专利名称：一种植物茎叶大型产业化综合处理和利用方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种大规模利用植物茎叶、秸秆生产车用燃料的方法及装置，具
体说，是一种通过综合利用植物茎叶、秸秆，将碳水化合物转化为车用燃料、废弃物转化为 肥料的生产方法及装置。
背景技术：
炼油厂液化气主要来源于催化裂化和延迟焦化装置。催化裂化液化气是生产炼油 丙烯和MTBE的主要原料。农林业生产过程中，每年都有巨量的植物茎叶、秸秆资源废弃。这 些废弃物在地表腐烂后， 一部分有机质转化为肥料滋养土壤，还有大量碳水化合物降解后 产生二氧化碳，排放到大气。这些碳水化合物，是可以开发为燃料的有用物质。有必要探寻 一种生产方法，将这部分碳水化合物转化为人类需要的车用燃料，既减少植物自然腐烂产 生的二氧化碳排放，实现农林业减排，又增加车用燃料收入，还不影响滋养土壤肥力。采用 产量巨大的植物茎叶、秸秆生产车用燃料，其前景是十分乐观。 当今利用植物茎叶、秸秆生产的车用燃料有燃料沼气/甲醇/乙醇/ 丁醇等。
燃料沼气是沼气经净化，去除水蒸气、硫化氢和二氧化碳后，经压縮或者液化，用 于替代CNG或LNG的汽车燃料。但现今沼气净化、压縮和液化没有专门装置。其工艺和装 置是借用天然气的，流程和设备较复杂。而沼气与天然气比，虽主要成分甲烷都相同，但沼 气含有更多的二氧化碳。而天然气还含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及含量不多庚烷和一氧化 碳、氮气、氢气等。因此，处理沼气的工艺和装置应该简化，以适应沼气处理，降低生产成本， 提高效率。 燃料田醇是车用燃料的重要组成部分。现今甲醇的生产原料有煤、天然气和油等 化石原料，要么工艺复杂，要么原料成本高，且均不可再生。寻找可再生的生物质原料生产 燃料甲醇，是化解未来世界化石能源危机的有效途径之一。但现今主要方法是将秸秆裂解 为燃气，然后催化合成甲醇，其裂解过程工艺复杂，工业设施投入较大。且秸秆裂解产生有 用气体过程中，还产生大量影响甲醇合成的惰性氮气，必须在后续工艺中去除，增加了工艺 难度和生产成本。 燃料乙醇也是车用燃料的重要组成部分。大多数情况是考虑利用植物糖分、淀粉 转化燃料乙醇。而高糖植物，虽物种资源丰富，但大规模开发需占用大面积土地，是无法回 避的困难。因此，有人提出利用生物量巨大的植物秸秆即秸秆纤维素转化燃料乙醇的方法。 就技术而言，虽取得了较大进展，至今尚无产业化成熟技术，即使该项技术成熟，其转化成 本也较高。 燃料丁醇是最近植物秸秆开发车用燃料的新进展。丁醇有水不溶性、低蒸汽压、高 热比等特点，与燃料乙醇相比，能够与汽油达到更高的混合比，能量密度接近汽油，更适合 在现有的燃料供应和分销系统中使用，被认为是比燃料乙醇更具有广泛应用前景的第三代 生物燃料。但是，植物秸秆联产丁醇工艺流程与乙醇一样，也包括酸水解、发酵、蒸馏、提纯 等复杂过程，生产设备投入大，成本高，技术难度大。需要建成较大规模生产线方能实现产业化价值。 以上方法均全面利用秸秆，而若无有机质、矿物质返还土壤，对于农业生产的土壤 生态结构而言，将会造成有机质退化、微量元素缺失等生态失衡问题。且这些方法，在出产 车用燃料的同时，也排放二氧化碳。例如将纤维素转化的葡萄糖以及其他糖质转化为乙醇 的过程中，从反应式C6H1206 = 2(:2115011+20)2可以看出，有近1/2物质转化为二氧化碳，近 1/3的碳素不可利用，即类似于纤维素或者糖质转化燃料乙醇的方法是资源利用率减半并 排放二氧化碳的过程。 另外，现有的方法中，还未考虑植物茎叶、秸秆收集、运输难的问题。植物茎叶、秸 秆蓬松，采用车辆运输效率低，田间压縮需要动力，既耗能又费时费力。很难实现大规模的 工业化生产。 因此，必须考虑一种大规模综合利用方法及装置，以提高我们开发利用植物茎叶、 秸秆资源效率，降低成本的同时，统筹兼顾资源利用和生态保护，实现人与自然和谐发展。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种大规模综合利用植物茎叶纤维生产车用燃料的方
