CN103965983A - 一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于沼气净化与气体分离领域，特指一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的装置和方法。本发明利用水合物法固化沼气中的二氧化碳，进而将沼气提纯，提纯后的甲烷可以作为民用气燃烧，也可经过进一步处理用来作为工业原料气或动力能源等用途；固化后的二氧化碳水合物利用太阳能所提供的热量分解，高浓度的二氧化碳被送入大棚以提高植物的光合作用效率，提高农作物的产量。

Description

一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的装置和方法

技术领域

本发明属于沼气净化与气体分离领域，这里特指利用水合物法固化沼气中的二氧化碳，进而将沼气提纯，提纯后的甲烷可以作为民用气燃烧，也可经过进一步处理用来作为工业原料气或动力能源等用途；固化后的二氧化碳水合物利用太阳能所提供的热量分解，高浓度的二氧化碳被送入大棚以提高植物的光合作用效率，提高农作物的产量。

背景技术

随着沼气技术在农村的普及，如何提高农村沼气利用率，并将其与现代农业相结合一直都是研究的热点；沼气的主要成分包括二氧化碳（30％-40％）与甲烷（50％-70％）二种气体，二氧化碳是植物光合作用的原料，较高浓度的二氧化碳能够提高光合作用的效率；甲烷提纯后能够用于民用气及LNG等的原料气，二者都具有较大的用途。

水合物气体分离技术基于不同气体形成水合物的条件不同，通过控制水合反应的温压条件将二氧化碳及甲烷气体相分离，进而进步利用；专利“一种沼气净化方法及***”（200710019153.0，公开（公告）号CN 101428190A）提出了一种采用水合物法固化沼气中的二氧化碳，从而将甲烷提纯获得高纯甲烷气的方法；专利“一种利用太阳能加热结晶水合物给温室大棚供暖的装置”（201220612156.1，公开（公告）号CN202873445U）提出了一种利用太阳能加热结晶水合物的吸放热过程，为温室大棚供暖的装置，然而，对于目前来说，有关沼气与现代农业相结合的“绿色”农业途径仍然未找到，因此，亟需探寻出一种能够实际应用的绿色农业模式。

发明内容

本发明的目的是针对当前农村沼气利用的低效性，通过水合物法将沼气中的二种主要气体组分分离，分离后的高浓度二氧化碳用于提高植物大棚内二氧化碳的浓度，以增强光合作用强度，提高农产品的产量以及品质，分离后的甲烷气，由于浓度较高，提高了气体品质，能够用于各种用途。

本发明由太阳能集热器；离心水泵；保温箱；单向液阀；水合物存储单元；截至阀；单向气阀；植物大棚；浆液泵；三相分离器；水合物生成单元；压力控制阀；压缩机；研碎装置；制冰装置；水合物存储单元夹套空腔；沼气池和过滤器组成；沼气池的输出端与第三单向气阀的输入端连接；第三单向气阀的输出端与过滤器的输入端连接；过滤器的输出端与压缩机的输入端连接；压缩机的输出端与第二压力控制阀的输入端连接；第二压力控制阀的输出端与水合物生成单元的第一输入端连接；进水管接入制冰装置的第一输入端；制冰装置的输出端与研碎装置的输入端连接；研碎装置的输出端与第三浆体泵的输入端连接；第三浆体泵的输出端与第四单向液阀的输入端连接；第四单向液阀的输出端与水合物生成单元的第二输入端连接；水合物生成单元的第一输出端与第一压力控制阀的输入端连接；第一压力控制阀的输出端用于输出高浓度甲烷气；水合物生成单元的第二输出端与第三截止阀的输入端连接；第三截止阀的输出端与第二浆液泵的输入端连接；第二浆液泵的输出端与立式三相分离器的输入端连接；立式三相分离器的第一输出端与第二单向气阀的输入端连接；第二单向气阀的输出端用于输出甲烷气；立式三相分离器的第二输出端与第六单向液阀的输入端连接；第六单向液阀的输出端与第四离心水泵的输入端连接；第四离心水泵的输出端与第五单向液阀的第一输入端连接；第五单向液阀的输出端与制冰装置的第二输入端连接；立式三相分离器的第三输出端与第二截止阀的输入端连接；第二截止阀的输出端第一浆液泵的输入端连接；第一浆液泵的输出端与第一截止阀的输入端连接；第一截止阀的输出端与水合物存储单元的输入端连接；水合物存储单元的第一输出端与第一单向气阀的输入端连接；第一单向气阀的输出端与植物大棚的输入端连接；水合物存储单元的第二输出端与第三单向液阀的输入端连接；第三单向液阀的输出端与第三离心水泵的输入端连接；第三离心水泵的输出端与第五单向液阀的第二输入端连接；太阳能集热器的输出端与第一离心水泵的输入端连接；第一离心水泵的第一输出端与保温箱的第一输入端连接；保温箱的第一输出端与第七单向液阀的第一输入端连接；第七单向液阀的输出端与太阳能集热器的输入端连接；第一离心水泵的第二输出端与第一单向液阀的第一输入端连接；第一单向液阀的输出端与第二离心水泵的输入端连接；第二离心水泵的输出端与水合物存储单元夹套空腔的输入端连接；水合物存储单元夹套空腔的输出端与第二单向液阀的输入端连接；第二单向液阀的第一输出端与保温箱的第二输入端连接；保温箱的第二输出端与第一单向液阀的第二输入端连接；第二单向液阀的第二输出端与第七单向液阀的第二输入端连接。

