一種二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置，屬沼氣發(fā)酵領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 有機(jī)物在隔絕空氣保持一定水分、溫度、酸堿度等條件下，經(jīng)過微生物作用轉(zhuǎn)化成 沼氣的過程稱為沼氣發(fā)酵，也叫甲烷發(fā)酵。1979年，M.PBryant根據(jù)大量的科學(xué)事實(shí)，把 甲烷發(fā)酵過程分為三個(gè)階段，即水解階段、酸化階段、甲烷化階段。水解是復(fù)雜的非溶解性 的聚合物被轉(zhuǎn)化為簡單的溶解性的單體的過程。高分子有機(jī)物因相對分子量巨大，不能透 過細(xì)胞膜，因此不能被細(xì)菌直接利用。他們首先在細(xì)菌胞外酶的水解作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿?物質(zhì)。如纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶水解為麥芽糖和葡萄 糖，蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為氨基酸和短肽等。酸化階段由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群利用第一階段產(chǎn) 生的各種有機(jī)酸，分解成乙酸，4和C0 2。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌能把含偶數(shù)碳的脂肪酸，如丁酸、己 酸、辛酸等，轉(zhuǎn)化為乙酸和氫氣；把含奇數(shù)碳的脂肪酸，如戊酸和庚酸等，轉(zhuǎn)化為乙酸丙酸和 氫氣。在沼氣發(fā)酵過程中，甲烷的形成是由一群高度專業(yè)細(xì)菌一產(chǎn)甲烷菌所引起的。產(chǎn)甲 烷茵包括食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)甲烷菌代謝底物簡單，只能以HdPC02、甲酸、 甲醇、乙酸為底物生成甲烷。
[0003]目前發(fā)現(xiàn)的甲烷生物合成過程有3種途徑。第一種途徑是以乙酸為原料的甲烷生 物合成，第二種是以氫、二氧化碳為原料的生物合成途徑，第三種是以甲基化合物為原料的 生物合成途徑，如甲醇，甲基胺，甲基硫等。目前發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷多是以二氧化碳 還原方式生成的。從總的來看，厭氧發(fā)酵反應(yīng)可分為產(chǎn)酸反應(yīng)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)兩個(gè)階段，反應(yīng) 式如下：
[0004] (1)由醇和二氧化碳形成甲烷
[0005] 2CH3CH2OH+C〇2 2CH3C00H+CH4
[0006] (2)由揮發(fā)酸形成甲烷
[0007] _?2CH3CH2CH2C00H+2H20+C02 4CH3C00H+CH4
[0008] (3)二氧化碳被還原生成甲烷
[0009] ttmttttttttttttt^ CO2+4H2 CH4+H2O
[0010] 從以上三類反應(yīng)方程式可以看出，co2在厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的過程中作為必不可少 的原料對沼氣中的CH4含量起決定性作用，而沼氣中有效成分為CH4，目前厭氧發(fā)酵產(chǎn)生CH4 的占總氣體體積的百分之60%左右。如何有效提高沼氣中CH4的含量是目前CH4發(fā)酵過程 中面臨的難題。此外大氣中C02的含量的持續(xù)走高，已經(jīng)帶來一些不好影響，各國都在積極 減少C02排放量，同時(shí)尋找有效手段固定已排放的C0 2。
