專利名稱：為提取甲烷而純化生物氣的方法及系統(tǒng)的制作方法
為提取甲烷而純化生物氣的方法及系統(tǒng)本發(fā)明涉及一種為提取甲烷而純化生物氣的方法，在該方法中將該生物氣中所含 的多種組分如二氧化碳、硫化合物、以及氨氣在多個(gè)不同的處理步驟中進(jìn)行分離；并且涉及 一種適合用于實(shí)施該方法的系統(tǒng)。生物氣是通過有機(jī)材料的厭氧(無氧)消化形成的并且被用作一種可再生的能 源。所產(chǎn)生的這些氣體被分類為污泥氣、消化氣、掩埋氣以及生物氣，取決于所使用的相應(yīng) 原料，如污泥、淤漿、糞肥、植物或動(dòng)物來源的廢棄材料以及生物原料。所有上述氣體此后將被稱為生物氣。生物氣的主要組分是甲烷和二氧化碳以及少量成分一起，包括氮?dú)?、硫化合物、氧氣、氫氣、以及氨氣。為了利用該生物氣中含有的甲烷，因此有必要在一個(gè)多級(jí)過程中對(duì)該生物氣進(jìn)行 處理以去除這些不想要的組分。通常的處理步驟本質(zhì)上(它們通常是單獨(dú)進(jìn)行的)包括除濕(水的去除)、脫硫、 以及二氧化碳和氨氣的去除。脫硫的生物吸收方法(使用微生物)和化學(xué)吸收方法是已知的，其中硫化氫以不 同的方式被轉(zhuǎn)換為元素硫。二氧化碳連同少量的硫化氫是通過物理或化學(xué)手段被去除，例如通過壓力水洗 滌、膜法、Selexol法(在高壓下)、變壓吸收、或者胺洗滌。這些方法中的一些還去除了水或氨氣。以上指出的方法中大多數(shù)是能源密集型的并且造成了甲烷損失。使用壓力水洗滌和變壓吸收方法出現(xiàn)了甲烷的相對(duì)高的損失，總計(jì)為生物氣中所 含甲烷的約2%至5%。此外，在已被去除的二氧化碳中所含的甲烷僅僅可以借助一種輔助 燃燒系統(tǒng)來作為燃料使用，因?yàn)樗且匀绱诵〉臐舛却嬖诘摹４送?，歸因于該變壓吸收系統(tǒng) 運(yùn)作的方式，發(fā)生了甲烷排放方面的劇烈波動(dòng)，這要求使其平滑。另外，原氣體必須僅含有 非常小濃度的&S，從而迫使對(duì)所使用的活性炭的耗時(shí)且昂貴的處置成為必需。僅僅在將該受污染的洗滌溶液進(jìn)行再生的情況下，使用一種洗滌溶液的洗滌(如 胺洗滌)才是經(jīng)濟(jì)合理的。從DE 10200051952B3中獲知了一種由煉廠氣和/或生物氣生產(chǎn)甲烷和液體二氧 化碳的方法。將原氣體在一個(gè)初級(jí)階段純化(去除雜質(zhì)，如NH3、H2SO4、H2S、SO2以及COS)并 且隨后送入一個(gè)吸收柱中，在該吸收柱中在優(yōu)選5至30巴的壓力下使用一種含胺的洗滌溶 液將該原氣體中所含的二氧化碳束縛在該洗滌溶液中。所獲得的純化的氣體含有按體積計(jì) 約98%的甲烷并且可以直接用于其他目的。將該受污染的洗滌溶液在一個(gè)汽提柱中在壓力 下并且在增大的溫度下(180°C至230°C )進(jìn)行再生處理。該使用壓力的方法要求裝置上的高水平的支出。從WO 2008/034473A1中獲知了一種從生物氣中去除甲烷和二氧化碳的方法，該 方法使之有可能不使用壓力而去除二氧化碳并且其中得到了具有99. 5%以上純度的甲烷氣。
如同所有的胺洗滌一樣，為將該洗滌溶液再生而消耗了相對(duì)大量的能量，總計(jì)為 0. 5 至 0. 8kffh/Nm3 生物氣。本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種為提取甲烷而純化生物氣的方法，該方法具有低能耗的 特征并且使甲烷含量能夠增大至少10%而伴隨低的甲烷損失。此外，要設(shè)計(jì)一種適合用于 實(shí)施該方法的系統(tǒng)。以上目的根據(jù)本發(fā)明借助權(quán)利要求1所指定的這些特征得以解決。該方法的多個(gè) 有利實(shí)施方案是權(quán)利要求2至11的主題。在權(quán)利要求12中了限定一種適合用于進(jìn)行該方 法的系統(tǒng)的多項(xiàng)特征。這個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)有利的發(fā)展是權(quán)利要求12至18的主題。該純化過程根據(jù)所提出的方法在至少三個(gè)純化步驟中發(fā)生，它們相互立即連續(xù)地 發(fā)生，使用了在回路中被引導(dǎo)的無添加劑的新鮮水?？梢允褂萌∽员镜毓?yīng)網(wǎng)的水或井水 或者準(zhǔn)備的雨水作為新鮮水。