CN103627626B - 光通道光合生物制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型光通道光合生物制氢装置，包括进料单元、制氢反应器和气液分离单元，所述进料单元包括光合细菌罐、产氢底物罐和进料预混盒，光合细菌罐和产氢底物罐的出口分别通过一根输液管与进料预混盒的进口连接，每根输液管上均设有一个恒流泵，进料预混盒的出口与制氢反应器的进口连接，制氢反应器的出口通过进液管与气液分离单元的进口连接。本发明在对现有光合细菌制氢反应器的发展现状进行总结的基础上，将隔流盒上流及产氢基质回流结合起来，并创造性的将隔流盒同时作为灯箱使用，实现了采光面积最大化及温度变化细微化，为环保高效的制取氢气提供了技术支持。

Description

光通道光合生物制氢装置
技术领域
本发明属于农业工程能源利用技术领域，尤其涉及一种光通道光合生物制氢装置。
背景技术
化学元素氢(H——Hydrogen)，在元素周期表中位于第一位，它是所有原子中最小的。众所周知，氢分子与氧分子化合成水，氢通常的单质形态是氢气（H2），它是无色无味，极易燃烧的双原子的气体，氢气是密度最小的气体。在标准状况（0摄氏度和一个大气压）下，每升氢气只有0.0899克重——仅相当于同体积空气质量的二十九分之二。氢是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的84%，宇宙质量的75%都是氢。
氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。现在工业每年用氢量为5500亿立方米，氢气与其它物质一起用来制造氨水和化肥，同时也应用到汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料，因为氢的液化温度在－253℃。
氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。
二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是应用最广的“过程性能源”；柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就无法直接使用从发电厂输出来的电能，只能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源”。可见，过程性能源和含能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。随着，人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”，作为二次能源的电能，可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。
化石能源的日渐枯竭及其使用所带来环境污染问题迫使人们开发新的清洁可再生能源以满足未来经济和社会发展的需要。氢能因能量密度高、燃烧无污染且利用形式多样而被公认为未来主要的能源载体形式。以氢能使用为核心的“氢能经济”和“氢能社会”发展模式是人们对未来能源使用技术的憧憬。
生物制氢是利用微生物自身代谢释放氢气的过程，其产氢条件温和，环境友好且原料来源丰富而被认为是未来氢能生产的主要替代形式。在各类生物制氢技术比较中，光合细菌制氢不仅有较高的产氢能力，其还可以利用多种有机废弃物作为产氢原料，实现氢能生产和废弃物处理的双重目标而成为制氢技术研究的热点问题。光合细菌制氢是光合细菌在厌氧光照条件下将有机质转化为氢气的生理代谢过程，光合细菌制氢装置的开发是光合细菌制氢技术研究从实验室向实际生产转化的关键环节。目前的光合细菌制氢装置具有光通量低、采光面积小、温度不易控制、产氢能力低的缺陷或不足。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种易于实现工业化、连续化运行的光通道光合生物制氢装置，该装置能最大限度的提供反应所需光照、提高产氢效率、延长使用寿命、易于温度控制。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：光通道光合生物制氢装置，包括进料单元、制氢反应器和气液分离单元，所述进料单元包括光合细菌罐、产氢底物罐和进料预混盒，光合细菌罐和产氢底物罐的出口分别通过一根输液管与进料预混盒的进口连接，每根输液管上均设有一个恒流泵，进料预混盒的出口通过进液管与制氢反应器的进口连接，制氢反应器的出口通过气液出管与气液分离单元的进口连接。
