本发明涉及用于有效地将气体中的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的方法和装置。包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体优选为沼气、烟气或合成气。包含氢气的气体优选为从水电解获得的气体。特别是，本发明涉及用于将气体中的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的方法和装置，包括在不从反应器中移除包装材料的情况下对包装材料进行有效清洁，以便优化和保持转化效率。此外，本发明涉及将水电解或由可再生能源供电的类似技术产生的氢气转化为可再生和可储存的能源，例如甲烷。此外，本发明在实施方式中涉及通过减少二氧化碳的含量和增加沼气中甲烷的含量来增加从有机材料的厌氧消化获得的绿色能源的量。因此，向环境排放的二氧化碳的量也得以减少。
背景技术：
1、世界人口的迅速增长导致能源需求急剧增加。目前，能源供应主要来自煤炭、石油和天然气等的含碳化石燃料来源。然而，由不可再生型能源产生的能量来源据说很快就会枯竭。除此之外，化石燃料需要燃烧以获得所需的能量。化石燃料的燃烧导致二氧化碳等的最大温室气体排放到大气中，并导致全球变暖。
2、全世界越来越关注保护环境，因此很多国家已经转向生产更清洁和更绿色的能源，作为替代能源，诸如开发可再生能源。可使用的替代可再生能源的一个示例是沼气，因为沼气包含可用于发电的甲烷。沼气是在厌氧消化池中消化有机物得到的副产品。沼气与风能和太阳能一样，是一种可再生能源。然而，沼气的生产不仅仅是为了提供可再生能源，沼气的生产是从对于我们的现代生活所必备的很多产品的生产过程中产生的有机废物的可持续处理的一个组成部分。此外，与风能和太阳能相比，沼气具有无论天气条件如何都能全年生产的优势。相比之下，风能和太阳能是取决于风的吹拂或阳光的照射。此外，沼气具有能够储存的优点。
3、在厌氧消化池中处理的有机材料称为底物，其可从多种不同来源获得，所述来源包括：诸如猪、牛和鸡的动物的粪便、食品加工厂、啤酒厂、棕榈油厂、淀粉厂、乙醇厂、造纸厂、城市污水处理厂、分类生活垃圾等。厌氧消化池中的处理去除了废物中存在的许多有害成分，使得在处理之后经消化的水和生物质可以排放和/或有益地用于施肥和灌溉。
4、从厌氧消化工序产生了一种称为沼气的气体副产品。沼气通常包含50％至70％的甲烷(ch4)、30％至50％的二氧化碳(co2)和约0.1％至5.0％的硫化氢(h2s)。
5、沼气是一种作为化石燃料的可再生替代品的重要资源。然而，在用作能源之前，需要清除沼气中不需要的化合物。例如，在将沼气用于锅炉和发动机之前，应去除硫化氢，以避免设备的腐蚀，并且因为硫化氢对人体是有毒的。从沼气中去除硫化氢例如在欧洲专利申请ep3487606a1中所公开的。如果沼气直接用于内燃机或锅炉发电，则无需去除二氧化碳。但是，如果使用沼气替代天然气，则需要去除或至少降低二氧化碳含量，并将沼气“升级”为生物甲烷，以满足天然气的规格。这也称为可再生天然气(rng)。
6、已知一些技术涉及去除或减少气体中的二氧化碳含量。例如通过化学溶剂的吸附、通过水洗涤的物理吸附、低温分离、膜分离、和通过生物或化学方法固定co2。例如，ep2032709b1公开了一种在生物反应器中通过使用产甲烷微生物将co2和h2转化为甲烷和水的方法。产甲烷微生物在合适的液体培养基中在生物反应器/发酵罐容器中生长，将包含co2和h2的气体鼓泡通过该液体。然而，通过将气体鼓泡通过液体而将二氧化碳和氢气转化为甲烷和水具有一些缺点，诸如：1)包含二氧化碳的气体和包含氢气的气体在整个液体中分布不良，2)氢气很难溶解在水中，以及3)在液体中自由流动的微生物的生长并非最佳。
7、ep3013937b1公开了一种通过使用产甲烷微生物在反应器中将h2和co2转化为甲烷的生物甲烷化的方法和装置。所述方法和装置包括包含水介质的反应器，所述微生物位于所述水介质中。ep3013937描述了一种反应增压装置，并且所述反应增压装置例如可以通过诸如喷嘴、搅拌器等机械动态装置来供能，以提供水介质与底物气体的混合或搅拌。
8、jp2004041929a公开了一种甲烷发酵装置，其包括发酵罐，该发酵罐包含负载于载体上的微生物。
9、us2010/273242a公开了一种用于沼气的生物脱硫装置。该装置包括反应罐、反应罐中用于粘附微生物的载体填充层。
10、因此，将气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和气体中的氢气转化为甲烷的改进方法将是有利的，并且特别地，将气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和氢气转化为甲烷和水的更有效方法将是有利的。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的涉及提供一种用于将气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和氢气转化为甲烷和水的改进的方法和装置。二氧化碳和/或一氧化碳通常由一个气源提供，而氢气则由另一气源提供。通过本发明，例如可以增加气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和氢气向甲烷和水的转化，因为本发明的方法和装置包括有效的清洁和减压系统。此外，通过本发明，可以增加从有机底物的厌氧消化中捕获的绿色能源的量。
2、特别是，本发明的目的是将来自气体(例如来自厌氧消化池的气体)的二氧化碳和/或一氧化碳和来自水电解(或者通过诸如风能、太阳能和水电的可再生能源提供动力的类似技术)生成的氢气转化为可再生能源。可再生能源(甲烷)可以作为压缩气体或液化气体来存储。将电能从可再生能源转换为可存储的能量形式也称为power-to-x。因此，本发明也可被描述为生物power-to-x方法和装置。
