CN205603309U - 一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置。所述系统装置包括厌氧合成一体化反应器，所述厌氧合成一体化反应器从下到上依次包括排泥区、曝气缓冲区、气液混合区、微生物合成反应区、气固液分离区和气相稳压区。利用本实用新型的系统装置，不仅可以实现厌氧合成一体化反应器中有机废弃物处理及资源化产甲烷，也可同时实现合成气的甲烷化提质。与现有技术相比，本实用新型采用微生物工艺将合成气通入厌氧合成一体化反应器在处理有机废弃物的同时实现气体提质提纯，在常温常压下，可以把合成气中除甲烷外的大部分的成分转化为甲烷，为解决我国能源领域所面临的资源短缺，环境污染，能源结构不合理等问题提供了新方法。

Description

一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置

技术领域

本实用新型涉及有机废弃物处理和合成气综合利用及气体提质，其中合成气包含炼焦工业副产煤气、生物质热解气化燃气、人工煤气等。更具体地，涉及一套可同时实现有机废弃物处理及合成气提质的新装置。

背景技术

厌氧消化工艺由于具有高负荷、低能耗、低运行成本、产生能源等优点而广泛应用于高浓度有机废水(酒糟、垃圾渗滤液等)、有机废弃物(污泥、牛粪、秸秆等)的处理。厌氧消化过程产生的沼气的主要成分是50～70％甲烷(CH₄)、30～50％二氧化碳(CO₂)和少量的硫化氢(H₂S)、水(H₂O)、氨氮(NH₃)、氢(H₂)和一氧化碳(CO)等，是一种可持续的有价值的能量来源。普通沼气，作为一种清洁能源，热值一般在5200～6600千卡/立方米之间，长期以来作为民用能源使用，目前也被用于发电。然而，随着矿石燃料的枯竭，沼气利用的需求也在不断增长，将沼气提质为甲烷含量为90％以上的生物天然气正因其高效的利用而受到广泛的关注。提质后沼气热值高(8000～9000千卡/立方米)，可远距离运输，也可用作车用燃料或注入天然气管网取代天然气。

合成气，是指气源为热解气，焦炉煤气，高炉煤气，人工煤气等主要成分为H₂，CO，CH₄和CO₂的可燃气体。这部分气体具有热值低、有毒性、易泄漏、易爆炸等特点，使得在实际应用过程中极易出现安全事故，同时由于气体热值较低，在使用过程中也存在利用效率低等问题。利用这些气体单独或混合使用合成天然气开辟了合成气高效利用的新途径，不仅能带动钢铁焦化和能源产业的技术进步，还能解决工业废气排放造成的环境污染和资源浪费问题。

目前热解气甲烷化的技术尚处于探索比选阶段。国家十二五期间明确提出了重点扶持煤制天然气(煤→热解气→甲烷)技术，国内已上马了多个煤制天然气项目，其中热解气甲烷化也是煤制天然气的重要中间环节。目前热解气甲烷化技术主要利用多相催化甲烷化反应原理，将热解气中的碳氧化合物催化加氢生成甲烷。然而该技术的主要问题是需要在高温(200～700℃)高压(1～7.5MPa)条件下进行，CO和H₂需要固定的比例，甲烷化催化剂价 格昂贵，而且催化剂易受硫化物等的影响而失活。

焦炉煤气是炼焦过程中，产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体，其主要成分为H₂(55％～60％)和CH₄(23％～27％)，是炼焦过程的副产品。随着焦化行业的发展，有大量的焦炉煤气资源产生。焦炉煤气除部分返回炼焦炉用作加热燃料外，剩余的气体主要用作城市居民的燃料气，因不便送入城市管网，也有相当数量通过火炬燃烧放空。目前工业上焦炉煤气利用途径主要有：作为城市燃气直接利用；发电；通过变压吸附法等工艺可以提取氢气；深度净化后生产甲醇；合成氨或酵素等。这些工艺存在经济效益不高、能耗大、温室气体排放量大、环境效益低等缺点。国内已经开展了关于焦炉煤气制取替代天然气的研究及工程示范。

高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为：CO、CO₂、N₂、H₂、CH₄等，其中可燃成分CO含量约占25％左右。虽然高炉煤气的热值不高，但巨大的产量所产生的能源价值是很可观的。由于高炉煤气的产气量大于用户的用气量，过剩的高炉煤气需要通过放散塔放散掉或采用火炬燃烧。不仅浪费了大量的能源，而且会有大量有害气体和粉尘排放到大气中产生严重的环境污染。

