最终提纯生物气体以制备生物甲烷的方法
【专利说明】最终提纯生物气体从制备生物甲烧的方法
[0001] 本发明设及一种膜渗透方法，其用于处理含有至少甲烧和二氧化碳的气体料流W 制备富含甲烧的气体料流，所述富含甲烧的气体料流中的甲烧含量符合其应用要求。
[0002] 尤其是，本发明设及生物气体的提纯，从而制备符合用于注入天然气网络的规格 的生物甲烧。
[0003] 生物气体是在不存在氧气的情况下降解有机物质期间产生的气体(厌氧发酵），也 称为甲烧化。运可W是天然降解，由此在湿地或城市废料填筑处观察到，但是生物气体也可 能通过废料在专用反应器中进行甲烧化而获得，称为甲烧化器或消化器。
[0004] 由于其主要成分、即甲烧和二氧化碳，生物气体是潜在的溫室气体；同时也是在化 石燃料日益稀缺方面的重要可更新能源。
[0005] 生物气体主要含有甲烧(C也)和二氧化碳(0)2)，其比例根据生产方法而变化，并且 W较小的比例含有水、氮气、硫化氨、氧气W及痕量的其它有机化合物。
[0006] 根据被降解的有机物质和所用的技术，运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%的甲烧、15-60%的C02、0-15%的氮气、0-5%的氧气W及痕 量化合物。
[0007] 生物气体按照各种方式提纯。生物气体可W在稍微处理之后在生产地点附近提 纯，从而提供热量、电力或运两者的混合物(共同产生）；高含量的二氧化碳降低了其加热 值，提高了压缩和运输成本，并且将提纯的经济优点限制到局部应用范围。
[000引一种更充分提纯生物气体的方法能使得应用范围更广泛，尤其是生物气体的充分 提纯使得能获得被提纯至天然气规格并能替代天然气的生物气体。如此提纯的生物气体是 "生物甲烧"。因此，生物甲烧向天然气来源补充了在各领域中的可更新部分;其可W实际上 用于与化石来源的天然气相同的应用中。其可W供应给天然气网络或车辆加油站，并且也 可W进行液化W按照液化天然气(LNG)的形式储存等。
[0009] 提纯生物甲烧的方法是根据具体要求确定的：局部能量要求，作为生物甲烧燃料 提纯的可能性，尤其是附近存在用于分配或运输天然气的网络。在各领域(农业，制造业，公 共设施）中操作的各种操作者之间提供协同性，制备生物甲烧能帮助各领域获取更多的能 量自给自足。
[0010] 在收集生物气体和获得生物甲烧之间必须经过数个步骤，最终产物能被压缩或液 化。
[0011] 尤其是，在用于分离二氧化碳W得到纯化甲烧料流的处理之前必须进行多个步 骤。第一步包括将已经在大气压下制备和运输的生物气体压缩;运种压缩可W通常经由润 滑螺杆压缩器进行。后续步骤用于从生物气体汽提出腐蚀性组分，即硫化氨和挥发性有机 化合物(V0C);所用的技术通常是压力变换吸附(PSA)和在活性炭上捕获。接下来的步骤包 括分离二氧化碳W最终提供具有随后应用所需纯度的甲烧。
[0012] 二氧化碳是在天然气中通常存在的污染物，一般必须将其汽提出来。各种技术根 据具体情况用于此目的；其中，当C〇2含量高时，膜技术是特别有效的;所W运种技术特别有 效地用于分离在生物气体中、尤其在填筑地气体中存在的C〇2。
[0013] 用于提纯气体的膜气体分离方法不论使用一个或多个膜阶段，都必须能W低成本 制备具有所需品质的气体，且同时尽可能减少所需提纯的气体的损失。因此，在提纯生物气 体的情况下，所进行的分离主要是CH4/(X)2分离，其必须能根据其应用而制得含有大于85% CH4、优选大于95 % C〇2、更优选大于97.5 % CH4的气体，同时尽可能减少在废气中的CH4损失 和提纯成本，所述成本大部分与用于在膜上游压缩气体的设备的耗电有关。
[0014] -种用于在膜体系中改进CH4回收率的常规措施是提高废料的循环率，即此操作 包括将或多或少的一部分废料循环到压缩器的入口。运种循环伴随着压缩器的耗电增加， 因为待压缩的流量更大。
[0015] 为了降低运种循环对于压缩器耗电的负面作用，一种公知的解决方案包括将单阶 段膜体系改为两阶段体系，其中将来自第一阶段的废料供应到第二阶段，并且其中仅仅来 自第二阶段的渗透物进行循环，来自第一阶段的渗透物则从此工艺中部分地除去（一般排 放到大气中，同时任选地从氧化器通过W氧化其中的残余甲烧）。
[0016] 公知的解决方案也包括使用Ξ阶段膜体系，其中来自第一阶段的渗透物在第Ξ个 膜阶段中进行第二次分离，然后与来自第二阶段的渗透物混合物，从而被循环。运种Ξ阶段 体系是在没有再压缩来自第一阶段的渗透物的情况下使用的，并且来自第二阶段的渗透物 和来自第Ξ阶段的废料被循环到膜体系的入口。与具有两个膜阶段的体系相比，运种具有 Ξ个膜阶段的体系改进了甲烧产率。
[0017] 但是，虽然具有Ξ个膜阶段的体系可W显著改进待提纯气体的回收率(在生物气 体的情况下是甲烧)且不会增加中间压缩器的成本，但是因为没有渗透物的中间压缩，在第 Ξ个膜阶段中不能获得良好的分离，因此来自第Ξ个膜阶段的保留物含有甚至更大比例的 在第Ξ阶段中没有渗透的待清除气体。运种待清除的气体必须重新压缩，运增加了压缩器 的耗电。因此，在生物气体的情况下，在来自第一个膜的渗透物在进入第Ξ个膜阶段之前没 有进行中间压缩的情况下，来自第Ξ个膜阶段的保留物将一定比例的C〇2循环到压缩器的 入口。所W，减少运种被循环的C〇2的比例将是有利的。