所使用的水不含添加劑。絕對(duì)不可缺少地要進(jìn)行的三個(gè)純化 步驟如下待純化的生物氣(原氣體)(起始自生物氣工廠或者其他工廠，例如用于生產(chǎn)消化 氣、污泥氣、或填埋氣的一個(gè)工廠)在標(biāo)準(zhǔn)壓力下或者在高達(dá)6巴的超壓下與所送入的新鮮 水逆流地流動(dòng)穿過帶有一個(gè)填充床的一個(gè)洗滌柱。在這個(gè)過程中，該原氣體中所含的二氧 化碳、硫化氫、氨氣以及其他有機(jī)的水溶性物質(zhì)被束縛在該新鮮水中。將具有至少65%的甲 烷含量的甲烷氣在該洗滌柱的頭部抽出。這種氣體洗滌通常在標(biāo)準(zhǔn)壓力下進(jìn)行。然而，在例外情況下，該系統(tǒng)還可以在高達(dá) 3或4巴、服從6巴的最大值的超壓下進(jìn)行操作。使用更高的壓力，更大量的二氧化碳(在 3巴下它可以是多達(dá)三倍)被溶解在該洗滌溶液中。因此，所要求的洗滌溶液的量按倍數(shù)三 更小，并且該洗滌柱由于該更小的氣體體積而可以具有更小的尺寸。所有常規(guī)的壓縮氣體 洗滌方法都要求超過6巴的壓力以便經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生按體積計(jì)超過96%的甲烷濃度。然而，更 高的壓力導(dǎo)致了顯著更高的能耗，因?yàn)楸仨殞⒃撓到y(tǒng)隨后再次降壓。此外，存在更高的甲烷 損失。以下列出的通過汽提柱進(jìn)行的這兩個(gè)純化步驟對(duì)于確保該方法成功進(jìn)行是不可 缺少的。將從洗滌階段中排出的被污染的洗滌溶液在帶有填充床或填料的一個(gè)第一汽提柱 中進(jìn)行純化，是通過加入基于生物氣(原氣體)的量并且在標(biāo)準(zhǔn)壓力下以逆流原則在高達(dá) 60°C的溫度下送入的0. 至10%的汽提空氣或者汽提空氣以及氧氣，其中甲烷從它被溶 解其中的洗滌溶液中幾乎完全被去除(至少90%)。具有燃料氣品質(zhì)的一種含氧的汽提氣 在這個(gè)過程中作為一種廢氣形成，可以或者將它返回至生物氣工廠的消化器中或者送入從 洗滌階段去除的甲烷氣流中來濃縮甲烷含量或者將其用作一種燃料氣。該第一汽提柱還可以優(yōu)選作為一個(gè)兩級(jí)柱來構(gòu)造，其中氧氣被送入第一級(jí)中并且 汽提空氣被送入該第二級(jí)中，或者反之亦然。這使得能夠生產(chǎn)具有不同氧氣含量的兩種不 同的燃料氣。具有高氧氣含量的該燃料氣可以例如用作一種氧氣源，用于生物氣或者在消 化器中的或者外部地生物脫硫作用。將從第一汽提柱中排出的被污染的洗滌溶液在標(biāo)準(zhǔn)壓力下以逆流原則在一個(gè) 帶有填充床或填料的一個(gè)第二汽提柱中進(jìn)行純化，是通過加入基于所送入生物氣(原氣 體)的量為至少25%的汽提空氣，其中溶解于該洗滌溶液中的二氧化碳被去除到至少低于 200mg/l的殘余含量。將純化的洗滌溶液返回至氣體洗滌器的洗滌階段，并且將該廢氣釋放到環(huán)境中或者用于其他目的。所提出的方法產(chǎn)生了相對(duì)小的在0.05%以下的甲烷損失。當(dāng)該系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)壓力下 運(yùn)作時(shí)，對(duì)于這三個(gè)純化步驟的能耗是小于0. 03kffh/Nm3生物氣，從而使該系統(tǒng)能夠極其經(jīng) 濟(jì)地進(jìn)行運(yùn)作。此外，在第一汽提階段中獲得的并具有燃料氣品質(zhì)的該廢氣可以用于能量 生產(chǎn)。如果生物氣將被用于送入一種天然氣網(wǎng)絡(luò)中或者生產(chǎn)燃料，這是特別重要的。在此 類情況下，沒有來自發(fā)電的余熱可供使用。來自一種生物甲烷氣壓縮的余熱不足以加熱該 消化器。在此情況下，必須提供另外的化石燃料。作為副產(chǎn)物產(chǎn)生的燃料氣可以很好地利 用來加熱該消化器?？商娲?，可以將從該洗滌柱中抽出的用于增大甲烷濃度和該消化器中生物氣的 儲(chǔ)存能力的純化的生物氣直接導(dǎo)入該生物氣工廠的消化器中。通過將根據(jù)本發(fā)明的方法與一個(gè)生物氣工廠以此方式連系起來，可以在該消化器 中產(chǎn)生具有顯著更高的甲烷含量的生物氣，并且該生物氣的儲(chǔ)存能力被大大擴(kuò)大。然后，從 該消化器中抽出的具有增大的甲烷濃度的生物氣可用于立即的商業(yè)利用而無需進(jìn)一步的處理。