法及装置，以达到降低车用燃料的生产成本，提高植物茎叶纤维资源利用效率，并兼顾资源 开发和生态保护的目的。 为了达到本发明的上述目的，本发明提供一种植物茎叶、秸秆大规模综合处理和 利用方法及装置，即以植物茎叶为原料，利用微生物发酵法生产沼气和沼渣、沼液，沼气采 用本发明所述工艺收集并合成燃料甲醇，或净化液化后替代天然气车用燃料，沼渣、沼液为 肥料返还土地，维护土壤生态平衡。所述植物茎叶、秸秆处理和利用方法包括如下步骤
1)以年产100吨植物茎叶、秸秆农林面积10至50亩为单位，在田地旁建沼气生产 点。以年储存IOOO吨沼气为单位，建沼气储存站。以年加工IO万吨沼气为单位，建沼气加 工厂。以管道网连接沼气生产点、储存站和加工厂，将沼气输送、储存，再输送、加工，建立沼 气生产、输送、储存和加工的"生产网络体系"，如图1所示。 2)将收集的植物茎叶打捆，堆垛，集中，发酵，按每IO亩秸秆为单位，储存于沼气 生产点附近，以备常年利用； 3)将步骤2)储存的植物茎叶打散，粉碎至40目，淋湿，发酵，以备后用； 4)将步骤3)处理的物料，加入20至40wt^的牛粪，接入甲烷菌，加入石灰水将ra
值调整至7. 0至7. 5，含水量调至80wt^左右； 5)将步骤4)处理的植物茎叶保持松散，输入沼气发酵罐，密闭，厌氧发酵25至40 天，生产沼气； 或将步骤4)处理的植物茎叶，装入网袋，保持疏松，系上绳索，投入沼气池中，厌 氧发酵，生产沼气，并在绳索另一端标示投料日期标牌。发酵时间为30天左右，根据时间标 示牌，及时将发酵到期物料取出，并投入新料； 或将步骤4)处理的植物茎叶，就地装入网袋，保持疏松，在田间地头堆垛于沼气 发酵袋中，密封沼气袋，尽可能抽干空气，保持25至40天，厌氧发酵，生产沼气；
6)将步骤5)产生的沼气，从各个沼气发生地点，采用管道输送，集中、收集、储存 于罐中，以备后用。将沼渣和沼液作为肥料在原地直接返回农田，维护土壤肥力；
7)将步骤6)储存的沼气净化并生产液化沼气(LNG)，即在压縮和冷冻沼气过程中，同步依次去除硫化氢、水蒸汽、二氧化碳，使沼气中(以下百分比均为体积百分比)甲烷> 90%，二氧化碳《3%，氧气《0. 5%，硫化氢《15mg/m 总硫《200mg/m3，从而生产出符合GB17820标准的液化天然气，再将净化沼气压縮于_1621:绝热气瓶中，替代天然气，作为汽车燃料使用； 所述植物茎叶、秸秆处理和利用方法还可以包括以下步骤 8)将步骤7)净化后，去除硫化氢和二氧化碳的沼气，按C4 : 02 = 9 : 1的体积比加氧气混合，在20(TC和10Mpa的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，所述反应的反应式为2CH4+02 = 2CH30H，蒸馏获得纯甲醇，以备后用。将反应后的尾气回收，重新升温加压至200°C 、 10Mpa，返回铜制管道生成甲醇，如此循环。
或者， 9)使用步骤6)储存的沼气生产甲醇，所述方法的反应式为3CH4+C02+2H20 =4CH30H，冷却甲醇混合气体，使甲醇液化，获得纯甲醇，以备后用； 10)将步骤8)或9)制成的甲醇加入本领域常用的添加剂，生产变性甲醇，以5 30%体积比添加入汽油作为车用燃料。 优选的，步骤7)所述沼气的净化是采用递进冷冻法，使用管状立式递进冷冻装置进行净化。由于沼气的主要成分(体积百分比)为CH4(55% 70% ) 、C02 (28% 44% )、H2S (平均0. 034% )，此外还含有少量H20蒸气、N2和CO等。沼气生产液化天然气，需要经过净化，去除C02、 H2S、 H20等杂质。"递进冷冻法"是指沼气在管状立式递进冷冻装置内，依次在不同温度条件下通过液化去除杂质，得到甲烷含量更高的沼气的过程。具体步骤如下
7. 1)将步骤6)储存的沼气冷冻至士(TC，使水蒸气液化，去除水蒸气；
