲烷含量的气态渗透物，

·用于将来自所述第一分离组件的气态渗余物作为制得的生物甲烷来提供的装置，

·适于共同操作以加热在甲烷化器中所含的有机物质的装置，至少包括：

·适于加热甲烷化器的加热水回路，

·燃气锅炉，其适于加热所述加热水回路的水，

其特征在于适于共同操作以加热所述有机物质的装置包括：

·第二分离组件，其用于对来自第一渗透分离组件的气态渗透物通过膜渗透进行分离，适于制得富含甲烷的气态渗余物和贫化甲烷的渗透物，其中富含甲烷的气态渗余物具有大于25％、优选30-40％、更优选约35％的甲烷含量，

·用于向所述燃气锅炉的燃烧器供应来自第二分离组件的渗余物的装置，

用于排出来自第二分离组件的渗透物的装置。

根据本发明的一个有利实施方案，适于共同操作以加热在消化器中所含的有机物质的装置包括适于从生物气体预处理组件和预处理生物气体压缩器回收热量的额外装置，以及适于将回收的热量提供给消化器的加热回路的水的额外装置。

有利的是，此设备另外包括适于将一部分渗余物从第二膜阶段循环到预处理生物气体压缩器的入口的装置，所述装置包括配备流量控制阀的管线，所述控制阀能根据热量需求将供应给锅炉的过量气体循环到压缩器的上游。此操作的目的是向消化器仅提供所需的热量。

下面将参考唯一的附图进行描述以更好地理解本发明。

此附图显示了本发明各个元件的示意流程图。为了简洁起见，仅仅标出对理解和实施本发明有用的设备元件。

根据附图中的流程，本发明的生物甲烷生产设备是按照以下方式操作的。甲烷化器1输出生物气体2。生物气体2被送到预处理组件3，在这里在CO₂/CH₄分离之前进行4不同的处理。已预处理的生物气体5在压缩器6中进行压缩，从而将经压缩的预处理生物气体7在入口压力下供应给第一膜阶段8，这里进行CO₂/CH₄分离。更具体地，膜阶段8输出富含甲烷的气态渗余物9，其甲烷含量足以代替天然气，即至少89％，如果必要的话是96.5％或更大，这取决于必须被替代的天然气的规格；并输出具有10-25％甲烷含量的气态渗透物10。为了能将在渗透物10中所含的甲烷用作简单锅炉中的燃料，渗透物10必须首先富集甲烷，因此将渗透物10送到第二膜阶段11的进料，输出贫化甲烷的渗透物12(因此，在所得生物气体中所含的甲烷的小于2％被排入渗透物)以及具有大于30％、优选约35％的甲烷含量的渗余物13。由此具有足够高甲烷含量的气态料流13被送到锅炉14的燃烧器，此锅炉因此可以是采用常规技术的锅炉。渗透物12是与料流11相比贫化甲烷的，其CH₄含量足够低以能排放到大气中而不需要昂贵的额外排气处理。锅炉14向水回路15提供热量，水回路15加热在甲烷化器1中所含的有机物质，从而使其中保持了用于产生生物气体2的厌氧发酵工艺正确操作所需的温度条件。利用通过从冷却单元回收热量而由预处理组件4可得的热量和/或利用来自压缩组件7的压缩热量来提供额外热量，从而加热在加热回路15中循环的水。

当发酵的热量需求低于可得来源时，从供应给锅炉的料流取出料流13的一部分13a，并将其送到压缩器6，从而与生物气体5的料流一起进行提纯。料流13a用安装在确保此料流循环到压缩器的管线上的FCV1(流量控制阀1)调节阀来控制，从而使得该料流适合甲烷化器的热量需求。下表显示了在对于已预处理的生物气体料流5实施本发明得到的各种料流的特性，其中已预处理的生物气体料流5含有55％的甲烷和44.4％的二氧化碳。所示百分比是摩尔百分比，但没有显示次要元素的含量，即例如生物气体5的0.6％。

