生物气混合和验证系统和方法与流程

本发明涉及一种适配成与用于处理生物气源的精制系统一起使用的生物气混合和验证系统。来自第一源(诸如多级精制系统)的生物气给料流被取样用于分析成分和燃烧能量分布。当检测到燃烧能量含量分布低于预设最小值时，控制单元致动设置在精制气体流中的阀，其中精制气体具备已知的能量含量以将精制气体注入生物气给料流中来产生混合生物气。然后对混合生物气被取样以确认其达到符合需求和/或发动机规格的预定能量含量阈值。

背景技术：

生物气，也被称之为生物甲烷、生物气、垃圾填埋气和消化器气，是厌氧消化的产物，如，废料在不存在氧气时的分解，其主要产生甲烷和二氧化碳。在适当处理至合适的纯度后，捕获的生物气能够用作绿色/可再生燃料或用于天然气动力车辆/发动机的燃料。在美国专利号9,535,045中详述了用于多级生物气处理的一个这种系统，该专利描述了一种处理生物气的系统。该专利的内容通过引用并入文中。

生物气的几个生成和收集源存在于广泛的学科中，即，废水处理、固体废物/垃圾填埋安置和管理、食品处理工厂和农业产业(包括处理农场动物废物)。

然而，在它可以有效地被用作燃料源之前，生物气必须被处理。这种处理要求去除和/或最小化生物气输出流中发现的典型杂质。并且当所期望最终产品旨在提供高质量的气流、h2s、硫类、硅氧烷、co2、消化生成的voc(挥发性有机化学品)和氧气时，净化从去除颗粒开始，然后去除水。依据所需求纯度/能量含量标准，产生的净化气体可以作为cng(压缩天然气)被利用以为车辆提供动力。

使用处理生物气作为天然气车辆(ngv)燃料或压缩天然气(cng)的纯度需求由诸如iso15404-2006等标准建立。除了上面提到的洗涤之外，该标准要求在高压力(如，6000psig)下去除压缩的气体的所有水分。必须经过样品提取和分析再次确认这种处理的成功。

特别是在cng的背景下，存在一种系统和方法的需要，其确保从获得的生物气流中维持预建立的能量含量，并且当含量低于预建立的最小燃烧能量分布阈值时，通过将精制气体与生物气流混合来提供增大量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供系统和方法，用于在预建立的最小燃烧能量阈值下检测、增大和维持生物气流的已建立能量含量。

本发明的另一目的是提供新颖的系统和方法，用于选择性地引入和混合已知能量含量的精制气体和生物气给料流，以生成满足预设能量含量阈值的混合生物气输出。

本发明的进一步目的是生成遵照已知能量含量需求的混合生物气输出。

本发明的再进一步目的是提供用于混合生物气以达到阈值燃烧能量分布的系统和方法，其部分地依赖于检测、监测和调整精制控制气体和生物气给料流的相对流动速率。

本发明的再进一步目的是提供气体混合系统，用于在检测到能量含量低于选择的阈值时，自动监测处理过的生物气的能量含量水平并用添加精制气体来增加其能量含量。

这些和其它目的中的某些由气体混合系统满足，气体混合系统特征在于：生物气给料源提供具有第一能量含量的生物气给料流；第一样品提取探头用于从所述生物气给料流中提取样品用于能量含量分析；分析器用于能量含量分析和生成代表其的数据信号；控制单元用于接收所述能量含量分析数据信号并响应于此传输控制信号；精制气体源与所述生物气给料流选择性地流体连通并布置在所述第一样品提取探头的下游，精制气体源选择性地提供具有超过该第一能量含量的已知能量含量的精制气体；阀与用于响应所传输的信号的所述控制单元信号通信，所述阀用于控制来自所述精制气体源的精制气体流动，所述阀能够在第一打开位置和第二关闭位置之间致动，其中所述阀当在所述第一打开位置时选择性地将所述精制气体引入到生物气给料流中，以在检测到所述第一能量含量低于预设最小值时生成混合生物气流；第二样品提取探头用于从所述混合生物气流中的样品提取，所述第二提取探头布置在所述精制气体输入源的下游，用于符合或超过所述预设阈值时的所述混合生物气流的能量含量分析和能量含量验证；和所述混合生物气流的输出。

