專利名稱：一種具有甲烷原位富集功能的沼氣發(fā)酵工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源開發(fā)利用領(lǐng)域，具體涉及一種具有甲烷原位富集功能的沼氣 發(fā)酵工藝。
背景技術(shù)：
利用各種有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的沼氣中通常含有30% 40%的C02。為了提 高沼氣的應(yīng)用價(jià)值，將這部分CO2脫除生產(chǎn)高CH4的沼氣，即生物甲烷氣，用以替代天然氣已 經(jīng)成為生物能源發(fā)展的一個(gè)重要方向。在瑞典和德國(guó)已經(jīng)有大量的生物甲烷氣加氣站在商 業(yè)化運(yùn)營(yíng)。目前國(guó)內(nèi)外在沼氣提純方面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的方法主要有變壓吸附法(PSA法)、 吸收法和膜分離法等方法。變壓吸附法是指在加壓條件下使CO2吸附在活性炭或者分子篩 等吸附劑表面從而脫除沼氣中CO2,在利用過(guò)程中通過(guò)減壓的方式使吸附劑再生，沼氣提純 廠通常將4個(gè)、6個(gè)或者8個(gè)變壓吸附脫碳塔并聯(lián)使用。在采用PSA法時(shí)，由于H2S被吸附 劑吸附的過(guò)程是不可逆的，水分的存在也會(huì)對(duì)吸附劑的結(jié)構(gòu)造成破壞，因此，沼氣在進(jìn)入變 壓吸附脫碳塔之前，需要進(jìn)行脫水和脫硫處理。吸收法是利用CO2在吸收液中具有比CH4更 強(qiáng)的溶解性這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)二者的分離。吸收法主要有水洗法、化學(xué)吸收法和物理吸收法。化 學(xué)吸收法是指以弱堿性溶液作為吸收劑將CO2吸收從沼氣中分離的方法，吸收過(guò)程中吸收 劑和CO2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)吸收法主要有氨基醇胺法(最典型的是N-甲基二乙醇胺 法，即MDEA法)，改良的熱堿鉀法(G-V法)和氨水吸收法。物理吸收法是利用CO2在吸收 劑中的溶解度較大的特性將其去除的方法。吸收時(shí)一般采用高壓(2 5MPa)和低溫條件， 而解吸則采用減壓或升溫的辦法。選擇優(yōu)良的吸收劑是該法的關(guān)鍵。典型的物理吸收法有 加壓水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)、低溫甲醇法(Rectisol 法)和碳酸丙烯酯法(Flour法)等。膜分離法利用沼氣中各種氣體組分對(duì)滲透膜選擇透 過(guò)速率的不同將CH4與CO2分離。該方法具有分離效率高、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝適應(yīng)性強(qiáng) 等特點(diǎn)。分離CO2的膜材料通常采用醋酸纖維素膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚肽膜和聚酰胺膜 等。膜分離技術(shù)裝置簡(jiǎn)單，投資比溶劑吸收法低，但難以得到高純度的C02。上述方法存在的共性問(wèn)題是提純凈化系統(tǒng)較為復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行能耗高，而且這些 方法只有在應(yīng)用于大型沼氣工程時(shí)才具有經(jīng)濟(jì)可行性，這成為制約這些沼氣提純技術(shù)推廣 應(yīng)用的主要障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)為厭氧反應(yīng)器連接一個(gè)脫碳器，將厭氧發(fā)酵液循環(huán)到脫碳 器，利用抽真空或者鼓風(fēng)的方式脫除溶解在發(fā)酵液中的CO2,實(shí)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵過(guò)程中原位富 集CH4的目的，生產(chǎn)的高CH4含量的沼氣可以直接或者進(jìn)一步提純后作為天然氣的替代燃 料。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)
—種具有甲烷原位富集功能的沼氣發(fā)酵工藝。經(jīng)過(guò)處理的發(fā)酵原料送入?yún)捬醴磻?yīng) 器進(jìn)行沼氣發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)生的CO2溶解在發(fā)酵液中，從反應(yīng)器的上部抽取厭氧發(fā)酵液，噴淋 到脫碳器中，通過(guò)抽真空或者鼓風(fēng)的方式使溶解在發(fā)酵液中的CO2釋放出來(lái)并排出脫碳器， 釋放了 CO2的發(fā)酵液重新從厭氧反應(yīng)器底部回流到反應(yīng)器中，一方面繼續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣， 同時(shí)重新溶解所產(chǎn)沼氣中的CO2，總之，通過(guò)這種方式使厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣中的大部分CO2 從脫碳器中釋放出去，從而使得厭氧反應(yīng)器所產(chǎn)的沼氣中CH4含量提高到85%以上，實(shí)現(xiàn)了 生產(chǎn)高質(zhì)量生物燃?xì)獾哪康?。本發(fā)明可用于處理有機(jī)廢水等易生物降解原料和處理秸稈等不易生物降解原料 的發(fā)酵。