合成气生产甲烷的方法主要包括化学方法和物理方法，其中化学方法是把合成气中除甲烷外的其他成分转化为甲烷，而物理方法是采用变压吸附分离、深冷分离、膜分离等方法，对甲烷进行提纯。目前合成气甲烷化技术主要采用化学合成技术，然而该技术的主要问题是需要在高温(200～700℃)高压(1～7.5MPa)条件下进行，CO和H₂需要固定的比例，甲烷化催化剂价格昂贵，而且催化剂易受硫化物等的影响而失活。热解气、焦炉煤气等工业副产煤气燃气成分复杂，CO和H₂的比例难以满足要求，利用化学合成原理的合成气工业甲烷化技术存在很大的缺陷。此外对合成气中H₂和CO₂的利用也不够完全，而且投资运行成本都比较高。

因此，需要提供一种全新的系统装置，以便同步高效实现有机废弃物的处理及合成气的提质。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置。

本实用新型的另一个目的在于提供一种采用上述装置同步实现有机废弃 物处理及合成气提质的方法。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，所述系统装置的核心部分为厌氧合成一体化反应器，所述厌氧合成一体化反应器从下到上依次包括排泥区8、曝气缓冲区3、气液混合区2、微生物合成反应区1、气固液分离区4和气相稳压区11；所述微生物合成反应区1位于反应器主体的中部，在微生物合成反应区1的下方为气液混合区2；所述气液混合区2的侧壁设有有机废弃物混合液进口6，内部连接均匀布水装置10；所述气液混合区2的下方为曝气缓冲区3，气液混合区2与曝气缓冲区3通过曝气装置9分隔开；所述曝气缓冲区3是一个与液相隔绝的腔室，底部设有合成气进气口7；环绕在曝气缓冲区3的周围及底部的区域为排泥区8，所述排泥区8的底部设有排泥口14；所述微生物合成反应区1的上部为气固液分离区4；所述气固液分离区4的侧壁设有液体循环管5；所述气固液分离区4的周围和上部区域为气相稳压区11，气相稳压区11的顶部设有生物天然气出气口13，生物天然气出气口13的侧壁与气相稳压区11的侧壁通过气体循环管12相连通。所述曝气装置9包括曝气盘和曝气器，所述曝气盘上设置曝气器；所述曝气盘直径与反应器内径比为0.6～0.8，周围除与反应器外壁固定部分外，其余间隙与上部气液混合区2和下部排泥区8联通；曝气器孔眼直径≤100μm，曝气器直径10mm～500mm，单个曝气器曝气气量0～5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比5％～30％。

该系统装置核心部分厌氧合成一体化反应器的结构示意图如图1所示。其中，各个组成部分的作用及工作原理为：

微生物合成反应区1，该区在反应器主体的中部，在该区利用反应器内的厌氧微生物对合成气中的CO、H₂及CO₂进行生物转化，生成以CH₄和CO₂为主要成分的生物天然气；

气液混合区2，设置在该微生物合成反应区1下方，在该气液混合区2内通入以CO及H₂为主要成分的合成气及微生物营养液，并实现气液的混合，混合后的气液升入该微生物合成反应区1中进行微生物转化；

曝气缓冲区3，设置在气液混合区下，作为一个与液相隔绝的腔室，进气在此区进行缓冲和混合，之后经过此区顶部的微孔曝气装置释放进入气液混合区；

气固液分离区4，设置在该微生物合成反应区1上方，分离气体上升过程 中带出的液体和污泥，收集和排出生物合成后的生物天然气；

排泥区8，设置在该反应器的最底部，该区环绕在曝气缓冲区3的周围，在曝气和进水过程进行汽液相混合时，活性较弱的厌氧污泥从周围外缘沉降下来，用以定期排除反应器底部的污泥；

气相稳压区11，该区在生物甲烷化反应器最上部，气固液分离区4的周围，通过与气体循环管12联通，用以稳定反应器内部压力，防止因迅速曝气造成的反应器内液面不平衡或液相溢流。

其中，气液混合区2包括：有机废弃物混合液进口6及均匀布水装置10，用以均匀地通入有机废弃物(有机废水，餐厨，垃圾，猪粪，牛粪，鸡粪等)及能够作为该微生物合成反应区1内的厌氧微生物生长所需及进行厌氧发酵的有机营养液，通入的混合液在反应器内的上升流速控制在1～2米内，使得该有机废弃物及营养液能够充分被厌氧微生物捕获利用。所述均匀布水装置10中布水孔口直径15mm～50mm，布水孔口总截面积与布水装置进水管截面比为0.8～2。合成气进口7及曝气装置9，用以通入以CO、H₂、CO₂及CH₄为主要成分的合成气，并将气体分化为微小气泡上升至该微生物合成反应区1进行反应。

