一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺.pdf

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文档编号：1262208

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本发明属于生物能源开发利用领域，具体涉及一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺，难生物降解原料由进料口(1)进入鼓风式脱碳器(2)内进行水解产酸发酵，酸化液由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内进行产甲烷发酵，溶解了CO2的发酵液由循环泵(7)泵到鼓风式脱碳器(2)内，利用鼓风机(4)吹脱发酵液中的CO2后，发酵液重新回流到厌氧反应器(6)；易生物降解原料由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内进行。

摘要
申请专利号：	CN201010215490.9	申请日：	2010.06.22
公开号：	CN101892267A	公开日：	2010.11.24
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):C12P 5/02申请公布日:20101124\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):C12P 5/02申请日:20100622\|\|\|公开
IPC分类号：	C12P5/02; C12M1/107; C02F11/04	主分类号：	C12P5/02
申请人：	华北电力大学
发明人：	杨世关; 李继红; 董长青; 杨勇平; 郑宗明; 王体朋; 赵莹
地址：	102206 北京市昌平区回龙观镇北农路2号
优先权：
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内容摘要

本发明属于生物能源开发利用领域，具体涉及一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺，难生物降解原料由进料口(1)进入鼓风式脱碳器(2)内进行水解产酸发酵，酸化液由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内进行产甲烷发酵，溶解了CO2的发酵液由循环泵(7)泵到鼓风式脱碳器(2)内，利用鼓风机(4)吹脱发酵液中的CO2后，发酵液重新回流到厌氧反应器(6)；易生物降解原料由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内进行沼气发酵，溶解了CO2的发酵液由循环泵(9)泵到真空式脱碳器(10)内释放出CO2后重新回流到厌氧反应器(6)；两种路线均可产生CH4含量＞85％的沼气。本发明解决了厌氧发酵所产沼气甲烷含量低的问题。

权利要求书

1.一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺，其特征在于厌氧反应器连接有脱碳器，抽取厌氧反应器内的发酵液喷淋到脱碳器脱除发酵液中的CO₂，经过脱碳处理的发酵液重新回流到厌氧反应器中继续进行厌氧发酵产生沼气，所产沼气中的大部分CO₂溶解在经过脱碳处理的发酵液中，在发酵液中溶解度极低的CH₄则从厌氧反应器上部释放，最终形成CH₄浓度大于85％的沼气。2.根据权利要求1所述的沼气发酵工艺，其特征在于所述的厌氧反应器为湿式厌氧反应器。3.根据权利要求1所述的沼气发酵工艺，其特征在于所述的厌氧反应器所使用的发酵原料为有机废水、粪便污水、食品加工废弃物、秸秆、草、城市污泥中的一种、两种或多种。4.根据权利要求1所述的沼气发酵工艺，其特征在于所述的脱碳器为真空式脱碳器或鼓风式脱碳器中的一种。5.根据权利要求4所述的脱碳器，其特征在于所述的鼓风式脱碳器的鼓风量使随回流发酵液进入厌氧反应器的溶解氧量小于40mg/(L_反应器·d)。6.根据权利要求4所述的脱碳器，其特征在于所述的鼓风式脱碳器具有完成固体发酵原料水解产酸的功能。

说明书

一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺

技术领域

本发明属于生物能源开发利用领域，具体涉及一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺。

背景技术

利用各种有机废弃物厌氧发酵生产的沼气中通常含有30％～40％的CO₂。为了提高沼气的应用价值，将这部分CO₂脱除生产高CH₄的沼气，即生物甲烷气，用以替代天然气已经成为生物能源发展的一个重要方向。在瑞典和德国已经有大量的生物甲烷气加气站在商业化运营。

