CN114262655A - 一种循环密封加氢生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种循环密封加氢生物反应器，包括主反应器、氢回收装置和外部配氢系统，主反应器包括反应罐体，反应罐体底部设有布氢器，布氢器上方依次设有气液收集罩和气液上升管，气液收集罩与气液上升管相连，氢回收装置包括气液分离器，气液分离器位于反应罐体顶部上方，气液上升管与气液分离器相连，气液分离器下部装有料液回流管，料液回流管穿过反应罐体顶部并延伸至反应罐体内液位线以下位置，气液分离器上部装有氢气回收管，外部配氢系统分别与布氢器和氢气回收管相连。本发明可向正在产气的厌氧发酵反应罐体内连续不断通入氢气的同时，有效避免未溶解逸出氢与反应罐体内产生沼气混合，实现余氢回收及循环利用，提高氢的有效利用率。
Description
技术领域
本发明涉及厌氧发酵技术领域，尤其涉及一种循环密封加氢生物反应器。
背景技术
近些年，随着可再生能源电力技术及新材料的突破性发展，风光电价格直线下降，发电规模逐年上升。由于风光电具有间歇性生产和不易储存的特性，因此风光电不可避免地会产生部分富余电力。2020年我国风光发电总量达7270亿千瓦时，按平均弃电率10％计算，直接经济损失达400余亿元。针对电能不易储存的特性，将电能进行转化储存就成为“低谷电”或“弃电”等余电利用的新途径。“电转气”是余电转化利用的重要方式之一，这一技术主要由电解水制氢和加氢厌氧生物还原CO2两个过程实现，理论能量转化效率在80％以上，且具有条件温和不产生“三废”等优势。同时有研究指出，加氢厌氧发酵的同时也可使沼气甲烷含量最高提升至90％以上，沼气热值提升明显，进而还可达到沼气工程碳减排、节能降耗等目的。
然而在实际应用中，针对加氢厌氧生物还原CO2这一过程，由于氢在水中溶解度较低，这就使得通入氢气会迅速溢出发酵料液之外，并与系统产生沼气混合，从而降低了氢的利用效率，且余氢回收利用成本较高。此外，现有生化反应池加气装置都是基于好氧生化原理展开，以曝气装置为主，该类装置主要是向生化反应池内通入氧气(空气)，以实现均匀布气为目标，且氧气溶解度相对较大，生化消耗速率也较快，由于空气成本较低，溢出带有少量氧气的空气无须考虑回收及循环利用问题。而厌氧加氢发酵装置的气源是氢气，其具有一定获取成本，且氢在水中溶解度较氧气低，很容易逸出液相，而逸出氢与沼气混合后，再循环氢气的分压大大降低，直接影响“气-液”传质速率，且会明显增加动力消耗。因此，厌氧加氢发酵装置在考虑均匀加气的同时，仍需进一步考虑如何改进和解决提高氢的利用效率以及实现逸出氢的回收利用问题。
发明内容
本发明提供一种向厌氧发酵系统中加氢，并能够有效回收未溶解氢以及对其进行循环利用的厌氧加氢发酵装置，解决了现有生化加气反应器无法阻断未溶解逸出氢和沼气混合，以及无法有效回收利用未溶解氢的技术难题。
本发明提供的一种循环密封加氢生物反应器，包括主反应器、氢回收装置和外部配氢系统，所述主反应器包括反应罐体、布氢器、气液收集罩和气液上升管，所述反应罐体的底部设有所述布氢器，所述布氢器的上方依次设有所述气液收集罩和气液上升管，所述气液收集罩与所述气液上升管相连，所述氢回收装置包括气液分离器、料液回流管和氢气回收管，所述气液分离器位于所述反应罐体的顶部上方，所述气液上升管穿过所述反应罐体的顶部并与所述气液分离器相连，在所述反应罐体的内腔上部设有液位线，所述气液分离器的下部装有所述料液回流管，所述料液回流管穿过所述反应罐体的顶部并延伸至所述液位线以下位置，所述气液分离器的上部装有所述氢气回收管，所述外部配氢系统分别与所述布氢器和氢气回收管相连。
