[发明专利]使用多种类型膜生产生物甲烷

说明书

本发明涉及一种从消化池生物气或填埋气体回收甲烷的方法。更具体而言，本发明关于一种用于生产生物甲烷的方法，该方法利用至少两种不同类型的分级膜模块从压缩的消化池生物气中去除杂质，以产生具有至少94％CH₄、低于3％的CO₂、以及低于4ppm的H₂S的生物甲烷。

发明领域

本发明关于通过经由多个膜级处理压缩生物气来生产生物甲烷，其中至少两个膜级具有不同的膜类型。

背景技术

生物气典型地是指在厌氧消化过程中，有机物在没有氧气的情况下分解而产生的不同气体的混合物。生物气可以由比如农业废物、粪肥、城市废物、植物材料、污水、绿色废物或食品废物等原材料产生。生物气典型地包含50％-70％的甲烷(“CH₄”)和20％至50％的二氧化碳(“CO₂”)作为主要组分，以及较低量的其他组分，诸如N₂和O₂、最多5,000ppm或更多的硫化氢(“H₂S”)、硅氧烷、最多1,000ppm-2,000ppm的挥发性有机化合物(“VOC”)，并且经水饱和。生物气还包括填埋气体(“LFG”)，该填埋气体源自固体废物填埋场，这些固体废物填埋场经由微生物消化各种有机废物而随时间分解为有机废物，以产生甲烷和CO₂。在任一种情况下，生物气都包含高浓度的甲烷和二氧化碳、水蒸气、以及较低浓度的VOC和其他污染物。

具体而言，消化池生物气(“沼气”)或填埋气体是一种类型的可再生能源。甲烷或天然气是用于提供能源的可燃燃料，也是许多重要工业过程中的原材料。因此，从经济和环境角度来看，非常期望从消化池或填埋场废气中捕集甲烷，尤其是因为生物气是可再生资源而不是化石燃料。

如果没有回收消化池和填埋场废气，则逸出到环境空气中的甲烷将成为空气污染源。因此，出于环境保护的目的，进一步期望防止由厌氧消化产生的甲烷排放。传统上，消化池或填埋场废气已在明火焚烧炉(诸如火炬烟囱)中燃烧，以防止气体逸出到环境中。此燃烧过程效率低下，并且因此废气中的一大部分甲烷和其他有害污染物得以幸存，从而污染环境空气。进一步，当燃烧CO₂时，排出潜在的温室气体。此外，常见的火炬烟囱操作浪费了废气中由甲烷所保持的有用能量。

已经开发出用于从消化池和填埋场废气以及粗天然气的其他来源中回收甲烷的其他常规方法。这些方法包括气体分离方法，其中将有用的甲烷与源气体的其他组分分离。有利的常规气体分离方法典型地利用吸附-再生技术，其中通过吸附剂材料处理粗气体，该吸附剂材料使粗产物的选定组分通过并排斥其他组分。例如，变压吸附(“PSA”)或变温吸附(“TSA”)技术涉及将粗气体的污染物选择性吸附到吸附剂颗粒上，并且使所谓的脱硫(sweetened)气体经过PSA/TSA单元。

不幸的是，PSA/TSA单元中的吸附剂颗粒最终被污染物饱和，并且超过最大量失去其吸附能力。因此，在可以从粗产物中去除更多污染物之前，必须再生吸附剂颗粒。再生过程通常涉及将饱和颗粒暴露于高温和/或低压下，并且用具有低浓度污染物的流体进行再生，以促进污染物从颗粒中解吸。例如，TSA需要热能供应来加热再生气体，而PSA需要清洁、通常为低压的气体供应。另外，吸附-再生技术还需要用于去除水蒸气和例如通过将其压缩到高压来预处理粗气体的支持设施。因此，在财务和能源消耗方面，操作常规的吸附-再生技术，从消化池和填埋场废气中回收有用的甲烷是非常昂贵的。

相比之下，膜系统是通用的并且已知处理各种进料组成和分离。具有非常紧凑的占有面积和低重量，这些膜系统非常适于海上应用、远程位置或适于较小流量。露点控制的最新进展包括以冷凝模式运行的膜设计，以及允许从天然气中同时去除水和重烃的膜。