[0011] 沼氣發(fā)酵，是可再生資源開發(fā)和利用的重要途徑，在沼氣發(fā)酵過程中，為產(chǎn)甲烷菌 額外提供一定配比的〇) 2和H2在厭氧條件下合成CH4，一方面可以提高沼氣中的CH4含量為 實(shí)現(xiàn)戶用沼氣的有效利用提供基礎(chǔ)，另一方面外加co2來源廣，可以是富含co2的高爐工業(yè) 尾氣，或者發(fā)電廠排放氣體及其他含co2較多的尾氣，這些C0 2在產(chǎn)甲烷菌作用下，轉(zhuǎn)化成 CH4減少了排放到大氣中CO2的，在一定程度上緩解溫室效應(yīng)的加劇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本實(shí)用新型的目的是提供一種二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置，所述裝置包括 氫氣儲罐1，二通閥I2、二通閥II4、二氧化碳儲罐3、厭氧發(fā)酵罐5、氣體循環(huán)泵6、儲氣罐 7、三通閥8、集水罐9、氣體壓縮機(jī)10、氣體分離器11、甲烷存儲罐12,氫氣儲罐1通過二通 閥I2與厭氧發(fā)酵罐5連通，二氧化碳儲罐3通過二通閥II4與厭氧發(fā)酵罐5連通；厭氧發(fā) 酵罐5的上端與儲氣罐7的下端連接，儲氣罐7的下端與集水罐9連通；氣體分離器11的 上端與二氧化碳儲罐3連通，氣體分離器11的下端與氣體壓縮機(jī)10連接，氣體壓縮機(jī)10 通過三通閥8分別與儲氣罐7、厭氧發(fā)酵罐5連通；氣體分離器11與甲烷存儲罐12相連通， 甲烷存儲罐12與用戶連接。
[0013] 本實(shí)用新型所述二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置使用時(shí)，具體包括以下步驟：
[0014] (1)菌種馴化：將菌種接入發(fā)酵底物濃度為15%~20%的10L發(fā)酵瓶中，調(diào)節(jié)碳氮 比為20:1~30:1，定期測定產(chǎn)氣量及CIV含量，當(dāng)發(fā)酵基質(zhì)消耗完，基本不產(chǎn)沼氣時(shí)，即獲 得馴化菌種，備用；
[0015] (2)二氧化碳和氫氣甲烷化：在發(fā)酵罐5中加入步驟（1)中馴化后的菌種，使發(fā)酵 濃度保持在25%~35% ;在充入0)2和H2前，打開閥門II4向發(fā)酵罐5中鼓入一定量C0 2,置 換整個(gè)系統(tǒng)中的空氣，保證嚴(yán)格的厭氧發(fā)酵環(huán)境；將空氣置換完后，打開氫氣儲罐1和二氧 化碳儲罐3中的閥門I2和閥門II4,將0)2和H2分別通入?yún)捬醢l(fā)酵罐5中，待混合氣充滿 整個(gè)發(fā)酵罐5和儲氣罐7后，關(guān)閉閥門I2和閥門II4,打開氣體循環(huán)泵6的開關(guān)，讓氫氣 和二氧化碳在發(fā)酵罐5和儲氣罐7之間循環(huán)，在產(chǎn)甲烷菌種的作用下，二氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化 為甲烷；儲氣罐7連接集水罐9用，以平衡發(fā)酵過程中氣體體積變化引起的發(fā)酵系統(tǒng)壓力平 衡；
[0016] (3)氣體分離：在步驟（2)中所述沼氣發(fā)酵系統(tǒng)工作過程中，定時(shí)測量利用氣體分 析儀測量發(fā)酵氣體中CH4含量，當(dāng)甲烷含量超過70%時(shí)關(guān)閉氣體循環(huán)泵6,打開氣體壓縮機(jī) 10將混合氣體壓入二氧化碳分離反應(yīng)塔11中，分離后的甲烷和氫氣進(jìn)入存儲罐12中，儲氣 罐12與用戶直接相連；分離后未轉(zhuǎn)化的C02經(jīng)過管道返回二氧化碳儲罐3繼續(xù)循環(huán)利用。
[0017] 本實(shí)用新型所述菌種為污泥，如：沼氣池發(fā)酵污泥，水稻田污泥，市政污水處理廠 的活性污泥等。