7. 2)将步骤7. 1)去除水蒸气的沼气，加压至2Mpa，冷冻至-2(rC，使二氧化碳液化，去除二氧化碳； 7. 3)将7. 2)去除二氧化碳的沼气，继续冷冻至-61. 8°C ，使硫化氢液化，去除硫化氢； 7. 4)将步骤7. 3)净化的沼气，继续冷冻至_1621:，制成LNG(液化天然气)，装入绝热气瓶中，用于汽车燃料； 7. 5)将步骤7. 2)的液化二氧化碳副产品，装入绝热瓶中，回收。
使用上述方法对沼气进行净化的原理和有益效果沼气混合物中，不同成分的液化温度不同，40、1^、0)2、(^4依次为0°C、-20°C (2Mpa) 、-61. 8°C 、 _162°C 。而最终产品的冷冻温度恰好最低。因此，在获得产品进程中，随着冷冻温度不断降低，不同物质先后液化，可以依次去除。从而实现生产过程中净化。减少净化过程的额外成本。此方法采用管道输送，同一管道分段冷冻，做到了连续进料和出料，实现连续性生产。以小管道进入冷冻仓，达到快速冷冻的效果，提高生产效率。 其中，所述的"管状立式递进冷冻装置"如图2-1所示。 优选的，步骤9)采用热解蒸汽合成法生产甲醇，所述"热解蒸汽合成法"包含热解硫化氢、加蒸汽生产混合物和加压合成甲醇等过程。具体步骤如下 9. 1)将步骤6)储存的沼气，加热至650 900°C ，通过热解法使硫化氢热解，反应式为H2S — H2+S ;部分甲烷与二氧化碳热解，反应式为CH4+C02 = 2C0+2H2 ;
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9. 2)气像色谱测定步骤9. 1)热解产物的CH4含量，按CH4 : H20 = 1 : 1摩尔比 加入水蒸气，并与剩余甲烷发生热解，反应式为CH4+2H20 = C0+4^，最终产生一氧化碳与 氢气的混合气体。 9. 3)将步骤9. 2)处理的产生的混合气体，用于加热水，产生步骤9. 2)的水蒸气， 再用于加热步骤9. 1)的沼气，使步骤9.2)的混合气体降温至440至444. 674。C，使硫凝结， 去除气体中的硫； 9. 4)将步骤9. 3)降温后的混合气体，用于加热水，产生步骤9. 2)的水蒸气，使步
骤9. 3)降温后的混合气体继续降温至390°C ，加压至30MPa，保持温度恒定，合成甲醇，反应
式C0+2H2 = CH30H，产生甲醇蒸汽与剩余的一氧化碳、氢气混合而成混合气体； 9. 5)将步骤9. 4)的混合气体，先用于加热步骤9. 1)中的沼气，从而使混合气体温
度降至7(TC左右，再冷却至64. 65t:以下，使甲醇液化，用于制备汽车燃料； 9.6)回收步骤9.5)由剩余一氧化碳和氢气组成的尾气，加热至39(TC后，加入步
骤9. 4)循环利用于合成甲醇； 9. 7)回收步骤9. 3)凝结的硫磺。 使用上述工艺生产甲醇的原理和有益效果反应3CH4+C02+2H20 = 4CH30H在常温 常压条件下，难以发生。但在高温条件下，可发生CH4+C02 = 2C0+2H2和CH4+H20 = CO+H2的 热解反应，且在高压高温条件下，可发生甲醇裂解的逆反应C0+2H2 = CH30H，其结果为合成 甲醇。此反应充分利用了沼气主要成分，并采用了自然界普遍存在的水为补充原料。简化 了传统工艺需去除沼气(A，也简化了天然气(CH4)合成甲醇，需从空气中提取02，且在合成 过程中需铜制管催化等的复杂流程，提高了甲醇生产效率，降低了成本。而且，在上述工艺 体系中，沼气加热至650至90(TC处理之后的工艺序列是温度递减的过程，其降温的过程， 恰好利用于原料预热过程，从而为本系统的热循环利用创造了基本条件。
上述"热解蒸汽合成法"可以在如图3所示的热解蒸汽合成装置中进行。