從該洗滌階段抽出的純化的生物氣(甲烷氣)對(duì)于立即的進(jìn)一步使用已經(jīng)是足夠 純的，例如對(duì)于送入天然氣網(wǎng)絡(luò)中或者用于運(yùn)行組合的熱電廠。如果要求具有更大純度的 天然氣，則可以通過借助于胺洗滌的進(jìn)一步處理或純化來將目前的甲烷氣調(diào)節(jié)至所要求的 純度?？梢詫⒃摷淄闅?或者就其本身或者與從第一汽提柱中排出的汽提氣(燃料氣)一 起)送入一個(gè)進(jìn)一步的處理階段以增大甲烷含量。一個(gè)后續(xù)的胺洗滌連同洗滌溶液的再生 可以在顯著更小的能量消耗以及顯著更少的甲烷損失下進(jìn)行，因?yàn)檫@些雜質(zhì)中的多數(shù)部分 已經(jīng)從該生物氣中被去除了。然后在高至65°C的溫度下(優(yōu)選低于20°C )將新鮮水送入第一純化階段(洗滌 柱)。可以使用10°c至15°C溫度的地下水作為新鮮水。洗滌溶液的溫度越低，對(duì)二氧化碳的分離能力就越高。因此在溫暖的環(huán)境溫度下， 應(yīng)將洗滌溶液在導(dǎo)入氣體洗滌器之前進(jìn)行冷卻。對(duì)溶解在洗滌溶液的二氧化碳的分離能力 可以通過以下參數(shù)進(jìn)行調(diào)整洗滌溶液的量/h以及該洗滌柱中的洗滌溶液溫度。更大量的 洗滌溶液和更低的洗滌溶液溫度產(chǎn)生了更高的分離能力。關(guān)于待送入這兩個(gè)汽提柱的汽提空氣的量應(yīng)該注意，僅小量的汽提空氣被送入第 一汽提柱中以從該洗滌溶液中分離出甲烷，而一個(gè)顯著更高的量被送入第二汽提柱中以去 除 CO2。這些比例取決于這些汽提柱的尺寸以及該生物氣(原氣體)中的甲烷含量。因此，第一汽提階段中的生物氣(原氣體)的汽提空氣量的量比率應(yīng)該總計(jì)為 1 50至1 1000，優(yōu)選1 100。與使用更大的比率相比，使用1 50的小比率在汽提 氣(廢氣)中實(shí)現(xiàn)了更高的甲烷濃度。同時(shí)，應(yīng)該記住甲烷逃逸可能發(fā)生。該第二汽提階 段中生物氣(原氣體)的汽提空氣量的量比率應(yīng)該為1 0.3至1 10，優(yōu)選1 2。該比例越高，在該純化的洗滌溶液中溶解的CO2的殘余量就越高。第一汽提階段 第二汽提階段中的汽提空氣的量值的比率應(yīng)該是1 200至1 3000。應(yīng)該優(yōu)選使用常態(tài) 空氣作為汽提空氣，盡管氧氣和氮?dú)鈨烧叨际沁m合的，或者是單獨(dú)地或者是作為一種混合 物。
送入的生物氣在被導(dǎo)入洗滌階段或氣體洗滌器之前，應(yīng)該被調(diào)整到< 5ppm的硫 含量。這可以通過該消化器中一個(gè)本質(zhì)上已知的脫硫單元或者借助一種單獨(dú)的預(yù)脫硫單元 來完成。如果洗滌階段的被污染的洗滌溶液中硫含量太高，例如在30ppm以上，則可能有必 要用新鮮水部分或全部地替換在回路中被引導(dǎo)的洗滌溶液。為了避免這種情況，將從第二 汽提柱的底部抽出的洗滌溶液的一部分從該回路中去除，并且將結(jié)合了硫化氫的一種反應(yīng) 物(例如鐵-πι-氯化物或者鐵-πι-氧化物)加入到所述洗滌溶液中，由此所溶解的硫化 氫被化學(xué)地束縛，并且在鐵-II-二硫化物的沉淀之后，將該洗滌溶液返回至該回路中。在 該生物氣中硫化氫的濃度超過30ppm時(shí)，該氣體洗滌可以同時(shí)用于外部脫硫，在這種情況 下一個(gè)適合的脫硫單元(例如通過生物濾池)將被定位在來自第二汽提階段的汽提氣的下 游。用來進(jìn)行本方法的所提出的系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單且便宜的構(gòu)造并且在下面更加詳細(xì)地 進(jìn)行了解釋。這些附圖示出了以下細(xì)節(jié)

