[发明专利]一种利用有机物制取生物天然气的工艺方法

说明书

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；