CN107974316A - 一种制备生物氢烷燃料的方法 - Google Patents

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戴萌
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Abstract

本发明涉及一种制备生物氢烷燃料的方法。采用两步厌氧发酵技术，将废弃生物质分别转化为氢气和甲烷。根据氢烷燃料中氢气浓度的要求，通过反馈控制，决定第一步中生成氢气的流向：(1)直接与第二步生产的沼气混合，或(2)第一步产生的适量氢气在沼气发酵罐中，利用嗜氢甲烷菌进一步转化为甲烷。产生的混合气经过脱碳提纯后，生产出氢气含量在5‑25％的品质稳定的氢烷燃料产品。本发明具有环保、成本低等优点，可解决生物法制取的氢气因缺乏相关基础设施而难以应用的问题，同时为生产品质稳定的氢烷燃料产品提供技术支撑，本方法的实施可产生良好的经济、社会和环境效益。

Description

一种制备生物氢烷燃料的方法
技术领域
本发明涉及一种利用生物质经厌氧发酵生产的氢气和甲烷制备氢烷燃料的方法。
背景技术
不断上涨的汽油和柴油价格正在推动人们向非汽油燃料的转变。同时，粮食价格的上升也迫使第一代生物燃料需要找出新的解决方案。虽然氢气是最佳的清洁能源，但是其实际应用受到很大限制。用于燃料电池存在价格昂贵、需专业人员维护、寿命短等缺点，处于研发阶段，不能规模生产。目前，氢燃料基础设施还不完善，主要表现为加氢站数量少，建设和运行成本高。建造一个氢气燃料站需要花费100万至200万美元。氢烷燃料可以在现有知识和新技术的基础上解决这一难题。氢烷燃料主要由甲烷和氢气组成，其中甲烷占75-85％，氢气占5-25％。与天然气燃料相比，氢烷燃料可以实现CO2、CO、NOx的排放量显著降低。氢烷燃料内燃机燃烧试验表明：CO2减排17-23％，CO减排6.3％，NOx减排27-50％。欧盟研究表明，氢烷燃料使用过程中的NOx和PM排放量远低于其他燃料，如柴油、天然气。因此，氢烷燃料具有更为广阔的应用前景。
目前的氢烷燃料主要是经过配气系统将氢气和甲烷按照一定的比例混合配制而成。氢烷燃料中的甲烷，可以通过天然气、煤气化及生物质厌氧发酵获得。我国天然气储量低，资源贫乏。煤气化制备甲烷技术，具有气化率低、能耗高、投资大、成本高、存在环境污染等缺点。氢烷燃料中的氢气，可以通过物理化学法制氢等途径获得，但存在能耗较高和环境污染等缺点。经过近40年的发展，中国沼气工程数量显著增加。截止2011年，大中型沼气工程数量超过8万处，年产气量达到了171亿m3。目前我国大型沼气工程生产生物天然气是我国分布式能源的重要部署方向，这些为氢烷燃料开发提供了重要的原料来源和市场。因此，鉴于氢烷燃料的环境和经济效益优势，在我国现有的沼气工程基础上，经过改造升级，生产高附加值的氢烷燃料，将会显著提升我国沼气工程的环保、经济和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用生物质经厌氧发酵生产的氢气和甲烷制备氢烷燃料的方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种制备生物氢烷燃料的方法，采用两步厌氧发酵方式，将废弃生物质分别转化为氢气和甲烷，根据氢烷燃料中氢气浓度的要求，通过反馈控制，决定第一步中生成氢气的流向：(1)直接与第二步生产的沼气混合，或(2)第一步产生的适量氢气在沼气发酵罐中，利用嗜氢甲烷菌进一步转化为甲烷，产生的混合气经过脱碳提纯后，生产出氢气含量在5-25％的品质稳定的氢烷燃料产品。
进一步的说，废弃生物质(如：秸秆、畜禽粪便、糟渣类废弃物、生活污泥等)采用两步法进行厌氧微生物发酵处理。第一步在产氢反应器中，经厌氧微生物发酵生产生物气(氢气和CO2混合物)，技术方案如图1所示，进入生物气缓冲罐(1)；第二步：产氢发酵后物料经进料泵(6)泵入产甲烷反应器中，通过甲烷菌进一步转化成为沼气(甲烷和CO2)后，进入氢烷燃料配气装置(2)中。产氢反应器产生的生物气，从生物气缓冲罐(1)，进入氢烷燃料配气装置(2)后，与氢烷燃料配气装置(2)中的沼气混合。最后，氢烷燃料配气装置(2)中的氢气、甲烷和CO2混合气，经过CO2脱除装置(3)去除CO2后，最终生产出生物氢烷燃料。
产氢反应器中生产的氢气还可根据最终氢烷燃料中氢气浓度的要求，通过在线监测控制系统(7)的氢气监测设备(8)监测氢烷燃料配气装置中的氢气含量。利用氢气含量信号反馈控制生物气缓冲罐(1)中的生物气流向。关闭阀门(12)，打开阀门(11)，生物气缓冲罐中的适量氢气，经生物气增压设备(5)，从产甲烷反应器罐底经曝气装置(10)送入产甲烷反应器，经过嗜氢甲烷菌进一步转化成为甲烷，再与配气装置(2)中的沼气、氢气混合。最后，经过CO2脱除装置(3)去除CO2，从而生产出生物氢烷燃料，并储存于生物氢烷储存装置(4)中。