本发明的工作原理为：当氢气通过布氢器进入反应罐体后，氢气与布氢器上方料液混合，并一同被气液收集罩收集进入气液上升管，在密度差引起的压强差作用下，该气液混合物不断从气液上升管底部流入，从气液上升管上部流出，由此实现了在气液上升管底部不断由无氢料液和新通入氢气通过气液收集罩收集补充，在气液上升管上部通过气液分离器实现氢气与料液的不断分离和回收的技术效果，回收氢气与新补充氢气经外部配氢系统混合后一并再打入反应罐体内腔底部的布氢器，而回收的富氢料液通过料液回流管回流至反应罐体后进行厌氧食氢固碳反应，从而实现连续不断的向反应罐体内通入氢气并与罐内物料进行内循环食氢固碳反应的目的。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：可实现向正在产气的厌氧发酵反应罐体内连续不断通入氢气的同时，有效避免未溶解的逸出氢与反应罐体内产生的沼气混合，从而达到对余氢进行回收循环利用的目的，进而提高氢的有效利用率。此外，在外部配氢系统运转的同时，通过设置与气液分离器相连的气液上升管和料液回流管，实现料液的上升与回流过程并形成反应罐体内料液进行内循环的技术效果，能够对料液起到一定的搅拌作用，从而有利于反应罐体内部的传质与转热。
进一步地，所述外部配氢系统包括配气罐、气泵和储氢罐，所述配气罐分别与所述布氢器和氢气回收管相连，所述配气罐通过第一连接管与所述布氢器相连，所述第一连接管上装有所述气泵，所述配气罐通过第二连接管与所述储氢罐相连，所述第二连接管上装有单向阀。
本发明通过将配气罐与氢气回收管相连，可实现将回收氢气与补充氢气混合后经气泵一并打入反应罐体内腔底部布氢器的技术效果。
进一步地，所述配气罐下部开有凝液排出口。
进一步地，所述反应罐体顶部开有沼气排出口。
进一步地，所述反应罐体的高径比为3至8。
本发明通过对反应罐体设置较高的高径比，可减少占地面积并增大气液混合区压强，有利于氢气溶解。
进一步地，所述布氢器的覆盖面积占所述反应罐体横截面积的1/4至1/2。
进一步地，所述布氢器与所述反应罐体的内腔底面之间的距离为0.5至1m。
进一步地，所述气液收集罩的覆盖面积大于所述布氢器的覆盖面积，以保证对气液混合物的有效收集，所述气液收集罩的最低点与所述布氢器之间的距离为100至500mm，以保证有足够料液进入气液收集罩内。
进一步地，所述气液上升管的直径为100至500mm。
本发明通过设定气液上升管的直径取值范围，一方面，能够有效避免因气液上升管直径过大而造成料液难以上升问题；另一方面，能够有效避免因气液上升管直径过小而造成某些颗粒较大或块茎类物料难以通过并影响料液顺利上升问题。此外，当料液粘稠度较大时，气液上升管直径还可在该直径取值范围上限的基础上增加10％至20％。
进一步地，所述气液分离器的高度和直径均为0.5至1m，以有效避免上升料液进入氢气回收管内。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的结构示意图。
图2为本发明图1所示实施例中外部配氢系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-反应罐体；2-布氢器；3-气液收集罩；4-气液上升管；5-气液分离器；6-料液回流管；7-液位线；8-氢气回收管；9-沼气排出口；10-外部配氢系统；11-配气罐；12-气泵；13-储氢罐；14-单向阀；15-凝液排出口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
本发明提供一种向厌氧发酵系统中加氢，并能够有效回收未溶解氢以及对其进行循环利用的厌氧加氢发酵装置，解决了现有生化加气反应器无法阻断未溶解逸出氢和沼气混合，以及无法有效回收利用未溶解氢的技术难题。
本发明提供的一种循环密封加氢生物反应器，如图1所示，包括主反应器、氢回收装置和外部配氢系统10，所述主反应器包括反应罐体1、布氢器2、气液收集罩3和气液上升管4，所述反应罐体1的底部设有所述布氢器2，所述布氢器2的上方依次设有所述气液收集罩3和气液上升管4，所述气液收集罩3与所述气液上升管4相连，所述氢回收装置包括气液分离器5、料液回流管6和氢气回收管8，所述气液分离器5位于所述反应罐体1的顶部上方，所述气液上升管4穿过所述反应罐体1的顶部并与所述气液分离器5相连，在所述反应罐体1的内腔上部设有液位线7，所述气液分离器5的下部装有所述料液回流管6，所述料液回流管6穿过所述反应罐体1的顶部并延伸至所述液位线7以下位置，所述气液分离器5的上部装有所述氢气回收管8，所述外部配氢系统10分别与所述布氢器2和氢气回收管8相连。
