由废弃物生产生物甲烷的方法和设备

摘要

一种由碳基质废弃物生产甲烷(生物甲烷)的工艺，通过使用氧气(使用氧气的气化)的HT转化(>1000℃)，无任何污染物排放，特别地，无氮氧化物和硫氧化物的排放，所述工艺包括多个高温(>1000℃)转化器和相应的一个或多个第一纯化处理单元，然后在单个线路中进行第二纯化处理以进一步纯化合成气，然后进行CO变换、甲烷化和CO2去除。在执行该工艺的设备中，原始合成气通过多个HT转化器和用于每个所述HT转化器的纯化处理部分，根据工厂产能，在多条生产线上生产，以减少到下游工艺的合成气流和组成的波动并增加具有至少两个始终处于运行状态的HT转化器的整个工厂的可运行时间。

说明书

技术领域

本发明涉及生产生物甲烷的方法和相关设备，该方法和相关设备能将废弃物或废弃物衍生燃料(也称为RdF，代表垃圾衍生燃料)替代天然气或其它碳氢化合物。

一般地，本发明涉及将废弃材料，优选工业或城市废弃物或废弃物衍生的燃料，转化为化学品，更具体地，转化为(生物)甲烷。

工业废弃物的一些实例是化学溶剂、颜料、污泥、金属、灰分、涂料、砂纸、纸制品、工业副产品、有毒废弃物、化学废弃物、工业固体废弃物以及城市固体废弃物，这些也都称为工业废弃物。

在欧洲联盟中，城市废弃物的语义定义是“混合城市废弃物”，在《欧洲废弃物目录》中，给予的废弃物代码为20 03 01。尽管废弃物可能来自与城市当局无关的几种来源，但城市当局在收集和管理这些种类的废弃物中的传统作用，产生了词源“城市”。在任何情况下，城市废弃物中都会存在着碳基质。

背景技术

众所周知，世界范围内人口和财富的增长导致产生的废弃物量急剧增加。

废弃物量的增加导致可供处置废弃物的区域短缺，从而导致不可持续的废弃物管理。这些问题引起了公众的密切关注，进而导致旨在减少进入环境的废弃物量的政治行动。这些行动旨在促进可持续的废弃物管理解决方案。这些政策的主要目标是促进城市固体废弃物的循环利用以及将废弃物转化为能源和有价值的化学品。可以使用生物学(如厌氧消化)或热化学工艺(如热解)来进行这些转化。过去几年的研究工作取得了丰硕的成果，许多出版物证明了将城市固体废弃物转化为能源和化学品的有效途径。

根据现有技术，已经通过来自有机废弃物的厌氧分解而产生第一代生物甲烷，这是有机物质自然分解的结果。这种原始或经过稍微预处理的气体称为沼气，可以在本地用于发电、供热，或在联合循环过程中两者兼用。在进一步纯化后，沼气变成生物甲烷，与天然气质量相同的100％可再生能源，其可用于车辆或注入天然气网络。

第二代生物甲烷是利用木质纤维素生物质(木材和稻草)的气化，采用“热化学转化”工艺生产的。该工艺分两个阶段进行：首先，将生物质转化为合成气；然后将这种合成气通过催化合成转化为生物甲烷。

第三代生物甲烷来自使用自然光、水和矿物质在高产量的光合作用反应器中培育的微藻类的直接转化，同时回收利用CO

在过去的几年中，尽管越来越多的废弃材料被回收利用(纸张、一些材料、塑料)，但传统的废弃物管理的驱动力是最大限度地降低收集和填埋的成本，而不是回收和焚烧。

利用废弃物或传统回收利用过程中的残余物作为化学生产的新来源的新想法正在出现(“Waste as a source of carbon for methanol production”in methanol

通过使用氧气的高温转化，由废弃物产生清洁的合成气，是遵循这种循环经济的模型(也参见专利申请WO2018/066013A1)。这种方法旨在节省资源，主要是碳氢化合物，并最大程度地减少排放和污染，因此就CO

使用生物质、废弃物或废弃物衍生燃料作为原料的现有技术气化反应器是基于空气的，并且不能(直接)用于生产纯生物甲烷(例如，WO2011/008236A2、WO2009/091325A1、美国专利号5,584,255或6,958,136或6,455,011B1)。

在使空气在750-900℃的温度范围内进行空气气化的技术中，合成气中含有氢气(H

甲烷化工艺已被深入研究并广泛用于去除合成气混合物中的一氧化碳，特别是在氨生产工艺中。

鉴于以上所有情况，很明显需要一种生产合成气的方法和设备，所述合成气用于随后的生物甲烷的生产，以完全替代碳氢化合物的使用。

本发明的另一个目的是使与废弃物处理有关的排放最小化。

本发明的另一个目的是将废弃的碳基质回收利用成有价值的产物-甲烷，以捕获否则排放的CO

本发明的又一个目的是提供一种通过生产甲烷来制备化学品的成本效益的方法。

根据本发明，这些和其它结果是通过将废弃物的使用氧气的高温转化(>1200℃)与以及H

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于生产富含CO/H

发明人从这样的观察出发，即通过使用氧气的高温转化产生的合成气具有使甲烷化反应可行的组成，尽管它包含在这种反应之前需要去除的污染物。

尽管合成气组成取决于废弃物组成，但我们可以识别出以下系列的成分/污染物：

-金属材料，例如铁、铅、铬、铜等，其主要从HT转化器底部排出；和其它污染物，包括：

a.主要以HCl的形式存在的氯化合物，

b.主要以HCN和NH

c.以H

d.主要以氧化物或甚至金属形式存在的颗粒状化合物。

-为了去除这些污染物，提供了一种方法和设备，其中通过第一纯化处理从产生的合成气中去除一部分上述污染物，其包括：

-酸性洗涤

-碱性洗涤

-用湿式静电除尘器(WESP)除雾

-用过冷水(subcooled water)清洗

液体流通过第一纯化处理产生，并将其与其它废水一起送入废水处理区。排放的液体经过处理，使金属沉淀。浓缩得到的沉淀相以获得含有大部分污染物的浓缩污泥和澄清的液体流，该液体流被送至热蒸发工艺(多效蒸馏)以获得适合内部再使用的纯化流。