圖1 簡(jiǎn)化表示的用于進(jìn)行本方法的一種系統(tǒng)的一個(gè)初始實(shí)施方案變體圖2 簡(jiǎn)化表示的純化單元A的一個(gè)第二實(shí)施方案變體圖1中示出的系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明用于從生物氣中提取甲烷的一個(gè)純化單元A以 及用于以一種本身已知的方式進(jìn)行后續(xù)的胺洗滌的一個(gè)任選可連接的組件B。用于胺洗滌 的組件B的主要部件包括一個(gè)吸收單元AE (用于從在純化單元A中被預(yù)純化的生物氣中進(jìn) 一步去除二氧化碳)以及一個(gè)再生單元RE(用于所得的含胺的在回路中被引導(dǎo)的被污染洗 滌溶液的再生)。純化單元A包括三個(gè)串聯(lián)連接的帶有生物氣(原氣體)中所含組分的洗滌柱一 個(gè)洗滌柱(氣體洗滌器)Kl、一個(gè)第一汽提柱K2以及一個(gè)第二汽提柱K3，這些組分是例如 二氧化碳、硫化合物、氨氣，以及在洗滌柱Kl中被去除的其他水溶性物質(zhì)。洗滌柱Kl包括 一個(gè)帶有填充床或填料Fl的洗滌塔，該填充床或填料由聚乙烯顆粒制成、具有依賴于所要 求的(X)2去除程度的200至850m2/m3的表面積和2至16m的床高度。第一汽提柱K2和第二汽提柱K3各自包括一個(gè)帶有聚乙烯顆粒所制成的填充床F2 或F3的塔。第一汽提柱K2包含聚乙烯顆粒，表面積為250至900m2/m3、優(yōu)選300至790m2/ m3并且床高度為2至如。在第二汽提柱K3中床高度是2至8m，其中具有的表面積為100 至480m2/m3的聚乙烯顆粒被用作填料。洗滌柱K1、K2以及Κ3通過一條循環(huán)線04、05、06被 連接，其中泵Pl被整合到管線04中。泵Pl將所送入的從井或本地供應(yīng)網(wǎng)或雨水收集中抽 出的洗滌溶液進(jìn)行循環(huán)。將待純化的生物氣經(jīng)由填充床Fl下面的管線01導(dǎo)入洗滌柱Kl中。該洗滌溶液 在洗滌柱Kl的頭部經(jīng)由管線04送入并且與所送入生物氣逆流地流動(dòng)穿過該填充床或填料 F1。將純化的生物氣(甲烷氣)在洗滌柱Kl的頭部經(jīng)由管線02抽出。將被污染的洗滌溶 液在洗滌柱Kl的底部經(jīng)由管線05抽出并且在第一汽提柱Κ2的頭部導(dǎo)入其中。一個(gè)第一 汽提空氣流經(jīng)由管線09進(jìn)入汽提柱Κ2之中，是在所述汽提柱的填充床F2的下面。將形成 的汽提氣(廢氣)在汽提柱Κ2的頭部經(jīng)由管線10抽出。將于汽提柱Κ2的底部獲得的被 污染的洗滌溶液經(jīng)由管線06抽出并且在第二汽提柱Κ3的頭部導(dǎo)入其中。將一個(gè)第二汽提 空氣流經(jīng)由管線07送入第二汽提柱Κ3的填充床F3的下面。將獲得的汽提氣(廢氣)在汽提柱K3的頭部經(jīng)由管線08抽出。將在這個(gè)汽提柱K3的底部獲得的純化的洗滌溶液經(jīng) 由管線04泵送至第一洗滌柱Kl的頭部。通過逆流來完成洗滌柱K2和K3中的汽提氣與洗 滌溶液之間的接觸?？梢詫⒑屑淄榈钠釟饨?jīng)由被整合到管線01之中的一條分流管線 11送至管線02中。在標(biāo)準(zhǔn)壓力下進(jìn)行這些汽提過程。如果操作者要求對(duì)經(jīng)由管線02被抽出的甲烷氣的進(jìn)一步甲烷富集，則可以將這 種氣體送至下游的胺洗滌(部分B)。在該胺洗滌之后，將高純度甲烷氣在吸收單元AE的頭 部經(jīng)由管線03抽出。純化單元A還可以不用后續(xù)胺洗滌而進(jìn)行操作。圖2中示出的純化 單元A與圖1中示出的洗滌單元A之間的唯一區(qū)別在于前一個(gè)單元中單獨(dú)的純化步驟Kl 至K3被安排在一個(gè)單級(jí)塔中并且汽提柱K2是以被分為上部柱部分K2A和下部柱部分K2B 的兩個(gè)部分構(gòu)建的，它們各自具有一個(gè)填充床F2A或F2B。。氧氣經(jīng)由管線09b被送入柱部分K2A中并且空氣作為一種汽提媒介經(jīng)由管線09a 被送入柱部分K2B中。例如，如果將僅僅0. 5Nm3/h的氧氣送入柱部分K2A中，則從該洗滌溶液中去除 4Nm3/h的被溶解的甲烷。將具有高的氧氣含量的一種甲烷氣(它作為一種氧氣來源被用于 生物氣(原氣體)的生物脫硫)經(jīng)由管線IOb抽出。將仍然被包含在受污染的洗滌溶液中的殘余甲烷借助空氣在下游柱部分K2B中 從所述洗滌溶液中去除。將經(jīng)由管線IOa導(dǎo)出的燃料氣送入一個(gè)熱利用系統(tǒng)中。將獲得的被污染的洗滌溶液引導(dǎo)穿過來自洗滌柱Kl的四個(gè)溢流口 11的每個(gè)進(jìn)入 第一汽提柱K2之中并且由此進(jìn)入第二汽提柱K3中。將被安排在這些單獨(dú)的柱之間的分隔板構(gòu)造為使得關(guān)于氣體加載是技術(shù)上防漏 的并且關(guān)于流體加載是完全可滲透的。此外，將一個(gè)用于冷卻該洗滌溶液的熱交換器Wl整 合到泵Pl下游的循環(huán)線04之中。