本发明提供在先实施例的进一步实施例，其特征在于，所述阀是电力致动电磁阀，其与所述控制单元电子信号通信，以调整引入到所述生物气流的精制气体的流动。

本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征在于，从生物气给料流中提取样品是连续的。

本发明提供在先实施例的另一实施例，其特征进一步在于，从生物气给料流中提取样品是周期性的。

本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征在于，从混合生物气中的样品提取是周期性的。

本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征进一步在于，与生物气给料流相关联的第一流动速率感测器，所述流动速率感测器用于检测和生成代表生物气给料流流动速率的信号，其中所述流动速率感测器与所述控制单元信号通信。

本发明提供前述实施例的另一实施例，其特征进一步在于，与所述精制气体源相关联的第二流动速率感测器，所述第二流动速率感测器与所述控制单元信号通信，用于检测和生成代表精制气体流动速率的信号。

本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征进一步在于，用于促进混合生物气的增强均匀性的精制气体冲击管。

本发明提供前述实施例的进一步实施例，其特征在于，冲击管的特征在于细长柱体，带有轴向孔口和间隔的径向取向的精制气体端口，用于在生物气给料流的实质横截面上注入精制气体。

本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征在于，分析器是双流气体色谱仪。

在本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征进一步在于，样品提取分配板。

在本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征在于，使用伴热管将混合生物气样品和未混合生物气样品从相应的样品提取探头连通到分析器。

在本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征进一步在于，第一样品调节器布置在样品提取探头和分析器之间，并与样品提取探头和分析器流体连通，以维持从生物气给料流中抽取的样品的气相稳定性。

在本发明提供前述实施例的另一实施例，其特征进一步在于，与第二提取探头相关联的第二样品调节器。

在本发明提供在先实施例中任一个的另一实施例，其特征进一步在于，系统接口具有处理器、屏幕和输入设备，该系统接口与控制单元信号通信，用于向控制单元传输控制信号，以及从控制单元接收系统数据。

通过使用包括系统接口和与布置在精制气体源的可致动阀信号通信的控制单元的气体混合系统，将来自具有第一能量含量的第一源的生物气给料流与来自具有比第一能量含量高的已知能量含量的第二精制气体源的精制气体混合，以提供具有在选择范围中的第三能量含量的混合生物气的方法满足本发明的前述和再一目的，其特征在于以下步骤：a)抽取来自生物气给料流的样品；b)通过能量含量分析器调节抽取的样品用于分析，并生成对应于生物气给料流能量含量的数据；c)确定生物气流是否具备比预建立的最小值少的能量含量；d)当检测到第一能量含量低于预建立的最小值时通过控制单元生成控制信号并且将控制信号通信到所述可致动阀用于将精制气体注入到生物气给料流中以形成混合生物气；e)抽取混合生物气的样品并分析其能量含量以验证第三能量含量超过预建立的最小值；并且输出混合生物气。

本在本发明提供前述实施例的进一步实施例，其特征进一步在于以下步骤，感测生物气给料流的流动速率和注入到生物气给料流中的精制气体的流动速率，并基于所感测的相应的流动速率生成流动速率比。

本发明提供生物气能量含量和混合系统，其适配成监测来自第一源的生物气给料流的特性，并用于控制从精制气体源(诸如，具有已知的、高能量含量值的天然气或丙烷)引入精制气体，以产生带有满足具体标准和/或已建立的cng发动机保修协议需求的增大能量含量的混合生物气。

如前面提及的专利us9,535,045中所述，气体混合系统能够容易地与提供生物气给料流的多级系统组合采用。具备适于增加生物气给料流的总能量含量的燃烧能量分布的精制气体流被选择性地引入到生物气给料流中。