发明有益效果 本发明涉及的植物茎叶，涵盖资源十分广泛，包括农业生产的秸秆、茎叶和林业生 产的落叶、干枝、枝叶、杂草等所有废弃物。以植物茎叶废弃物为原料，开发甲醇和沼气车用 燃料，具有十分广阔的资源。 本发明提出以植物茎叶废弃物为原料生产甲醇和沼气车用燃料的工艺，同现有加 工技术相比，有如下优势 与现有利用植物秸秆发酵生产沼气、裂解合成甲醇、纤维素发酵乙醇、丁醇等车用 燃料方法相比，本发明建立沼气"生产网络体系"，直接在原料附近田间地头发酵沼气。沼气 收集、运输和储存采用管道输送，气体输送管网建设成本低，采用管道输送气体，简单易行， 输送效率高，成本低，且只输送有用成分——沼气，沼液、沼渣则作为有机肥料，直接返还农 田，节省购置运输车辆的大量投资和原料输入及废渣输出过程的运费；而裂解合成甲醇和 纤维素发酵乙醇、丁醇，或者集中加工沼气方法，需投入较多的资金在一定的原料规模基础 上，建立相对集中建加工厂，需大量投资组建运输车辆，将秸秆运输集中，且秸秆蓬松，运输 效率较低，即使打捆压縮运输，田间操作也比田间发酵费工费时。 与现有膜法、热法、化学法等沼气净化工艺相比，本发明采用"递进冷冻装置"通过 "递进冷冻法"使沼气在冷却生产LNG的过程中，依次去除水蒸气、二氧化碳和硫化氢，并同时收集纯净的液体二氧化碳、硫化氢等副产品，使沼气净化和冷冻一步到位，而净化过程没有增加任何能耗，提高了生产LNG的经济效率，节省了净化能耗和成本。
与秸秆裂解合成甲醇工艺方案比，本发明采用生物降解替代高温高压裂解，其降解过程为纯生物过程。采用生物降解的沼气合成甲醇，减少了裂解过程大规模原料运输和原料热解的能耗，为以输送气体替代运输秸秆原料创造了条件，避免了植物茎叶裂解产生大量影响甲醇合成的惰性氮气，降低了甲醇生产成本。同时，生产沼气过程中，可产沼液和沼渣作为肥料返还大田，为维护土壤生态平衡，保持土壤地力，提供了物质基础。植物茎叶发酵产生沼渣、沼液返回农田的过程，与植物茎叶在田间腐烂产生腐殖质肥田的过程相近。但腐烂的过程，大量碳水化合物降解成二氧化碳挥发。而发酵沼气的过程，碳水化合物降解产生了人类所需的甲烷。因此，发酵沼气实现了人类利用植物茎叶碳水化合物的目的，同时并未改变原有植物茎叶腐烂肥田的状况，从而开创减排型农林业，实现开发利用资源与生态环景保护相统一的目标。 与现有沼气合成甲醇工艺相比，本发明采用"热解蒸汽合成法"通过"热解蒸汽合成装置"生产燃料甲醇，融合了天然气合成和秸秆燃气合成优点，避免了两者的不足，并改进了两者的工艺和装置。在沼气加热进程中热解去除硫化氢，在蒸汽混合过程降温过程中脱硫，使脱硫的过程在沼气预处理中完成，并回收硫磺。而在热沼气加热水和沼气，既利用系统热能生成了蒸汽，又调整了热沼气温度，抵消了硫化氢热解、生产蒸汽和沼气加热的能耗。以加蒸汽产生的沼气(3CH^C0》+水蒸气(2H20)产生一氧化碳(C0)、氢气(H2)混合气体(CH4+C02 = 2C0+2H2， CH4+2H20 = C0+3H2)，再压縮合成甲醇(C0+2H2 = CH30H)，最终实现(3CH4+C02+2H20 = 4CH30H)合成反应，替代沼气(3CH4+C02)净化成甲烷(CH4)，再加氧气(02)催化合成甲醇(2CH4+02 = 2CH30H)，既简化了沼气合成甲醇需要去除二氧化碳过程，还简化了需要从空气中提取氧气过程，大幅度降低甲醇的原料成本，节约工艺过程的能耗。
与纤维素发酵乙醇、丁醇比，本发明整体系统生产成本低，可降低汽车燃料的成本，且技术成熟，容易掌握、推广，可避免其它方案的技术难关和成本难关。而纤维素发酵乙醇、丁醇生产成本高，不易降低汽车燃料价格，且技术难度大，不容易普及推广成为农民致富的技术。 与纤维素发酵乙醇比，植物茎叶降解沼气合成甲醇的方法，资源利用效率更高。纤维素降解成葡萄糖后发酵生产乙醇或者纤维素直接降解生产乙醇的过程，大约只有一半的物质转化为乙醇。而根据步骤9)可见沼气转化为甲醇是物质增长的过程。更重要的是，步骤9. 2)中，利用了自然界普遍存在的水，使之转化为人类需要的能源。
与纤维素发酵乙醇、丁醇比，植物茎叶发生的净化沼气车用燃料，其生产过程简单，净化沼气用于替代天然气车用燃料，则更加经济实惠。沼气车用燃料生产成本大幅度降低，燃烧热值高，植物茎叶资源利用效率更高等优点。不足之处为需要耐高压或者绝热钢罐储存。但天然气车用燃料已经在许多地区大范围普及，因此，并无额外增加成本之忧。
图1示出了一种沼气生产网络体系 所示体系的流程简述如下沼气生产网络体系中，各沼气点生产的沼气，通过管网输送至储气罐，然后从储气罐输送至加工厂，生产LNG或者燃料甲醇。