该装置中的曝气装置9的横截面为圆形，正三角形或平行四边形。曝气盘直径与反应器内径比为0.6～0.8，周围除与反应器外壁固定部分外，其余间隙与上部气液混合区2和下部排泥区8联通。微孔曝气器在曝气盘上呈圆形或正三角形均匀分布，曝气器孔眼直径≤100μm，曝气器直径10mm～500mm，单个曝气器曝气气量0～5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比5％～30％。

本实用新型中，所述的厌氧合成一体化反应器与目前通用的UASB反应器相比，该反应器在布水装置底部增加了曝气装置，该曝气装置为微孔曝气装置，需要转化的工业气体通过进气管将气体通入曝气缓冲室3，然后经微孔曝气器均匀的分散于气液混合区2。并且本实用新型通过大量的创造性实验，探索出最佳的该微孔曝气装置工艺参数，使得该反应器可以同时实现有机废弃物厌氧消化和气体提质，并且具有最佳的处理效果，曝气盘直径与反应器内径比为0.6～0.8，周围除与反应器外壁固定部分外，其余间隙与上部气液混合区2和下部排泥区8联通。微孔曝气器在曝气盘上呈圆形或正三角形均匀分布，曝气器孔眼直径≤100μm，曝气器直径10mm～500mm，单个曝气器曝气气量0～5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比5％～30％。

该反应器比UASB反应器用途广泛，不仅可以作为UASB反应器处理有 机废弃物，而且可以同时实现有机废弃物厌氧消化和气体提质，因气体提质过程是在反应器中液相发生，并且溶解的CO₂也参与转化反应，有效地降低了因UASB反应器过高而造成的CO₂溶解加大致使反应器内PH下降的问题，根据环保部UASB工程技术规范(2012.06.01实施)，UASB有效水深应在5～8m之间，沉淀区总水深应大于1m，而UASB内废水上升流速宜小于0.8m/h，一般不宜超过0.5m。该厌氧合成一体化反应器对于上升流速也没有任何要求，反应器高度不受限于普通UASB有效水深为5～8m、沉淀区总水深应大于1m的限制，并且从气体提质转化效率上，较高的有效反应深度可使内部压力增大，气体成分溶解速率加快和溶解量加大，有利于液相中微生物捕获转化，所以该厌氧合成一体化反应器高度范围可设为2m～12m，高径比为1～10:1(普通UASB高径比通常在1～3:1之间)。同时，该厌氧合成一体化反应器底部增加了微孔曝气装置，因该装置设置在布水装置的下方，大大增加了气液传质效果，在反应器底部气液混合区，使得气体与有机废水和活性污泥混合均匀性增强，对比普通UASB反应器增大了厌氧处理能力，同时这种底部结构更好的避免死区的出现。

进一步地，所述系统装置还包括有机废弃物混合液储罐15、合成气储罐18、进水泵16以及进气泵17；所述有机废弃物混合液储罐15经进水泵16通过管道与厌氧合成一体化反应器中气液混合区2的有机废弃物混合液进口6相连；所述合成气储罐18经进气泵17通过管道与厌氧合成一体化反应器中曝气缓冲区3的合成气进气口7相连；厌氧合成一体化反应器的气固液分离区4的液体循环管5与有机废弃物混合液储罐15相连接；厌氧合成一体化反应器的气相稳压区11的气体循环管12与合成气储罐18相连接，最终产生的生物天然气经由生物天然气出气口13进入收集储存系统。

优选地，所述厌氧合成一体化反应器的高径比为1～10:1；所述气固液分离区4内设有三相分离器；所述曝气装置9为微孔曝气装置。

优选地，所述微生物合成反应区1的反应温度为30～40℃或50～60℃。

本实用新型还公开了采用上述的系统装置同步实现有机废弃物处理及合成气提质的方法，包括如下步骤：

1)将有机废弃物混合液经有机废弃物混合液进口通入厌氧合成一体化反应器的气液混合区；

2)将有机营养液经有机废弃物混合液进口通入厌氧合成一体化反应器的均匀布水装置；

3)将合成气经合成气进气口通入厌氧合成一体化反应器的曝气缓冲区；

4)在厌氧合成一体化反应器内部，将有机废弃物混合液、合成气以及有机营养液充分混合；

5)在厌氧合成一体化反应器的微生物合成反应区，有机废弃物混合液被微生物降解生成CH₄和CO₂，其中的CO₂及合成气中的CO₂一起在在微生物作用下与合成气中的H₂结合生成CH₄，合成气中的CO也在微生物的作用下转化为CH₄，最终获得以CH₄和CO₂为主含有杂质的生物天然气；