借助以下列舉出的實(shí)例對(duì)這些系統(tǒng)的操作模式進(jìn)行解釋。實(shí)例1源自一個(gè)生物氣工廠的消化器中并且已在該消化器中未加入空氣或氧氣而被脫 硫的生物氣具有以下組成甲烷52%按體積計(jì)二氧化碳44%按體積計(jì)水3. 4%按體積計(jì)氫氣0. 1%按體積計(jì)氧氣0. 1%按體積計(jì)氮?dú)?. 4%按體積計(jì)H2S3ppmNH320ppm38°C至45°C溫度的生物氣(500Nm:穿過該填充床(高度6m)，在該過程中與洗滌溶液(抽自本地供應(yīng)網(wǎng)、在回路中被引導(dǎo)并且 在逆流方向上被送入)相接觸。該洗滌過程在標(biāo)準(zhǔn)壓力下(-10至+20毫巴)發(fā)生，基于所 供應(yīng)生物氣的量送入了 400m3/h的水。在短期運(yùn)行之后，該洗滌溶液含有約50mg/l的(X)2 的殘余負(fù)載。
在無壓氣體洗滌的過程中，CO2A2S以及NH3從生物氣中被去除并被溶解在該洗滌 溶液中，其(X)2的中去除比例總計(jì)約80%。在洗滌柱Kl的頭部抽出了 333Nm3/h具有以下 組成的純化的生物氣(甲烷氣)氮?dú)?0.6% 按體積計(jì)H2S < 1 ppmNH3 < 1 ppm將在洗滌柱Kl的底部獲得的、含有被攜帶的溶解于洗滌溶液中的甲烷(所謂甲烷 逃逸)的被污染洗滌溶液在一個(gè)隨后的第二純化步驟中直接引導(dǎo)穿過一個(gè)第一汽提柱K2， 在該柱中通過加入汽提空氣將逆流中的甲烷從該被污染的洗滌溶液中部分地去除。由于第一汽提柱的構(gòu)造(填充床的表面積790m2/m3，床高度2m)，小量的送入汽提 空氣(5Nm3/h)確保了約6. 8Nm3/h的溶解于該被污染的洗滌溶液中的甲烷中多余98%的通 過該汽提空氣從所述溶液中被去除。在第一汽提柱K2的頭部被抽出的汽提氣(廢氣)仍 然含有C02(約4Nm3/h)。獲得的汽提氣(廢氣)具有按體積計(jì)43%的甲烷含量并且具有 與發(fā)熱值為74. 5kff的完全成熟的燃料相同的品質(zhì)。這可以用于將從洗滌柱Kl中抽出的甲烷氣進(jìn)行流富集或者用作燃料或者作為一 種能量來源用于加熱氣體。第二純化步驟因此確保了生物氣中所含甲烷的總損失是保持在 一個(gè)相對(duì)低的水平并且不超過0. 5%的值。將第一汽提階段K2中獲得的被污染的無甲烷洗 滌溶液直接送入一個(gè)進(jìn)一步的純化步驟(第二汽提階段K3)中，其中通過在逆流方向上送 入的汽提空氣而將CO2從洗滌溶液中去除。與在第一汽提階段K2中相比，在第二汽提階段 K3中使用了大得多的量值的汽提空氣。將300Nm3/h的吸收了束縛于洗滌溶液中的二氧化碳的溫的汽提空氣(25°C )送入 汽提柱K3(填充床的表面積480m2/m3;床高度4m)中。在這些條件下，該洗滌溶液中的二氧 化碳負(fù)荷從915g/l被減少至50mg/l。將在汽提柱K3的底部獲得的純化的洗滌溶液通過泵 Pl經(jīng)由管線04送入洗滌柱Kl中?？梢詫⑼顺銎嶂鵎3的廢氣直接排放入環(huán)境中無需任何進(jìn)一步的處理。對(duì)于純化步驟Kl、K2以及K3的整個(gè)過程控制僅要求12. 5kff的電能，這在本方法 的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的意義上是非常重要的。這種低能耗意味著基于生物氣的輸入(500Nm3/h)為 0. 025kffh/Nm3的比消耗量。從洗滌柱Kl的頭部抽出的純化的生物氣(甲烷含量按體積計(jì)76. 8% )可用于立 即的進(jìn)一步商業(yè)利用或者可以(如果要求的話)進(jìn)一步進(jìn)行純化以增大它的甲烷含量。例如，進(jìn)一步的純化可以通過一種本質(zhì)土已知的胺洗滌來進(jìn)行，例如在公開的文 件DE 10200051952B3和WO 2008/034473A1中說明的。在洗滌柱Kl的頭部抽出的甲烷氣 已經(jīng)借助用含胺類的一種洗滌試劑進(jìn)行的一種胺洗滌被純化之后，產(chǎn)生了具有以下組成的 一種純化的生物氣(甲烷氣)氫氣氧氣甲烷二氧化碳水76.8%按體積計(jì)13.2%按體積計(jì)9. 15%按體積計(jì)0. 1%按體積計(jì)0. 15%按體積計(jì)