图2-1示出了一种管状立式递进冷冻装置 其中l、输气管道；2a-C、气体阀门；3、常温冷冻气液分离器，常压，冷却温度0±°C ;4、耐压冷冻气液分离器，压力2Mpa，温度-20°C ;5、低温冷冻气液分离器，常压，冷却温度-61. 8°C ;6、超低温冷冻气液分离器，常压，温度-162°C ;7a-d、液体阀门；8、压縮机，将沼气压縮至2Mpa左右；9a、液态水；9b、液态二氧化碳；9c、液态硫化氢；10、压縮冷冻机。
所示管状立式递进冷冻装置的工作流程简述如下以热导性能好的管道连续输送沼气，控制流量，先后进入温度逐个降低的冷冻气液分离器3-6。装置为立式，管道在仓内U型管回转，以延长管道长度，增加沼气在仓内停留时间。当沼气进入常温冷冻气液分离
器3时，温度在ot:左右，水蒸气凝结成液态水，从仓下部管道排除；除水蒸气的沼气进入
压縮机，使气压提升到2Mpa，然后进入耐压冷冻气液分离器4，温度为_201:，将二氧化碳冷凝液化从下方管道排除；除二氧化碳的沼气，继续前进，进入低温冷冻气液分离器5，温度为-61.『C，将硫化氢液化从下方管道排除；净化后的沼气，主要成分为甲烷，达到国家天然气标准，继续流入超低温冷冻气液分离器6，将温度为_162°C甲烷液化，装入绝热气瓶，生产LNG。 图2-2示出了图2中附图标记为3-6的一种冷冻气液分离器
所述冷冻气液分离器是将冷冻液化与气液分离合为一体设计的，包含以下部件11、冷凝剂出口法兰；12、绝热外壳；13、上法兰盘，左上方为进/出气口，右上方为出/进气口 ；14、 U型管；15、冷凝剂进口法郎；16、下法兰盘；17、隔板及其空腔；18、下法郎下方空间及被冷凝液体；19、液体出口法兰；20、阀门；21、 U型管在上法兰盘中穿越路线；22、上法兰盘圆孔分布状况，实心为U型管穿过的圆孔，空心为冷凝剂通过的圆孔；23、下法兰盘圆孔分布情况；24、下法兰盘仰视，圆孔和隔板叠加；25、隔板分布情况；26a、 U型管活动弯头；27b、U型管直管；28c、法兰盘圆孔与U型管对应关系；29d、隔板两侧气体的流向。
其中，上下法兰盘之间为冷凝器空腔，两端为球面封头，由绝热材料包裹。
所示冷冻气液分离器的工作流程简述如下当气体从进气口 13流入后，通过管道直接流入下法兰盘隔板及其空腔17，在隔板空腔内，受到液面限制，只能通过隔板空腔内下法兰盘的另一个圆孔流出，进入U型管14，流进下一个隔板空腔。如此延续，逐个通过U型管和隔板空腔，最后从出气口流出，通过顺序如隔板分布情况25中所示(其中的数字l至12代表顺序)。冷凝气体在U型管中流动过程中，被充填在空腔中的冷凝剂冷却，部分气体冷凝成液体，随气体或向下流入隔板空腔，液体被留在隔板空腔17，气体继续流进下一个U型管，如此延续，液体不断被分离，并停积在下法兰盘下方的空间18。下法兰盘下方的隔板下端是联通的，当液体积累到足够量时，即可打开阀门排出。
图3示出了一种热解蒸汽合成装置 包括30、热解炉；31、热解炉；32、脱硫塔，温度440至444. 674°C， S凝结成硫磺；33、换热器；34、压縮机；35、合成塔；36、冷凝器；37、气液分离器，收集甲醇液体和一氧化碳、氢气尾气；38、冷水；39、加热炉，将回收沼气，加热至39(TC，加入步骤9. 4)。
所示热解蒸汽合成装置的工作流程简述如下沼气经过系统产生的余热预热后，进入热解炉30，并在管道内，被加温至650至900°C ，发生H2S — H2+S和CH4+C02 = 2C0+2H2热解反应，因为沼气中CH4含量大于C02， C02耗尽，产生CH4、 C0、2H2、 S混合气体；混合气体
从管道继续前进，并按c仏h2o=i : i的摩尔比，加入1120蒸汽，进入热解炉31，混合气
