[發明專利]用于從氣體流中去除甲烷的系統和方法

在審

• 申請號: 202210214924.6
• 申請日: 2022-03-07
• 公開（公告）號: CN115193247A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: J·優尼達德;E·科克爾;J·馬丁尼;G·伊芙泰姆;魏俊樺
• 申請（專利權）人: 帕洛阿爾托研究中心公司
• 主分類號: B01D53/85
• 分類號: B01D53/85;B01D53/72;G01N21/39
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐厚才;林毅斌

本發明題為“用于從氣體流中去除甲烷的系統和方法”。存在于固定在多孔載體材料中的多個微生物簇內的微生物可共同限定負載型生物催化劑。當微生物能有效將甲烷轉化成一種或多種氧化的碳化合物時(例如，甲烷營養細菌)，可利用負載型生物催化劑從含甲烷氣體流(諸如從采礦通風獲得的那些)中去除甲烷。用于處理含甲烷氣體流的方法可包括在基本上不存在液相的情況下使氣體流與負載型生物催化劑相互作用，并且從負載型生物催化劑下游獲得貧甲烷氣體流。用于處理含甲烷氣體流的系統可包括容納在一個或多個容器中的負載型生物催化劑，該容器流體地聯接到含甲烷氣體流的源。該含甲烷氣體流和/或貧甲烷氣體流中的氣體濃度可用于確定負載型生物催化劑的當前狀態或預期剩余壽命。

技術領域

本公開整體涉及從氣體流中去除甲烷。

背景技術

甲烷和二氧化碳是美國和其他國家大量產生的溫室氣體。盡管二氧化碳產生的量通常大于甲烷，并且因其對全球變暖的影響而受到媒體的廣泛關注，但甲烷實際上是比二氧化碳更強的熱能吸收劑，并且代表甚至更顯著的溫室氣體問題。例如，在至少20年的時間內，大氣中的1噸甲烷導致氣候變暖，相當于大約24-36噸二氧化碳。因為反芻動物消化和糞便降解，在美國最普遍的甲烷來源是養牛業。其他重要的甲烷來源包括例如天然氣系統、垃圾填埋場、煤礦和油井(活躍的和廢棄的兩者)、以及廢水處理設施。許多這些行業的甲烷釋放問題仍未得到充分解決。

來自活躍煤礦的通風空氣代表了采礦和石油工業中釋放甲烷的最重要來源。采礦通風將地下甲烷濃度降低至低于爆炸極限的水平(在空氣中5-15體積/體積％)，并且一旦被排放到表面，就提供具有低甲烷濃度(0.1-1體積/體積％)的氣體流。考慮到通常用于排出離開的通風空氣的低甲烷濃度和高氣體流量(50m³/s-500m³/s)，可行的甲烷減排過程受到限制。因此，離開的通風空氣中的經稀釋甲烷通常被直接釋放到大氣中。釋放的甲烷可代表重要的溫室氣體問題。此外，如果可適當的利用，則釋放的甲烷本身是有價值的產物或作為多種有價值產物的前體。

用于從氣體流中去除甲烷的大多數方法可能需要大空間占地面積并且依賴于氧化過程(燃燒或熱化學轉化)來將甲烷轉化成二氧化碳。雖然此類方法在生產更加濃縮的甲烷流的工業中可能是有效的，但是對于具有較低甲烷濃度的氣體流而言，它們可能太不有效。此外，燃燒和不可取的大氣甲烷釋放兩者均防止甲烷轉化成更期望的有價值產物。當前用于甲烷減排的基于酶和基于微生物的生物轉化方法可解決前述困難中的一些，但是它們目前也需要大空間占地面積以及與生物催化劑的大量液體接觸。現有的基于酶和基于微生物的體系也易于由于毒物諸如硫化氫、氨和一氧化碳而失活，其通常與甲烷一起共同存在于各種含甲烷氣體流中。此外，在一些情況下，還可能需要持續引入輔因子以用于維持生物活性。高氣體流流量也與用于促進甲烷減排的現有基于酶和基于微生物的體系不是特別相容。因此，仍然需要以高通量方式(特別是通過生物催化)處理含低濃度甲烷的氣體流，以防止該溫室氣體的大氣釋放。

與用于從各種含甲烷氣體流中去除甲烷的系統和方法相關聯的另一個困難是需要頻繁監測所得的貧甲烷氣體流，以確保發生有效的甲烷減排。例如，加州環境保護署要求(2014年通過的《礦井甲烷捕獲項目補償協議》)指定每兩分鐘通過去除或捕獲技術監測甲烷通量。可進行監測以確定例如是否已經發生無效的減排，諸如在過程中斷期間，和/或在正在進行處理的含甲烷氣體流中是否存在過量的毒物(諸如一氧化碳、氨或硫化氫)。另外，出于碳信用(carbon credit)或碳補償(carbon offset)的目的，監測可確定是否已滿足符合補償協議和/或過程是否可被認證為有資格獲得碳信用或碳補償。當利用生物催化劑以有利于甲烷去除時，可能發生無效甲烷減排，例如，在生物催化劑的使用壽命就要結束時和/或在毒物(例如一氧化碳、氨或硫化氫)已經干擾了生物催化劑正常起作用時。諸如此類的問題通常不存在于燃燒和熱化學甲烷減排過程中，并且其通常可更容易地進行監測。在不持續監測甲烷和其他氣體濃度的情況下，可能難以預測生物催化劑是否易于超過其有效使用壽命和/或已由于中毒而失活。另一復雜的困難是在低濃度氣體流(諸如無法燃燒的那些氣體流)中，有效感測甲烷和其他氣體可能是有問題的。

發明內容