甲烷88.3% 按體積計(jì)二氧化碳 0.3% 按體積計(jì)水10.3% 按體積計(jì)氫氣0. 17% 按體積計(jì)氧氣0. 17% 按體積計(jì)氮?dú)?.69% 按體積計(jì)H2S2ppmNH31ppm將仍被包含在該生物氣中的水在一個(gè)下游除濕階段中去除，并且將該純化的生物 氣調(diào)整為2°C的露點(diǎn)溫度，在此之后該生物氣具有以下組成甲烷97.7% 按體積計(jì)二氧化碳0.38% 按體積計(jì)水0.78% 按體積計(jì)氫氣0. 19% 按體積計(jì)氧氣0. 19% 按體積計(jì)氮?dú)?0.76% 按體積計(jì)H2S 2ppmNH3 1ppm甲烷含量通過進(jìn)一步的冷卻和殘余水含量的去除和/或氮?dú)夂康臏p少仍然可 以進(jìn)一步增大。然而，這對(duì)于該純化的生物氣(甲烷氣)的應(yīng)用的大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒉皇?必需的。與另外地純化作為原氣體的生物氣所必要的相比，胺洗滌(伴隨洗滌溶液的再生) 可以在大大更小的能量消耗下進(jìn)行。這是因?yàn)閮H僅小量的雜質(zhì)仍要在一個(gè)隨后的胺洗滌中 進(jìn)行去除，因?yàn)樵撋餁庖呀?jīng)在純化步驟Kl至K3中被預(yù)純化。用于純化該含胺類的洗滌溶液所要求的熱能因此從250kW被減少至72kW?；谏?物氣的量的比熱量要求因此可以從0. 5kWh/Nm3減少至0. 144kWh/Nm3。一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)是與 常規(guī)胺洗滌(0.1%)相比低的甲烷損失(0.03%)。在用于胺洗滌的這72kW之中，可以通 過廢熱回收使約85%的熱能再次可用于另外的應(yīng)用。這可以用來將該消化器加熱至58°C 的溫度。實(shí)例2按類似于實(shí)例1的方式對(duì)于從一個(gè)污水廠的消化塔中獲得的具有以下組成的污 泥氣進(jìn)行處理甲烷65. 4%按體積計(jì)二氧化碳29. 6%按體積計(jì)水4. 5%按體積計(jì)氫氣0. 1%按體積計(jì)氧氣0. 1%按體積計(jì)氮?dú)?. 3%按體積計(jì)H2S2ppmNH35ppm[O108] 輸入量500Nm‘／h，溫度從38℃至45℃；[o109] 氣佳洗瀣二位瀣拄叢
一填充床的表面積740m’／m‘
一標(biāo)準(zhǔn)壓力；洗滌溶液的量350m‘／h
一在洗滌柱Kl的頭部以333Nm‘／h的量抽出的純化的生物氣(甲烷氣)的組成
甲烷83．8％按體積計(jì)
二氧化碳8．8％按體積計(jì)
水6．6％按體積計(jì)
氫氣0．15％按體積計(jì)
氧氣0．15％按體積計(jì)
氮?dú)?．4％按體積計(jì)
幾S<lppm
NH。<lppm[o121] 汽提拄絲2；[o122] 一填充床的表面積840m’／m‘
一送入汽提空氣的量Nm‘／h；[o124] 一4．9Nm‘／h的溶解甲烷(一99．7％)從被污染的洗滌溶液中被去除；
一根據(jù)飽和度，抽出的汽提氣(廢氣)含有4Nm‘／hCO，和水蒸氣；[o126] 一汽提氣(燃料氣)的甲烷含量按體積計(jì)32．2．％[o127] 一汽提氣(燃料氣)的發(fā)熱值54kW[o128] 汽提拄K呈；[o129] 一填充床的表面積220m’／m‘[o130] 一送入汽提空氣的量570Nm‘／h；
一C。，負(fù)荷從845g／1減少至50mg／1[o132] 這些柱的填充床高度的比例KIK2K3為3l2[o133] 能耗Kl至K3[o134] 電能10．5kW[o135] 比能耗0．02lkwh／Nm‘
甲烷損失總計(jì)僅0．3％
權(quán)利要求
1.為提取甲烷而純化生物氣的方法，其中，將該生物氣中所含的這些組分如二氧化碳、 硫化合物、氨氣、以及其他水溶性物質(zhì)在一個(gè)多階段純化過程進(jìn)行去除，其特征在于該純化 過程是在至少三個(gè)純化步驟中進(jìn)行的，該至少三個(gè)純化步驟相互立即連續(xù)地發(fā)生并且使用 了在回路中被引導(dǎo)的無添加劑的新鮮水，其中a)作為一個(gè)第一純化步驟，抽自一個(gè)生物氣工廠的待純化的生物氣(原氣體)在標(biāo)準(zhǔn) 壓力或者在高至6巴的超壓下與所送入的該新鮮水逆流地流動(dòng)穿過帶有填充床的一個(gè)洗 滌柱(Kl)，并且在該原氣體中所含的二氧化碳、硫化氫、氨氣、以及其他有機(jī)的水溶性物質(zhì) 被束縛在該新鮮水中，并且將具有至少65%甲烷含量的甲烷氣在該洗滌柱(Kl)的頭部抽 