所述上述生产生物氢烷燃料所采用的装置包括，产氢反应器、产甲烷反应器、生物气缓冲罐、在线监测控制系统和氢气监测设备；产氢反应器与产甲烷反应器下端之间通过管路连接有进料泵，上端之间通过管路依次连接生物气缓冲罐、第一阀门和生物气增压设备，在生物气缓冲罐与第一阀门之间管路上设有另一路带有第二阀门管路依次连接氢烷燃料配气装置、氢烷燃料增压设备、CO2脱除装置和氢烷燃料；其中，第一、二阀门与氢烷燃料配气装置与在线监测控制系统。
所述氢烷燃料配气装置与在线监测控制系统通过设于其上端的氢气监测设备相连。
所述生物气增压设备与设于产甲烷反应器内部底端的曝气装置相连。
附图说明
图1为本发明实施例提的生物氢烷燃料的装置，其中(1)生物气缓冲罐，(2)氢烷燃料配气装置，(3)CO2脱除装置，(4)氢烷燃料储存装置，(5)生物气增压设备，(6)进料泵，(7)在线监测控制系统，(8)氢气监测设备，(9)氢烷燃料增压设备，(10)曝气装置，(11)阀门，(12)阀门。
本发明所具有的优点：
本发明针对氢烷燃料的环境效益和提升我国沼气工程的环保和经济效益，在生物质厌氧发酵过程产生的氢气和甲烷的基础上，进一步开发出一种制备氢烷燃料的工艺，最后经过脱碳工艺生产高符合要求的氢烷燃料。本发明方法环保和成本低。经在线监测控制系统实时监测氢气含量并进行反馈，使氢烷燃料的生产过程实现自动反馈控制氢烷燃料中的氢气比例，达到自动调配之目的，从而可生产出品质稳定的氢烷燃料。还可解决生物法制取的氢气因缺乏相关基础设施而难以应用的问题，为生产品质稳定的氢烷燃料产品提供技术支撑。本方法的实施可产生良好的经济、社会和环境效益。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的详细描述。本发明通过生物制氢与沼气工程的组合，提高生物质废弃物的利用效率和提供一种高品质的氢气和甲烷混合燃料，以期为我国生物能源产业发展提供一条新的途径。本发明所述的方法为：废弃生物质采用两步法进行厌氧微生物发酵处理，第一步通过厌氧微生物发酵生产氢气，第二步在甲烷菌的作用下生产沼气，第一步产生的氢气与第二步生产的沼气混合后进行提纯净化和脱碳处理，经提纯后生产氢烷燃料(氢气和甲烷的混和物)。第一步生产的氢气根据最终氢烷燃料中氢气浓度的要求，通过反馈控制把第一步中生成的适量的氢气和二氧化碳气体通入第二步沼气发酵罐中，利用嗜氢甲烷菌把氢气和二氧化碳转化为甲烷，从而调节氢烷燃料中氢气含量，生产出品质稳定的氢烷燃料产品。
实施例：
如1所示，装置包括，产氢反应器、产甲烷反应器、生物气缓冲罐、在线监测控制系统和氢气监测设备；产氢反应器与产甲烷反应器下端之间通过管路连接有进料泵，上端之间通过管路依次连接生物气缓冲罐、第一阀门和生物气增压设备，在生物气缓冲罐与第一阀门之间管路上设有另一路带有第二阀门管路依次连接氢烷燃料配气装置、氢烷燃料增压设备、CO2脱除装置和氢烷燃料；其中，第一、二阀门与氢烷燃料配气装置与在线监测控制系统。
所述氢烷燃料配气装置与在线监测控制系统通过设于其上端的氢气监测设备相连。所述生物气增压设备与设于产甲烷反应器内部底端的曝气装置相连。
根据上述装置进行制备氢烷燃料。
以淀粉类废弃生物质作为原料，在产氢反应器中，按照现有技术经过产氢微生物作用转化成为生物气500mL/g-VS(氢气产量为200mL/g-VS，CO2产量为300mL/g-VS)，生物气贮存在生物气储罐(1)中。产氢反应器中的产氢发酵液通过进料泵(6)，泵入产甲烷反应器，进一步转化成为沼气660mL/g-VS(甲烷产量为400mL/g-VS，CO2产量为260mL/g-VS)，沼气进入配气装置(2)中。产氢反应器中产生的生物气(500mL生物气/g-VS)直接进入氢烷燃料配气装置(2)，与产甲烷反应器产生的沼气进行混配。最后，配气装置中的氢、甲烷和CO2混合气经过气体增压设备(9)，进入CO2脱除装置(3)去除CO2。生产的氢烷燃料中的氢气含量(33％)高于现行氢烷燃料中规定的氢气比例(5-25％)。因此，需要通过装置中的在线监测控制系统来控制氢烷燃料配气装置内氢气的浓度，浓度高时将生物气缓冲罐中的一部分氢气输送到产甲烷反应器中，经嗜氢甲烷菌进一步转化成为甲烷后，再与氢烷燃料配气装置(2)中的沼气混合，而后经提纯后生产氢气含量在5-25％的品质稳定的氢烷燃料。需要将生物气缓冲罐中的一部分氢气输送到产甲烷反应器中，经嗜氢甲烷菌进一步转化成为甲烷后，再与氢烷燃料配气装置(2)中的沼气混合。
上述在先监控过程是：
为了生产符合要求的氢烷燃料(氢气22％；甲烷78％)。经在线监测控制系统(7)，关闭阀门(12)，打开阀门(11)，将来自产氢反应器产生的生物气一部分(200mL生物气/g-VS)通过生物气体加压装置(5)，从产甲烷反应器罐底经曝气装置(10)送入产甲烷反应器，在微生物作用下，进一步转化成为20mL/g-VS甲烷；另一部分生物气(300mL生物气/g-VS)直接进入配气装置(2)，与产甲烷反应器产生的沼气进行混配。最后，配气装置中的氢、甲烷和CO2混合气经过气体增压设备(9)，进入CO2脱除装置(3)，去除CO2，从而生产出符合要求的氢烷燃料(氢气22％；甲烷78％)，并储存在氢烷燃料储存装置(4)中。