[0018] 本發(fā)明所述二氧化碳可以是來源于工業(yè)設(shè)備的尾氣（〇)2含量大于25%)，氫氣來自 煉油廠天然氣制氫裝置的混合尾氣及其他化工廠富含氫氣的尾氣，或者利用太陽能電解水 產(chǎn)氫。
[0019] 所述步驟（3)的二氧化碳與甲烷分離的方法，可采用現(xiàn)有的技術(shù)方案：①低溫方 式分離，將混合氣體溫度降至-78. 4°C，此溫度下，C02以固態(tài)干冰的形式存在，CH4則仍為氣 態(tài)，從而分離出CH4，同時(shí)干冰在室溫條件下后轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，可繼續(xù)在發(fā)酵系統(tǒng)中循環(huán)；②膜 分離法，中空碳素纖維膜等膜可以有效回收沼氣中的C02，回收的C02可重復(fù)利用；③變溫 吸附技術(shù)，在立式壓力容器中采用〇14專用吸附劑吸附CH4，吸附轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%以上。
[0020] 本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0021] 本實(shí)用新型采用二氧化碳和氫氣為產(chǎn)甲烷菌提供原料在厭氧條件下合成甲烷，以 工業(yè)中富含C02的尾氣為原料，原料來源廣泛，將CO2轉(zhuǎn)化成CH4，實(shí)現(xiàn)0)2的能源化和資源 化利用，產(chǎn)氣穩(wěn)定后，將〇14與C0 2分離，剩余C0 2可以繼續(xù)在厭氧發(fā)酵設(shè)備中循環(huán)，實(shí)現(xiàn)二 氧化碳到燃料再到二氧化碳的碳循環(huán)過程。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本實(shí)用新型的機(jī)構(gòu)示意圖示意圖。
[0023] 圖中，1 一氫氣儲罐；2,4 一二通閥；3 -二氧化碳儲罐；5 -厭氧發(fā)酵罐；6 -氣體 循環(huán)泵；7 -儲氣罐；8 -三通閥；9 一集水罐；10 -氣體壓縮機(jī)；11 一氣體分咼器；12 -甲 火元存儲罐。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面以實(shí)例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，但本實(shí)用新型的內(nèi)容并不限于 此。
[0025] 實(shí)施例1
[0026] 本實(shí)施例所述二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置包括氫氣儲罐1，二通閥I2、二 通閥II4、二氧化碳儲罐3、厭氧發(fā)酵罐5、氣體循環(huán)泵6、儲氣罐7、三通閥8、集水罐9、氣體 壓縮機(jī)10、氣體分離器11、甲烷存儲罐12,氫氣儲罐1通過二通閥I2與厭氧發(fā)酵罐5連 通，二氧化碳儲罐3通過二通閥II4與厭氧發(fā)酵罐5連通；厭氧發(fā)酵罐5的上端與儲氣罐7 的下端連接，儲氣罐7的下端與集水罐9連通；氣體分離器11的上端與二氧化碳儲罐3連 通，氣體分離器11的下端與氣體壓縮機(jī)10連接，氣體壓縮機(jī)10通過三通閥8分別與儲氣 罐7、厭氧發(fā)酵罐5連通；氣體分離器11與甲烷存儲罐12相連通，甲烷存儲罐12與用戶連 接。
[0027] 本實(shí)施例所述裝置使用時(shí)包括如下步驟：
[0028] (1)菌種馴化：將沼氣池發(fā)酵污泥接入發(fā)酵底物濃度為15%的5L發(fā)酵瓶中，調(diào)節(jié) 碳氮比為20:1，定期測定產(chǎn)氣量及CH4含量，當(dāng)發(fā)酵基質(zhì)消耗完，基本不產(chǎn)沼氣時(shí)，即獲得馴 化囷種，備用。
