[发明专利]由生物材料厌氧发酵进行生物气提质和产氢的方法和设备

说明书

在生产富能气体甲烷(24)和/或氢(16,26)时由生物材料厌氧发酵进行生物气提质及产氢的方法和设备。所述方法包括向发酵步骤(50)加入氢气以增加所产生的粗生物气(12)中甲烷：CO₂的比。在无在先分离CO₂的情况下使至少部分粗生物气经受吸收强化的重整步骤(70)，其中应用CaO作为吸收剂捕获粗生物气中的CO₂以及重整反应释放出的CO₂。在吸热反应(80)中应用至少部分由待提质生物气直接或间接提供的热再生CaO，从而产生基本纯的氢(15)和基本纯的CO₂(23)。

技术领域

本发明涉及权利要求1的前序部分公开的在生产选自甲烷和氢的富能气体时进行生物材料厌氧发酵的方法，还涉及权利要求12的前序部分公开的实施所述方法的设备。

背景技术

生物气可以由生物可降解材料如粪便、废水和污水、污泥、城市废物、绿色废物、植物材料和农作物的厌氧消化(AD)或发酵产生。生物气主要包含甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)以及少量的硫化氢(H₂S)、水分和硅氧烷。

如果厌氧产生的生物气被用作运输燃料(车用级)，其首先必须提质以脱除杂质和增加其热值(发热值)。这类提质步骤包括干燥、脱硫和CO₂脱除。取决于系统的位置和大小，CO₂分离通常通过水洗、应用有机溶剂的物理或化学吸收、变压吸附或应用膜的渗透实施。

在Group Exhibit 2015 Hydrogen Fuel Cells Batteries,April 14,2015)的演讲(也记录在Elsevier Ltd.出版的Energia Procedia 63(2014)279-285)中，给出并讨论了所谓的生物-ZEG甲烷装置，包括应用固体氧化物燃料电池和应用CaO作CO₂清除剂。但其中没有提到应用含CO₂的粗生物气作为这种方法的原料来源。

US 2015 0284247 A1教导了一种用于生产高纯气的设备，所述设备包括构造用于通过催化反应脱除副产品的吸收强化反应(SE-SMR)的塔。所述塔被划分为多个区，各区具有降低比例的催化剂和增加比例的吸收剂。

US 2013 011326 A1和DE 19 946 381 A1是该技术领域的其它出版物。

但应用生物气的一个主要缺点和挑战是需要提质至生物甲烷，以使其质量可用作(生物)气车辆燃料或作为氢燃料电池电动车(FCEV)的能源。来自食物废物(或其它来源如粪便和废水)处理设施的生物气通常包含55-65％的CH₄和35-45％的CO₂。提质(CO₂脱除)将消耗能量和使整个系统增加大量成本(Luo and Angelidaki,2012)。因此，需要找到一种新的、更有效和成本更低的方法来用于提质厌氧产生的生物气，例如直接用作机车燃料，和用作氢燃料电池电动车中应用的产氢源。

但在该领域仍需要进一步的改进，以使通过消化有机废物产生的燃料作为机车燃料具有竞争力。

这在某种程度上可以通过减少CO₂含量和增加甲烷含量实现，通过向厌氧消化(AD)过程中加入氢，从而将甲烷含量增加至约80％。

发明目的

因此，本发明的主要目的是开发一种新的和成本有效的方法，该方法可基于湿有机底物的厌氧消化生产车用级燃料，同时捕集CO₂或没有负面的气候影响。

发明内容

上述目的通过权利要求1定义的本发明的方法实现。

按另一个方面，本发明涉及权利要求12定义的实施本发明方法的设备。