СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ МЕТАНА ИЗ БИОГАЗА Российский патент 2015 года по МПК B01D53/75 C10L3/06 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к выделению газов и газообразных соединений в смешанном потоке и, в частности, к способу и системе для выделения и очистки метана из биогаза.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Захват, выделение и очистка метана из источников, вырабатывающих биогаз, например анаэробных ферментеров и мест хранения отходов, позволяет использовать очищенный метан в качестве заменителя природного газа. Обычный способ выделения и восстановления чистого метанового газа из биогаза требует, чтобы собранные неметановые органические соединения (NMOC) термически разрушались в двигателях, камерах сгорания, факельных системах или установках для термического окисления. Такое термическое разрушение неметановых органических соединений (NMOC) биогаза приводит к образованию диоксида углерода (парникового газа), который дополнительно усиливает глобальное потепление.

Авторы настоящего изобретения не знают ни одного способа, позволяющего выделить и очистить метан из газов биогаза без образования диоксида углерода в результате неизбежной фазы термического разрушения способа очистки биогаза. Таким образом, существует потребность в способе и системе для выделения газов биогаза, в частности неметановых органических соединений (NMOC), без создания газовых потоков диоксида углерода для получения потока практически очищенного метана, взаимозаменяемого с природным газом.

Таким образом, желательны способ и система для выделения и очистки метана из биогаза, решающие вышеупомянутые проблемы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В способе и системе для отделения и очистки метана от биогаза выделяют биогаз, очищают пригодный к использованию метан и собирают неметановые органические соединения (NMOC), тем самым избегая термического разрушения неметановых органических соединений и последующего выброса парниковых газов в атмосферу. В способе собирают газовый поток сырого биогаза, который содержит метан, диоксид углерода, воду, серосодержащие соединения и газы/пары NMOC. Поток биогаза подают во входное отверстие скруббера для жидкой серы или установки для адсорбции серы, где биогаз выделяют в основной газовый поток, направляемый ниже по потоку в системе, и поток серосодержащих соединений, который выводят из системы. Основной газовый поток обрабатывается абсорбером NMOC и дополнительно ниже по потоку адсорбером NMOC. NMOC, извлеченный посредством обоих процессов обработки NMOC, сжижают, выводят из системы и сохраняют.

Ниже по потоку от обработки NMOC основной газовый поток обрабатывают при помощи по меньшей мере одной из установок для выделения газов СО₂, N₂, О₂, которая получает пригодный для использования поток продукта обогащенного метанового газа и поток отходящего газа, который направляют в газоотводную установку короткоцикловой адсорбции (VPSAU) для выполнения процедуры адсорбирования отходящего газа для удаления и рециркуляции. Выполнение процедуры адсорбирования потока отходящего газа может дополнительно включать этап приведения в контакт вышеуказанного потока отходящего газа с нанопористыми и/или микропористыми адсорбирующими материалами, избирательными в отношении метана и неметановых органических соединений (NMOC) и неизбирательными в отношении диоксида углерода, кислорода и азота.

Эти и другие признаки настоящего изобретения станут очевидными при дальнейшем рассмотрении следующего описания и графических материалов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Единственный чертеж представляет собой блок-схему, показывающую пример системы для выделения и очистки метана из биогаза по настоящему изобретению.

Одинаковые номера позиций обозначают соответствующие особенности последовательно для всех прилагаемых графических материалов.