如图1所示，本发明的工作原理为：当氢气通过布氢器2进入反应罐体1后，氢气与布氢器2上方料液混合，并一同被气液收集罩3收集进入气液上升管4，在密度差引起的压强差作用下，该气液混合物不断从气液上升管4底部流入，从气液上升管4上部流出，由此实现了在气液上升管4底部不断由无氢料液和新通入氢气通过气液收集罩3收集补充，在气液上升管4上部通过气液分离器5实现氢气与料液的不断分离和回收的技术效果，回收氢气与新补充氢气经外部配氢系统10混合后一并再打入反应罐体1内腔底部的布氢器2，而回收的富氢料液通过料液回流管6回流至反应罐体1后进行厌氧食氢固碳反应，从而实现连续不断的向反应罐体1内通入氢气并与罐内物料进行内循环食氢固碳反应的目的。
本发明与现有技术相比的有益效果是：可实现向正在产气的厌氧发酵反应罐体1内连续不断通入氢气的同时，有效避免未溶解的逸出氢与反应罐体1内产生的沼气混合，从而达到对余氢进行回收循环利用的目的，进而提高氢的有效利用率。此外，在外部配氢系统10运转的同时，通过设置与气液分离器5相连的气液上升管4和料液回流管6，实现料液的上升与回流过程并形成反应罐体1内料液进行内循环的技术效果，能够对料液起到一定的搅拌作用，从而有利于反应罐体1内部的传质与转热。
具体地，如图1、2所示，所述外部配氢系统10包括配气罐11、气泵12和储氢罐13，所述配气罐11分别与所述布氢器2和氢气回收管8相连，所述配气罐11通过第一连接管与所述布氢器2相连，所述第一连接管上装有所述气泵12，所述配气罐11通过第二连接管与所述储氢罐13相连，所述第二连接管上装有单向阀14。
本发明通过将配气罐11与氢气回收管8相连，可实现将回收氢气与补充氢气混合后经气泵12一并打入反应罐体1内腔底部布氢器2的技术效果。
具体地，如图2所示，所述配气罐11下部开有凝液排出口15。
具体地，如图1所示，所述反应罐体1顶部开有沼气排出口9。
具体地，如图1所示，所述反应罐体1的高径比为3至8。
本发明通过对反应罐体1设置较高的高径比，可减少占地面积并增大气液混合区压强，有利于氢气溶解。
具体地，如图1所示，所述布氢器2的覆盖面积占所述反应罐体1横截面积的1/4至1/2。
具体地，如图1所示，所述布氢器2与所述反应罐体1的内腔底面之间的距离为0.5至1m。
具体地，如图1所示，所述气液收集罩3的覆盖面积大于所述布氢器2的覆盖面积，以保证对气液混合物的有效收集，所述气液收集罩3的最低点与所述布氢器2之间的距离为100至500mm，以保证有足够料液进入气液收集罩3内。
具体地，如图1所示，所述气液上升管4的直径为100至500mm。
本发明通过设定气液上升管4的直径取值范围，一方面，能够有效避免因气液上升管4直径过大而造成料液难以上升问题；另一方面，能够有效避免因气液上升管4直径过小而造成某些颗粒较大或块茎类物料难以通过并影响料液顺利上升问题。此外，当料液粘稠度较大时，气液上升管4直径还可在该直径取值范围上限的基础上增加10％至20％。
具体地，如图1所示，所述气液分离器5的高度和直径均为0.5至1m，以有效避免上升料液进入氢气回收管8内。
如图1、2所示，本发明在使用过程中，首先打开外部配氢系统10中配气罐11与储氢罐13之间的单向阀14，使氢气从储氢罐13进入配气罐11，随后启动气泵12，将氢气由配气罐11泵入反应罐体1中的布氢器2，氢气从布氢器2中释放出来后与附近的反应罐体1内部料液进行混合，形成的气液混合物由气液收集罩3收集进入气液上升管4内部，由于气液上升管4内外料液会产生一定密度差，进而在气液上升管4底部产生一定压强差，从而迫使气液上升管4内料液上升，在不断通入氢气的情况下，气液上升管4内料液不断进入气液分离器5内，气液混合物在气液分离器5内完成过剩氢气的分离，过剩氢气溢出后沿氢气回收管8返回配气罐11中，而富氢料液由料液回流管6返回到反应罐体1中，且需排入反应罐体1内腔上部的液位线7以下位置，回收的过剩氢气将在配气罐11中与从储氢罐13补入的氢气混合后由气泵12打入反应罐体1内部的布氢器2，随后再按上述工作流程循环往复进行即可。
