利用有机废水生产合成天然气的工艺方法及装置与流程

本发明涉及一种利用有机废水生产合成天然气的工艺方法，特别涉及一种实现该工艺方法的装置。具体地讲，本发明涉及一种利用有机废水包括工业有机废水、粪便有机废水，利用厌氧发酵工艺生产沼气并净化处理生产合成天然气的工艺方法及装置，属于合成天然气领域。

背景技术：

近几年的石油价格大幅上升及中国经济的快速发展，导致国内石油及天然气价格不断上升，以天然气为例，在中国东部沿海有些城市每方天然气售价达5元。如此的能源紧张局势，也促使了人们对可再生能源利用的广泛关注。另外，近些年全球气候异常加剧，人们对温室气体减排的呼声越来越高，而利用厌氧发酵技术处理工业有机废水和粪便污水生产沼气既可减少环境污染又可减少温室气体的排放，回收沼气经提纯后又可生产出合成天然气，同时实现环保、环境和经济三收益的目标。沼气的主要成分是：甲烷约占50％，二氧化碳约占50％，另有少量硫化物、氧气、氢气、水分等杂质。

中国工业有机废水2006年排放量达30亿吨，主要来自于酒精、啤酒、黄酒、白酒、淀粉、味精、柠檬酸、饮料和造纸等轻工业，制药、屠宰、面粉、植物油、酱油、罐头及橡胶工业也有有机废水排放，中国的生猪、家禽和牛等的禽畜养殖业也每年排放出大量有机废水，这些有机废水严重污染环境，如能实现资源化利用将具有巨大的历史意义和经济效益。

综上所述，本发明人利用有机废水合成天然气进行了深入地研究，遂完成了本发明。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低能耗、高回收率、安全、设备投资费用低的利用工业有机废水和禽畜养殖业废水生产合成天然气的工艺方法。

本发明的目的是通过以下工艺技术方案来实现的。

一种由有机废水生产合成天然气的方法，其包括如下步骤：

(1)利用厌氧处理工艺处理有机废水生产沼气；

(2)将产生的沼气进行冷却脱水后收集于微正压地气体柜中，加压至0.01～3.0Mpa；

(3)将压缩后的沼气通过净化系统脱除硫化物和二氧化碳等杂质，得到合成天然气。

步骤(1)中所述的生产沼气的厌氧处理工艺是上流式厌氧污泥床反应器工艺(UASB)、全混合厌氧工艺(CSTR)、厌氧颗粒污泥膨胀床工艺(EGSB)、厌氧内循环反应工艺(IC)、厌氧过滤器工艺(AF)、或厌氧复合床工艺(UBF)。

步骤(3)中所述的净化系统脱除硫化物和二氧化碳的方法为变压吸附法(PSA)或溶剂吸收法。

所述的脱除沼气中硫化物和二氧化碳等杂质的溶剂吸收方法中使用的溶剂为碳酸丙烯酯(PC)或醇胺溶剂。

一种优选的技术方案，其特征在于，所述的利用PSA脱除沼气中硫化物和二氧化碳等杂质的方法中，其操作压力为0.2～0.8Mpa。

一种优选的技术方案，其特征在于，所述的溶剂吸收法中的碳酸丙烯酯，是向PC中添加0.1～10％的吗啉基羟乙基聚乙基醚和/或双吗啉基聚乙基醚的溶剂，其中聚乙基醚的聚合度为1、2、3或4，或甘醇制 吗啉的高沸点副产物，其操作压力为0.8～7.0Mpa。

一种优选的技术方案，其特征在于，所述的脱除沼气中硫化物和二氧化碳等杂质的溶剂吸收法中的醇胺溶剂是N-甲基二乙醇胺(MDEA)，其操作压力为0.01～0.8Mpa。

一种优选的技术方案，其特征在于，所述的收集的沼气中的氧气浓度通过控制厌氧反应器的压力控制在0～1％之间。

本发明的另一个目的是提供一种利用有机废水生产合成天然气的方法所用的装置。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种利用有机废水生产合成天然气的方法所用的装置，其包括：厌氧反应器，沼气收集系统、冷却分离器、压缩系统、净化系统、天然气收集系统、天然气压缩系统等，其特征在于，有机废水通过厌氧反应器产生沼气进入冷却分离器进行冷却脱水分离后，收集到沼气收集系统中，压缩后进入净化系统，脱除杂质，生产出合成天然气，进一步处理得到压缩天然气。

一种优选的技术方案，其特征在于，所述的厌氧反应器与一压力控制器连接，以控制氧气浓度。

一种优选的技术方案，其特征在于，所述的净化系统为变压吸附装置或溶剂吸收塔。

所述的沼气收集系统为一微正压的气体柜；所述的溶剂吸收塔中装入PC或醇胺溶剂。

发明中的有机废水厌氧处理工艺可高效地多产沼气，同时把所产的沼气中的氧含量控制在较低范围内如0～1％之间，这使得后续提纯工艺运行更安全，生产费用更低，因为沼气氧含量过高时若用PSA提纯甲烷，有可能在提纯过程中达到甲烷的爆炸范围，导致安全生产隐患。采用溶剂吸收法，沼气中过高的氧含量易引起设备的腐蚀和溶剂的降解。但与一般膜分离法相比，PSA方法和溶剂吸收法脱除沼气中的硫化物和二氧化碳等杂质都具有较高的甲烷回收率。

