CN102191277B - 塔板气泡式生物质连续制氢方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔板气泡式生物质连续光合制氢的方法与装置，属于生物质光合制氢的技术领域，其方法是利用太阳光，在内置光源和封闭容积条件下，生物质交替经过石英侧光纤塔板和U型换热器塔板，在回流氢气的气泡作用下，通过悬浮热交换和明暗发酵连续产氢过程，本发明方法工艺简单、操作方便。所述装置主要由太阳光传输器、塔板式发酵反应罐、加热器、贮气室、气泡室、反应液回流、氢气回流七部分组成。本发明装置设计合理、简单易行，能够保证反应器温度均匀一致，料液实现明暗交替发酵，在较低温的环境条件下达到生物质连续产氢，减少常规能源消耗和低温发酵制氢限制，提高生物质产氢效率，反应器稳定、高效和连续地运行。

Description

塔板气泡式生物质连续制氢方法与装置

技术领域

本发明属于生物质光合制氢的技术领域，具体涉及一种塔板气泡式生物质连续光合制氢的方法与装置。

背景技术

面临常规能源十分匮乏，环境污染日益严重的现状，氢气以其能量密度高、燃烧清洁无污染、利用形式多样化、能源利用效率高、运输携带方便、可再生性等特点，被能源界公认为最理想的化石燃料的替代能源，不少科学家和经济学家认为未来的时代是氢能源和氢能经济的时代。在氢气开发过程中，由于全球具有十分丰富的生物质资源，是唯一可储存和运输的可再生能源，利用生物质制氢成为当今世界竞先发展的热门技术。生物质制氢主要包括生物质气化制氢、生物质黑暗发酵制氢和生物质光合制氢技术，在这些技术中，由于生物质光合制氢具有产氢能力高、原料适应性强、反应条件温和等优点，成为目前发展前景广阔、具有环境友好型的一种制氢重要方法。

我国生物质光合制氢起步较晚，制氢方法和装置还不够成熟，目前仍处于实验阶段。在生物质光合制氢过程中，大部分采用人工光源作为供光方式，运行成本较大，影响了氢气与化石能源的竞争力；采用外置光源设置方法，受反应器透明材料的限制，反应器保温很难实现，并且外部供光的光利用率低、反应液光照不均匀，使反应器产氢效果较差、低温环境下不能满足制氢要求；采用内置光源时，由于反应器结构设计不合理，不能较好解决明暗发酵、料液温度均匀、连续产氢等问题，进而制约了生物质制氢的规模化应用。本发明开发的一种塔板气泡式生物质连续光合制氢的方法及其装置还未见相关报道，可促进生物质光合制氢技术的发展与应用。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单、操作方便的生物质光合连续制氢的方法，利用太阳能可再生能源，可实现低温环境下连续产氢、料液可明暗发酵、反应器料液温度均匀、产氢效率高等目的。同时，本发明也提供了实现生物质光合连续制氢方法与装置。

为实现上述目的，本发明所述方法的技术方案是一种塔板气泡式生物质连续光合制氢的方法，是在内置光源或者利用光导纤维将太阳光引入封闭容积条件下，将含有光合生物的物料交替经过侧光纤塔板和U型换热器塔板，并在回流氢气的气泡作用下，通过悬浮热交换和明暗发酵连续制氢。

所述装置包括太阳光传输器、密闭的光生物反应器，光生物反应器包括上部的储气室，中部的塔板式反应罐和下部的气泡室，所述光生物反应器的进料口位于储气室与塔板式反应罐之间侧壁上，出料口位于塔板式反应罐与气泡室之间侧壁上，出气口位于储气室顶部，出气管上连通有氢气回流管，该氢气回流管通过鼓风机引流至气泡室底部；在塔板式反应罐内自上而下交替分布有石英侧光纤塔板和U型换热器塔板，其中石英侧光纤塔板与太阳光传输器连接，U型换热器塔板与加热器连通。储气室包括出气口、节流阀和气液分离隔板组成；气泡室由包括通气道和风帽。本发明中，太阳光传输器、加热器按本领域常规方法设计。

该反应液回流***是将光生物反应器出料口安装出料管，该出料管上同时设置有回流管，回流管上安装污泥泵后与进料口连通。

在反应罐中交替叉排石英侧光纤塔板和U型换热器塔板，各塔板上均匀分布透气小孔，石英侧光纤塔板的长度为反应罐直径的一半（大约一半），U型换热器塔板的长度为反应罐直径的5/6（大约5/6），满足生物质光合制氢明暗发酵。生物质光合制氢可实现明暗发酵。