本发明的显著优点在以下几个方面：

（1） 采用水合物法固化沼气中大量的二氧化碳，以将沼气中二种主要的气体分离，提纯后的甲烷输出作为能源或其它的用途使用，所形成的二氧化碳水合物分解，放出二氧化碳气体作为大棚植物光合作用的原料。

（2） 水合物分解过程中充分利用太阳能所提供的热量，无污染且大大降低了成本。

（3） 将民用沼气与中的二氧化碳用于提高植物的光合作用效率，使得农作物的产量及质量得到提高，不仅提高了沼气的利用率，而且有助于减少温室气体的排放。

（4） 经过分离后的沼气，甲烷浓度很高，提高气体的的品质，这部分甲烷气体能够供民用燃烧，甚至能够用于LNG，CNG生产的原料气。

（5） 未反应的水被重新用于水合物的合成，充分节约了水资源。

（6） 该技术将沼气技术与水合物技术相结合，为绿色农业的发展提供了一个有效的途径，且为工业生产所产生的二氧化碳提供了一个有效的途径。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图。

图中：1 －太阳能集热器；2，5，12，28－离心水泵；3－保温箱；4，6，8，23，27，29，30－单向液阀；7－水合物存储单元；9，14，17—截至阀；10，20，33－单向气阀；11－植物大棚；13，16，24－浆液泵；15－三相分离器；18－水合物生成单元；19，22－压力控制阀；21－压缩机；25－研碎装置；26－制冰装置；31－水合物存储单元夹套空腔；32－沼气池；34－过滤器。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要本发明由太阳能集热器；离心水泵；保温箱；单向液阀；水合物存储单元；截至阀；单向气阀；植物大棚；浆液泵；三相分离器；水合物生成单元；压力控制阀；压缩机；研碎装置；制冰装置；水合物存储单元夹套空腔；沼气池和过滤器组成。其具体的实施方案如下：

（1）水经过制冰装置26制冰，并经过研碎装置25研碎成冰水混合物，后经由第三浆液泵24经过第四单向液阀23，进入水合物反应单元18内，完成进液过程，紧接着将水合物反应单元18中的制冷循环打开，使反应器内部的温度维持在4.5-6℃,一般取5℃。

（2）沼气池32内的沼气经过第三单向气阀33、流经过滤器34过滤，过滤后的气体经过压缩机21增压，由第二压力控制阀22进入水合物反应单元18内，待水合物反应单元内气体的压力达到3-4MPa，一般取3.5MP时，停止进气，将温度控制在5℃。

（3）经过水合物反应单元18的水合反应后，大部分二氧化碳以水合物的形式被固定下来，未反应的气体经由第一压力控制阀19后作为高浓度甲烷气外输；二氧化碳水合物经由第三截止阀17，并由第二浆液泵16泵入三相分离器15进行分离。

（4）三相分离器15中的气体经由第二单向气阀20外输，水经由第六单向液阀29后，由第四离心水泵28经过第五单向液阀27泵入进水管道，重新利用。

（5）三相分离器15中的水合物经过第二截止阀14引出，在第一浆液泵13的作用下通过第一截止阀9进入水合物存储单元7存储。

（6）在需要时，水合物存储单元在外界提供热量的情况下发生分解，释放的二氧化碳气体经由第一单向气阀10，被送入植物大棚11内，以提高植物的光合作用效率，增加产量；分解后的水由第三单向液阀8经过第三离心水泵12加压后，由第五单向液阀27送入进水管路。

（7）太阳能集热器1由12根竖排的热管组成，在吸收太阳光的能量后；水的温度升高，温度较高的热水经过第一离心水泵2的加压后，经过第一单向阀4第二离心水泵5后进入水合物存储单元7为水合物分解提供热量，之后，低温水经过第二单向阀6、第七单向阀30回到太阳能集热器1吸收热量；保温箱3在过程当中吸收多余的热量，并存储起来，以供阴雨天气使用，届时，液体由流经保温箱后温度升高，高温的液体在经过第一单向阀4第二离心水泵5后进入水合物存储单元7为水合物分解提供热量，之后，低温液体经过第二单向阀6重新进入保温箱吸收热量，完成循环。

Claims (5)

