一种有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的方法及系统与流程

本发明公开了一种有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的方法及系统，属于生物质能源技术领域。

背景技术：

能源是人类社会发展的重要基础资源，但是随着世界经济发展、人口剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，而三大化石能源(石油、天然气、煤炭)作为目前能源消费的主体，因其不可再生的特点，致使能源危机甚是严峻；同时，化石能源的利用也带来一系列的气候与环境问题。因此，发展可再生、低碳能源成为当前优化能源结构、实现节能减排、保护生态环境的一种有效途径。

沼气作为一种可再生的低碳能源，是有机物在厌氧条件下，经微生物的消化作用产生的一种以甲烷为主，低位发热量不小于17mj/m³的可燃性混合气体。生产沼气的原料来源广泛，包括农林废弃物、畜禽粪便、污泥、工业有机废渣、生活垃圾、厨余垃圾等。沼气和生物天然气的成分相近，沼气经过净化提纯后得到的生物天然气可作为天然气的替代品使用。

当前，中国城市生活垃圾未得到有效的分类处理、畜禽粪便随意堆弃、秸秆就地废弃焚烧等问题越来越突出，对大气、土壤和水等生产生活环境造成了破坏。有机废弃物通过厌氧发酵生产生物天然气的资源化利用，可优化国家能源结构，减少温室气体排放和雾霾产生，改善人居环境，实现生态环境的可持续发展。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题提供一种有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的方法，该方法包括如下步骤：

(a)干发酵过程：有机废弃物原料与接种物混合后在厌氧微生物的作用下进行厌氧发酵反应；厌氧发酵反应产生的沼气经过粗脱硫后进入沼气气柜储存；发酵过程中产生的沼液进行沉降处理，沉降后的上层清液对发酵反应物料进行循环喷淋；发酵反应后的沼渣一部分用作堆肥处理生产固体肥料，另一部分用作接种物；

(b)净化提纯过程：沼气气柜出来的沼气经增压后进行精脱硫处理进一步脱除沼气中的硫化氢；精脱硫后的沼气和来自膜分离的循环沼气经沼气压缩机压缩后进行降温冷凝脱水；脱水后的沼气经换热升温后进行除雾和除尘；最后经过气体膜分离处理得到标准浓度的生物天然气。

本发明技术方案中：步骤(a)中所述有机废弃物原料为农林废弃物、畜禽粪便、污泥、工业有机废渣、生活垃圾和厨余垃圾中的一种或多种，有机废弃物原料中干物质质量浓度为15～60％。

本发明技术方案中：步骤(a)中发酵反应的时间为20～60天，发酵反应的温度为15～55℃，发酵反应的压力为0～20kpag，发酵反应的ph值为6.0～8.0。

作为优选：步骤(a)中发酵反应的时间为25～30天，发酵反应的温度为35～40℃，发酵反应的压力为1.0～5.0kpag，发酵反应的ph值为6.8～7.5。

本发明技术方案中：步骤(a)中所述沼气经过粗脱硫后的硫化氢含量降低至小于200ppm。

本发明技术方案中：步骤(b)中沼气经增压后压力为50～200kpag；沼气压缩后压力为1.5～10.0mpag。

本发明技术方案中：步骤(b)中沼气经过精脱硫后的硫化氢含量降低至小于15mg/m³；沼气降温后的温度为0～7℃。

一种用于实现上述的有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的系统，该系统包括发酵仓，所述的混料区的物料运入到发酵仓，所述发酵仓顶部的输出端通过粗脱硫塔与沼气气柜相连，所述发酵仓底部的一个输出端通过沼液池与沼液储罐相连，所述沼液储罐底部的输出端与发酵仓的顶部相连；

所述沼气气柜的输出端通过精脱硫塔与沼气压缩机相连，所述的沼气压缩机依次通过气体冷凝器、热水加热器、除雾器和除尘器相连，所述除尘器的输出端与第一级膜分离器相连，所述的第一级膜分离器的一个输出端与第三级膜分离器的底部相连，另一个输出端与第二级膜分离器底部相连；所述的第二级膜分离顶部的一个输出端为生物天然气，另一个输出端和第三级膜分离器顶部的一个输出端与沼气压缩机相连，所述的第三级膜分离器顶部的另一个输出端通过二氧化碳气柜与发酵仓相连。

上述系统中：所述发酵仓底部的部分物料运入到混料区，沼液池顶部的气体输出端和沼液储罐顶部的输出端与粗脱硫塔相连。

上述系统中：沼液储罐底部的输出端通过喷淋液加热器与发酵仓的顶部相连。

本发明的有益效果：

本发明提供一种有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的方法及系统，该系统包括厌氧干发酵技术和净化提纯技术。利用厌氧干发酵技术处理有机废弃物一方面提高了有机废弃物的资源利用价值与经济价值，生产清洁再生能源—沼气；另一方面有效解决了有机废弃物简易堆放、填埋、焚烧等所造成的环境污染问题。利用沼气净化提纯技术旨在脱除沼气中的硫化氢、水、颗粒、二氧化碳等杂质组分，生产生物天然气，以实现沼气的高值利用与经济效益的最大化。本发明是新型、高效的生物质能源利用技术，具有处理流程短、操作弹性大、能耗低和清洁生产等优点，尤其适用于处理农林废弃物、生活垃圾、厨余垃圾，有良好市场前景。