在石英侧光纤塔板和U型换热器塔板的末端分布竖向固定有隔墙，隔墙向上超出相应塔板上表面的高度为c1，隔墙向下超出相应塔板下表面的高度为c2，其中c1为5mm，c2为15mm。

塔板式发酵反应罐是圆柱体钢板反应器，内壁刷有防腐漆，外壁加有保温层和保护层。

在反应罐底部设有半球型气泡室，便于回流氢气均匀分配到每个通气道。气泡室的出口设有隔板，上面均匀布置有通气道，通气道上安装有风帽，风帽呈倒圆锥状，上端封闭，下端全空，圆锥侧面均匀分布通气孔道，回流氢气通过孔道侧面进气，实现气液充分热交换。

反应罐出料管道与进料管道通过污泥泵相连，实现反应液部分回流和连续运行。

在半球体储气室包括出气口、节流阀和气液分离隔板，并且储气室内腔上侧的出口处设置有人字型气液分离隔板，其顶部预留一小孔。

石英侧光纤塔板上水平均匀布置有钠玻璃管，钠玻璃管用有机玻璃连接制成隔板，隔板用聚硫玻璃胶与反应罐钢板壁相连，钠玻璃管中分别设有石英侧光纤，各石英侧光纤汇合后与太阳光聚光器相连。

U型换热器塔板包括塔板和U型换热管，U型换热管水平布置在该塔板上，U型换热管的热水进口与电加热水箱的出水口连接，U型换热管的冷水出口与电加热水箱的进水口连接。

与传统生物质光合制氢装置相比，本发明具有以下特点：

1、本装置利用可再生能源太阳光，避免了人工光源等常规能源的消耗，减少了装置运行成本。

2、本装置采用内置光源，避免了外置光源光照料液不均匀现象，内置光源和热水加热循环联合设计，通过塔板的合理布置，使反应器中料液实现明暗交替发酵，达到了高效产氢目的。

3、本装置采用回流气泡搅拌原理，氢气向上鼓吹，料液向下流动，这样充分利用气体和料液的热交换，提高了气液传热效果，保证了反应器料液温度均匀目的；并避免料液分层现象，使反应器内的料液分布均一，促进料液与微生物充分接触，具有传质效果好、发酵效率高等特点。

4、本装置采用恒温热水循环控制，上下均匀水平设置U型换热管，装置外部设有保温层，能够使反应器中料液始终保持较高的温度，可实现低温环境条件下中温发酵。

5、本装置塔板设有有机玻璃隔墙，使料液左右迂回流动，延长了料液在反应器中的运动流程，微生物滞留时间长，避免了短路、死角、结壳、堵塞等现象。

6、本装置通过料液回流搅拌功能，使反应器内的pH值保持稳定，减少微生物流出损失，预热了进料温度，加快了发酵速度，进而提高了产气量。

7、装置结构简单、操作方便，运行稳定，原料适用性强，可用于畜禽粪便、农作物秸秆、工农业污水等能源化利用。

8、装置根据实际需要可放大缩小，适用于分散型和集中型制氢用能需要，易实现标准化和商品化。

本发明方法工艺简单、操作方便；本发明装置设计合理、简单易行，能够保证反应器温度均匀一致，料液实现明暗交替发酵，在较低温的环境条件下达到生物质连续产氢，减少常规能源消耗和低温发酵制氢限制，提高生物质产氢效率，反应器稳定、高效和连续地运行。

附图说明

图1是本发明塔板气泡式生物质连续制氢装置剖面结构示意图；

图2是石英侧光纤塔板结构示意图；

图3是U型换热器塔板结构示意图；

图4风帽结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种塔板气泡式生物质连续光合制氢的方法，是在内置光源或者利用光导纤维将太阳光引入封闭容积条件下，将含有光合生物的物料交替经过侧光纤塔板和U型换热器塔板，并在回流氢气的气泡作用下，通过悬浮热交换和明暗发酵连续制氢。

实施例2

如图1所示的塔板气泡式生物质连续制氢装置的结构示意图，所述装置由进料阀门1、半球式储气室2、塔板式发酵反应罐3、气泡室4、石英侧光纤塔板5、U型换热器塔板6、隔墙7、气液分离隔板8、出气阀门9、氢气回流阀门10、鼓风机11、风帽12、污泥泵13和出料阀门14等组成。