6)通过调整合成气进气中CO和H₂的进气比例可改变最终合成的生物天然气中CH₄和CO₂的成分含量。

其中,所述合成气的主要成分以H₂、CO、CO₂和CH₄为主，各成分比例及百分含量不受转化限制。

优选地，步骤1)中，所述有机废弃物混合液包括污水厂污水污泥、餐厨垃圾、有机废水、禽畜粪便。

优选地，步骤2)中，所述合成气的主要成分以H₂、CO、CO₂和CH₄为主，各成分比例及百分含量不受转化限制。

优选地，步骤3)中，所述有机营养液为C：N：P比为100～300：5：1的营养液。

优选地，步骤4)中，气液混合方式为机械搅拌、气体搅拌或者中空纤维膜曝气。在厌氧合成一体化反应器中，有机废弃物与合成气之间的混合通过机械搅拌、气体搅拌或循环液体搅拌实现。

优选地，步骤5)中，所述微生物合成反应区的反应温度为30～40℃或50～60℃，pH值控制在6.8～8。

优选地，步骤5)中，所述杂质包括N₂、H₂、CO、H₂O、CO₂及H₂S，杂质的总体积分数小于10％；所述生物天然气是指CH₄和CO₂的体积分数为90％以上的天然气。以CO及H₂为主要成分的该合成气中的H₂和CO的转化率均可达95％以上。

本实用新型方法中在步骤5)中，所述微生物作用下可发生以下反应：

CO+3H₂＝CH₄+H₂O ΔG^{0 ’}＝-206.16kJ/mol

4CO+2H₂O＝CH₄+3CO₂ ΔG^{0 ’}＝-53kJ/mol

4CO+2H₂O＝CH₃COOH+2CO₂ ΔG^{0 ’}＝-44kJ/mol

4H₂+2CO₂＝CH₃COOH+2H₂O ΔG^{0 ’}＝-104kJ/mol

CH₃COOH＝CH₄+CO₂ ΔG^{0 ’}＝-31kJ/mol。

优选地，步骤6)中，所述调整进气中CO和H₂的进气比例，可通过不 同成分比例的合成气(热解燃气，焦炉煤气或人工煤气)单独或混合实现。

本实用新型以热解气，焦炉煤气等气体作为气源，主要成分为H₂，CO及CO₂等气体的合成气通入能够处理可生化降解的有机废水及其他固体废弃物的本实用新型提出的“厌氧合成一体化反应器”中；在本实用新型提出的“厌氧合成一体化反应器”中，其中的CO₂及合成气中的CO₂一起在在微生物作用下与合成气中的H₂结合生成CH₄，合成气中的CO也在微生物的作用下转化为CH₄，从而厌氧合成一体化反应器中产生的气体以CH₄及CO₂为主；最终产生的生物天然气中主要成分为CH₄和CO₂。通过调整进气中CO和H₂的进气比例和气体循环比可确定所需合成生物天然气中CH₄和CO₂的成分含量，使得最终产生的生物天然气中CH₄和CO₂总含量大于90％。最终产生的生物天然气中杂质包括N₂、H₂、CO、H₂O及H₂S，杂质的总体积分数小于10％。

对比现有合成气甲烷化技术，目前合成气甲烷化技术主要利用多相催化甲烷化反应原理，该技术有一定的局限性，如需要在高温(200～700℃)高压(1～7.5MPa)条件下进行，CO和H₂需要固定的比例，甲烷化催化剂比较昂贵，而且易受硫化物等影响而失活，且耗能高，设备投资大，不利于中小型生产转化。由于化学合成法对于合成气中H₂及CO的比例有严格的限定，各种热解气及焦炉煤气转化后都会有大量的H₂或CO剩余而未能转化。

对比有机废气物厌氧发酵技术，产生的沼气中CO₂含量较高，使得沼气热值偏低，降低了燃烧质量，大量的CO₂也增加了运输成本。本实用新型提出了一种利用微生物的方法同步实现有机废弃物处理及合成气提质的新装置及新工艺。与现有技术相比，本实用新型系统装置的改进和提高体现在：

1.该反应器在布水装置底部增加了曝气装置，该曝气装置为微孔曝气装置，需要转化的工业气体通过进气管将气体通入曝气缓冲室3，然后经微孔曝气器均匀的分散于气液混合区2。并且本实用新型通过大量的创造性实验，探索出最佳的该微孔曝气装置工艺参数，使得该反应器可以同时实现有机废弃物厌氧消化和气体提质。因该装置设置在布水装置的下方，大大增加了气液传质效果，在反应器底部气液混合区，使得气体与有机废水和活性污泥混合均匀性增强，对比普通UASB反应器增大了厌氧处理能力，同时这种底部结构更好的避免死区的出现。

2.该反应器比UASB反应器用途广泛，不仅可以作为UASB反应器处理有机废弃物，而且可以同时实现有机废弃物厌氧消化和气体提质，该厌氧合成一体化反应器对于上升流速也没有任何要求，反应器高度不受限于普通 UASB有效水深为5～8m、沉淀区总水深应大于1m的限制，并且从气体提质转化效率上，较高的有效反应深度可使内部压力增大，气体成分溶解速率加快和溶解量加大，有利于液相中微生物捕获转化，所以该厌氧合成一体化反应器高度范围可设为2m～12m，高径比为1～10:1(普通UASB高径比通常在1～3:1之间)。