Claims (6)

1.一种制备适于供应给天然气网络的生物甲烷的方法，其中合并了提供用于加热生物气体制备步骤的热量的工艺，其中：

·生物甲烷制备方法包括至少以下步骤：

·步骤(a)：通过有机物质的甲烷化制备生物气体，

·步骤(b)：对在步骤(a)期间制得的生物气体进行预处理，

·步骤(c)：压缩已预处理的生物气体，

·步骤(d)：对来自步骤(c)的已预处理和压缩的生物气体通过渗透进行分离，从而制得具有大于89％、优选大于96.5％甲烷含量的气态渗余物，和具有10-25％、优选约20％甲烷含量的气态渗透物，

·步骤(e)：提供来自步骤(d)的气态渗余物作为生物甲烷，

·向生物气体制备步骤(a)提供热量的工艺包括至少以下步骤：

·步骤(f)：经由加热水回路向步骤(a)提供热量，

·步骤(g)：在燃气锅炉中加热所述加热水，

其特征在于提供热量的工艺包括：

·步骤(h)：对来自第一渗透分离步骤(d)的气态渗透物通过渗透进行分离，从而制得富含甲烷的气态渗余物和贫化甲烷的渗透物，所述富含甲烷的气态渗余物的甲烷含量大于或等于25％，优选是30-40％，更优选是约35％，

·步骤(i)：向步骤(g)的锅炉的燃烧器供应来自分离步骤(h)的渗余物，

·步骤(j)：排出由渗透分离步骤(h)制得的渗透物。

2.根据权利要求1的方法，其中用于加热步骤(a)的工艺包括步骤(k)：使用在步骤(b)和(c)期间回收的热量向在所述加热水回路中循环的水额外提供热量。

3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其中当供应的热量大于生物气体制备步骤(a)的需求时，将可变份额的来自分离步骤(h)的富含甲烷的渗余物返回到压缩步骤(c)的入口。

4.一种用于实施权利要求1所述方法的设备，其用于制备要供应给天然气网络的生物甲烷，以及集成提供用于加热生物气体制备步骤的热量，此设备至少包括：

·生物甲烷制备单元，其至少包括：

·有机物质源，

·消化器，用于通过所述有机物质的甲烷化制备生物气体，

·用于对制得的生物气体进行预提纯的组件，

·压缩器，适于压缩已预提纯的生物气体，

·第一分离组件，用于对已预提纯和压缩的生物气体通过膜渗透进行分离，适于制得具有大于89％、优选大于96.5％甲烷含量的气态渗余物和具有10-25％、优选约20％甲烷含量的气态渗透物，

·用于将来自步骤(d)的气态渗余物作为生物甲烷来提供的装置，

·适于共同操作以加热在消化器中所含的有机物质的装置，其至少包括：

·适于加热消化器的加热水回路，

·燃气锅炉，适于加热所述加热水回路的水，

其特征在于适于共同操作以加热所述有机物质的装置包括：

·第二分离组件，其用于对来自第一渗透分离组件的气态渗透物通过膜渗透进行分离，适于制得富含甲烷的气态渗余物和贫化甲烷的渗透物，其中富含甲烷的气态渗余物的甲烷含量是大于25％、优选30-40％、更优选约35％，

·用于向所述燃气锅炉的燃烧器供应来自第二分离组件的渗余物的装置，

用于排出来自第二分离组件的渗透物的装置。

5.根据权利要求4的设备，其中适于共同操作以加热在消化器中所含的有机物质的装置包括适于从生物气体预提纯组件和预提纯生物气体压缩器回收热量的额外装置，以及适于将回收的热量提供给消化器的加热回路的水的额外装置。

6.根据权利要求4或权利要求5的设备，其另外包括适于将第二膜阶段的渗余物的一部分循环到预提纯生物气体压缩器的入口的装置，所述装置包括配备流量控制阀的管线。