在本发明中利用PSA方法分离沼气中的硫化物和二氧化碳等杂质时，因沼气中二氧化碳约占50％的含量，为节约压缩功率，宜在尽可能低的操作压力下运行，另一方面由于多数沼气生产装置产量在100～1000m³/h之间，过高的操作压力使得气体流量很小，导致PSA控制阀门制造困难，从而设备投资大幅上升。为此利用PSA提纯沼气中的甲烷时，采用0.2～0.8Mpa的低操作压力。

在本发明中利用溶剂吸收法脱除沼气中的硫化物和二氧化碳等杂质时，比采用PSA法可使用更高的操作压力，但对于后续把合成天然气转化成液化天然气时，更高的操作压力可以省掉后续压缩机的工艺，使得合成的天然气在一个合适的温度区间内液化，以减少设备投资和降低生产运行成本。

当采用PC溶剂吸收法时，与其它溶剂吸收法相比，其溶剂再生不需蒸汽和冷源等公共工程，只需压力变化和空气就可实现再生。PC溶剂中添加0.1～10％的吗啉基羟乙基聚乙基醚和/或双吗啉基聚乙基醚，其中聚乙基醚的聚合度为1、2、3或4、或甘醇制吗啉的高沸点副产物，此添加剂可有效地降解脱除沼气中的硫化氢，脱除效率比PC法可提高10多倍，而脱除二氧化碳的效率基本保持不变。

当采用醇胺溶剂脱除沼气中的硫化物和二氧化碳等杂质因其为化学吸收法时，可在0.05～0.8Mpa的较低操作压力下进行，但需要蒸汽再生吸收溶剂，为此若有便宜而又易得蒸汽的条件下可采用此法，以节约压缩功率，降低生产运行成本。

当采用MDEA溶剂吸收法脱除沼气中的硫化物和二氧化碳等杂质时，与其它醇胺法相比，更有效率，设备腐蚀更低。

本发明的优点是，在本发明对有机废水采用厌氧处理工艺产沼气能力大，沼气中氧含量低，使用PSA脱除沼气中硫化物和二氧化碳等杂质时，压缩功耗低，自动化程度高。当采用溶剂法脱除上述杂质，碳酸 丙烯酯作溶剂时，溶剂再生不需要蒸汽，也不需要冷量，因而设备投资小，添加助剂后能更好地脱除硫化氢。而采用N-甲基二乙醇胺作溶剂时，尽管溶剂再生需要蒸汽，但可在较低的操作压力下进行，节约压缩功率。通过上述工艺都可生产出甲烷浓度达到90％以上的合成天然气，进一步可生产出合格的CNG和LNG。因此本发明既可减少环境污染又可减少温室气体的排放，对实现充分利用资源和提高经济收益有很重要的作用。

附图说明

图1为生产淀粉的工业有机废水合成天然气的工艺流程图

图2为生产酒精的工业有机废水合成天然气的工艺流程图

图3为造纸厂的工业有机废水合成天然气的工艺流程图

图4为养殖业污水合成天然气的工艺流程图

下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

具体实施方式

实施例1

以木薯为原料生产淀粉的工业有机废水，以UASB法生产沼气，日产沼气50000m³，其中，CH₄50％，CO₂45％，H₂S 300ppm，生产的沼气由风机从密闭的厌氧罐中抽出，冷却脱水后进入沼气气柜中，控制O₂0.1％，出气柜的沼气经压缩机压缩至1.0Mpa进入PC溶剂法净化装置，脱除沼气中硫化物和二氧化碳，产出0.8～0.9Mpa的合成天然气，CH₄＞95％，气量2.5万NM³/d，甲烷回收率＞97％。经高压压缩机再次增压至25Mpa，生产出合格的CNG。

实施例2

生产酒精的有机废水厌氧工艺采用CSTR法生产沼气，其中，CH₄49％，CO₂50％，H₂S 1000ppm，生产的沼气由风机从密闭的厌氧罐中抽出，冷却脱水后进入沼气柜，控制O₂0.3％，出气柜的沼气经压缩机压缩至0.4Mpa进入PSA装置，生产出0.3～0.35Mpa的合成天然气，CH₄＞95％，甲烷回收率＞90％，进一步增压至0.6Mpa进入燃气管网。

实施例3

造纸厂有机废水厌氧工艺采用EGSB法生产沼气，其中，CH₄45％，CO₂53％，H₂S 800ppm，生产的沼气由风机从密闭的厌氧罐中抽出，冷却脱水后进入沼气气柜，控制O₂0.9％，出气柜的沼气经压缩机压缩至0.1Mpa，进入MDEA法净化装置，脱除沼气中的硫化物和二氧化碳，生产出0.05～0.08Mpa的合成天然气，CH₄＞98％，甲烷回收率＞97％，增压制冷后生产出LNG。

实施例4

大型养牛场牛粪污水以UASB法生产沼气，其中，CH₄51％，CO₂47％，H₂S2000ppm，生产出的沼气由风机从密闭的厌氧罐中抽出冷却脱水后进入沼气气柜，控制O₂0.7％，出气柜的沼气经压缩机压缩至2.5Mpa进入PC溶剂法净化装置；PC溶剂中添加1％的吗啉基羟乙基聚乙基醚，净化硫化物和二氧化碳后产出2.2～2.4Mpa的合成天然气，CH₄＞97％，甲烷回收率＞95％。经高压机再次增压至25Mpa，生产出合格的CNG。