目前国内外在沼气提纯方面实现商业化应用的方法主要有变压吸附法(PSA法)、吸收法和膜分离法等方法。变压吸附法是指在加压条件下使CO₂吸附在活性炭或者分子筛等吸附剂表面从而脱除沼气中CO₂，在利用过程中通过减压的方式使吸附剂再生，沼气提纯厂通常将4个、6个或者8个变压吸附脱碳塔并联使用。在采用PSA法时，由于H₂S被吸附剂吸附的过程是不可逆的，水分的存在也会对吸附剂的结构造成破坏，因此，沼气在进入变压吸附脱碳塔之前，需要进行脱水和脱硫处理。吸收法是利用CO₂在吸收液中具有比CH₄更强的溶解性这一特点实现二者的分离。吸收法主要有水洗法、化学吸收法和物理吸收法。化学吸收法是指以弱碱性溶液作为吸收剂将CO₂吸收从沼气中分离的方法，吸收过程中吸收剂和CO₂发生了化学反应。化学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)，改良的热碱钾法(G-V法)和氨水吸收法。物理吸收法是利用CO₂在吸收剂中的溶解度较大的特性将其去除的方法。吸收时一般采用高压(2～5MPa)和低温条件，而解吸则采用减压或升温的办法。选择优良的吸收剂是该法的关键。典型的物理吸收法有加压水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)、低温甲醇法(Rectisol法)和碳酸丙烯酯法(Flour法)等。膜分离法利用沼气中各种气体组分对渗透膜选择透过速率的不同将CH₄与CO₂分离。该方法具有分离效率高、能耗低、设备简单、工艺适应性强等特点。分离CO₂的膜材料通常采用醋酸纤维素膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚肽膜和聚酰胺膜等。膜分离技术装置简单，投资比溶剂吸收法低，但难以得到高纯度的CO₂。

上述方法存在的共性问题是提纯净化系统较为复杂，系统运行能耗高，而且这些方法只有在应用于大型沼气工程时才具有经济可行性，这成为制约这些沼气提纯技术推广应用的主要障碍。

发明内容

本发明的目的是通过为厌氧反应器连接一个脱碳器，将厌氧发酵液循环到脱碳器，利用抽真空或者鼓风的方式脱除溶解在发酵液中的CO₂，实现在厌氧发酵过程中原位富集CH₄的目的，生产的高CH₄含量的沼气可以直接或者进一步提纯后作为天然气的替代燃料。

本发明的目的可以通过以下措施实现：

一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺。经过处理的发酵原料送入厌氧反应器进行沼气发酵，发酵产生的CO₂溶解在发酵液中，从反应器的上部抽取厌氧发酵液，喷淋到脱碳器中，通过抽真空或者鼓风的方式使溶解在发酵液中的CO₂释放出来并排出脱碳器，释放了CO₂的发酵液重新从厌氧反应器底部回流到反应器中，一方面继续厌氧发酵产沼气，同时重新溶解所产沼气中的CO₂，总之，通过这种方式使厌氧发酵所产沼气中的大部分CO₂从脱碳器中释放出去，从而使得厌氧反应器所产的沼气中CH₄含量提高到85％以上，实现了生产高质量生物燃气的目的。

本发明可用于处理有机废水等易生物降解原料和处理秸秆等不易生物降解原料的发酵。

用于处理秸秆等不易生物降解原料时，首先将经过预处理的原料由进料口(1)投加到鼓风式脱碳器(2)内，原料在好氧微生物和兼性厌氧微生物的作用下进行水解产酸，酸化液经由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内进行产甲烷发酵，产甲烷发酵过程中产生的CO₂溶解在发酵液内，利用循环泵(7)从厌氧反应器的上部将溶解有CO₂的发酵液循环到鼓风式脱碳器(2)内，利用鼓风机(4)将空气从鼓风式脱碳器(2)的底部吹入，与厌氧发酵液进行逆向接触，利用发酵液与空气中CO₂的分压差将发酵液中的大部分CO₂释放到空气中，最终从废气排放口(8)排入大气。发酵原料水解产酸后生成的残渣由排渣口(3)排出鼓风式脱碳器(2)。厌氧反应器(6)产生的富含CH₄的沼气由出气管(12)排出，完成产甲烷发酵的料液由出水管(13)排出。

