用于制造生物甲烷和生态甲烷的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于生产生物甲烷和生态甲烷的方法，以及用于制造生物甲烷和生态甲烷的系统。所述方法包括使生物质热解成生物碳并与粉碎且可能适当制备的化石碳混合的工艺，以及使用使碳混合物加氢气化的工艺。所述系统由碳加氢气化反应器，生物氢生成反应器，蒸气和煤气分离器，生物质热解反应器，碳混合物制备装置，废热锅炉，加热气体预热器，热交换器，输送机，用于液体、蒸气和气体的管线和泵组成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的主题是用于通过生物碳和化石碳的加氢气化(其中生物氢是气化剂)制造生物甲烷和生态甲烷的方法。
技术介绍
生物氢是通过生物甲烷与水蒸气的反应由生物质形成的产物。生物甲烷是使用生物氢使生物碳加氢气化的产物。使用生物氢使煤或褐煤加氢气化的产物是生态甲烷。生物碳是优选具有高含量纤维素、半纤维素和木质素的干生物质热解的产物。另外有利的热解产物是下文中称为热解气体的可燃蒸气和气体。生物质在170℃至270℃下不完全热解的产物是化学性质与褐煤的化学性质相似的包含约60％至65％元素碳C’的半碳。生物质在高于270℃(优选300℃)温度下完全热解的产物是化学性质与煤或焦炭的化学性质相似的包含约65％至80％元素碳C’的生物碳。根据JerzySzuba,LechMichalik的题为：\Karbochemia\,publishinghouse,1983的书已知使用主要通过细焦炭或煤的基于蒸汽和氧气的气化获得的氢气来加氢气化的方法。根据该书已知InstituteofGasTechnology(USA)开发的HYGAS法。HYGAS法是与细焦炭气化组合的煤加氢气化的高压方法，其能够获得高热值气体(天然气的代替物)。该工艺存在三个测试版本，不同之处在于生产加氢气化用的氢气的方法不同。氢气通过氧气-蒸汽煤气化或电热气化而获得，或者作为用得自细焦炭气化的气体使铁氧化物氧化还原(蒸汽-铁体系)的结果而获得。根据该书已知的是通过PittsburghEnergyResearchCenter(USA)开发的Hydrane法。Hydrane法在于通过使煤与氢气直接反应获得高热值气体。煤原料(任何等级)与包含在热气中的氢气反应。在815℃下发生气化过程。在悬浮于内部反应器中的并流(co-current)、下落(falling)和减薄床(thinnedbed)中发生煤气化。使由此产生的细焦炭沉淀在内部反应器的流化床中，从而经历与氢气的进一步反应。内部反应器和外部反应器形成单个装置。用于所述工艺的氢气在独立反应器中通过对一部分细焦炭进行蒸汽-氧气气化而获得。根据专利说明书US2011/0126458A1已知的是用于通过用氢气和蒸汽使煤原料加氢气化的组合生产富含甲烷的气体燃料的方法。在约700℃至1000℃范围温度和约132kPa至560kPa的压力下，使用氢气和过热蒸汽对煤的水性浆料进行气化。这种气化的产物是氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。在分离器中将氢气与该混合物分离并且再循环返回至还供应有蒸汽的SHR碳气化炉中，并且CH4、CO和CO2的混合物是富含甲烷(高达40％的CH4)的燃料气体。根据BohdanStaliński,Janusz的题为：\Wodóriwodorki\,WydawnictwoNaukowo-Techniczne,Warszawa,1987的书已知在通过燃烧天然气从外部加热至约500℃的温度的钢管中在催化剂(负载在陶瓷基底上的镍)存在的情况下下天然气甲烷与蒸汽的反应中制造氢气的方法。使用约25％的进入反应器中的气体加热所述管。所有这些甲烷制造方法的特征是对元素碳C的大量消耗——对于产生两分子的CH4而言，消耗至少5个元素碳原子C。这限制了碳加氢气化工艺的效率。所述方法的特征在于CO2向大气的高排放和固体废物向环境的排放增加。