[0029] (2)二氧化碳和氫氣甲烷化：在發(fā)酵罐5中加入步驟（1)中馴化后的菌種，使發(fā)酵 濃度保持在25% ;在充入0)2和H2前，打開閥門II4向發(fā)酵罐5中鼓入一定量C0 2，置換整個(gè) 系統(tǒng)中的空氣，保證嚴(yán)格的厭氧發(fā)酵環(huán)境；將空氣置換完后，打開氫氣儲罐1和二氧化碳儲 罐3中的閥門I2和閥門II4,將0)2和H2分別通入?yún)捬醢l(fā)酵罐5中，待混合氣充滿整個(gè)發(fā) 酵罐5和儲氣罐7后，關(guān)閉閥門I2和閥門II4,打開氣體循環(huán)泵6的開關(guān)，讓氫氣和二氧化 碳在發(fā)酵罐5和儲氣罐7之間循環(huán)，在產(chǎn)甲烷菌種的作用下，二氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷； 儲氣罐7連接集水罐9用，以平衡發(fā)酵過程中氣體體積變化引起的發(fā)酵系統(tǒng)壓力平衡。
[0030] (3)在步驟（2)中所述沼氣發(fā)酵系統(tǒng)工作過程中，定時(shí)測量利用氣體分析儀測量發(fā) 酵氣體中CH4含量，當(dāng)甲烷含量超過70%時(shí)關(guān)閉氣體循環(huán)泵6,打開氣體壓縮機(jī)10將混合氣 體壓入二氧化碳分離反應(yīng)塔11中，低溫分離混合氣體中的CH4，分離后的甲烷和氫氣進(jìn)入存 儲罐12中，儲氣罐12與用戶直接相連；分離后未轉(zhuǎn)化的C02經(jīng)過管道返回二氧化碳儲罐3 繼續(xù)循環(huán)利用。
[0031]本實(shí)施例中〇)2來源于火力發(fā)電廠尾氣，尾氣中0)2的含量為25-35%，11 2來源于煉 油廠天然氣制氫裝置的混合尾氣，4的含量為20%-30%。
[0032] 本實(shí)施例中發(fā)酵混合氣中014的含量為70%，低溫分離二氧化碳轉(zhuǎn)化率為95%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置，其特征在于：包括氫氣儲罐（1)，二通閥I (2)、二通閥II (4)、二氧化碳儲罐（3)、厭氧發(fā)酵罐（5)、氣體循環(huán)泵（6)、儲氣罐（7)、三通閥 (8)、集水罐（9)、氣體壓縮機(jī)（10)、氣體分離器（11)、甲烷存儲罐（12)，氫氣儲罐（1)通過二 通閥I (2)與厭氧發(fā)酵罐（5)連通，二氧化碳儲罐（3)通過二通閥II (4)與厭氧發(fā)酵罐（5) 連通；厭氧發(fā)酵罐（5)的上端與儲氣罐（7)的下端連接，儲氣罐（7)的下端與集水罐（9)連 通；氣體分離器（11)的上端與二氧化碳儲罐（3)連通，氣體分離器（11)的下端與氣體壓縮 機(jī)（10)連接，氣體壓縮機(jī)（10)通過三通閥（8)分別與儲氣罐（7)、厭氧發(fā)酵罐（5)連通；氣 體分離器（11)與甲烷存儲罐（12)相連通，甲烷存儲罐（12)與用戶連接。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種二氧化碳和氫氣生物甲烷化的裝置，屬沼氣發(fā)酵領(lǐng)域；所述裝置的氫氣儲罐通過二通閥Ⅰ與厭氧發(fā)酵罐連通，二氧化碳儲罐通過二通閥Ⅱ與厭氧發(fā)酵罐連通；厭氧發(fā)酵罐的上端與儲氣罐的下端連接，儲氣罐的下端與集水罐連通；氣體分離器的上端與二氧化碳儲罐連通，氣體分離器的下端與氣體壓縮機(jī)連接，氣體壓縮機(jī)通過三通閥分別與儲氣罐、厭氧發(fā)酵罐連通；氣體分離器與甲烷存儲罐相連通，甲烷存儲罐與用戶連接；本實(shí)用新型采用二氧化碳和氫氣為產(chǎn)甲烷菌提供原料，實(shí)現(xiàn)二氧化碳到燃料再到二氧化碳的碳循環(huán)過程。
【IPC分類】C12M1-107
【公開號】CN204589159
【申請?zhí)枴緾N201520080113
【發(fā)明人】蘇有勇, 李珍, 李思梅, 廖小華, 馬汶絹, 李關(guān)艷
【申請人】昆明理工大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年2月5日