在示范性实施例中，气体混合系统至少包括分别布置在生物气给料流中的气体弯曲管道段之前的位置的第一样品提取探头和布置在混合生物气流中的气体弯曲管道段之后的位置的第二样品提取探头。第一样品提起探头被用以从生物气给料流中抽取未混合的样品，该样品直接与合适的分析器(如，气体色谱仪(gc))连通。当检测到未混合生物气的燃烧能量水平低于预选择的最小值时，来自控制单元的信号被传输以打开布置在精制气体源和生物气给料流之间的可致动阀(如，电力机械、电磁阀等)。在致动时，阀从关闭位置切换到调制打开或完全打开位置，以将精制气体引入生物气给料流中，以生出具有较高总能量含量的混合生物气。位于下游的第二样品提取探头从精制气体注入的下游抽取混合生物气的样品，该样品被传送到分析器用于成分/能量含量评估。从混合生物气样品获得的数据从分析器传输到控制单元，用于验证达到能量含量的必要增强，以满足最终用户的质量需求。该数据还被采用以控制注入到生物气给料流中的精制气体的流动速率，以最小化由将过量的精制气体引入到生物气给料流中造成的废物。

将精制气体引入到生物气给料流中不必要是连续的。当确定来自第一次提取的未混合生物气给料样品的成分/能量含量足够时，没有增大生物气给料流的能量分布的需要。在这种情况下，控制单元将可致动阀维持在关闭位置，并允许生物气给料流传送到系统输出而没有精制气体混合。

本发明的气体混合方法和系统还可以并入流动感测器，用于检测和测量未混合生物气给料流的流动和精制气体流的流动，向控制单元提供信号传输。造成的流动速率确定提供额外的数据，以补充相应的生物气流和精制气体输入的能量含量分析的确定。这种流动速率测量可以提供增强的准确性，作为确认已获得适当混合的冗余替换性测量，并且可以发出需要信号以增加或减小注入到生物气给料流中的精制气体的量。如果被处理的流动速率数据需要增加或减少精制气体流动体积，则控制单元发送信号，指示需要调制经过阀的精制气体流动。

本发明的气体混合方法和系统还可以在注入点处并入精制气体冲击管辅助，以促进更均匀地横截面引入精制气体到生物气原给料流中。

文中使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。

如文中所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则，单数形式“一”，“一个”和“该”意图包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，根术语“包括”和/或“具有”指定所阐述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存有，但不排除存有或添加其至少一个其他特征、步骤、操作、元素、部件和/或组。

如文中所用，术语“特征在于”，“包含”，“包含的”，“包括”，“包括的”，“具有”，“具有的”或其任何其他变型，旨在涵盖非排他性的包含物。例如，包括特征列表的过程、方法、物品或装置不必要仅限制于那些特征，而是可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或装置固有的其他特征。

用于定义目的并且如文中所用，“连接”包括物理的，无论是直接的还是间接的，附着的或可调配地安装的。因而，除非指定，否则“连接”旨在囊括任何操作上的功能的连接。

在该详细描述中，对“一个实施例”，“实施例”或“在实施例中”的引用意味着所指代的特征包括在本发明的至少一个实施例中。另外，对“一个实施例”，“实施例”或“实施例们”的单独引用不必要指代相同的实施例；然而，除非这样阐述，否则这些实施例都不是相互排他的，除了对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明可以包括文中所述实施例的任何种类的组合和/或整合。

如文中所使用的，并且除非明确地对立地阐述，否则“或”是指代包括性的或，而不是排他性的或。例如，条件a或b由以下任何一个满足：a为真(或存有)且b为假(或不存有)，a为假(或不存有)且b为真(或存有)，和a和b两者为真(或存有)。

如文中所使用的，“实质上”，“大体地”和其他程度的词语是相对修饰语，旨在指示如此修饰的特性的容许变化。它不旨在被其修饰的绝对值或特性限制，而是具备比其相反的更多的物理或功能特性，并且优选地，接近或近似这种物理或功能特性。