附图说明

图1是本发明的一种流程示意图。

图2是本发明的一种系统结构示意图。

图中，1为混料区，2为发酵仓，3为粗脱硫塔，4为沼气气柜，5为二氧化碳气柜，6为沼液池，7为沼液储罐，8为沼液泵，9为喷淋液循环泵，10为喷淋液加热器，11为增压风机，12为二氧化碳置换风机，13为沼气压缩机，14为精脱硫塔，15为气体冷凝器，16为热水加热器，17为除雾器，18为除尘器，19为第一级膜分离器，20为第二级膜分离器，21为第三级膜分离器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

一种有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的系统，该系统包括发酵仓(2)，所述的混料区(1)的物料运入到发酵仓(2)，所述发酵仓(2)顶部的输出端通过粗脱硫塔(3)与沼气气柜(4)相连，所述发酵仓(2)底部的一个输出端通过沼液池(6)与沼液储罐(7)相连，所述沼液储罐(7)底部的输出端与发酵仓(2)的顶部相连；

所述沼气气柜(4)的输出端通过精脱硫塔(14)与沼气压缩机(13)相连，所述的沼气压缩机(13)依次通过气体冷凝器(15)、热水加热器(16)、除雾器(17)和除尘器(18)相连，所述除尘器(18)的输出端与第一级膜分离器(19)相连，所述的第一级膜分离器(19)的一个输出端与第三级膜分离器(21)的底部相连，另一个输出端与第二级膜分离器(20)底部相连；所述的第二级膜分离器(20)顶部的一个输出端为生物天然气，另一个输出端和第三级膜分离器(21)顶部的一个输出端与沼气压缩机(13)相连，所述的第三级膜分离器(21)顶部的另一个输出端通过二氧化碳气柜(5)与发酵仓(2)相连。所述发酵仓(2)底部的部分物料运入到混料区(1)，沼液池(6)顶部的气体输出端和沼液储罐(7)顶部的输出端与粗脱硫塔(3)相连。沼液储罐(7)底部的输出端通过喷淋液加热器(10)与发酵仓(2)的顶部相连。

一种利用上述系统实现有机废弃物厌氧干发酵生产生物天然气的方法，该方法具体如下：

已预处理的生活垃圾68461t/a与接种物34231t/a在混料区1混合均匀后运入到发酵仓2(干物质质量浓度为33％)，物料在发酵仓2内厌氧微生物的作用进行厌氧发酵反应，控制操作时间为27天，控制操作温度为38～40℃，控制操作压力为4kpag，发酵反应的ph值为6.8～7.5。发酵反应产生的沼气5050720nm³/a(其中甲烷摩尔含量为55.52％，二氧化碳摩尔含量为38.52％，水蒸气摩尔含量为5.96％，硫化氢摩尔含量小于2000ppm)经过粗脱硫塔3脱除一部分硫化氢，使沼气中硫化氢的含量降低至小于200ppm后进入沼气气柜4，发酵反应中产生的沼液进入沼液池6，沉降后的上层清液经沼液泵8输送至沼液储罐7。沼液池6和沼液储罐7内产生的沼气也经过粗脱硫塔3脱除一部分硫化氢后进入沼气气柜4，沼液储罐7内的沼液经喷淋液循环泵9输送至喷淋液换热器10加热后向发酵仓2物料喷洒，用以维持厌氧发酵所需温度、湿度，保证发酵物中微生物菌群数量和繁殖速度，促进发酵仓2内物料产气。从发酵仓2排出来的沼渣62461t/a(干物质质量浓度为30％)用于好氧堆肥处理生产固体肥料，34231t/a(干物质质量浓度为30％)用作接种物再次返回混料区1。

沼气气柜4气量达到一定储气值后开启阀门，沼气经增压风机11增压至100kpag后进入精脱硫塔14脱除沼气中的硫化氢，精脱硫塔14采用的脱硫剂主要有活性炭或氧化铁。脱除硫化氢的沼气和循环沼气共6870880nm³/a(其中甲烷摩尔含量为36.00％，二氧化碳摩尔含量为61.60％，水蒸气摩尔含量为2.40％，硫化氢摩尔含量小于15mg/m³)经沼气压缩机13压缩至2.0mpag进入气体冷凝器15降温至5℃，沼气中水分冷凝成液体132.48t/a而排出，降温后的沼气进入热水加热器16升温至35℃后依次经过除雾器17及除尘器18过滤掉沼气中的微量杂质后进入膜分离器进行三级膜分离处理。沼气6706000nm³/a(其中甲烷摩尔含量为36.89％，二氧化碳摩尔含量为63.11％，硫化氢摩尔含量小于15mg/m³)首先进入第一级膜分离器19，一级渗余气4311680nm³/a(其中甲烷摩尔含量为74.04％，二氧化碳摩尔含量为25.96％，硫化氢摩尔含量小于15mg/m³)进入第二级膜分离器20，一级渗透气2394320nm³/a(其中甲烷摩尔含量为5.65％，二氧化碳摩尔含量为94.35％)进入第三级膜分离器21；二级渗透气1293280nm³/a(其中甲烷摩尔含量为20.11％，二氧化碳摩尔含量为79.89％)和三级渗余气526880nm³/a(其中甲烷摩尔含量为24.89％，二氧化碳摩尔含量为75.11％)作为循环沼气1820160nm³/a返回至沼气压缩机13入口完成闭式循环，以提高甲烷回收率。二级渗余气即为符合标准的天然气3018480nm³/a(其中甲烷摩尔含量为97.14％，二氧化碳摩尔含量为2.86％)；三级渗透气1867440nm³/a(其中甲烷摩尔含量为0.40％，二氧化碳摩尔含量为99.60％)分离出的二氧化碳气体一部分存储至二氧化碳气柜5中，在发酵仓开仓时，经二氧化碳置换风机12送入发酵仓作为发酵仓2开仓前的置换气，多余部分至安全地点排空。