[发明专利]一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机废弃物处理和合成气综合利用及气体提质，其中合成气包含炼焦工业副产煤气、生物质热解气化燃气、人工煤气等。更具体地，涉及一套可同时实现有机废弃物处理及合成气提质的新装置以及利用该装置同步实现合成气甲烷化及沼气原位提纯的方法。

背景技术

厌氧消化工艺由于具有高负荷、低能耗、低运行成本、产生能源等优点而广泛应用于高浓度有机废水(酒糟、垃圾渗滤液等)、有机废弃物(污泥、牛粪、秸秆等)的处理。厌氧消化过程产生的沼气的主要成分是50～70％甲烷(CH₄)、30～50％二氧化碳(CO₂)和少量的硫化氢(H₂S)、水(H₂O)、氨氮(NH₃)、氢(H₂)和一氧化碳(CO)等，是一种可持续的有价值的能量来源。普通沼气，作为一种清洁能源，热值一般在5200～6600千卡/立方米之间，长期以来作为民用能源使用，目前也被用于发电。然而，随着矿石燃料的枯竭，沼气利用的需求也在不断增长，将沼气提质为甲烷含量为90％以上的生物天然气正因其高效的利用而受到广泛的关注。提质后沼气热值高(8000～9000千卡/立方米)，可远距离运输，也可用作车用燃料或注入天然气管网取代天然气。

合成气，是指气源为热解气，焦炉煤气，高炉煤气，人工煤气等主要成分为H₂，CO，CH₄和CO₂的可燃气体。这部分气体具有热值低、有毒性、易泄漏、易爆炸等特点，使得在实际应用过程中极易出现安全事故，同时由于气体热值较低，在使用过程中也存在利用效率低等问题。利用这些气体单独或混合使用合成天然气开辟了合成气高效利用的新途径，不仅能带动钢铁焦化和能源产业的技术进步，还能解决工业废气排放造成的环境污染和资源浪费问题。

目前热解气甲烷化的技术尚处于探索比选阶段。国家十二五期间明确提出了重点扶持煤制天然气(煤→热解气→甲烷)技术，国内已上马了多个煤制天然气项目，其中热解气甲烷化也是煤制天然气的重要中间环节。目前热解气甲烷化技术主要利用多相催化甲烷化反应原理，将热解气中的碳氧化合物催化加氢生成甲烷。然而该技术的主要问题是需要在高温(200～700℃)高压(1～7.5MPa)条件下进行，CO和H₂需要固定的比例，甲烷化催化剂价格昂贵，而且催化剂易受硫化物等的影响而失活。

焦炉煤气是炼焦过程中，产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体，其主要成分为H₂(55％～60％)和CH₄(23％～27％)，是炼焦过程的副产品。随着焦化行业的发展，有大量的焦炉煤气资源产生。焦炉煤气除部分返回炼焦炉用作加热燃料外，剩余的气体主要用作城市居民的燃料气，因不便送入城市管网，也有相当数量通过火炬燃烧放空。目前工业上焦炉煤气利用途径主要有：作为城市燃气直接利用；发电；通过变压吸附法等工艺可以提取氢气；深度净化后生产甲醇；合成氨或酵素等。这些工艺存在经济效益不高、能耗大、温室气体排放量大、环境效益低等缺点。国内已经开展了关于焦炉煤气制取替代天然气的研究及工程示范。

高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为：CO、CO₂、N₂、H₂、CH₄等，其中可燃成分CO含量约占25％左右。虽然高炉煤气的热值不高，但巨大的产量所产生的能源价值是很可观的。由于高炉煤气的产气量大于用户的用气量，过剩的高炉煤气需要通过放散塔放散掉或采用火炬燃烧。不仅浪费了大量的能源，而且会有大量有害气体和粉尘排放到大气中产生严重的环境污染。

合成气生产甲烷的方法主要包括化学方法和物理方法，其中化学方法是把合成气中除甲烷外的其他成分转化为甲烷，而物理方法是采用变压吸附分离、深冷分离、膜分离等方法，对甲烷进行提纯。目前合成气甲烷化技术主要采用化学合成技术，然而该技术的主要问题是需要在高温(200～700℃)高压(1～7.5MPa)条件下进行，CO和H₂需要固定的比例，甲烷化催化剂价格昂贵，而且催化剂易受硫化物等的影响而失活。热解气、焦炉煤气等工业副产煤气燃气成分复杂，CO和H₂的比例难以满足要求，利用化学合成原理的合成气工业甲烷化技术存在很大的缺陷。此外对合成气中H₂和CO₂的利用也不够完全，而且投资运行成本都比较高。