所述制氢反应器呈长方体形状，制氢反应器的进口设在一侧的下部，制氢反应器的进口处设有液体进管，进液管与液体进管连接，制氢反应器的出口设在相对另一侧的上部，气液出管的一端与制氢反应器的出口连接，制氢反应器内设有由透明材料制成的隔流盒，隔流盒内设有LED灯，所述隔流盒在临近液体进管和气液出管分别设有一个，一排隔流盒设在制氢反应器的底面，另一排隔流盒设在制氢反应器的顶面，两排隔流盒交错布置，两排隔流盒之间形成弯折状的液体流通道。
所述气液分离单元包括箱体，箱体一侧设有与气液出管连接的气液进管，箱体顶部连接有气体出管，气体出管的出口连接有气囊，箱体下部与进料预混盒之间通过回流管连接，气液进管在箱体内向上折弯。
采用上述技术方案，光合细菌罐内的菌种经一根输液管与进料预混盒上端连接，产氢底物罐内的产氢底物经另一根输液管与进料预混盒上部连接，菌种和产氢底物在预混盒中混合后由预混盒下部的出口通过进液管和气液进管进入气液分离单元的箱体内。两根输液管上的恒流泵在整个系统运行过程中还起到节流阀的作用，防止液体出现回流，进料速率及回流量也可由控制恒流泵的转速实现。
本发明材料的各部件/构件为透明材料（如有机玻璃）等，制氢反应器为折流板式结构，制氢反应器的进料口在反应器的最底端，产氢基质经法线方向进入制氢反应器后，推流加上升流动，经过隔流盒后成下降流，在制氢反应器内呈折弯的蛇形推流前进，最后由上端的气液出管法向流出，这种流动形式能最大程度的搅拌反应液，促进光合细菌及产氢底物的混合，且便于生成气泡的逸出。产氢底物及光合细菌的进料方式都是沿着制氢反应器的法线方向，增加了预混效果。且将光合细菌与产氢底物分开泵入进料预混盒后快速进入制氢反应器，最大限度的减少了产氢料液在制氢反应器外的停留时间，实现了氢气收集率的最大化。
隔流盒是由由有机玻璃围成的U形槽，与制氢反应器本体无缝粘结。隔流盒的一面开口，用于实现LED灯的嵌套，维护及更换灯具非常方便。
气液分离单元由自制的箱体和气囊组成。气体随产氢基质一起由气液进管流入到箱体内，气体向上逸出进入气囊内，液体由于自身重力作用由回流管流至进料预混盒内，继续进行制氢作业。
本发明能够用来进行各种原料及各种工况下的光合生物制氢反应，且可以根据实际需要，在任意位置添加取样口，或放入传感器等，实现对产氢过程的实时监控。
经过试验，在环境温度25~30℃，进料速度0.8~1.1L/h，LED灯的光照强度2000~6000LUX的条件下，对制氢反应器进行CFD流场分析，该新型光通道生物制氢反应器能都实现制氢反应器内部速度场及温度场的均匀分布，且能有效减少制氢反应器内死区，基本实现了零温差。
本发明在对现有光合细菌制氢反应器的发展现状进行总结的基础上，将隔流盒上流及产氢基质回流结合起来，并创造性的将隔流盒同时作为灯箱使用，实现了采光面积最大化及温度变化细微化，为环保高效的制取氢气提供了技术支持。
附图说明
图1 是发明的结构示意图；
图2 是本发明中制氢反应器的结构示意图；
图3是本发明中气液分离单元的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的光通道光合生物制氢装置，包括进料单元、制氢反应器1和气液分离单元18，进料单元包括光合细菌罐2、产氢底物罐3和进料预混盒，光合细菌罐2和产氢底物罐3的出口分别通过一根输液管4与进料预混盒5的进口连接，每根输液管4上均设有一个恒流泵6，进料预混盒5的出口通过进液管7与制氢反应器1的进口连接，制氢反应器1的出口通过气液出管9与气液分离单元18的进口连接。