在以下描述中，参考了附图，附图借助于图示，示出可以实践本发明的具体实施例。足够详细地描述了以下所图示的实施例，以使本领域技术人员能够实践本发明。要理解，可以利用其他实施例，并且可以不脱离本发明的范围，基于目前已知的结构和/或功能等同物进行结构改变。

附图说明

图1示出现有技术的多级生物气精制系统流程示图的示例。

图2示出根据本发明的实施例的生物气混合和验证系统的处理流程图。

图3示出根据本发明的第二实施例的生物气混合和验证系统的处理流程图。

具体实施方式

图1示出具有四种不同处理水平的现有技术的多级生物气精制系统10。公开的多级精制系统10是包含美国专利no.9,535,045的主题的类型，其内容通过引用其整体并入文中。

图2示出本发明聚焦的气体混合系统20。气体混合系统20连接在多级精制系统10的精制生物气输出水平22处。从多级精制系统10中去除具有近似900-950btu的值的洗涤过的生物气，并且通过生物气给料导管22连通生物气给料流，穿过第一样品提取探头24，未混合生物气给料流在第一样品提取探头24中被取样。将生物气给料样品连通到第一气体样品调节单元28，以保证在非破坏性压力下将样品从提取器传送到分析器所需求的压力降低期间的适当压力和温度。一个这种调节单元的示例是mustangmodel2样品条件系统，类似于us7,484,404及其后续中所描述和所公开的，其内容通过引用并入文中。

在具有与调节器远远间隔的分析器30的实施例中，调节的生物气样品优选地通过热力稳定的伴热管26从样品调节单元28传送到样品分析阵列中的分析器30。在us7,162,933中描述了该类型的伴热功率供给，其内容通过引用并入文中。优选地，分析器30具有多输入能力，诸如可从emerson购得的rosemount570色谱仪，能够测量多个气体样品流的btu值。

由分析器30分析样品后，数据被通信到控制单元32，诸如plc/pid控制器，其在所图示的实施例中是watlow控制器，并且使用具有处理器、触摸屏幕和输出设备的系统接口34来显示。优选地，系统接口34与笔记本电脑或与其联接的其他显示器相关联。基于由控制单元32处理的数据和最终用户的能量含量需求，控制单元32打开精制气体导管38中的可致动阀36(诸如电磁阀)，以促使来自具有已知能量含量的精制气体源40的精制气体与生物气给料导管22中的生物气流的体积混合。优选地，精制气体源40是诸如丙烷源或具有高的已知能量含量水平的高度精制天然气源，当与其混合时，其将增加生物气给料流中的生物气的总能量含量。

阀36与控制单元32信号通信，如，无线或电气通信，并协作以调整经过精制气体导管38的精制气体流动。当来自生物气流样品的数据确立在样品未混合状态中的预存在的成分特性足够满足期望的质量需求时，不需要将精制气体引入到生物气给料流。在这种情形下，控制单元32确保可致动阀36被致动到/保持在关闭位置，以此允许未混合生物气向下游流动用于监管交接或其他使用。然而，更常见的是，生物气给料流具备低于规定的最小阈值的能量含量水平。在这种情况下，能量含量增大是必要的。

为了达到这种增大，图2所公开的实施例以布置在生物气给料导管22和精制气体导管38的交叉处的接合部42为特征。精制气体流流动经过精制气体导管38，并在混合管道接合部42处注入到生物气给料流中。

产生的混合生物气流从气体混合管道接合部42向下游经过第二在线样品提取探头44移动到输出。在提取时，抽取样品，可选地经过样品调节器单元48传送，并传送到分析器。如果系统包括第二分析器50，则样品可以直接传送给它，或者如所图示的，经过歧管或分析器分配板45，允许将混合生物气样品受控接连分配到用于原始的生物气给料流的分析所采用的相同的分析器30。如果指向分析器30，则样品连通导管包括连结到控制单元的电磁致动阀46，以保证该线路与从提取探头24传送到分析器的未混合样品的任何输入隔离，正如未混合的样品导管包括隔离阀46，以防止不期望的流到分析器30的掺混，并提供输入到用于多个样品流的气体性质分析的分析器30的混合和未混合气体样品的操作控制。