ЛУЧШИЕ СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В способе и системе для выделения и очистки метана от биогаза выделяют биогаз, очищают пригодный для использования метан и собирают неметановые органические соединения (NMOC), тем самым избегая термического разрушения NMOC и получаемое удаления парниковых газов в атмосферу. Система включает устройство для сбора потока сырого биогаза (например, ферментер или место хранения отходов), с помощью которого в способе можно собирать газовый поток сырого биогаза, который включает по меньшей мере метан, диоксид углерода, воду, серосодержащие соединения и газы/пары NMOC. Как показано на чертеже, в способе выделяют газовый поток сырого биогаза, по меньшей мере в один поток серосодержащих соединений и основной газовый поток. Специалистам в данной области техники будет понятно, что поток газа и жидкие потоки, описываемые в данном документе, можно обеспечить при помощи компрессорных и/или насосных установок, расположенных по всей системе 100. Что касается каждого этапа обработки системы 100, описанной в данном документе, такой этап обработки может происходить в резервуаре высокого давления подходящей конструкции для обеспечения описанного процесса. Кроме того, требуемые тепловые операции и операции конденсации можно обеспечить с помощью теплообменников по всей системе 100.

Действие анаэробных бактерий на отходы в ферментерах или местах хранения отходов 5 создает биогаз, который подают в трубопровод 2 для направления потока сырого биогаза, который содержит метан, диоксид углерода, воду и газ/пары неметановых органических соединений (NMOC). Воздух также может проникать в ферментеры/места хранения отходов 5 или трубопроводы газового потока сырого биогаза 2, что предусматривает дополнительные требования к выделению газов. Внутри трубопроводной системы, создающей поток биогаза 2, поток сырого биогаза 2 имеет теплотворную способность приблизительно 50 температура 0 британских тепловых единиц (BTU) на кубический фут газа, и поток сырого биогаза 2 также имеет самое высокое содержание серосодержащих соединений, диоксида углерода, кислорода, азота, неметановых органических соединений (NMOC) в любой точке системы.

Поток сырого биогаза 2 подают в скруббер для жидкой серы или установку для адсорбирования серы 3, которая окисляет неорганическое серосодержащее соединение сероводород (H₂S) до элементарной серы или сульфата, более безопасного и более контролируемого соединения.

Установка для выделения H₂S 3 может представлять собой скруббер для серы от газа в жидкость, который использует деятельность аэробных бактерий для окисления неорганического серосодержащего соединения сероводорода (H₂S) до элементарной серы или сульфата. С другой стороны, если установка для выделения H₂S 3 представляет собой адсорбер, для захвата H₂S используется твердый адсорбционный материал. Оба типа установок преобразуют H₂S в более безопасные и более контролируемые соединения, и этот поток серосодержащих соединений 4 собирают и выводят к точке вывода H₂S 50.

Основной газовый поток течет через установку для десульфуризации основной газовой отводной трубы 6, которая питает установку для абсорбции NMOC 7. Абсорбер NMOC представляет собой скруббер от газа в жидкость, который создает первый поток неметановых органических соединений (NMOC) 9 путем применения избирательного абсорбирования NMOC в абсорбционном растворе, находящемся в установке для абсорбции NMOC 7. Скруббер от газа в жидкость установки для абсорбции NMOC 7 абсорбирует NMOC в непрерывном и/или периодическом режиме, в котором используют давление пара NMOC, температуру и избирательное абсорбирование для абсорбирования и сбора NMOC в виде жидкости в абсорбционном растворе с регулируемым давлением и/или температурой. Абсорбционный раствор, содержащий абсорбированный NMOC, регенерируют при помощи давления и/или температуры, а получаемый жидкий поток NMOC 9 выводят из системы и сохраняют как низкосортное топливо в точке вывода NMOC 10.