半球式储气室2、塔板式发酵反应罐3和气泡室4由6mmQ235钢板焊接而成，钢板内壁刷有环氧沥青漆，避免被料液和气体腐蚀。钢板外部为保温结构，由内部保温层和外部保护层构成，其中保温层采用150mm厚的泡沫板进行保温。保护层采用1mm厚的薄铁皮进行固定，紧贴保温层安装，起到保护、防火、防水、防潮和美观作用。半球式储气室2出气端口设有人字型气液分离隔板8，用于分离氢气中的液滴和料液颗粒，其顶部预留一小孔，防止氢气在里面形成死区。出气端口连接三通管道，一端接出气阀门，一端接氢气回流阀门。

塔板式发酵反应罐3中上下均匀叉排（上下间隔，左右交错排列）设置有石英侧光纤塔板5和U型换热器塔板6，其中石英侧光纤塔板5的长度为反应罐直径的一半（塔板最长宽度d1与半径之比约为1/2），用有机玻璃制成；U型换热器塔板6的长度为反应罐直径的5/6（塔板最长宽度d2与半径之比约为5/6），用3mm的钢板焊接在U型换热管外表面中部而成。通过石英侧光纤塔板5和U型换热器塔板6的长度不等分布，达到料液流经石英侧光纤塔板5和U型换热器塔板6的距离不等，从而达到控制料液明暗交替发酵时间的目的。石英侧光纤塔板5和U型换热器塔板6上均匀分布透气小孔，便于向上鼓泡的氢气流过。通过塔板上透气小孔的设计，达到料液与气体充分的传热传质，使料液温度和浓度均匀一致，有利于提高产氢的效率。

隔墙7分别布置在石英侧光纤塔板5和U型换热器塔板6的外端部，上部分短，为5mm；下部分长，为15mm。石英侧光纤塔板5的隔墙材质为有机玻璃，U型换热器塔板6的隔墙材质为3mm的钢板。隔墙7的作用是促使料液沿固定液道流动，有利于保证光照时间和换热时间，并加强与气体的搅拌作用，使微生物与料液充分反应，提高产氢效果。

气泡室4设在塔板式发酵反应罐3底部，进口与氢气回流管道相连，出口设有8mm钢板隔板，隔板的作用是将塔板式发酵反应罐3和气泡室4隔离成独立的两部分。隔板上面均匀布置着通气道和风帽12，其中风帽12设计成倒圆锥状，上端封闭，下端全空，圆锥侧面均匀分布通气孔道。通气孔道设置在风帽12的侧面目的是一方面防止料液堵塞孔道，另一方面回流氢气通过孔道侧面出气，有利于氢气向水平方向流动，加强了气体搅拌，避免料液短路现象的发生。

由出气管道、出气阀门9、氢气回流管道、氢气回流阀门10和鼓风机11组成了氢气回流通道。出气阀门9设在出气管道上，用于控制产出的氢气收集；氢气回流阀门10设在氢气回流管道上，用于控制回流的氢气量大小。氢气回流管道上设有鼓风机11，末端与气泡室4相通。氢气回流通道目的是通过氢气回流阀门10和鼓风机11的调节，达到气体搅拌的作用。

由进料管道、进料阀门1、出料管道、出料阀门14和污泥泵13组成了料液回流通道。污泥泵13安装在进、出料管道之间，用于出料液中微生物部分回收和循环搅拌等目的。

图2是石英侧光纤塔板5的具体结构示意图，石英侧光纤塔板5由普通钠玻璃管51、石英侧光纤52、石英侧光纤塔板本体53、塔板通气小孔54和太阳聚光器55组成。石英侧光纤塔板本体53呈半圆状，由3mm有机玻璃组成，石英侧光纤塔板本体53用聚硫玻璃胶与反应罐的钢板壁相连。在石英侧光纤塔板本体53上，均匀分布许多透气小孔，其作用是便于回流氢气的向上流动，加强料液搅拌，提高周围料液的光照均匀性。石英侧光纤塔板本体53上水平均匀布置着普通透明钠玻璃管51，与透气小孔交叉排列，管道内径为20mm，外径为24mm。普通透明钠玻璃管51中分别设有一根石英侧光纤52，直径为15mm。在石英侧光纤52中，光线沿光纤长度方向均匀散射，为周围料液提供光源。数个石英侧光纤52汇合后由传输管道与太阳聚光器55连接。太阳聚光器55采用费涅尔透镜进行聚光，由自动跟踪装置实施三维定向跟踪，可根据太阳高度角和方位角进行自动调整，保证聚光器55始终处于最佳受光状态。