在过冷的洗涤柱中冷却至15-20℃的合成气通过回收下游工艺中的低级热量而被预热至30-40℃。它被积累到大气储存系统中，从此处被压缩到10-20barg，然后进入第二纯化处理，所述第二纯化处理包括：

-脱金属步骤

-脱氯步骤

-COS和HCN水解

-通过将H

-精制床去除痕量的H

合成气完全纯化后，将被送至：

-水煤气变换反应器，它将用于：

最大程度地增加流中H

尽管甲烷化反应也可以处理CO，

但它在最终气体中的存在，肯定比CO

-一个或多个甲烷化反应器

-过量的CO

在本发明的优选实施方案中，取决于产能，由多个反应器进行第二纯化处理、CO变换转化和最终甲烷化。在本说明书中使用的术语“包括(comprises)/包括(comprising)”用于指定一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或其组的存在或增加。

附图说明

参考附图，从对本发明的以下描述中，本发明的实施方案的这些和其它方面、特征和优点将变得显而易见并得到阐明，其中：

-图1是由废弃物和氧气的HT转化生产的合成气制造生物甲烷的整个工艺的示意图，图中有多条生产线；

-图2是根据本发明的第一纯化处理的示意图；

-图3是根据本发明的与HCl和金属颗粒去除相关的第二纯化处理的示意图；

-图4是根据本发明的与H

-图5是根据本发明的CO变换、甲烷化和CO

-图6是具有热回收利用的多个甲烷化反应器的示意图；

-图7是根据本发明的基于多个HT转化器的第一纯化处理的示意图；

-图8是具有主要流的整个工艺的示意图。

具体实施方式

参照附图描述本发明的特定实施方案。然而，本发明可以许多不同的形式来实施，并且不应被构造为限于本发明所设定的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开能够贯穿和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

图1示出了根据本发明的一个实施方案的概况，取决于工厂产能，其中该工艺的前端由多个使用O

本发明的特定特征是使用这样的多个，以允许：

减少到下游工艺的合成气流和组成的波动；

增加具有至少两个始终处于运行状态的高温转化器线路的整个工厂的可运行时间。

参考图1，根据所述实施方案，一种由在高温下和使用氧气的碳基质废弃物转化产生的合成气生产生物甲烷的工艺，无任何污染物排放，特别是无氮氧化物和硫氧化物、CO和颗粒排放，该工艺包括以下步骤：

-基于多条生产线，废弃物到合成气的高温转化100；

-第一纯化步骤120，同样基于多条生产线，从原始合成气中去除颗粒、大量金属、氯和NH

-压缩步骤140，随后是在脱氯/脱金属反应器中的第二纯化160；-H

-CO变换转化200；

-基于单条生产线多个反应器的甲烷化步骤220；

从生物甲烷流240中的CO

一旦在适当的热回收锅炉或淬火器中冷却(未示出)，就将来自使用氧气的有机废弃物或垃圾衍生燃料(RDF)的HT转化器100的原始合成气纯化，以消除相应处理部分120中的上述污染物的一部分。

图2示出了第一处理部分120的不同步骤。所述第一处理包括淬火器121，用酸性柱子122，随后在柱子123中用碱性溶液进行的双洗涤步骤，和随后的WESP(湿式静电除尘器)124，进一步去除颗粒和氯，并在125中用过冷水洗涤合成气，并在方框126中预热，以降低其压缩140之前发生冷凝的风险。

图3示出了进一步的纯化部分，其中在方框161和162中分别去除金属和氯化物，然后在方框180中去除H

图4示出了部分180的进一步纯化步骤，其中COS和HCN水解为H

图5示出了CO转化步骤(200)，其中通过添加蒸汽将CO转化为CO

在本发明的优选实施方案中，甲烷化反应器是与中间冷却和除水串联的绝热床，以促进CO

下表报告了两种不同案例研究的实验测试结果，其中：

-表1是两种不同废弃物进料的示例；

-表2是基于典型RDF(废弃物1)的与进料相关的总体物料平衡，

-表3是基于典型塑料废弃物(废弃物2)的与进料相关的总体物料平衡。

表1

表2

(*)参考废弃物1–表1中的RDF

表3

(*)参考废弃物2–表1中的塑料废弃物

参考图8、表2和表3，报告了与主要工艺流有关的热量和物料平衡。第一个与基于典型Rdf的进料1有关，第二个与典型的塑料废弃物有关。表1中的相对组成显示为废弃物1和废弃物2。

从废弃物1开始，如在表2的第8栏中看到的，对应于从图8的方框240中获得的最终生物甲烷流8，甲烷体积百分比为89.9，不存在颗粒化合物，氯化合物如HCl和氮化合物如H

从废弃物2开始，如表3所报告的，流8的组成为90.2％vol的甲烷，不存在颗粒化合物，氯化合物如HCl和氮化合物如H

两次实验测试的结果证明了根据本发明的方法和相关设备从废弃物中生产生物甲烷的效率。

尽管出于清楚理解的目的已经通过图示和示例的方式详细地描述了前述发明，但是本领域技术人员将理解，可以在所附权利要求的范围内实施某些改变和修改。