[发明专利]用于氢基沼气升级的方法与设备

说明书

技术领域

本发明涉及通过利用氢(hydrogen utilization)在厌氧沼气反应器(anaerobic biogas reactors)中升级沼气(biogas upgrading)的领域。

背景技术

通过有机废物的厌氧消化制造和利用沼气是一种新兴的替代能源技术。沼气被设想为欧洲的新兴可再生能源策略中的关键要素，该策略由欧盟推动，目标是到2020年实现20％可再生能源。丹麦政府还提出了到2020年使用丹麦生产的粪肥的50％用于制造可再生能源的目标，该目标基本上通过沼气的强势扩张来满足。沼气主要含有CH₄(50-75％)和CO₂(25-50％)。将沼气升级至CH₄含量高于90％不仅能提高热值，还能减轻酸性气体造成的腐蚀，由此扩展了沼气作为可再生能源的利用。

沼气升级的一般方法包括水洗、变压吸附、聚乙二醇吸附和化学处理，其目的在于从沼气中除去CO₂。上述方法的成本相对较高，因为它们需要高压或添加化学品。此外，当从沼气中除去CO₂时，也会除去少量CH₄，这有可能提高温室气体排放。为了避免这些缺点并采用使用最少化学品与能量的更温和处理，厌氧微生物可用于将CO₂转化为CH₄来升级沼气(等式1)。该微生物是甲烷杆菌(Methanobacteriales)、甲烷球菌(Methanococcales)、产甲烷微菌(Methanomicrobials)等目中的氢营养型产甲烷菌(hydrogenotrophic methanogens)。处理有机废物的厌氧反应器中的厌氧污泥含有上述微生物并具有一定的氢营养型-产甲烷潜力。因此，可以向厌氧反应器中注入氢气以原位还原CO₂并将沼气升级。

4H₂+CO₂＝CH₄+2H₂O   △G⁰＝-130.7KJ/mol      (1)

用于由CO₂制造CH₄的H₂可以获自风力机。自20世纪70年代在丹麦已经产生了商业风力发电，风力发电目前占丹麦电力供应的接近20％。由于变化的风况和全年的电力需求，最多40％来自风的电力被判断为过剩。利用风力机能力的一种吸引人的方法是将水电解来制造H₂。此外，H₂也可以通过其它来源获得，包括煤气化、石油精炼厂、石化厂和制碱。目前，利用氢存在几个尚未解决的瓶颈，如氢的运输、储存以及在燃料电池中的利用。因此，在沼气工厂中转化氢将提供几个优点，如利用沼气工厂的现有基础设施。此外，在沼气反应器中转化氢将消耗沼气中的一部分CO₂，并由此获得具有较低CO₂含量的升级沼气。从沼气中部分去除CO₂将降低用于将沼气升级至天然气品质的成本，这可以提供沼气的额外利用机会，例如作为汽车燃料，以及改善富CH₄沼气的能量密度与运输容量。最后，与甲烷混合的可能未转化的氢将改善沼气作为燃料的燃烧性能(5-30体积％的氢)。由于气态甲烷的更高沸点和更高的体积能量密度，甲烷的储存成本与氢相比低至少3倍。此外，许多国家已经具有天然气基础设施，这使得升级沼气的分配变得可行。

US2009/013734公开了将来自乙醇工厂的排放物CO₂(气)和H₂(气)转化为CH₄(气)。该H₂(气)通常通过用来自发电厂的廉价非高峰电力水解产生。该方法通过使用产甲烷古菌的微生物发酵进行。

发明内容

沼气目前是增长最快的能源之一。但是，沼气由生物质产生，并含有高比例的CO₂，其作为能源具有低价值。因此理想的是减少沼气中CO₂的含量。通过产甲烷生物(methanogenic organisms)，优选氢营养型产甲烷古菌促进该方法(通常称为沼气升级)。这些有机物优选在7-8的pH下培养。该过程包括向沼气反应器中添加含H₂气体或纯H₂(气)用于原位沼气升级。该氢营养型产甲烷古菌利用H₂将沼气的CO₂和/或溶解在培养基中的CO₂转化为CH₄。