技术实现思路
本专利技术解决了以下问题：应用来自中耕作物的基于植物的原材料和有机废物并完全使用具有高含量纤维素、半纤维素和木质素的生物质产生生物碳和生物甲烷，以及随后用于使生物碳加氢气化成生物甲烷以及使化石碳加氢气化成生态甲烷的生物氢，并且产生所得燃料的化学能转化成电的超过60％的高转化效率。通过以下步骤获得这些效果：在生物质热解过程中产生生物碳，形成生物碳与化石碳的混合物，并且使用生物氢使所述混合物气化，所述生物氢利用生物甲烷、蒸汽在存在催化剂和通过加热气体(加热气体使用来自细焦炭、多余氢气和热解气体燃烧的热能以及使用太阳能进行预热)从外面供应的热的情况下获得，这导致太阳能的累积。用于制造生物甲烷和生态甲烷以及电能和热能的方法使用下述工艺进行：使生物质热解成生物碳，所述生物碳与粉碎且可能适当制备的化石碳混合的工艺，以及使碳混合物加氢气化成原煤气、所述原煤气的脱硫以及分离成氢气和甲烷的工艺，使用在存在催化剂与由外部供应的热量的情况下在甲烷与蒸汽的反应中产生氢气的工艺，所述方法的特征在于，使粉碎干燥的基于植物的原材料或废料原材料单独地或以特定的组的形式经历热解过程，所述热解过程或者在170℃至270℃的温度范围内在标准压力下进行以产生半碳和热解气体，或者在270℃至300℃的温度范围内进行以产生生物碳和热解气体，或者在高于300℃的温度范围内进行，所述热解气体中的一部分通向生物质热解装置以进行生物质的热解，并且热解气体的另一部分通向预热器以对加热气体进行预热。所获得的包含约60％至65％的元素碳的半碳优选与粉碎的褐煤混合，而包含约65％至80％的元素碳的生物碳与粉碎的煤混合，来自生物碳的元素碳C’与来自化石碳的元素碳C的比率优选为C’:C＝1:1。将前一混合物或后一混合物供应至第一碳加氢气化反应器，其中使用生物氢进行完全加氢气化工艺以产生原煤气和灰分，或者进行煤与生物碳或者褐煤与半碳的不完全加氢气化工艺以产生原煤气和细焦炭。细焦炭通向预热器以对加热气体进行预热并燃烧。将所获得的原煤气(在第二热交换器中冷却)进行脱硫，随后分离成氢气、剩余气体以及由纯生物甲烷和生态甲烷组成的甲烷混合物。将来自原煤气冷却的热量运送至预热器中以对加热气体进行预热并且运送至产生工艺用汽和电力用汽的废热锅炉中的第一热交换器。将甲烷运送至气体分配管线或者压缩机或冷凝器或者供给产生电能和热能的发电装置。将一部分甲烷(为生物甲烷的形式)供应至第三生物氢生成反应器，其中在由废热锅炉供应的热蒸汽以及通过加热气体供应至所述反应的热的反应中，在约500℃至700℃的温度下于催化剂的存在下，产生生物氢和CO2的混合物，其在废热锅炉中冷却下来之后分离成CO2和运送至第一反应器中的碳混合物加氢气化工艺的生物氢。将加热气体在预热器中预热至在第三反应器中进行生物氢生成反应所需的约800℃至1200℃的温度，所述预热使用供应有来自第二生物质热解反应器的热解气体的燃气燃烧器和/或使用从原煤气中回收的多余氢气以及使用供应有研磨的细焦炭或煤或生物碳的粉末燃料燃烧器。由此加热的加热气体流进入第三反应器中以加热其中发生生物氢和CO2生成的工艺的管。半碳与褐煤或者生物碳与煤的粉碎干燥的混合物在使用CO2将空气从其中除去之后从碳混合物制备装置供应至第一反应器。在第一反应器中，碳混合物的加氢气化工艺首先在内室中在与从所述内室顶部引入的气体并流落下的悬浮床中进行，所述气体在约2.5MPa至7.5MPa的压力下在约815℃的温度下包含约50％的H2和50％的CH4。在该过程中获得的原煤气穿过第一反应器进入蒸气和煤气分离器，所述原煤气在此除去灰尘和共混的气体，并且特别进行脱硫，之后其被分离成由生物甲烷和生态甲烷组成的干净甲烷混合物以及纯氢气，所述氢气部分再循环返回至生物氢流。