1.一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的装置，其特征在于：所述装置由太阳能集热器；离心水泵；保温箱；单向液阀；水合物存储单元；截至阀；单向气阀；植物大棚；浆液泵；三相分离器；水合物生成单元；压力控制阀；压缩机；研碎装置；制冰装置；水合物存储单元夹套空腔；沼气池和过滤器组成；沼气池的输出端与第三单向气阀的输入端连接；第三单向气阀的输出端与过滤器的输入端连接；过滤器的输出端与压缩机的输入端连接；压缩机的输出端与第二压力控制阀的输入端连接；第二压力控制阀的输出端与水合物生成单元的第一输入端连接；进水管接入制冰装置的第一输入端；制冰装置的输出端与研碎装置的输入端连接；研碎装置的输出端与第三浆体泵的输入端连接；第三浆体泵的输出端与第四单向液阀的输入端连接；第四单向液阀的输出端与水合物生成单元的第二输入端连接；水合物生成单元的第一输出端与第一压力控制阀的输入端连接；第一压力控制阀的输出端用于输出高浓度甲烷气；水合物生成单元的第二输出端与第三截止阀的输入端连接；第三截止阀的输出端与第二浆液泵的输入端连接；第二浆液泵的输出端与立式三相分离器的输入端连接；立式三相分离器的第一输出端与第二单向气阀的输入端连接；第二单向气阀的输出端用于输出甲烷气；立式三相分离器的第二输出端与第六单向液阀的输入端连接；第六单向液阀的输出端与第四离心水泵的输入端连接；第四离心水泵的输出端与第五单向液阀的第一输入端连接；第五单向液阀的输出端与制冰装置的第二输入端连接；立式三相分离器的第三输出端与第二截止阀的输入端连接；第二截止阀的输出端第一浆液泵的输入端连接；第一浆液泵的输出端与第一截止阀的输入端连接；第一截止阀的输出端与水合物存储单元的输入端连接；水合物存储单元的第一输出端与第一单向气阀的输入端连接；第一单向气阀的输出端与植物大棚的输入端连接；水合物存储单元的第二输出端与第三单向液阀的输入端连接；第三单向液阀的输出端与第三离心水泵的输入端连接；第三离心水泵的输出端与第五单向液阀的第二输入端连接；太阳能集热器的输出端与第一离心水泵的输入端连接；第一离心水泵的第一输出端与保温箱的第一输入端连接；保温箱的第一输出端与第七单向液阀的第一输入端连接；第七单向液阀的输出端与太阳能集热器的输入端连接；第一离心水泵的第二输出端与第一单向液阀的第一输入端连接；第一单向液阀的输出端与第二离心水泵的输入端连接；第二离心水泵的输出端与水合物存储单元夹套空腔的输入端连接；水合物存储单元夹套空腔的输出端与第二单向液阀的输入端连接；第二单向液阀的第一输出端与保温箱的第二输入端连接；保温箱的第二输出端与第一单向液阀的第二输入端连接；第二单向液阀的第二输出端与第七单向液阀的第二输入端连接。

2.一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的方法，其特征在于按照如下步骤进行：

（1）水经过制冰装置制冰，并经过研碎装置研碎成冰水混合物，后经由第三浆液泵经过第四单向液阀，进入水合物反应单元内，完成进液过程，紧接着将水合物反应单元中的制冷循环打开，使反应器内部的温度维持在4.5-6℃；

（2）沼气池内的沼气经过第三单向气阀、流经过滤器过滤，过滤后的气体经过压缩机增压，由第二压力控制阀进入水合物反应单元内，待水合物反应单元内气体的压力达到3-4MPa，停止进气；

（3）经过水合物反应单元的水合反应后，二氧化碳以水合物的形式被固定下来，未反应的气体经由第一压力控制阀后作为高浓度甲烷气外输；二氧化碳水合物经由第三截止阀，并由第二浆液泵泵入三相分离器进行分离；

（4）三相分离器中的气体经由第二单向气阀外输，水经由第六单向液阀后，由第四离心水泵经过第五单向液阀泵入进水管道，重新利用；

（5）三相分离器中的水合物经过第二截止阀引出，在第一浆液泵的作用下通过第一截止阀进入水合物存储单元存储；

（6）在需要时，水合物存储单元在外界提供热量的情况下发生分解，释放的二氧化碳气体经由第一单向气阀，被送入植物大棚内，以提高植物的光合作用效率，增加产量；分解后的水由第三单向液阀经过第三离心水泵加压后，由第五单向液阀送入进水管路；

（7）太阳能集热器在吸收太阳光的能量后；水的温度升高，温度较高的热水经过第一离心水泵的加压后，经过第一单向阀第二离心水泵后进入水合物存储单元为水合物分解提供热量，之后，低温水经过第二单向阀、第七单向阀回到太阳能集热器吸收热量；保温箱在过程当中吸收多余的热量，并存储起来，以供阴雨天气使用，届时，液体由流经保温箱后温度升高，高温的液体在经过第一单向阀第二离心水泵后进入水合物存储单元为水合物分解提供热量，之后，低温液体经过第二单向阀重新进入保温箱吸收热量，完成循环。

3.如权利要求2所述的一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的方法，其特征在于：步骤1中使反应器内部的温度维持在5℃。

4.如权利要求2所述的一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的方法，其特征在于：步骤2中水合物反应单元内气体的压力取3.5MP。

5.如权利要求2所述的一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的方法，其特征在于：所述太阳能集热器由12根竖排的热管组成。