1体在管内温度继续保持650至900°C ，发生CH4+2H20 = C0+3H2热解反应，CH4耗尽，产生C0、2H2、 S混合气体；过热混合气体，通过换热器33c，加热经33d预热的热水产生蒸汽后，过热的气体在经过换热器33b预热沼气，在加热水产生蒸汽和预热沼气的过程中，迅速降温至440至444. 674°C，阻止了上列反应的逆反应；降温后的混合气体进入脱硫塔32， S在进一步冷却中凝结，沉淀在塔底；脱硫后的混合气体主要为C0、2H2，经换热器再冷却至390°C ，进入压縮机34，使气体压力增加至30Mpa，温度390°C ;升温增压后的气体进入合成塔35，保持温度39(TC，压力30Mpa，发生C0+2H2 = CH3OH反应，此为甲醇裂解的逆反应，合成甲醇，产生CH3OH、 CO、 H2混合气体；混合气体经换热器33a预热沼气后，温度迅速下降至7(TC左右，阻止了甲醇裂解反应，稳定了 CH3OH、CO、H2混合气体，再进入冷凝器36，进气温度7(TC左右，冷凝后温度低于67. 65°C，使CH3OH液化为液体甲醇，在经过气液分离器37，收集甲醇液体和尾气；尾气为CO、H2混合气体，回收后经加热炉39加热至39(TC，返回压縮机34循环利用。
具体实施例方式
下面用实施例对照附图对本发明作进一步说明，所述实施例只是用于帮助本领域技术人员理解本发明，而不是限制本发明的应用范围。 以海南某农场1000亩橡胶园为例，以10至50亩为单位，采用沼气发酵袋建沼气生产点，1000亩为单位，建沼气储存罐。在冬季落叶季节，按每10亩面积为单位，收集橡胶
落叶，以备生产沼气利用。将集中的橡胶落叶粉碎，按落叶牛粪=7 : 3的比例，混合原料，淋石灰水，调ra值至7左右，装入网袋，堆垛于沼气袋中，密封，厌氧发酵。发酵一周后，
沼气袋开始产气。大约30天后产气结束。沼气袋内气压升高到一定程度，打开气袋阀门，
将沼气通过管道输送至沼气集中储存罐储存。将储存的沼气，通过管道输送至沼气加工厂，
对沼气进行净化，去除水分、二氧化碳和硫化氢，生产得到LNG，装入绝热气瓶内，即可用于替代天然气车用燃料。 或者将储存的沼气净化后，去除硫化氢和二氧化碳的沼气，按CH4 : 02 = 9 : l的体积比加氧气混合，在20(TC和10Mpa的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，所述反应的反应式为2CH4+02 = 2CH30H，蒸馏获得纯甲醇，并回收尾气，重新升温加压至20(TC、10Mpa，返回铜制管道生成甲醇，如此循环。将液化甲醇回收，并加添加剂，按30%体积比掺入汽油，以供汽车燃料使用。 或者将储存的沼气，测定CH4 : C02摩尔分比大致为6. 7 : 3. 3，大约还有1. 03份的C02富余，需加4. 47份的H20蒸汽。将甲烷、二氧化碳、水蒸气及少量硫化氢混合物加热至650至900°C ，热解为一氧化碳、氢气和S，冷却至440至444. 674。C脱硫，回收硫磺，再混合气体冷却至390°C ，加压至30Mpa，合成甲醇，产生甲醇、 一氧化碳、氢气混合物，继续冷却至67. 65t:以下，将尾气回收，再加温至39(TC，用于合成甲醇，以此循环。将液化甲醇回收，并加添加剂，按30%体积比掺入汽油，以供汽车燃料使用。
1权利要求
一种植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，包括以下步骤1)以年产100吨植物茎叶、秸秆农林面积10至50亩为单位，在田地旁建沼气生产点；以年储存1000吨沼气为单位，建沼气储存站；以年加工10万吨沼气为单位，建沼气加工厂；以管道网连接沼气生产点、储存站和加工厂，从而建立沼气生产、输送、储存和加工体系；2)将收集的植物茎叶打捆，堆垛，集中，发酵，按每10亩秸秆为单位，储存于沼气生产点附近，以备常年利用；3)将步骤2)储存的植物茎叶打散，粉碎至40目，淋湿，发酵，以备后用；4)将步骤3)处理的物料，加入20至40wt％的牛粪，接入甲烷菌，加入石灰水将PH值调整至7.0至7.5，含水量调至80wt％左右；5)将步骤4)处理的植物茎叶保持松散，输入沼气发酵罐，密闭，厌氧发酵25至40天，生产沼气；或将步骤4)处理的植物茎叶，装入网袋，保持疏松，系上绳索，投入沼气池中，厌氧发酵，生产沼气，并在绳索另一端标示投料日期标牌；