其他部分的氢气(为多余氢气)被运送至预热器中的燃烧器。部分反应的碳混合物被供应至第一反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产生物甲烷和生态甲烷的方法，所述方法使用下述工艺进行：使用使生物质热解成生物碳并与粉碎且可能适当制备的化石碳混合的工艺，以及使用使碳混合物加氢气化的工艺，所述方法的特征在于，使粉碎干燥的基于植物的原材料或基于废料的原材料单独地或以特定的组的形式经历热解过程，所述热解过程或者在约170℃至270℃的温度范围内在标准压力下进行以产生半碳和热解气体，或者在约270℃至300℃的温度范围内进行以产生生物碳和热解气体，或者在高于300℃的温度范围内进行，所述热解气体中的一部分通向第二生物质热解反应器以进行生物质热解，所述热解气体中的另一部分通向预热器以对加热气体的流进行预热，而所获得的包含约60％至65％的元素碳的所述半碳优选与粉碎的褐煤混合，而包含约65％至80％的元素碳的所述生物碳与粉碎的煤混合，基于生物碳的元素碳C’与基于化石碳的元素碳C的比率优选为C’:C＝1:1，将前一混合物或后一混合物供应至第一加氢气化反应器，其中使用生物氢进行完全加氢气化工艺以产生原煤气和灰分，或者进行煤与生物碳的或者褐煤与半碳的部分加氢气化工艺以产生原煤气和细焦炭，而所述细焦炭通向预热器以对加热气体流进行预热，同时使所获得的在第二热交换器中冷却的原煤气经历脱硫工艺，随后分离成氢气、剩余气体以及由纯生物甲烷和生态甲烷组成的甲烷混合物，而来自所述原煤气冷却的热通向预热器中以对加热气体进行预热以及通向产生蒸汽的废热锅炉中的第一热交换器，而所述甲烷的一部分通向气体分配管线并且另一部分供应至第三生物氢生成反应器，其中在生物甲烷与来自所述废热锅炉的热蒸汽的反应中，利用通过加热气体供应至所述反应的热量，在约500℃至700℃的温度下且在催化剂的存在下，形成生物氢和CO2的混合物，所述混合物在所述废热锅炉中冷却之后分离成CO2和通向所述第一反应器中的碳混合物加氢气化工艺的生物氢，而将所述加热气体在预热器中预热至在第三反应器中进行生物氢形成反应所需的约800℃至1200℃的温度，所述预热使用供应有来自所述第二生物质热解反应器的热解气体的燃气燃烧器和/或使用从所述原煤气中回收的多余氢气以及使用供应有研磨的细焦炭或碳或生物碳的粉末燃料燃烧器，并且将由此加热的加热气体流供应至所述第三反应器。...

【技术特征摘要】
2015.07.02 PL P.4129991.一种用于生产生物甲烷和生态甲烷的方法，所述方法使用下述工艺进行：使用使生物质热解成生物碳并与粉碎且可能适当制备的化石碳混合的工艺，以及使用使碳混合物加氢气化的工艺，所述方法的特征在于，使粉碎干燥的基于植物的原材料或基于废料的原材料单独地或以特定的组的形式经历热解过程，所述热解过程或者在约170℃至270℃的温度范围内在标准压力下进行以产生半碳和热解气体，或者在约270℃至300℃的温度范围内进行以产生生物碳和热解气体，或者在高于300℃的温度范围内进行，所述热解气体中的一部分通向第二生物质热解反应器以进行生物质热解，所述热解气体中的另一部分通向预热器以对加热气体的流进行预热，而所获得的包含约60％至65％的元素碳的所述半碳优选与粉碎的褐煤混合，而包含约65％至80％的元素碳的所述生物碳与粉碎的煤混合，基于生物碳的元素碳C’与基于化石碳的元素碳C的比率优选为C’:C＝1:1，将前一混合物或后一混合物供应至第一加氢气化反应器，其中使用生物氢进行完全加氢气化工艺以产生原煤气和灰分，或者进行煤与生物碳的或者褐煤与半碳的部分加氢气化工艺以产生原煤气和细焦炭，而所述细焦炭通向预热器以对加热气体流进行预热，同时使所获得的在第二热