出，b)在一個(gè)帶有填充床或者填料的第一汽提柱(以)中將溶解于從該洗滌階段(Kl)排 出的被污染的洗滌溶液中的甲烷從所述洗滌溶液中幾乎完全地去除(至少90% )，是通過 加入基于生物氣(原氣體)的量并且在標(biāo)準(zhǔn)壓力下在逆流方向上以高至60°C的溫度被送入 的0.5%至10%的汽提空氣或者汽提空氣以及氧氣，其中一種具有燃料氣品質(zhì)的含氧的汽 提氣在該過程中產(chǎn)生，c)將溶解于從該第一汽提柱(以)中排出的被污染的洗滌溶液中的二氧化碳在一個(gè)帶 有填充體或者填料的第二汽提柱(D)中去除至低于200mg/l的剩余含量，是通過加入基于 生物氣(原氣體)量值并且在標(biāo)準(zhǔn)壓力下在一個(gè)逆流方向上被送入的至少25%的汽提空 氣，其中將該純化的洗滌溶液送至洗滌階段(Kl)中并且將該廢氣導(dǎo)出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在回路中被引導(dǎo)的新鮮水具有的溫度高至 65 "C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的方法，其特征在于將從該第一汽提柱(以)中抽出的 汽提氣(廢氣)或者返回至該生物氣工廠的消化器中或者送入該第一洗滌階段中所去除的 甲烷氣流中或者用作一種燃料氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，將用于從該被污染的洗滌溶液中 去除甲烷的該第一汽提柱(以)以兩個(gè)階段來構(gòu)造，其中氧氣被送入該第一階段中而汽提 空氣被送入該第二階段中或者反之亦然，并且產(chǎn)生了具有不同的氧氣含量的兩種不同的燃 料氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于將該具有高氧氣含量的燃料氣作為一種氧 氣來源用于該生物氣的一種生物脫硫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，將從該汽提柱(Kl)中抽出的甲 烷氣送入一個(gè)另外的處理階段中以便或者單獨(dú)地或者與從該第一汽提柱(以)中抽出的汽 提氣一起來增大該甲烷含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，將送入的生物氣在將其導(dǎo)入該洗 滌階段(Kl)之前調(diào)整為< 5ppm的硫含量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在一個(gè)指定的運(yùn)行時(shí)期之后如果 在從洗滌階段(Kl)中抽出的被污染的洗滌溶液中硫含量超過50ppm，則將該回路中循環(huán)的 洗滌溶液用新鮮水部分地或完全地替換。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于將在該第二汽提柱(O)的底部 抽出的洗滌溶液的一部分量從該回路中移除，將一種結(jié)合了硫化氫的反應(yīng)物加入所述溶液中，并且在鐵-Ii- 二硫化物沉淀之后將該洗滌溶液返回至該回路中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，借助洗滌溶液的量/h以及該洗 滌柱(KI)中的洗滌溶液溫度這些參數(shù)，對(duì)于溶解于該洗滌溶液中的二氧化碳的分離能力 是可調(diào)節(jié)的，其中一個(gè)更高量值的洗滌溶液和一個(gè)更低的洗滌溶液溫度產(chǎn)生了一個(gè)更高的 分離能力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，將從該洗滌柱(Kl)中抽出的、 用于增大甲烷濃度和該消化器中生物氣的儲(chǔ)存能力的該純化的生物氣直接導(dǎo)入該生物氣 工廠的消化器中。