Основной газовый поток продолжает свое течение выше по потоку через систему 100 сквозь основную газовую отводную трубу 11 установки для абсорбции NMOC, которая питает установку для адсорбции NMOC 12. Установка для адсорбции NMOC 12 представляет собой устройство для адсорбирования NMOC с использованием адгезии молекул NMOC к поверхности и порам избирательных адсорбирующих материалов. Установка для адсорбирования может дополнительно содержать устройство регенерации указанных избирательных адсорбирующих материалов путем воздействия указанных избирательных адсорбирующих материалов на несущий газ с контролем температуры и давления с изменением, таким образом, адгезии (обращением адгезии) NMOC для формирования смешанного потока газа-носителя (NMOC) 14, который собирают, выводят из системы и сохраняют как низкосортное топливо в точке удаления NMOC 10. При этом указанное устройство для адсорбирования NMOC может дополнительно содержать устройство для конденсации NMOC из смешанного потока газа-носителя (NMOC). Основной газовый поток продолжает течь ниже по потоку от установки для адсорбции NMOC 12 сквозь основную газовую отводную трубу 15 установки для адсорбции NMOC, которая питает по меньшей мере одну установку для выделения газов СО₂, N₂, О₂ 16. При этом по меньшей мере одна указанная установка для выделения газов СО₂, N₂, О₂ дополнительно содержит устройство для получения потока рециркуляции и для подачи потока рециркуляции обратно выше по потоку по меньшей мере в одну указанную установку для выделения газов СО₂, N₂, О₂. Получаемый газовый поток продукта 17 из установки для выделения газов 16 обогащен метаном и обеднен диоксидом углерода, кислородом, азотом и NMOC по сравнению с основным газовым потоком, текущим через отводную трубу 15 установки для адсорбции NMOC и входящим в установку для выделения газов 16. Установка для выделения газов 16 может также производить поток рециркуляции 160, который смешивают с основным газовым потоком после этапа выполнения процедуры разделения потока сырого газа и до этапа абсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений NMOC. Для получения газового потока продукта 17, обогащенного метаном и обедненного диоксидом углерода, кислородом, азотом и NMOC, в установку для выделения газов 16 можно также включить этап выделения газообразного кислорода и азота. Предпочтительно газовый поток продукта 17 имеет теплотворную способность более чем 950 британских тепловых единиц (BTU) на кубический фут и обладает достаточным качеством для того, чтобы обеспечить подачу по трубам газообразного продукта 17 к сети природного газа 18. Установка для выделения газа 16 также обеспечивает поток отходящего газа 19, который подается по трубам к газоотводной установке короткоцикловой адсорбции (VPSAU) 20.

Газовый поток отходящих газов 19 обеднен метаном и обогащен диоксидом углерода, кислородом и азотом по отношению газу входного отверстия установки 16. Газовый поток отходящих газов 19 может также содержать небольшое количество метана и NMOC. В газоотводной установке короткоцикловой адсорбции (VPSAU) 20 собирают небольшое количество метана и NMOC, которые находятся в потоке отходящего газа 19 и образуют поток рециркуляции VPSAU 170, который смешивают с основным газовым потоком после этапа выполнения процедуры разделения потока сырого биогаза и до этапа абсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений NMOC. При этом система обеспечена устройством для рециркуляции потока рециркуляции выше по потоку по отношению к VPSAU. Поток рециркуляции VPSAU 170 обеднен диоксидом углерода, кислородом, азотом, но обогащен метаном и NMOC по отношению к потоку отходящего газа 19. VPSAU 20 также производит удаляемый газовый поток 21, который обеднен метаном и NMOC, но обогащен анаэробно выработанным диоксидом углерода, кислородом и азотом, который удаляют в атмосферу 22, используя устройство для удаления удаляемого газового потока в атмосферу без сжигания. Анализ удаляемого газового потока 21 показывает, что имело место сокращение выбросов общего количества неметановых органических соединений (NMOC) по отношению ко входящему газовому потоку сырого биогаза во входном трубопроводе 2 более чем на 98 весовых процентов.