[0018] 所W，仍然需要改进用于将在生物气体中所含的甲烧和二氧化碳进行膜分离的方 法，此方法能W非常好的产率获得具有较高纯度的甲烧，同时降低体系的操作成本。
[0019] 因此，本发明描述了一种膜分离方法和设备，其用于进行在生物气体中所含的甲 烧和二氧化碳的膜分离，其明智地使用具有四个膜阶段的布置;与现有技术的具有Ξ个膜 阶段的布置相比，根据本发明的具有四个膜阶段的布置显著降低了压缩气体的成本，且同 时惊人地保持了甲烧的优异产率。膜或膜阶段应当理解为表示单个膜、或一束膜、或由多束 膜组成的组件、或多个组件，只要它们彼此平行即可。
[0020] 本发明提供一种膜渗透方法，其用于处理含有至少甲烧和二氧化碳的气体料流W 制备富含甲烧的气体料流，所述方法包括至少W下步骤：
[0021] -步骤(a):提供第一个膜分离单元，其配备能接收第一进料气体并且供应第一渗 透物和第一保留物的第一个膜，所述第一个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性，
[0022] -步骤(b):提供第二个膜分离单元，其配备能接收第二进料气体并且供应第二渗 透物和第二保留物的第二个膜，所述第二个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性， 并且所述第二个膜分离单元是与第一个膜分离单元串联连接的，从而使得第一保留物构成 第二进料气体，
[0023] -步骤(c):提供第Ξ个膜分离单元，其配备能接收第Ξ进料气体并且供应第Ξ渗 透物和第Ξ保留物的第Ξ个膜，所述第Ξ个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性， 并且所述第Ξ个膜分离单元是与第一个膜分离单元串联连接的，从而使得第一渗透物构成 第Ξ进料气体，
[0024] -步骤(d):在压缩器中将所述待处理的含有至少甲烧和二氧化碳的气体料流压缩 到第一压力P1，
[0025] -步骤(e):在第一压力P1下向第一个膜分离单元供应待处理的气体料流，从而产 生相对于待处理的气体而言富含甲烧的保留物W及相对于待处理的气体而言富含二氧化 碳的渗透物，
[0026] -步骤(f):向第二个膜分离单元供应相对于待处理的气体而言富含甲烧的第一保 留物，从而产生相对于第一保留物而言富含甲烧的第二保留物W及相对于第一保留物而言 富含二氧化碳的第二渗透物，
[0027] -步骤(g):向第Ξ个膜分离单元供应第一渗透物，从而产生相对于第一渗透物而 言富含甲烧的第Ξ保留物W及相对于第一渗透物而言富含二氧化碳的第Ξ渗透物，
[0028] -步骤化）：将第二渗透物循环到步骤(d)的压缩器中，
[0029] 其特征在于所述方法另外包括：
[0030] -步骤（i):提供第四个膜分离单元，其配备能接收进料气体并且供应渗透物和保 留物的第四个膜，所述第四个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性，并且所述第四 个膜分离单元是与第Ξ个膜分离单元串联连接的，从而使得第Ξ保留物构成第四进料气 体，
[0031] -步骤(j):向第四个膜分离单元供应第Ξ保留物，从而产生与第Ξ保留物相比更 富含甲烧的第四保留物W及相对于第Ξ保留物而言富含二氧化碳的第四渗透物，
[0032] -步骤化）：将第四保留物循环到步骤(d)的压缩器中，
[0033] -步骤(1):提供第四渗透物。
[0034] 从此方法排出第Ξ和第四渗透物;它们可W独立地或一起通过例如热氧化进行处 理，用于提纯C〇2，或简单地释放至大气中。
[0035] 本发明的膜分离方法有利地W单独或组合形式具有全部或部分的下述特征：
[0036] -所用的膜可W具有相同的选择性，或至少一个膜分离单元可W使用具有不同选 择性的膜，
[0037] -待处理的气体可W是经过预提纯的生物气体，运种预提纯可W根据需要包括全 部或部分的W下步骤:干燥，减少C〇2和清除挥发性有机化合物(V0C)。
[0038] 根据本发明的另一个方面，本发明设及一种用于对含有至少甲烧和二氧化碳的气 体料流进行膜渗透处理W制备富含甲烧的气体料流的设备，其包括至少：
[0039] -第一个膜分离单元，其配备能接收第一进料气体并且供应第一渗透物和第一保 留物的第一个膜，所述第一个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性，
[0040] -第二个膜分离单元，其配备能接收第二进料气体并且供应第二渗透物和第二保 留物的第二个膜，所述第二个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性，并且所述第二 个膜分离单元是与第一个膜分离单元串联连接的，从而使得第一保留物构成第二进料气 体，
[0041] -第Ξ个膜分离单元，其配备能接收第Ξ进料气体并且供应第Ξ渗透物和第Ξ保 留物的第Ξ个膜，所述第Ξ个膜对二氧化碳的渗透性高于对甲烧的渗透性，并且所述第Ξ 个膜分离单元是与第一个膜分离单元串联连接的，从而使得第一渗透物构成第Ξ进料气 体，
[0042] -压缩器C，其能将第二渗透物压缩到第一压力Ρ1，
[0043] -用于在第一压力Ρ1下向第一个膜分离单元供应待处理的气体料流的装置，
[0044] -用于向第二个膜分离单元供应第一保留物的装置，
[0045] -用于向第Ξ个膜分离单元供应第一渗透物的装置，