3.本厌氧合成一体化反应器可以将此两种不同的转化路径合并同时进行，在通过有机废弃物厌氧消化产生沼气的过程中采用温和生物方法将合成气提质，不但可以克服合成气化学合成提质法中转化条件苛刻的不足，利用本实用新型可实现合成气H₂和CO的转化率为95％～99％，并且可以通过调控通入的合成气，大大降低厌氧反应器中发酵产生的CO₂含量，显著提高气体质量；

4.利用本实用新型的系统装置，合成气可以直接通入处理有机废弃物的厌氧合成一体化反应器，其中的CO可在厌氧微生物作用下转化为CH₄，CO₂(包括厌氧合成一体化反应器中产生的CO₂)可以与H₂生成CH₄，该工艺不仅实现了厌氧合成一体化反应器中有机废弃物处理，也可实现合成气的生物甲烷化提质。

本实用新型的有益效果如下：

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点及有益效果：

(1)采用微生物工艺将合成气通入厌氧合成一体化反应器在处理有机废弃物的同时实现合成气原位提质提纯，国内外尚无先例，该技术高效经济，无需投加催化剂，无需高温高压，可以把合成气和沼气中除甲烷外的大部分的成分转化为甲烷，为解决我国能源领域所面临的资源短缺，环境污染，能源结构不合理等问题提供了新方法；

(2)本实用新型对通入厌氧合成一体化反应器的合成气中各种气体成分比例没有限制，利用本实用新型可实现合成气中H₂和CO的转化率为95％～99％，最终产生的生物天然气中CH₄和CO₂总含量大于90％。最终产生的生物天然气中杂质包括N₂、H₂、CO、H₂O及H₂S，杂质的总体积分数小于10％；

(3)本实用新型的技术方案在实现有机废弃物处理发酵产甲烷的同时，利用微生物作用转化合成气，实现合成气的提质、甲烷化，重点在于将整个过程中通入和生成的所有的H₂和CO全部转化，以杜绝CO和H₂的危害，而 对其中混合的CO₂的分离没有要求。但通过调控通入厌氧合成一体化反应器的合成气的成分比例(通入不同成分比例的热解燃气，焦炉煤气或人工煤气)及通气量，可调控最终产生的生物天然气中CH₄的含量大于90％，CO₂的含量小于10％。

(4)因生物甲烷化反应器对合成气中各种少量杂质气体耐受性较强，因此工艺中各种气体在合成前无需额外对气体进行分离或提纯；

(5)本实用新型的工艺过程中利用了温室气体CO₂，不但减少了CO₂的排放，而且将CO₂转化为新的能源，提供了一种CO₂资源化利用的新途径，因此有助于温室气体减排。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本实用新型系统装置中的厌氧合成一体化反应器的内部结构示意图。

图2示出本实用新型系统装置的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例1

一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，该系统装置的示意图如图2所示，系统装置中的核心部分厌氧合成一体化反应器的内部结构示意图如图1所示，图1和图2中各部分数字多代表的含义为：

1-微生物合成反应区，2-气液混合区，3-曝气缓冲区，4-气固液分离区，5-液体循环管，6-有机废弃物混合液进口，7-合成气进气口，8-排泥区，9-曝气装置，10-均匀布水装置，11-气相稳压区，12-气体循环管，13-生物天然气出气口，14-排泥口，15-有机废弃物混合液储罐，16-进水泵，17-进气泵，18-合成气储罐。

所述系统装置的核心部分为厌氧合成一体化反应器，所述厌氧合成一体化反应器从下到上依次包括排泥区8、曝气缓冲区3、气液混合区2、微生物 合成反应区1、气固液分离区4和气相稳压区11；所述微生物合成反应区1位于反应器主体的中部，在微生物合成反应区1的下方为气液混合区2；所述气液混合区2的侧壁设有有机废弃物混合液进口6，内部连接均匀布水装置10；所述气液混合区2的下方为曝气缓冲区3，气液混合区2与曝气缓冲区3通过曝气装置9分隔开；所述曝气缓冲区3是一个与液相隔绝的腔室，底部设有合成气进气口7；环绕在曝气缓冲区3的周围及底部的区域为排泥区8，所述排泥区8的底部设有排泥口14；所述微生物合成反应区1的上部为气固液分离区4；所述气固液分离区4的侧壁设有液体循环管5；所述气固液分离区4的周围和上部区域为气相稳压区11，气相稳压区11的顶部设有生物天然气出气口13，生物天然气出气口13的侧壁与气相稳压区11的侧壁通过气体循环管12相连通。