制氢反应器1呈长方体形状，制氢反应器1的进口设在一侧的下部，制氢反应器1的进口处设有液体进管8，进液管7与液体进管8连接，制氢反应器1的出口设在相对另一侧的上部，气液出管9的一端与制氢反应器1的出口连接，制氢反应器1内设有由透明材料制成的隔流盒10，隔流盒10内设有LED灯11，所述隔流盒10在临近液体进管8和气液出管9分别设有一个，一排隔流盒10设在制氢反应器1的底面，另一排隔流盒10设在制氢反应器1的顶面，两排隔流盒10交错布置，两排隔流盒10之间形成弯折状的液体流通道12。本实施例中的隔流盒10共计设有四个。
气液分离单元18包括箱体13，箱体13一侧设有与气液出管9连接的气液进管14，箱体13顶部连接有气体出管15，气体出管15的出口连接有气囊16，箱体13下部与进料预混盒5之间通过回流管17连接，气液进管14在箱体13内向上折弯。
本发明在工作使用时，光合细菌罐2内的菌种经一根输液管4与进料预混盒5上端连接，产氢底物罐3内的产氢底物经另一根输液管4与进料预混盒5上部连接，菌种和产氢底物在预混盒中混合后由预混盒下部的出口通过进液管7和气液进管14进入气液分离单元18的箱体13内。两根输液管4上的恒流泵6在整个系统运行过程中还起到节流阀的作用，防止液体出现回流，进料速率及回流量也可由控制恒流泵6的转速实现。
本发明材料的各部件/构件为透明材料（如有机玻璃）等，制氢反应器1为折流板式结构，制氢反应器1的进料口在反应器的最底端，产氢基质经法线方向进入制氢反应器1后，推流加上升流动，经过隔流盒10后成下降流，在制氢反应器1内呈折弯的蛇形推流前进，最后由上端的气液出管9法向流出，这种流动形式能最大程度的搅拌反应液，促进光合细菌及产氢底物的混合，且便于生成气泡的逸出。产氢底物及光合细菌的进料方式都是沿着制氢反应器1的法线方向，增加了预混效果。且将光合细菌与产氢底物分开泵入进料预混盒5后快速进入制氢反应器1，最大限度的减少了产氢料液在制氢反应器1外的停留时间，实现了氢气收集率的最大化。
隔流盒10是由由有机玻璃围成的U形槽，与制氢反应器1本体无缝粘结。隔流盒10的一面开口，用于实现LED灯11的嵌套，维护及更换灯具非常方便。
气液分离单元18由自制的箱体13和气囊16组成。气体随产氢基质一起由气液进管14流入到箱体13内，气体向上逸出进入气囊16内，液体由于自身重力作用由回流管17流至进料预混盒5内，继续进行制氢作业，实现了循环连续产氢作业。
本发明能够用来进行各种原料及各种工况下的光合生物制氢反应，且可以根据实际需要，在任意位置添加取样口，或放入传感器等，实现对产氢过程的实时监控。
经过试验，在环境温度25~30℃，进料速度0.8~1.1L/h，LED灯11的光照强度800~1200LUX的条件下，对制氢反应器1进行CFD流场分析，该新型光通道生物制氢反应器1能都实现制氢反应器1内部速度场及温度场的均匀分布，且能有效减少制氢反应器1内死区，基本实现了零温差。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.光通道光合生物制氢装置，包括进料单元、制氢反应器和气液分离单元，其特征在于：所述进料单元包括光合细菌罐、产氢底物罐和进料预混盒，光合细菌罐和产氢底物罐的出口分别通过一根输液管与进料预混盒的进口连接，每根输液管上均设有一个恒流泵，进料预混盒的出口通过进液管与制氢反应器的进口连接，制氢反应器的出口通过气液出管与气液分离单元的进口连接；
所述制氢反应器呈长方体形状，制氢反应器的进口设在一侧的下部，制氢反应器的进口处设有液体进管，进液管与液体进管连接，制氢反应器的出口设在相对另一侧的上部，气液出管的一端与制氢反应器的出口连接，制氢反应器内设有由透明材料制成的隔流盒，隔流盒内设有LED灯，所述隔流盒在临近液体进管和气液出管分别设有一个，一排隔流盒设在制氢反应器的底面，另一排隔流盒设在制氢反应器的顶面，两排隔流盒交错布置，两排隔流盒之间形成弯折状的液体流通道；
所述气液分离单元包括箱体，箱体一侧设有与气液出管连接的气液进管，箱体顶部连接有气体出管，气体出管的出口连接有气囊，箱体下部与进料预混盒之间通过回流管连接，气液进管在箱体内向上折。
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