用于處理秸稈等不易生物降解原料時(shí)，首先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料由進(jìn)料口(1)投 加到鼓風(fēng)式脫碳器(2)內(nèi)，原料在好氧微生物和兼性厭氧微生物的作用下進(jìn)行水解產(chǎn)酸， 酸化液經(jīng)由進(jìn)料泵(5)泵入到厭氧反應(yīng)器(6)內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，產(chǎn)甲烷發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生 的CO2溶解在發(fā)酵液內(nèi)，利用循環(huán)泵(7)從厭氧反應(yīng)器的上部將溶解有CO2的發(fā)酵液循環(huán)到 鼓風(fēng)式脫碳器(2)內(nèi)，利用鼓風(fēng)機(jī)(4)將空氣從鼓風(fēng)式脫碳器(2)的底部吹入，與厭氧發(fā)酵 液進(jìn)行逆向接觸，利用發(fā)酵液與空氣中CO2的分壓差將發(fā)酵液中的大部分CO2釋放到空氣 中，最終從廢氣排放口⑶排入大氣。發(fā)酵原料水解產(chǎn)酸后生成的殘?jiān)膳旁冖桥懦?鼓風(fēng)式脫碳器(2)。厭氧反應(yīng)器(6)產(chǎn)生的富含CH4的沼氣由出氣管(12)排出，完成產(chǎn)甲 烷發(fā)酵的料液由出水管(13)排出。用于處理有機(jī)廢水等易生物降解原料時(shí)，首先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料由進(jìn)料泵(5) 泵入到厭氧反應(yīng)器(6)內(nèi)，原料依次完成水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過(guò)程，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的CO2 溶解在發(fā)酵液內(nèi)，利用循環(huán)泵(9)從厭氧反應(yīng)器的上部將溶解有CO2的發(fā)酵液循環(huán)到真空 式脫碳器(10)內(nèi)，利用真空泵(11)使真空式脫碳器(10)保持負(fù)壓狀態(tài)，從而使溶解在發(fā) 酵液中的CO2釋放出來(lái)，并最終由真空泵(11)排放到大氣中，經(jīng)過(guò)脫CO2處理的發(fā)酵液由進(jìn) 料泵(5)重新回流到厭氧反應(yīng)器(6)內(nèi)。厭氧反應(yīng)器(6)產(chǎn)生的富含CH4的沼氣由出氣管 (12)排出，完成沼氣發(fā)酵的料液由出水管(13)排出。本發(fā)明所涉及的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)①本發(fā)明利用014和0)2在水溶液中溶解度的顯著差異，通過(guò)在厭氧反應(yīng)器旁邊連 接一個(gè)脫碳器，實(shí)現(xiàn)了原位富集CH4的目的。②本發(fā)明采用鼓風(fēng)式脫碳器時(shí)，在脫除發(fā)酵液中CO2的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)生物脫硫 的功能，以脫除沼氣中的h2S。③在處理秸稈等難生物降解原料時(shí)，脫碳器可以設(shè)計(jì)成一個(gè)產(chǎn)酸反應(yīng)器，在鼓風(fēng) 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈中難厭氧生物降解成分——木質(zhì)素的好氧分解，達(dá)到提高秸稈等難生物 降解原料厭氧生物轉(zhuǎn)化率的目的。④厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的富含CH4的沼氣可以直接作為天然氣的替代燃料。


圖1是本發(fā)明具有甲烷原位富集功能的沼氣發(fā)酵工藝的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)的說(shuō)明僅僅是闡述本發(fā)明的普遍原理，并非限制性的，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中 可以根據(jù)發(fā)酵原料的性質(zhì)，以及用氣設(shè)備對(duì)沼氣質(zhì)量的要求等具體情況進(jìn)行合理的調(diào)整和 修改。實(shí)施例1首先將玉米秸稈切割成2 3cm，并按照厭氧發(fā)酵適宜的營(yíng)養(yǎng)配比調(diào)整C/N為 15 20 1，調(diào)配好的原料由進(jìn)料口(1)投加到鼓風(fēng)式脫碳器(2)內(nèi)，鼓風(fēng)式脫碳器(2) 內(nèi)已培養(yǎng)有水解產(chǎn)酸等發(fā)酵性細(xì)菌或者添加有該類接種物，控制鼓風(fēng)式脫碳器(2)的溫度 為38 40°C，玉米秸稈在好氧微生物和兼性厭氧微生物的作用下進(jìn)行水解產(chǎn)酸，酸化液經(jīng) 由進(jìn)料泵(5)泵入到厭氧反應(yīng)器(6)內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，厭氧反應(yīng)器采用上流式厭氧污泥 床(UASB)，發(fā)酵溫度控制在38°C，有機(jī)負(fù)荷控制在6 IOkgCOD/ (m3 -d)，發(fā)酵液的pH值控 制在6. 8 7. 