图1中A-A为均匀布水装置10的横截面示意图，均匀布水装置10的横截面为矩形，即进水管在反应器内部部分均匀排布布水口，布水口孔口直径15mm～50mm。布水孔孔口总截面积与混合液进水管截面比为0.8～2。

图1中B-B为曝气装置9的横截面示意图。所述曝气装置9包括曝气盘和曝气器。曝气装置9的横截面为圆形，正三角形或平行四边形。曝气盘直径与反应器内径比为0.6～0.8，周围除与反应器外壁固定部分外，其余间隙与上部气液混合区2和下部排泥区8联通。微孔曝气器在曝气盘上呈圆形或正三角形均匀分布，曝气器孔眼直径≤100μm，曝气器直径10mm～500mm，单个曝气器曝气气量0～5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比5％～30％。

所述系统装置还包括有机废弃物混合液储罐15、合成气储罐18、进水泵16以及进气泵17；所述有机废弃物混合液储罐15经进水泵16通过管道与厌氧合成一体化反应器中气液混合区2的有机废弃物混合液进口6相连；所述合成气储罐18经进气泵17通过管道与厌氧合成一体化反应器中曝气缓冲区3的合成气进气口7相连；厌氧合成一体化反应器的气固液分离区4的液体循环管5与有机废弃物混合液储罐15相连接；厌氧合成一体化反应器的气相稳压区11的气体循环管12与合成气储罐18相连接。

在本实用新型的系统装置中，进水泵16将有机废弃物混合液从有机废弃物混合液储罐15输送至该厌氧合成一体化反应器的机废弃物混合液进口6；进气泵17将以CO及H₂为主要成分的合成气从合成气储罐18输送至该厌氧合成一体化反应器的合成气进气口7。

所述厌氧合成一体化反应器的高径比为1～10:1；所述气固液分离区4内 设有三相分离器；所述曝气装置9为微孔曝气装置。

实施例2

采用实施例1所述的系统装置来处理污水厂剩余污泥的厌氧反应，设定曝气盘直径与反应器内径比为0.7，曝气器孔眼直径80μm，曝气器直径250mm，单个曝气器曝气气量2.5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比20％。各工艺参数控制如下：反应器为100m³，沼气产量为1m³/m³/d，沼气中CH₄含量为60％，CO₂含量为40％。所转化的焦炉煤气组成为H₂含量65％，CO含量5％，CH₄含量25％，CO₂含量3％。焦炉煤气通入厌氧合成一体化反应器的流量为400m³/d，该反应器采用液体循环，循环上升流速为1m/h。产生的混合气量约240m³/d，甲烷浓度为96％，CO₂浓度小于1％。

所述工艺方法包括以下步骤：

(a)将焦炉煤气通入处理有机废弃物的厌氧合成一体化反应器中；

(b)厌氧合成一体化反应器中，有机废水被微生物消化产生CH₄和CO₂，产生的CO₂进一步与焦炉煤气中的H₂结合生成CH₄，焦炉煤气中少量的CO和CO₂也被微生物利用与H₂生成CH₄，得到以CH₄和CO₂为主的生物天然气，其中CH₄的体积分数约为96％，CO₂浓度低于1％。

本实施例的厌氧合成一体化反应器内的温度为30～40℃。本实施例中的有机废弃物为污水厂污泥。厌氧合成一体化反应器中，有机废弃物与焦炉煤气之间的混合通过微孔曝气和气液循环实现的。

通过本实用新型的技术方案对天然沼气进行提质，重点在于将整个过程中通入和生成的所有的H₂和CO尽量都转化，以杜绝CO和H₂的危害，而对其中混合的CO₂的分离没有要求。本实施例中，最后得到的以CH₄和CO₂为主的生物天然气中，CO的浓度低于0.3％，H₂的浓度低于0.5％。

如果采用现有技术中传统的沼气生成设备，则针对本实施例的处理对象，CO和H₂无法有效地转化，CO的浓度一般在1％～5％，H₂的浓度一般在10％～40％，远大于采用本实施例的装置和方法获得的天然沼气中的含量。

实施例3

采用实施例1所述的系统装置来处理养猪场猪粪水的厌氧反应，设定曝气盘直径与反应器内径比为0.6，曝气器孔眼直径50μm，曝气器直径20mm，单个曝气器曝气气量0.5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比5％。各工艺参数控制如下：反应器为80m³，沼气产量为2.0m³/m³/d，沼气中CH₄含量为 55％，CO₂含量为44.5％。所通入的合成气为焦炉煤气与生物质热解气混合气。组成为H₂含量53％，CO含量14％，CH₄含量25％，CO₂含量6％。合成气通入厌氧合成一体化反应器的流量为650m³/d，该反应器采用液体循环，循环上升流速为1m/h。产生的混合气量约为466m³/d，甲烷浓度约为77％，CO₂浓度小于20％。