Claims (4)

1.一种制备生物氢烷燃料的方法，其特征在于：采用两步厌氧发酵方式，将废弃生物质分别转化为氢气和甲烷，根据氢烷燃料中氢气浓度的要求，通过反馈控制，决定第一步中生成氢气的流向：(1)直接与第二步生产的沼气混合，或(2)第一步产生的适量氢气在沼气发酵罐中，利用嗜氢甲烷菌进一步转化为甲烷，产生的混合气经过脱碳提纯后，生产出氢气含量在5-25％的品质稳定的氢烷燃料产品。
2.按权利要求1所述的制备生物氢烷燃料的方法，其特征在于：所述上述生产生物氢烷燃料所采用的装置包括，产氢反应器、产甲烷反应器、生物气缓冲罐、在线监测控制系统和氢气监测设备；产氢反应器与产甲烷反应器下端之间通过管路连接有进料泵，上端之间通过管路依次连接生物气缓冲罐、第一阀门和生物气增压设备，在生物气缓冲罐与第一阀门之间管路上设有另一路带有第二阀门管路依次连接氢烷燃料配气装置、氢烷燃料增压设备、CO2脱除装置和氢烷燃料；其中，第一、二阀门与氢烷燃料配气装置与在线监测控制系统。
3.按权利要求1或2所述的制备生物氢烷燃料的方法，其特征在于：所述氢烷燃料配气装置与在线监测控制系统通过设于其上端的氢气监测设备相连。
4.按权利要求1或2所述的制备生物氢烷燃料的方法，其特征在于：所述生物气增压设备与设于产甲烷反应器内部底端的曝气装置相连。
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