虽然本发明披露如上技术方案，但本发明并非限定于此。本领域技术人员在不脱离本发明精神及范围内，可对上述技术方案作各种变形与修改，本发明保护范围以权利要求书的限定范围为准。
Claims (10)
1.一种循环密封加氢生物反应器，其特征在于，包括主反应器、氢回收装置和外部配氢系统(10)，所述主反应器包括反应罐体(1)、布氢器(2)、气液收集罩(3)和气液上升管(4)，所述反应罐体(1)的底部设有所述布氢器(2)，所述布氢器(2)的上方依次设有所述气液收集罩(3)和气液上升管(4)，所述气液收集罩(3)与所述气液上升管(4)相连，所述氢回收装置包括气液分离器(5)、料液回流管(6)和氢气回收管(8)，所述气液分离器(5)位于所述反应罐体(1)的顶部上方，所述气液上升管(4)穿过所述反应罐体(1)的顶部并与所述气液分离器(5)相连，在所述反应罐体(1)的内腔上部设有液位线(7)，所述气液分离器(5)的下部装有所述料液回流管(6)，所述料液回流管(6)穿过所述反应罐体(1)的顶部并延伸至所述液位线(7)以下位置，所述气液分离器(5)的上部装有所述氢气回收管(8)，所述外部配氢系统(10)分别与所述布氢器(2)和氢气回收管(8)相连。
2.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述外部配氢系统(10)包括配气罐(11)、气泵(12)和储氢罐(13)，所述配气罐(11)分别与所述布氢器(2)和氢气回收管(8)相连，所述配气罐(11)通过第一连接管与所述布氢器(2)相连，所述第一连接管上装有所述气泵(12)，所述配气罐(11)通过第二连接管与所述储氢罐(13)相连，所述第二连接管上装有单向阀(14)。
3.根据权利要求2所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述配气罐(11)下部开有凝液排出口(15)。
4.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述反应罐体(1)顶部开有沼气排出口(9)。
5.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述反应罐体(1)的高径比为3至8。
6.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述布氢器(2)的覆盖面积占所述反应罐体(1)横截面积的1/4至1/2。
7.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述布氢器(2)与所述反应罐体(1)的内腔底面之间的距离为0.5至1m。
8.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述气液收集罩(3)的覆盖面积大于所述布氢器(2)的覆盖面积，所述气液收集罩(3)的最低点与所述布氢器(2)之间的距离为100至500mm。
9.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述气液上升管(4)的直径为100至500mm。
10.根据权利要求1所述的循环密封加氢生物反应器，其特征在于，所述气液分离器(5)的高度和直径均为0.5至1m。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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