所述工艺方法包括以下步骤：

(a)将合成混合气(通过焦炉煤气与热解气混合)通入处理有机废弃物的厌氧合成一体化反应器中；

(b)厌氧合成一体化反应器中，有机废弃物猪粪及原料残渣被微生物降解产生CH₄和CO₂，产生的部分CO₂进一步与合成气中的H₂结合生成CH₄，合成混合气中少量的CO和CO₂也被微生物利用与H₂生成CH₄，得到以CH₄为主的沼气，其中CH₄的体积分数大于75％，CO₂浓度小于20％。

本实施例的厌氧合成一体化反应器内的温度为50～60℃。本实施例中的有机废弃物为猪粪及饲料残渣。厌氧合成一体化反应器中，猪粪水与合成气之间的混合通过微孔曝气和气体搅拌实现。合成后的生物天然气CH₄百分含量为77％左右，杂质包括N₂、H₂、CO、H₂O及H₂S，杂质的总体积分数约为3％，其余为CO₂。

通过本实用新型的技术方案对天然沼气进行提质,重点在于将整个过程中通入和生成的所有的H₂和CO尽量都转化，以杜绝CO和H₂的危害，而对其中混合的CO₂的分离没有要求。本实施例中,最后得到的以CH₄和CO₂为主的生物天然气中，CO的浓度低于0.5％，H₂的浓度低于0.3％。

如果采用现有技术中传统的沼气生成设备，则针对本实施例的处理对象，CO的浓度一般在5％～12％，H₂的浓度一般在10％～40％，远大于采用本实施例的装置和方法获得的天然沼气中的含量。

实施例4

采用实施例1所述的系统装置来对养牛场牛粪水的进行厌氧消化处理和生物质热解气甲烷化提质，设定曝气盘直径与反应器内径比为0.8，曝气器孔眼直径100μm，曝气器直径500mm，单个曝气器曝气气量5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比30％。各工艺参数控制如下：反应器为50m³，沼气产量为1.2m³/m³/d，沼气中CH₄含量为62％，CO₂含量为37％。所转化的热解气组成为H₂含量26％，CO含量30％，CH₄含量24％，CO₂含量15％，杂质 包括N₂，H₂S，和微量O₂等。热解气通入厌氧合成一体化反应器的流量为200m³/d，该反应器采用液体循环，循环上升流速为2m/h。产生的混合气量约208m³/d，甲烷浓度为54.5％左右，杂质包括N₂、H₂、CO、H₂O及H₂S，总含量约为5％，其余为CO₂。

所述工艺方法包括以下步骤：

(a)将热解气通入处理有机废弃物的厌氧合成一体化反应器中；

(b)厌氧合成一体化反应器中，牛粪水被厌氧微生物降解产生CH₄和CO₂，热解气中的H₂和CO₂结合生成CH₄，热解气中少量的CO也被微生物利用生成CH₄，得到以CH₄为主的生物天然气，其中CH₄的体积分数约为55％，CO₂浓度约为40.5％。

本实施例的厌氧合成一体化反应器内的温度为30～40℃。本实施例中的有机废弃物为养牛场牛粪水。厌氧合成一体化反应器中，牛粪水与焦炉煤气之间的混合通过微孔曝气和气液循环实现。

通过本实用新型的技术方案对天然沼气进行提质,重点在于将整个过程中通入和生成的所有的H₂和CO尽量都转化，以杜绝CO和H₂的危害，而对其中混合的CO₂的分离没有要求。本实施例中,最后得到的以CH₄和CO₂为主的生物天然气中，CO的浓度低于1％，H₂的浓度低于0.1％。

如果采用现有技术中传统的沼气生成设备，则针对本实施例的处理对象，CO的浓度一般在10％～30％，H₂的浓度一般在5％～20％，远大于采用本实施例的装置和方法获得的天然沼气中的含量。

对比例1

装置与工艺步骤参数与实施例2相似，不同之处在于：设定装置中曝气盘直径与反应器内径比为0.4，曝气器孔眼直径150μm，曝气器直径5mm，单个曝气器曝气气量8m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比3％。那么该装置中生成的生物天然气，其中CH₄的体积分数约为10～25％，CO₂的体积分数约为10～25％，杂质气体的体积分数约为50～80％，尤其是CO的体积分数达到2％～4％，H₂的体积分数达到25％～40％。

分析对比例结果的原因，由于曝气量大，而曝气盘孔眼直径过大、曝气盘上曝气器曝气总面积占比过小，其所通入合成气的转化效率远小于采用本实用新型技术方案限定的装置和方法所得到的转化效率，所得到的生物天然气中CH₄的纯度远小于采用本实用新型技术方案限定的装置和方法所得到的 纯度。

