CN104962332B - 一种利用植物生物质制备天然气的***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用植物生物质制备天然气的***，至少包括五个罐体，分别为具有第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口的第一罐体，具有第三出气口的第二罐体，具有第四出气口的第三罐体，具有第三进气口的第四罐体，以及具有第四进气口的第五罐体，所述第二罐体的第三出气口与第一罐体的第一进气口相连，第三罐体的第四出气口与第一罐体的第二进气口相连，第四罐体的第三进气口与第一罐体的第一出气口相连，所述第二罐体与第一罐体之间连接有进汽阀，第三罐体与第一罐体之间连接有进水阀，第四罐体与第一罐体之间连接有真空抽气泵。本发明具有原料充足、稳定、低廉、环保，能够足民用和工业的要求等特点。
Description
技术领域
本发明涉及天然气制备技术领域，特别涉及一种利用植物生物质制备天然气的***及其方法。
背景技术
进入20世纪70年代以来，随着全球性石油危机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来越重视开发和高效转换生物质能源，纷纷制定了发展研究计划。我国在2006年启动了“十一五”国家科技支撑计划“农林生物质工程”重大项目。2008年，我国年可收集废气农作物资源量为6.87亿吨，利用率达到69％，还有31％约2.13亿吨剩余未被利用，因此中国废气农作物产天然气的潜力巨大。
但是目前我国的生物质物料利用，尤其是农村废弃物的利用形势不容乐观，大部分使用气化炉，在有氧状态下点燃农村废弃物进而采集产生的可燃气体。此种方式所投入的气化成本普遍降低，大多是直接燃烧，虽然有可燃气体产生，但是热值较低，不能满足民用和工业的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用植物生物质制备天然气的***和方法。
实现本发明的技术方案如下：
一种利用植物生物质制备天然气的***，至少包括五个罐体，分别为具有第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口的第一罐体，具有第三出气口的第二罐体，具有第四出气口的第三罐体，具有第三进气口的第四罐体，以及具有第四进气口的第五罐体，所述第二罐体的第三出气口与第一罐体的第一进气口相连，第三罐体的第四出气口与第一罐体的第二进气口相连，第四罐体的第三进气口与第一罐体的第一出气口相连，第五罐体的第四进气口与第一罐体的第二出气口相连，所述第二罐体与第一罐体之间连接有进汽阀，第三罐体与第一罐体之间连接有进水阀，第四罐体与第一罐体之间连接有真空抽气泵。
采用了上述的方案，植物生物质选用小麦、玉米秸秆为原料，该原料充足、稳定、低廉，同时能够防止将其焚烧，有利于保护环境，植物生物质在第一罐体内通过第二罐体输送高温蒸汽介质对其进行预处理，其渗入半纤维素、木质素或是纤维素的无定形区，使纤维素润胀，保压一段时间后瞬间释放，从而使纤维素的组织机构破坏，达到快速降解目的，然后，通过第三罐体向第一罐体内输送大量的冷水，进行突然减压，介质和物料共同作用完成物理的能量释放过程，然后使用第四罐体将第一罐体抽成真空使生物质细胞破裂达到爆碎制天然气的效果，如此制备的天然气产气量大，耗时短，效率高，制备的天然气由气体收集罐储存，该天然气产生的热值比直接焚烧来的热值高，即可民用，亦可满足工业需求。
第一罐体上还连接有具有将植物生物质搅碎的粉碎机，第一罐体上设有与粉碎机相连的物料进口，优点是植物生物质能够充分在第一罐体内降解，而且还能够增加植物生物质的用量，大大提高了天然气的制备效率。
第二罐体为蒸汽罐，蒸汽罐用于储存0.2MPa-0.8MPa、180℃-240℃的高温蒸汽，优点是通过将高温蒸汽通入第一罐体内，高压蒸汽渗透到物料内的空隙，使植物生物质中半纤维素降解成可溶性糖，同时木质素软化和部分降解，降低纤维连接强度，为爆碎过程提供选择性的机械分离。
第三罐体为蓄水罐，蓄水罐用于储存20℃-30℃的低温水，使罐体内压力迅速降低，以便进行爆碎过程。
第四罐体为真空引流罐，优点是将第一罐体内抽成真空，以便植物生物质的细胞壁内的水沸腾，并冲破细胞壁，从而达到爆碎制天然气的效果。
第五罐体为气体收集罐。
一种利用植物生物质制备天然气的方法，
步骤一：将植物生物质和水以质量比为1:10混合放入第一罐体中发酵，同时加入厌氧枣泥催化剂，该催化剂的用量为植物生物质质量的10％-20％，并将第一罐体封闭储存2-7天，植物生物质细胞壁内充满水分，得到含有饱和水分的植物生物质；
步骤二：由第二罐体向第一罐体中通入0.2MPa-0.8MPa的蒸汽，温度在180℃-240℃，流量为第一罐体体积的15％-30％，对植物生物质进行汽相蒸煮2-5min，植物生物质降解、软化，此时细胞壁内的水升至高温水；
步骤三：停止蒸汽的通入，并通过第四罐体将第一罐体内抽成真空状态，再通过第三罐体向第一罐体中通入20-30℃的低温水，水量为第一罐体体积的2/3，降温降压，植物生物质的细胞开始爆裂，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作为物料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外做功，在爆碎过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使之在软化条件下产生剪切力变形运动；由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使纤维有目的的分离，最终得到甲烷、水、二氧化碳和杂质的混合物；