图3是U型换热器塔板具体结构示意图，U型换热器塔板由透气小孔61、U型换热器塔板本体62、U型换热管63、热水进口阀门64、冷水出口阀门65、电加热水箱66、温度控制仪67、温度传感器68、电加热器69、排污阀60及循环水管道组成。U型换热器塔板本体62上下均匀设置在发酵罐的内部，U型换热器塔板本体62为缺口状的圆形，缺口长度为反应罐直径的1/6（塔板最长宽度d2与半径之比为5/6）。U型换热器塔板本体62为3mm的钢板，与U型换热管63外壁中部相连，与发酵罐内壁焊接而成。U型换热器塔板本体62上页均匀分布着多个透气小孔61，它们与U型换热管63交替排列，用于回流氢气的向上流动，通过气体和料液的搅拌作用，使U型换热管63中热水能够较好地加热料液，并使料液温度趋于均匀。U型换热管63为不锈钢管，内径为40mm，外径为45mm，水平设置在发酵罐内部，并上下布置。U型换热管63的进水端通过热水进口阀门64与电加热水箱66的热水出口连接，出水端与电加热水箱66的冷水进口连接。热水进口阀门64和冷水出口阀门65用于控制进、出U型换热管63的水量，便于恒温控制。电加热水箱66的材料选用厚度为5mm的钢板，内部刷防锈漆，外部用聚氨脂进行保温。由温度控制仪67、温度传感器68、电加热器69共同构成了恒温热水控制装置。电加热器69设在电加热水箱66下部，用来加热循环水。温度控制仪67和温度传感器8用来控制电加热水箱6中的水温，设定热水温度为38℃。当电加热水箱66中水温低于38℃，自动启动电加热器69；当电加热水箱66中水温高于38℃，电加热器69自动关闭，使热水始终处于恒定的温度，以满足低温环境条件下生物质光合制氢的需要。

如图4中，风帽12由风帽壁15和通气小孔组成。风帽壁15呈倒圆锥状，上端封闭，防止反应器中料液颗粒堵塞通气孔道，下端与圆柱体回流氢气孔道相通。风帽壁15四周均匀分布通气小孔，回流氢气由通气小孔侧向进气到反应罐，有利于氢气向水平方向流动，加强了气体搅拌，避免料液短路现象的发生。

Claims (9)

1.一种塔板气泡式生物质连续光合制氢装置，包括太阳光传输器、密闭的光生物反应器，其特征在于：光生物反应器包括上部的储气室，中部的塔板式反应罐和下部的气泡室，所述光生物反应器的进料口位于储气室与塔板式反应罐之间侧壁上，出料口位于塔板式反应罐与气泡室之间侧壁上，出气口位于储气室顶部，出气管上连通有氢气回流管，该氢气回流管通过鼓风机引流至气泡室底部；在塔板式反应罐内自上而下交替分布有石英侧光纤塔板和U型换热器塔板，其中石英侧光纤塔板与太阳光传输器连接，U型换热器塔板与加热器连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括反应液回流***，该反应液回流***是将光生物反应器出料口安装出料管，该出料管上同时设置有回流管，回流管上安装污泥泵后与进料口连通。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在反应罐中交替叉排石英侧光纤塔板和U型换热器塔板，各塔板上均匀分布透气小孔，石英侧光纤塔板的长度为反应罐直径的一半，U型换热器塔板的长度为反应罐直径的5/6，满足生物质光合制氢明暗发酵。

4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于：在石英侧光纤塔板和U型换热器塔板的末端分布竖向固定有隔墙，隔墙向上超出相应塔板上表面的高度为c1，隔墙向下超出相应塔板下表面的高度为c2，其中c1为5mm，c2为15mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：塔板式发酵反应罐是圆柱体钢板反应器，内壁刷有防腐漆，外壁加有保温层和保护层。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气泡室的出口设有隔板，上面均匀布置有通气道，通气道上安装有风帽，风帽呈倒圆锥状，上端封闭，下端全空，圆锥侧面均匀分布通气孔道，回流氢气通过孔道侧面进气，实现气液充分热交换。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：储气室包括出气口、节流阀和气液分离隔板，并且储气室内腔上侧的出口处设置有人字型气液分离隔板，其顶部预留一小孔。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：石英侧光纤塔板上水平均匀布置有钠玻璃管，钠玻璃管用有机玻璃连接制成隔板，隔板用聚硫玻璃胶与反应罐钢板壁相连，钠玻璃管中分别设有石英侧光纤，各石英侧光纤汇合后与太阳光聚光器相连。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：U型换热器塔板包括塔板和U型换热管，U型换热管水平布置在该塔板上，U型换热管的热水进口与电加热水箱的出水口连接，U型换热管的冷水出口与电加热水箱的进水口连接。

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