对比例2

装置与工艺步骤参数与实施例2相似，不同之处在于：设定装置中曝气盘直径与反应器内径比为0.95，曝气器孔眼直径110μm，曝气器直径600mm，单个曝气器曝气气量8m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比60％。那么该装置中生成的生物天然气，其中CH₄的体积分数约为15～30％，CO₂的体积分数约为15～30％，杂质气体的体积分数约为40％～70％，尤其是CO的体积分数达到2％～3.5％，H₂的体积分数达到20％～35％。

分析该对比例结果的原因：由于曝气盘孔眼直径稍大、曝气盘上曝气器曝气总面积占比过大，所通入的合成气易聚集成较大的气泡而影响气液传质效率的原因，其所通入合成气的转化效率远小于采用本实用新型技术方案限定的装置和方法所得到的转化效率，所得到的生物天然气中CH₄的纯度远小于采用本实用新型技术方案限定的装置和方法所得到的纯度。由于曝气器直径较大、曝气盘直径与反应器内径比过大，在反应器下端曝气缓冲区存在污泥堵塞现象，排泥效果差于采用本实用新型技术方案限定的装置和方法所得到的效果。

综上可知，本实用新型技术方案中，曝气装置的参数设定是关键。只有在本实用新型技术方案限定的参数范围内，才能使得该反应器可以同时实现有机废弃物厌氧消化和气体提质，并且具有最佳的处理效果

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，其特征在于：所述系统装置包括厌氧合成一体化反应器，所述厌氧合成一体化反应器从下到上依次包括排泥区(8)、曝气缓冲区(3)、气液混合区(2)、微生物合成反应区(1)、气固液分离区(4)和气相稳压区(11)；所述微生物合成反应区(1)位于反应器主体的中部，在微生物合成反应区(1)的下方为气液混合区(2)；所述气液混合区(2)的侧壁设有有机废弃物混合液进口(6)，内部连接均匀布水装置(10)；所述气液混合区(2)的下方为曝气缓冲区(3)，气液混合区(2)与曝气缓冲区(3)通过曝气装置(9)分隔开；所述曝气缓冲区(3)是一个与液相隔绝的腔室，底部设有合成气进气口(7)；环绕在曝气缓冲区(3)的周围及底部的区域为排泥区(8)，所述排泥区(8)的底部设有排泥口(14)；所述微生物合成反应区(1)的上部为气固液分离区(4)；所述气固液分离区(4)的侧壁设有液体循环管(5)；所述气固液分离区(4)的周围和上部区域为气相稳压区(11)，气相稳压区(11)的顶部设有生物天然气出气口(13)，生物天然气出气口(13)的侧壁与气相稳压区(11)的侧壁通过气体循环管(12)相连通；所述曝气装置(9)包括曝气盘和曝气器，所述曝气盘上设置曝气器；所述曝气盘直径与反应器内径比为0.6～0.8，周围除与反应器外壁固定部分外，其余间隙与上部气液混合区(2)和下部排泥区(8)联通；曝气器孔眼直径≤100μm，曝气器直径10mm～500mm，单个曝气器曝气气量0～5m³/h，曝气盘上曝气器曝气总面积占比5％～30％。

2.根据权利要求1所述的一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，其特征在于：所述曝气装置(9)的横截面为圆形、正三角形或平行四边形，曝气器在曝气盘上呈圆形或正三角形均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，其特征在于：所述均匀布水装置(10)中布水孔口直径15mm～50mm，布水孔口总截面积与布水装置进水管截面比为0.8～2。

4.根据权利要求1所述的一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，其特征在于：所述厌氧合成一体化反应器的高度范围为2m～12m，高径比为1～10:1。

5.根据权利要求1所述的一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，其特征在于：所述气固液分离区(4)内设有三相分离器。

6.根据权利要求1所述的一种同步实现有机废弃物处理及合成气提质的系统装置，其特征在于：所述系统装置还包括有机废弃物混合液储罐(15)、合成气储罐(18)、进水泵(16)以及进气泵(17)；所述有机废弃物混合液储罐(15)经进水泵(16)通过管道与厌氧合成一体化反应器中气液混合区(2)的有机废弃物混合液进口(6)相连；所述合成气储罐(18)经进气泵(17)通过管道与厌氧合成一体化反应器中曝气缓冲区(3)的合成气进气口(7)相连；厌氧合成一体化反应器的气固液分离区(4)的液体循环管(5)与有机废弃物混合液储罐(15)相连接；厌氧合成一体化反应器的气相稳压区(11)的气体循环管(12)与合成气储罐(18)相连接。