交换器中冷却的原煤气经历脱硫工艺，随后分离成氢气、剩余气体以及由纯生物甲烷和生态甲烷组成的甲烷混合物，而来自所述原煤气冷却的热通向预热器中以对加热气体进行预热以及通向产生蒸汽的废热锅炉中的第一热交换器，而所述甲烷的一部分通向气体分配管线并且另一部分供应至第三生物氢生成反应器，其中在生物甲烷与来自所述废热锅炉的热蒸汽的反应中，利用通过加热气体供应至所述反应的热量，在约500℃至700℃的温度下且在催化剂的存在下，形成生物氢和CO2的混合物，所述混合物在所述废热锅炉中冷却之后分离成CO2和通向所述第一反应器中的碳混合物加氢气化工艺的生物氢，而将所述加热气体在预热器中预热至在第三反应器中进行生物氢形成反应所需的约800℃至1200℃的温度，所述预热使用供应有来自所述第二生物质热解反应器的热解气体的燃气燃烧器和/或使用从所述原煤气中回收的多余氢气以及使用供应有研磨的细焦炭或碳或生物碳的粉末燃料燃烧器，并且将由此加热的加热气体流供应至所述第三反应器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将半碳与褐煤的或者生物碳与煤的粉碎干燥的混合物从碳混合物制备装置供应至所述第一反应器，在此碳混合物加氢气化过程首先在内室中在与从所述内室顶部供应的气体并流落下的悬浮床中进行，所述气体在约2.5MPa至7.0MPa的压力下在约815℃的温度下包含约50％的H2和50％的CH4，在所述过程中获得的原煤气被运送至蒸气和煤气分离器，所述原煤气在此去除灰尘和共混的气体，尤其经历脱硫，之后其被分离成由生物甲烷和生态甲烷组成的纯甲烷混合物以及纯氢气，而部分转化的碳混合物被运送至所述第一反应器的外室，在此利用氢气使其经历完全转化以生成灰分和氢气+甲烷气体，或者用生物氢和氢气使其经历完全转化以生成细焦炭和氢气+甲烷气体或者部分转化成细焦炭和所述氢气+甲烷气体，而所述氢气+甲烷气体被供应至所述反应器的内室。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一高压反应器中，所述碳混合物在与矿物油以1:2.5至1:3.5的比率合并之后被使用喷嘴以悬浮体的形式供应至所述反应器的被称作蒸发区段的最高区段，其中在约6.8MPa的压力下和在约315℃的优势温度下，所述油被蒸发并且其蒸气与热原煤气一起排放至蒸气-煤气分离器，在此使被回收并随后在冷凝器中冷凝的矿物油再循环返回至油包碳的悬浮体制备装置中，而使经纯化，尤其在脱硫之后的原煤气分离成甲烷混合物和与生物氢组合的纯氢气，而将约300℃温度下的落下的干燥的碳和生物碳颗粒运送至所述第一反应器的中间区段，其中所述颗粒在离开所述反应器的被称为碳加氢气化的第二级的底部区段的含生物氢的气体的流中经历流化，而在被称为碳加氢气化的第一级的中间区段中，在约650℃的升高的温度和6.8MPa的压力下进行碳和生物碳的脱气和部分加氢气化，然后，在所述反应器的底部区段的流化床中，在750℃至950℃的温度下使用供应至所述底部区段的生物氢和氢气使部分转化的碳混合物经历完全加氢气化。4.根据权利要求1和权利要求2和权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热气体是对所述第三反应器的材料为惰性的气体，优选CO2、氮气、氦气或氩气，或者是具有高比热的气体，或者是具有高沸点的液体，所述加热气体将热携带至所述第三反应器用于生物甲烷与蒸汽反应，所述热的量为在约500℃至700℃的温度下在Ni/Al2O3催化剂存在下足以进行生物氢和CO...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚当·克里洛维奇，雅罗斯瓦夫·克里洛维奇，
申请(专利权)人：比卡尔博股份公司，
类型：发明
国别省市：波兰;PL