用于处理有机废水等易生物降解原料时，首先将经过预处理的原料由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内，原料依次完成水解、产酸和产甲烷过程，发酵过程中产生的CO₂溶解在发酵液内，利用循环泵(9)从厌氧反应器的上部将溶解有CO₂的发酵液循环到真空式脱碳器(10)内，利用真空泵(11)使真空式脱碳器(10)保持负压状态，从而使溶解在发酵液中的CO₂释放出来，并最终由真空泵(11)排放到大气中，经过脱CO₂处理的发酵液由进料泵(5)重新回流到厌氧反应器(6)内。厌氧反应器(6)产生的富含CH₄的沼气由出气管(12)排出，完成沼气发酵的料液由出水管(13)排出。

本发明所涉及的沼气发酵系统具有以下几方面的特点：

①本发明利用CH₄和CO₂在水溶液中溶解度的显著差异，通过在厌氧反应器旁边连接一个脱碳器，实现了原位富集CH₄的目的。

②本发明采用鼓风式脱碳器时，在脱除发酵液中CO₂的同时，还可以实现生物脱硫的功能，以脱除沼气中的H₂S。

③在处理秸秆等难生物降解原料时，脱碳器可以设计成一个产酸反应器，在鼓风的同时实现对秸秆中难厌氧生物降解成分——木质素的好氧分解，达到提高秸秆等难生物降解原料厌氧生物转化率的目的。

④厌氧发酵系统产生的富含CH₄的沼气可以直接作为天然气的替代燃料。

附图说明

图1是本发明具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺的工艺流程图。

具体实施方式

下面详细的说明仅仅是阐述本发明的普遍原理，并非限制性的，实际应用过程中可以根据发酵原料的性质，以及用气设备对沼气质量的要求等具体情况进行合理的调整和修改。

实施例1

首先将玉米秸秆切割成2～3cm，并按照厌氧发酵适宜的营养配比调整C/N为15～20∶1，调配好的原料由进料口(1)投加到鼓风式脱碳器(2)内，鼓风式脱碳器(2)内已培养有水解产酸等发酵性细菌或者添加有该类接种物，控制鼓风式脱碳器(2)的温度为38～40℃，玉米秸秆在好氧微生物和兼性厌氧微生物的作用下进行水解产酸，酸化液经由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内进行产甲烷发酵，厌氧反应器采用上流式厌氧污泥床(UASB)，发酵温度控制在38℃，有机负荷控制在6～10kgCOD/(m³·d)，发酵液的pH值控制在6.8～7.2，产甲烷发酵过程中产生的CO₂溶解在发酵液内，利用循环泵(7)从UASB的上部将溶解有CO₂的发酵液循环到鼓风式脱碳器(2)内，利用鼓风机(4)将空气从鼓风式脱碳器(2)的底部吹入，鼓入的空气量使随回流发酵液进入厌氧反应器的溶解氧量控制在40mg/(L_反应器·d)以下，含有CO₂的废气最终从废气排放口(8)排入大气。玉米秸秆水解产酸后生成的残渣由排渣口(3)排出鼓风式脱碳器(2)。厌氧反应器(6)产生的CH₄含量＞85％的沼气由出气管(12)排出，完成产甲烷发酵的料液由出水管(13)排出。

实施例2

将经过格栅处理和沉砂处理的养猪场粪便污水由进料泵(5)泵入到厌氧反应器(6)内，厌氧反应器(6)采用厌氧滤器(AF)，发酵温度控制在38℃，有机负荷控制在5～8kgCOD/(m³·d)，发酵液的pH值控制在6.8～7.2，污水在AF内依次完成水解、产酸和产甲烷过程并产生沼气，沼气中的CO₂溶解在发酵液内，利用循环泵(9)从AF的上部将溶解有CO₂的发酵液循环到真空式脱碳器(10)内，利用真空泵(11)使真空式脱碳器(10)形成真空，真空度控制在-0.08MPa～-0.09MPa，从而使溶解在发酵液中的CO₂释放出来，并最终由真空泵(11)排放到大气中，经过脱CO₂处理的发酵液由进料泵(5)重新回流到AF内。AF产生的CH₄含量＞90％的沼气由出气管(12)排出，完成沼气发酵的料液由出水管(13)排出。