发酵时间为30天左右，根据标示牌，抽干空气，及时将发酵到期物料取出，并投入新料；或将步骤4)处理的植物茎叶，就地装入网袋，保持疏松，在田间地头堆垛于沼气发酵袋中，密封沼气袋，尽可能抽干空气，保持25至40天，厌氧发酵，生产沼气；6)将步骤5)产生的沼气，从各个沼气发生地点，采用管道输送，集中、收集、储存于罐中，以备后用；将沼渣和沼液作为肥料在原地直接返回农田，维护土壤肥力；7)将步骤6)储存的沼气净化并生产液化沼气，即在压缩和冷冻沼气过程中，依次去除硫化氢、水蒸汽、二氧化碳，使沼气中各组分的体积百分比分别为甲烷≥90％，二氧化碳≤3％，氧气≤0.5％，硫化氢≤15mg/m3，总硫≤200mg/m3，从而生产出符合GB17820标准的液化天然气，再将净化沼气压缩于-162℃绝热气瓶中，替代天然气，作为汽车燃料使用
2. 权利要求1的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，还包括以下步骤将步 骤7)净化后，去除硫化氢和二氧化碳的沼气，按CH4 : 02 = 9 : l的体积比加氧气混合，在 20(TC和10Mpa的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，蒸馏后获得纯甲醇，然后在甲醇中 加入添加剂，生产得到变性甲醇，再以5 30%体积比添加入汽油中作为车用燃料。
3. 权利要求l的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，还包括以下步骤使用 步骤6)储存的沼气生产甲醇，所述生产方法的反应式为3CH4+C02+2H20 = 4CH30H，冷却甲 醇混合气体，使甲醇液化，获得纯甲醇，然后在甲醇中加入添加剂，生产得到变性甲醇，再以 5 30%体积比添加入汽油中作为车用燃料。
4. 权利要求l的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，其中步骤7)所述沼气的 净化是采用递进冷冻法，使用管状立式递进冷冻装置进行净化，具体步骤如下(1) 将权利要求1中步骤6)储存的沼气冷冻至士(TC，使水蒸气液化，去除水蒸气；(2) 将步骤(1)去除水蒸气的沼气，加压至2Mpa，冷冻至-2(TC，使二氧化碳液化，去除 二氧化碳；(3) 将步骤(2)去除二氧化碳的沼气，继续冷冻至-61.8t:，使硫化氢液化，去除硫化氢；(4) 将步骤(3)净化的沼气，继续冷冻至-162t:，制成液化天然气，装入绝热气瓶中，用 于汽车燃料；(5)将步骤(2)的液化二氧化碳副产品，装入绝热瓶中，回收。
5. 权利要求l的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，其中步骤9)采用热解蒸 汽合成法生产甲醇，具体步骤如下(1) 将权利要求1中步骤6)储存的沼气，加热至650 90(TC，通过热解法使硫化氢热 解；部分甲烷与二氧化碳热解；(2) 测定步骤(1)热解产物的C4含量，按C4 : H20=1 : l摩尔比加水蒸气，并与剩 余甲烷发生热解最终产生一氧化碳与氢气的混合气体；(3) 将步骤(2)处理的产生的混合气体，用于加热水，产生步骤(2)的水蒸气，再用于加 热步骤(1)的沼气，使步骤2)的混合气体降温至440至444.674t:，使硫凝结，去除气体中 的硫；(4) 将在步骤(3)中降温后的混合气体，用于加热水，产生步骤2)的水蒸气，使步骤3) 降温后的混合气体继续降温至39(TC，加压至30MPa，合成甲醇，反应式C0+2H2 = CHsOH，产 生甲醇蒸汽与剩余的一氧化碳、氢气混合而成混合气体；(5) 将步骤(4)的混合气体，先用于加热步骤(1)中的沼气，从而使混合气体温度降至 7(TC左右，再冷却至64. 65t:以下，使甲醇液化，用于制备汽车燃料；(6) 回收步骤(5)尾气，加热至39(TC后，加入步骤(4)循环利用于合成甲醇；(7) 回收步骤(3)凝结的硫磺。