ПРИМЕР

Этот пример отображает работу, выполненную на мусорной свалке Waste Management South Hills в Саут-Парк, Пенсильвания. Этот пример показывает, что газовый поток сырого биогаза, обработанный системой 100, может быть успешно функционально проанализирован и задокументирован. В анализе использовали масс-спектрометр Ametek ProLine в качестве инструмента для первичного анализа с целью подтверждения качества газа и результатов анализа. На мусорной свалке Waste Management с сырым биогазом, принадлежащей ARC Technologies Corporation, существует система очистки газа, включающая скруббер H₂S, установку для абсорбирования неметановых органических соединений (NMOC), которая собирает и сжижает NMOC, установку со слоем для адсорбирования неметановых органических соединений (NMOC), которая собирает и сжижает NMOC, недавно добавленную испытательную газоотводную установку короткоцикловой адсорбции (VPSAU), которая собирает/возвращает метан и NMOC обратно во вход системы очистки газа, компрессия и все связанные с нею трубопроводы/регулирующие устройства. Газоотводная установка короткоцикловой адсорбции (VPSAU) также предусматривает удаление в атмосферу анаэробно образованного диоксида углерода и воздуха в способе и в системе очистки газов биогаза.

Согласно анализам газовый поток сырого биогаза восстанавливали из источника биогаза (места хранения отходов) сквозь систему сбора газа. Газовый поток сырого биогаза содержал приблизительно 54 мольных процентов метана, 38 мольных процентов диоксида углерода, 4 мольных процента азота, 0,4 мольных процента кислорода, около 4000 об. ч./млн. неметановых органических соединений (NMOC), 60 ч./млн. серосодержащих соединений и был насыщен водяным паром. Скорость потока газового потока сырого биогаза составляла примерно 800000 кубических футов в день. В анализе использовали массовые числа масс-спектрометра от 72 до 92 и 84 пиковые точки в пределах данных массовых чисел для суммирования пикового значения тока, который дал общее количество NMOC в сыром газе, что соответствует 5,446488545Е^-11 ампера.

После того как газовый поток сырого биогаза был обработан системой 100, жидкий поток NMOC собирали, выводили из установки и разрешали использовать в штате Пенсильвания в качестве топлива с низкопотенциальной теплотой. Выходящий из скруббера NMOC газ имеет сокращенное количество NMOC, что доказано измерением количества в 3,8 галлона жидкостей, выведенных из установки для абсорбирования в течение 24-часового периода.

Выходящий из скруббера NMOC газ имел сокращенное количество NMOC, что доказано измерением жидкости количества 55 галлонов, выведенной из одного регенерированного цикла адсорбционного слоя NMOC, который был активным в течение 20-дневного периода.

Удаляемый в VPSAU 20 газ анализировали, используя массовые числа масс-спектрометра от 72 до 92 и те же 84 пиковые точки в пределах данных массовых чисел для суммирования пикового значения тока, который дал общее количество NMOC в удаляемом газе, что соответствует 9,16398Е^-13 ампера. Это 9,16398Е^-13 (удаляемый газ NMOC)/5,446488545E^-11 (сырой газ NMOC)=l,68E^-02 или 1,68% ампер сырого газа NMOC, что представляло 98,3% снижение общего количества неметановых органических соединений (NMCC) по отношению к газовому потоку сырого биогаза на входном трубопроводе 2. Система 100 образована из коммерчески доступных отдельных компонентов, которые в случае сочетания, как описано выше, будут преобразовывать газ из места хранения отходов в пригодный для использования природный газ, который может быть подан в сеть природного газа. Система может быть установлена в месте хранения отходов, месте газообразных отходов или тому подобных.

Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, а охватывает любые и все варианты осуществления в пределах объема следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к способу и системе для выделения и очистки метана из биогаза. Поток сырого биогаза включает метан, диоксид углерода, воду, сероводород и неметановые органические соединения (NMOC). Способ включает сбор потока сырого биогаза, разделение потока сырого биогаза, при котором поток сырого биогаза разделяют на поток серосодержащих соединений и основной газовый поток. Поток серосодержащих соединений выводят из дальнейшей обработки, а основной газовый поток очищают от сероводорода. Далее проводят абсорбирование жидкого потока NMOC из основного газового потока. Жидкий поток NMOC удаляют из дальнейшей обработки, а основной газовый поток практически очищают от NMOC. Далее проводят адсорбирование NMOC из основного газового потока. Жидкий поток NMOC удаляют из дальнейшей обработки, а основной газовый поток практически очищают от NMOC. Затем разделяют основной газовый поток на поток отходящего газа, состоящий из диоксида углерода, азота и газообразного кислорода, и на поток продукта, состоящий из очищенного метанового газа. Проводят адсорбирование потока отходящего газа с образованием тем самым удаляемого газового потока и потока рециркуляции. Поток рециркуляции смешивают с основным газовым потоком после этапа разделения потока сырого биогаза и до этапа абсорбирования жидкого потока NMOC. Технический результат: повышение степени разделения газов для получения практически очищенного метана из биогаза. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ выделения и очистки метана из биогаза, включающий этапы
сбора потока сырого биогаза, при этом поток сырого биогаза включает по меньшей мере метан, диоксид углерода, воду, сероводород и неметановые органические соединения (NMOC);
выполнения процедуры разделения потока сырого биогаза, при которой поток сырого биогаза разделяют на поток серосодержащих соединений и основной газовый поток, при этом поток серосодержащих соединений выводят из дальнейшей обработки, а основной газовый поток очищают от сероводорода;
абсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений (NMOC) из основного газового потока, при этом жидкий поток NMOC удаляют из дальнейшей обработки, а основной газовый поток практически очищают от неметановых органических соединений;
адсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений (NMOC) из основного газового потока, при этом жидкий поток NMOC удаляют из дальнейшей обработки, а основной газовый поток практически очищают от неметановых органических соединений;
выполнения процедуры разделения основного газового потока, при которой основной газовый поток разделяют на поток отходящего газа, в основном состоящий из диоксида углерода, азота и газообразного кислорода, и на поток продукта, состоящий главным образом из очищенного метанового газа;
выполнения процедуры адсорбирования потока отходящего газа с образованием тем самым удаляемого газового потока и потока рециркуляции; и
смешивания потока рециркуляции с основным газовым потоком после этапа выполнения процедуры разделения потока сырого биогаза и до этапа абсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений (NMOC).

2. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 1, где указанный этап выполнения процедуры выделения основного газового потока дополнительно включает этапы получения потока рециркуляции и подачи потока рециркуляции в основной газовый поток после этапа выполнения процедуры выделения потока сырого биогаза и до этапа абсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений (NMOC).

3. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 1, где указанный этап абсорбирования NMOC дополнительно включает этапы
использования абсорбционного раствора для абсорбирования NMOC и
термодинамической регенерации абсорбционного раствора в зависимости от точечного давления пара потока NMOC и абсорбционного раствора.

4. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 1, где указанный этап выполнения процедуры адсорбирования потока отходящего газа дополнительно включает этап приведения в контакт вышеуказанного потока отходящего газа с нанопористыми и/или микропористыми адсорбирующими материалами, избирательными в отношении метана и неметановых органических соединений (NMOC) и неизбирательными в отношении диоксида углерода, кислорода и азота.

5. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 1, где указанная процедура выделения потока сырого биогаза дополнительно включает этап использования твердого адсорбционного материала для захвата сероводорода (H₂S) для выведения из потока сырого биогаза.

6. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 1, где указанная процедура выделения потока сырого биогаза дополнительно включает этап использования деятельности аэробных бактерий для окисления неорганических серосодержащих соединений, в том числе сероводорода (H₂S), до элементарной серы или сульфатов для выведения из потока сырого биогаза.

7. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 1, где указанный этап адсорбирования жидкого потока неметановых органических соединений (NMOC) дополнительно включает этап использования адгезии молекул NMOC к поверхности и порам избирательных адсорбирующих материалов.

8. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 7, дополнительно включающий этап регенерации указанных избирательных адсорбирующих материалов путем воздействия указанных избирательных адсорбирующих материалов на несущий газ с контролем температуры и давления для обращения адгезии молекул NMOC к указанным избирательным адсорбирующим материалам с созданием, таким образом, смешанного газового потока-носителя NMOC.

9. Способ выделения и очистки метана из биогаза по п. 8, дополнительно включающий этап конденсации NMOC из смешанного газового потока-носителя NMOC для формирования жидкого потока NMOC.

10. Система для выделения и очистки метана из потока биогаза, содержащая:
устройство для сбора потока сырого биогаза, при этом поток сырого биогаза включает метан, диоксид углерода, воду, сероводород и неметановые органические соединения (NMOC);
устройство для обработки потока сырого биогаза с направлением его части ниже по потоку в качестве основного газового потока для дальнейшей обработки;
устройство для выделения неметановых органических соединений (NMOC) из основного газового потока;
по меньшей мере одну установку для выделения газов СО₂, N₂, О₂, принимающую основной газовый поток ниже по потоку в отношении устройства для выделения неметановых органических соединений, при этом указанная по меньшей мере одна установка для выделения газов СО₂, N₂, О₂ производит поток обогащенного метаном продукта и поток отходящего газа, обогащенный СО₂, N₂, О₂;
газоотводную установку короткоцикловой адсорбции (VPSAU), принимающую поток отходящего газа, обогащенный СО₂, N₂, О₂, при этом VPSAU продуцирует удаляемый газовый поток и поток рециркуляции VPSAU;
устройство для удаления удаляемого газового потока в атмосферу без сжигания удаляемого газового потока и
устройство для рециркуляции потока рециркуляции VPSAU выше по потоку по отношению к VPSAU.

11. Система для выделения и очистки метана по п. 10, дополнительно содержащая скруббер для жидкой серы, расположенный между указанным потоком сырого биогаза и указанным основным газовым потоком.

12. Система для выделения и очистки метана по п. 10, дополнительно содержащая окислитель серы аэробными бактериями, расположенный между потоком сырого биогаза и основным газовым потоком.

13. Система для выделения и очистки метана по п. 10, где указанное устройство для выделения указанных неметановых органических соединений (NMOC) из указанного основного газового потока дополнительно содержит
устройство для использования абсорбционного раствора для абсорбирования NMOC и
устройство для термодинамической регенерации указанного абсорбционного раствора в зависимости от точечного давления пара потока NMOC и абсорбционного раствора.

14. Система для выделения и очистки метана по п. 10, где указанная газоотводная установка короткоцикловой адсорбции (VPSAU) дополнительно содержит адсорбирующие материалы, избирательные в отношении метана и неметановых органических соединений (NMOC) и неизбирательные в отношении диоксида углерода, кислорода и азота.

15. Система для выделения и очистки метана по п. 10, где указанное устройство для выделения неметановых органических соединений (NMOC) из основного газового потока дополнительно содержит устройство для адсорбирования NMOC с использованием адгезии молекул NMOC к поверхностям и порам избирательных адсорбирующих материалов.

16. Система для выделения и очистки метана по п. 15, где вышеуказанное устройство для адсорбирования NMOC дополнительно содержит устройство для регенерации указанных избирательных адсорбирующих материалов путем воздействия указанных избирательных адсорбирующих материалов на несущий газ с контролем температуры и давления с изменением, таким образом, адгезии NMOC для формирования смешанного газового потока-носителя NMOC.

17. Система для выделения и очистки метана по п. 16, где указанное устройство для адсорбирования NMOC дополнительно содержит устройство для конденсации NMOC из смешанного газового потока-носителя NMOC.

18. Система для выделения и очистки метана по п. 10, где по меньшей мере одна указанная установка для выделения газов СО₂, N₂, О₂ дополнительно содержит устройство для получения потока рециркуляции и для подачи потока рециркуляции обратно выше по потоку по меньшей мере в одну указанную установку для выделения газов СО₂, N₂, О₂.