在将样品提取连通到分析器30后，并且在混合生物气流到第二分析器50的情况下，将能量含量分析数据通信到控制单元32。当未混合生物气给料流的气体燃烧分布满足最终用户的预建立的最小需求时，阀36保持关闭。然而，当最小值被突破时，然后，控制单元32发送致动信号去打开阀36以将精制气体引入到生物气给料流并生成混合生物气。然后，混合生物气经历(周期性地或连续地)样品提取以及分析，以评定混合生物气的能量含量，确保已满足并且继续满足最小能量含量需求。在检测到具备足够能量含量的生物气给料流时，然后，控制单元32解除电磁阀致动以防止将精制气体引入到生物气给料流中。

使用与处理器/系统接口34相关联的服务程序(诸如softview)，操作员能够维持适于提供所期望的生物气燃烧分布的流动比。在实施例中，watlow控制器在检测到来自gc单元的信号输入故障时自动切换到流动控制。这样造成效率增加和停机时间减少，以此增加生产率和利润。操作员能够通过可选地将系统控制器32切换到手动模式来覆盖自动流动控制。

图3示出根据本发明的生物气混合系统20的第二实施例，其中，分析器30和第二分析器50将数据直接传输到系统接口34，并且系统接口34建立与控制单元32的信号通信。生物气混合系统20进一步包括模块化分配板45(诸如，从mustangsamplingofravenswood,westvirginia购得的mmadp)，以选择性地隔离和控制分别连通到分析器(30，50)的混合生物气样品的压力。

实施例还可以包括系统操作员控制室52，系统操作员控制室52为操作员提供对来自分析器的能量含量结果的测量值和由检测器54生成的流动速率数据的立即访问。如所图示的，控制室52连接到控制单元32，并且可以为系统中的任何电动电磁阀提供可选的操作员手动覆盖控制，以此控制其中生物气给料流的输出和精制气体注入。控制室52还可以包括用于归档和生出能量审计文档的数据记录能力。

在促进在接合部42处的两个流的增强均匀混合的增强实施例中，可以通过伸入到生物气给料流中的冲击管将精制气体引入到生物气流中。沿着冲击管长度以预定间距提供一系列径向定向的轴向间隔的孔，促进精制气体与生物气给料流的更均匀的掺混，并因此有更均匀的混合产物。

在预期落入本发明的精神和范围内的进一步修改例中，并入诸如图2所图示的双流色谱仪的系统包括流动控制回路，其提供基于有效精制气体注入体积的冗余指示流动速率测量和/或操作员在色谱仪离线或需求维护的情形下继续操作的能力之一。尽管回路在独自使用时不提供确认，但依靠流动测量，流动控制回路的存有容许操作员自行决定继续精制气体混合。这种实施例包括流动变送器54(诸如rosemountmodel30515fp整体式孔板变送器)，其分别在线布置在控制单元32和生物气给料导管22之间，控制单元32和精制气体导管38之间。流动变送器54感测生物气给料流导管22和，如果被致动，精制气体导管36相应的流动速率。显示的流动比指示混合输出流的估计但未确认的btu水平/能量含量。当与色谱仪的分析组合时，由流动变送器54检测的流动速率可以被使用于计算流动经过可致动阀36的调配。

本领域技术人员应当理解，受益于前面的描述和相关附图中呈现的教导，将会想到本发明所属的本发明的其他修改例和实施例。因此，要理解，本发明不限于文中公开的具体实施例，并且本发明的许多修改例和其他实施例旨在被包括在本发明的范围内。另外，尽管文中采用了特定术语，但它们仅用以一般性和描述性意义，而不是用于限制本发明的描述的目的。

工业适用性

当生物气给料流的能量含量低于预建立的最小阈值时，通过将已知的较高能量含量的精制气体与未加工的生物气给料流混合，本发明对确证生物气流输出的燃烧能量分布符合最终用户的需求。