6. 权利要求4的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，其中所述的管状立式递 进冷冻装置的特征包括以热导性能好的管道连续输送沼气，控制流量，先后进入温度逐个 降低的冷冻气液分离器3-6，装置为立式，管道在仓内螺旋状回转，以延长管道长度，增加沼 气在仓内停留时间；当沼气进入常温冷冻气液分离器3时，温度在0t:左右，水蒸气凝结成 液态水，从仓下部管道排除；除水蒸气的沼气进入压縮机，使气压提升到2Mpa，然后进入耐 压冷冻气液分离器4，温度为_201:，将二氧化碳冷凝液化从下方管道排除；除二氧化碳的 沼气，继续前进，进入低温冷冻气液分离器5，温度为-61.『C，将硫化氢液化从下方管道排 除；净化后的沼气，主要成分为甲烷，达到国家天然气标准，继续流入超低温冷冻气液分离 器6，将温度为_162°C的甲烷液化，装入绝热气瓶，用于生产LNG。
7. 权利要求6的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，其中所述的冷冻气液分 离器的特征包括当气体从进气口 13流入后，通过管道直接流入下法兰盘隔板及其空腔 17，在隔板空腔内，受到液面限制，只能通过隔板空腔内下法兰盘的另一个圆孔流出，进入U 型管14，流进下一个隔板空腔。如此延续，逐个通过U型管和隔板空腔，最后从出气口流出， 通过顺序如隔板分布情况25中的数字所示；冷凝气体在U型管中流动过程中，被充填在空 腔中的冷凝剂冷却，部分气体冷凝成液体，随气体或向下流入隔板空腔，液体被留在隔板空 腔17，气体继续流进下一个U型管，如此延续，液体不断被分离，并停积在下法兰盘下方的 空间18 ;下法兰盘下方的隔板下端是联通的，当液体积累到足够量时，即可打开阀门排出。
8. 权利要求5的植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法，其中热解蒸汽合成法生 产甲醇的过程是在一种热解蒸汽合成装置中进行的，所述一种热解蒸汽合成装置的特征包 括沼气经过系统产生的余热预热后，进入热解炉30，并在管道内，被加温至650至900°C， 发生热解反应，产生CH4、 C0、2H2、 S混合气体；混合气体从管道继续前进，并按CH4 : H20 = 1 : 1的摩尔比，加入^0蒸汽，进入热解炉31，混合气体在管内温度继续保持650至90(TC，发生热解反应，CH4耗尽，产生C0、2H2、 S混合气体；过热混合气体，通过换热器33c，加热经 33d预热的热水产生蒸汽后，过热的气体在经过换热器33b预热沼气，在加热水产生蒸汽和 预热沼气的过程中，迅速降温至440至444. 674°C，阻止了上列反应的逆反应；降温后的混 合气体进入脱硫塔32， S在进一步冷却中凝结，沉淀在塔底；脱硫后的混合气体主要为C0、 2H2，经换热器再冷却至39(TC，进入压縮机34，使气体压力增加至30Mpa，温度390°C ;升温 增压后的气体进入合成塔35，保持温度39(TC，压力30Mpa，发生甲醇裂解的逆反应，从而合 成甲醇，产生CH3OH、 CO、 H2混合气体；混合气体经换热器33a预热沼气后，温度迅速下降至 7(TC左右，阻止了甲醇裂解反应，稳定了 CH3OH、CO、H2混合气体，再进入冷凝器36，进气温度 7(TC左右，冷凝后温度低于67. 65°C ，使CH3OH液化为液体甲醇，在经过气液分离器37，收集 甲醇液体和尾气；尾气为C0、2IV混合气体，回收后经加热炉39加热至39(TC，返回压縮机34 循环利用。
全文摘要
一种植物茎叶、秸秆大规模综合处理和利用方法及装置，即以植物茎叶、秸秆为原料，利用微生物发酵法生产沼气和沼渣、沼液，沼气采用本发明所述工艺收集并合成燃料甲醇，或净化液化后替代天然气车用燃料，沼渣、沼液为肥料返还土地，维护土壤生态平衡。
文档编号C05F5/00GK101724659SQ200910250280
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者张永北, 张爱诚, 陈武 申请人:张永北