12.用于進(jìn)行根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的方法的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)洗滌柱 (Kl)，是作為一個(gè)氣體洗滌器形成的，用于借助洗滌溶液來去除該生物氣中所含的這些組 分，如二氧化碳、硫化合物、氨氣、以及其他水溶性物質(zhì)；一個(gè)第一汽提柱(K2)，用于去除溶 解在該被污染的洗滌溶液中的甲烷；以及一個(gè)第二汽提柱(K3)，用于從該第一汽提柱底部 獲得的被污染的洗滌溶液中去除二氧化碳，其中，該洗滌柱和這兩個(gè)汽提柱是串聯(lián)連接的 并且該洗滌柱(Kl)具有一個(gè)有著300至900mm2/m3的表面積以及2至16m的床高度的填充 床或者填料，該第一汽提柱(以)具有一個(gè)有著350至900mm2/m3的表面積以及1至細(xì)的床 高度的填充床或者填料，并且該第二汽提柱(D)具有一個(gè)有著100至300mm2/m3的表面積 以及1至IOm的床高度的填充床或者填料，并且該第二汽提柱(以)的底部通過輸送該洗滌 液的一根管線(04)連接至該洗滌柱(Kl)的頭部，其中一個(gè)泵(Pl)被整合到該循環(huán)管線之 中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，一個(gè)熱交換器(Wl)被整合到該循環(huán)管 線(04)中以冷卻該洗滌溶液。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，該洗滌柱(Kl)和這兩個(gè)汽 提柱(K2，K3)具有相同的柱直徑以及不同的填充床高度，其中純化步驟(Kl)第一汽提柱 (K2)第二汽提柱(K3)的床高度的比率總計(jì)為3 1 2至3 0. 5 1。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14之一所述的系統(tǒng)，其特征在于該第一汽提柱(以)第二汽提 柱(K3)的填充床的表面積的比率是1 0.2至1 0.8，優(yōu)選1 0.5。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于該第一汽提柱(Kl)被 分成兩個(gè)柱部分(K2A，K2B)，其中，每個(gè)柱部分(K2A，K2B)裝配有一個(gè)填充床或者是填料， 并且該上部的柱部分(K2A)被連接至一根提供應(yīng)氧氣的管線(09b)上并且下部的柱部分 (K2B)被連接至一根供應(yīng)空氣的管線(09a)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求12至16之一所述的系統(tǒng)，其特征在于該洗滌柱(Kl)和這兩個(gè)汽提 柱(Κ2，Κ;3)被安排在一個(gè)塔中。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至17之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，該洗滌柱(Kl)和這些汽提柱 (Κ2，Κ3)的分隔板被構(gòu)造為在技術(shù)上關(guān)于氣體加載而言是防漏的并且關(guān)于流體加載而言是 完全可滲透的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種為提取甲烷而純化生物氣的方法，其中將在生物氣中存在的多種組分，如二氧化碳、硫化合物、以及氨氣在多個(gè)不同的處理步驟中進(jìn)行分離；并且涉及一種適合用于實(shí)施該方法的一種系統(tǒng)。提供一種為提取甲烷而純化生物氣、具有低能耗以及允許甲烷含量增大至少10％的特征的方法的這個(gè)目的通過以下特征得以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)第一純化步驟中，將存在于原氣體中的二氧化碳、硫化氫、氨氣、以及其他水溶性有機(jī)物質(zhì)在一個(gè)洗滌柱K1中于標(biāo)準(zhǔn)壓力或者高至6巴的超壓下借助新鮮水去除，其中將具有至少65％甲烷含量的甲烷氣在該洗滌柱K1的頭部抽出。在一個(gè)第一汽提柱K2中并且接著在一個(gè)第二汽提柱K3中通過在標(biāo)準(zhǔn)壓力下加入汽提空氣而將溶解于洗滌水中的甲烷和二氧化碳從該洗滌柱K1排出的被污染的洗滌水中順序地分離出來。在該第一汽提階段K1中出現(xiàn)了具有燃料氣品質(zhì)的一種含氧的汽提氣。將在該第二汽提階段中獲得的純化的洗滌水返回至該第一洗滌階段K1中。
文檔編號(hào)B01D53/14GK102046265SQ200980119776
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
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