3、此外，本发明的目的是提供一种用于将气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和来自另一气体的氢气转化为甲烷和水的方法和装置，其中该方法和装置在将二氧化碳和/或一氧化碳和氢气转化为甲烷和水方面比现有技术中已知的方法和装置具有改进的效率。根据本发明的方法和装置使用包括了包含有选自由聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs塑料)构成的群组中的包装材料的反应器，该反应器使得能够将气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和氢气更有效地转化为甲烷和水。通过使用如上所述的包装材料，可以获得包含二氧化碳和/或一氧化碳和氢气的气体在反应器中的改进分布。此外，改进了将二氧化碳和氢气和/或一氧化碳和氢气转化为甲烷和水的微生物的生长条件。微生物可以在包装材料的表面比直接在液体中更好地生长。该包装材料将为微生物的生长提供大的表面。此外，本发明中的包装材料能够从反应器中分离。因此，包装材料可以更容易地进行清洁和减压，以在不从反应器移除的情况下去除包装材料上积聚的生物污泥。因此，避免了气体的窜流，因为生物污泥在包装材料上的压缩和积聚会导致在包装材料中形成通道，使得气体不会有效地分布在反应器内部。因此，本发明的清洁和减压系统导致气体中的二氧化碳和/或一氧化碳和氢气转化为甲烷和水更为改进。
4、本发明的另一目的是提供对现有技术的替代方案。
5、因此，本发明的一个方面涉及一种将气体中的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的方法，包括以下步骤：
6、a)提供包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体；
7、b)提供包含氢气的气体；
8、c)将所述包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体和所述包含氢气的气体引入反应器，其中所述反应器包括选自由聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)构成的群组中的包装材料，所述反应器包括能够将一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的微生物，并且其中所述包装材料能够从所述反应器中分离；
9、d)提供液体并将所述液体供应至所述包装材料的上方的所述反应器；
10、e)将所述包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体和所述包含氢气的气体通过包含所述液体的所述包装材料和所述微生物，以将一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷和水；
11、f)将其中一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的气体引至出口；和
12、g)通过用液体填充所述反应器并将加压空气吹入所述包装材料的下方的所述反应器对所述包装材料进行清洁和减压。
13、本发明的另一方面涉及一种用于将气体中的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的装置，所述装置包括：
14、i)包括包装材料(2)的反应器(1)，其中所述包装材料选自由聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)构成的群组，其中能够将一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的微生物生长在所述包装材料的表面上，其中所述包装材料(2)能够从所述反应器(1)分离；
15、ii)用于向所述反应器(1)供应包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体的入口(3)；
16、iii)用于向所述反应器(1)供应包含氢气的气体的入口(4)；
17、iv)用于向所述反应器(1)供应液体的入口(5)；
18、v)用于将液体从所述反应器(1)的下部循环至所述包装材料的上方的所述反应器(1)的上部的设备(5a)；
19、vi)用于将其中一氧化碳和/或二氧化碳和氢气已转化为甲烷的气体排出的出口(6)；
20、vii)用于将液体从所述反应器(1)排出的出口(7)；和
21、viii)用于将加压空气吹入所述反应器(1)的入口(9)，其中所述入口(9)位于所述包装材料(2)的下方。
1.一种将气体中的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微生物为产甲烷微生物。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中所述液体选自由水和来自厌氧消化池的流出物构成的群组。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中向所述反应器供应液体是连续喷洒。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述连续喷洒具有所述液体的流速在所述反应器的横截面的面积的0.5m3/m2至2.5m3/m2范围内。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中所述包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体选自由沼气、烟气和合成气构成的群组。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述包含一氧化碳和/或二氧化碳的气体为厌氧气体。
8.根据权利要求1至7所述的方法，其中所述反应器中的温度在40℃至70℃的范围内。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法是厌氧的。
10.一种用于将气体中的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气转化为甲烷的装置，所述装置包括：
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述反应器(1)包括用于在所述包装材料的上方喷洒所述液体的喷洒装置(8)。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述喷洒装置(8)包括用于控制喷洒到所述反应器中的所述液体的流速在所述反应器的横截面的面积的0.5m3/m2至2.5m3/m2范围内的控制装置。