2，產(chǎn)甲烷發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的CO2溶解在發(fā)酵液內(nèi)，利用循環(huán)泵(7)從UASB的 上部將溶解有CO2的發(fā)酵液循環(huán)到鼓風(fēng)式脫碳器(2)內(nèi)，利用鼓風(fēng)機(jī)(4)將空氣從鼓風(fēng)式 脫碳器(2)的底部吹入，鼓入的空氣量使隨回流發(fā)酵液進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的溶解氧量控制在 40mg/(LM.d)以下，含有CO2的廢氣最終從廢氣排放口(8)排入大氣。玉米秸稈水解產(chǎn) 酸后生成的殘?jiān)膳旁?3)排出鼓風(fēng)式脫碳器(2)。厭氧反應(yīng)器(6)產(chǎn)生的CH4含量> 85%的沼氣由出氣管(12)排出，完成產(chǎn)甲烷發(fā)酵的料液由出水管(13)排出。實(shí)施例2將經(jīng)過(guò)格柵處理和沉砂處理的養(yǎng)豬場(chǎng)糞便污水由進(jìn)料泵(5)泵入到厭氧反應(yīng)器 (6)內(nèi)，厭氧反應(yīng)器(6)采用厭氧濾器(AF)，發(fā)酵溫度控制在38°C，有機(jī)負(fù)荷控制在5 8kgC0D/ (m3 -d)，發(fā)酵液的pH值控制在6. 8 7. 2，污水在AF內(nèi)依次完成水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲 烷過(guò)程并產(chǎn)生沼氣，沼氣中的CO2溶解在發(fā)酵液內(nèi)，利用循環(huán)泵(9)從AF的上部將溶解有 CO2的發(fā)酵液循環(huán)到真空式脫碳器(10)內(nèi)，利用真空泵(11)使真空式脫碳器(10)形成真 空，真空度控制在-0. 08MPa -0. 09MPa，從而使溶解在發(fā)酵液中的CO2釋放出來(lái)，并最終由 真空泵(11)排放到大氣中，經(jīng)過(guò)脫CO2處理的發(fā)酵液由進(jìn)料泵(5)重新回流到AF內(nèi)。AF 產(chǎn)生的CH4含量>90%的沼氣由出氣管(12)排出，完成沼氣發(fā)酵的料液由出水管(13)排 出ο
權(quán)利要求
一種具有甲烷原位富集功能的沼氣發(fā)酵工藝，其特征在于厭氧反應(yīng)器連接有脫碳器，抽取厭氧反應(yīng)器內(nèi)的發(fā)酵液噴淋到脫碳器脫除發(fā)酵液中的CO2，經(jīng)過(guò)脫碳處理的發(fā)酵液重新回流到厭氧反應(yīng)器中繼續(xù)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，所產(chǎn)沼氣中的大部分CO2溶解在經(jīng)過(guò)脫碳處理的發(fā)酵液中，在發(fā)酵液中溶解度極低的CH4則從厭氧反應(yīng)器上部釋放，最終形成CH4濃度大于85％的沼氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沼氣發(fā)酵工藝，其特征在于所述的厭氧反應(yīng)器為濕式厭氧反 應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沼氣發(fā)酵工藝，其特征在于所述的厭氧反應(yīng)器所使用的發(fā)酵 原料為有機(jī)廢水、糞便污水、食品加工廢棄物、秸稈、草、城市污泥中的一種、兩種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沼氣發(fā)酵工藝，其特征在于所述的脫碳器為真空式脫碳器或 鼓風(fēng)式脫碳器中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫碳器，其特征在于所述的鼓風(fēng)式脫碳器的鼓風(fēng)量使隨回流 發(fā)酵液進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的溶解氧量小于40mg/(L&iS · d)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫碳器，其特征在于所述的鼓風(fēng)式脫碳器具有完成固體發(fā)酵 原料水解產(chǎn)酸的功能。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物能源開發(fā)利用領(lǐng)域，具體涉及一種具有甲烷原位富集功能的沼氣發(fā)酵工藝，難生物降解原料由進(jìn)料口(1)進(jìn)入鼓風(fēng)式脫碳器(2)內(nèi)進(jìn)行水解產(chǎn)酸發(fā)酵，酸化液由進(jìn)料泵(5)泵入到厭氧反應(yīng)器(6)內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，溶解了CO2的發(fā)酵液由循環(huán)泵(7)泵到鼓風(fēng)式脫碳器(2)內(nèi)，利用鼓風(fēng)機(jī)(4)吹脫發(fā)酵液中的CO2后，發(fā)酵液重新回流到厭氧反應(yīng)器(6)；易生物降解原料由進(jìn)料泵(5)泵入到厭氧反應(yīng)器(6)內(nèi)進(jìn)行沼氣發(fā)酵，溶解了CO2的發(fā)酵液由循環(huán)泵(9)泵到真空式脫碳器(10)內(nèi)釋放出CO2后重新回流到厭氧反應(yīng)器(6)；兩種路線均可產(chǎn)生CH4含量＞85％的沼氣。本發(fā)明解決了厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣甲烷含量低的問(wèn)題。
文檔編號(hào)C12M1/107GK101892267SQ201010215490
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者李繼紅, 楊世關(guān), 楊勇平, 王體朋, 董長(zhǎng)青, 趙瑩, 鄭宗明 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)