步骤四：将得到的混合物通过生物脱硫塔及压缩机去除二氧化碳、水和杂质，最终得到纯净的天然气。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
如图1至图2，一种利用植物生物质制备天然气的***，至少包括五个罐体，分别为具有第一进气口11、第二进气口12、第一出气口13和第二出气口15的第一罐体1，具有第三出气口21的第二罐体2，具有第四出气口31的第三罐体3，具有第三进气口41的第四罐体4，以及具有第四进气口61的第五罐体6，所述第二罐体2的第三出气口21与第一罐体的第一进气口11相连，第三罐体3的第四出气口31与第一罐体1的第二进气口12相连，第四罐体4的第三进气口41与第一罐体1的第一出气口13相连，第五罐体6的第四进气口61与第一罐体1的第二出气口15相连，所述第二罐体2与第一罐体1之间连接有进汽阀22，第三罐体3与第一罐体1之间连接有进水阀32，第四罐体4与第一罐体1之间连接有真空抽气泵42。
第一罐体1上还连接有具有将植物生物质搅碎的粉碎机5，第一罐体1上设有与粉碎机5相连的物料进口14，优点是植物生物质能够充分在第一罐体内降解，而且还能够增加植物生物质的用量，大大提高了天然气的制备效率。
第二罐体2为蒸汽罐，蒸汽罐用于储存0.2MPa-0.8MPa、180℃-240℃的高温蒸汽，优点是通过将高温蒸汽通入第一罐体内，高压蒸汽渗透到物料内的空隙，使植物生物质中半纤维素降解成可溶性糖，同时木质素软化和部分降解，降低纤维连接强度，为爆碎过程提供选择性的机械分离。
第三罐体3为蓄水罐，蓄水罐用于储存20℃-30℃的低温水，使罐体内压力迅速降低，以便进行爆碎过程。
第四罐体4为真空引流罐，优点是将第一罐体内抽成真空，以便植物生物质的细胞壁内的水沸腾，并冲破细胞壁，从而达到爆碎制天然气的效果。
第五罐体6为气体收集罐。
一种利用植物生物质制备天然气的方法，
步骤一：将植物生物质和水以质量比为1:10混合放入第一罐体中发酵，同时加入厌氧枣泥催化剂，该催化剂的用量为植物生物质质量的10％-20％，并将第一罐体封闭储存2-7天，植物生物质细胞壁内充满水分，得到含有饱和水分的植物生物质；
步骤二：由第二罐体向第一罐体中通入0.2MPa-0.8MPa的蒸汽，温度在180℃-240℃，流量为第一罐体体积的15％-30％，对植物生物质进行汽相蒸煮2-5min，植物生物质降解、软化，此时细胞壁内的水升至高温水；
步骤三：停止蒸汽的通入，并通过第四罐体将第一罐体内抽成真空状态，再通过第三罐体向第一罐体中通入20-30℃的低温水，水量为第一罐体体积的2/3，降温降压，植物生物质的细胞开始爆裂，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作为物料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外做功，在爆碎过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使之在软化条件下产生剪切力变形运动；由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使纤维有目的的分离，最终得到甲烷、水、二氧化碳和杂质的混合物；
步骤四：将得到的混合物通过生物脱硫塔及压缩机去除二氧化碳、水和杂质，最终得到纯净的天然气。
最后为了得到纯净的天然气，将收集到的天然气混合物通过生物脱硫塔进行分离，通过压缩机辅助作用可制得纯净的天然气。
原理：将罐体中装满生物质(小麦、玉米秸秆)，当然也可应用于各种植物生物质，打开进气阀，进入0.8～3.4MPa蒸汽(180～240℃)，以此作为预处理，该预处理条件容易调节控制，使生物质汽相蒸煮，高压蒸汽渗透到物料内的空隙，使半纤维素降解成可溶性糖，纤维素的酶解转化率可达到理论最大值，同时木质素软化和部分降解，降低纤维连接强度，为爆碎过程提供选择性的机械分离，半纤维素产生的糖可以被全利用，转化为液体燃料汽爆过程中产生的发酵抑制物可通过控制汽爆条件而大大降低；之后打开进水阀门，迅速注入大量的冷水(20℃左右)，使罐体内压力迅速降低，即进行爆碎过程，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作为物料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外做功。在爆碎过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使之在软化条件下产生剪切力变形运动。由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使纤维有目的的分离，经过蒸汽爆碎处理后的木质素仍能够用于其他化学产品的转化。二者相辅相成，汽相蒸煮条件的选择决定着爆碎的过程。汽相蒸煮的温度和蒸煮时间之间存在交互作用。根据Arrhenius定律，温度每升高10℃，热化学反应的速度加倍，温度的升高可缩短蒸煮时间，但爆碎机械作用只有在汽相蒸煮临界点以上才能发挥出来；最后使用真空泵抽出真空使生物质细胞破裂达到爆碎制天然气的效果。
Claims (6)
1.一种利用植物生物质制备天然气的***，至少包括五个罐体，分别为具有第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口的第一罐体，具有第三出气口的第二罐体，具有第四出气口的第三罐体，具有第三进气口的第四罐体，以及具有第四进气口的第五罐体，其特征在于：所述第二罐体的第三出气口与第一罐体的第一进气口相连，第三罐体的第四出气口与第一罐体的第二进气口相连，第四罐体的第三进气口与第一罐体的第一出气口相连，第五罐体的第四进气口与第一罐体的第二出气口相连，所述第二罐体与第一罐体之间连接有进汽阀，第三罐体与第一罐体之间连接有进水阀，第四罐体与第一罐体之间连接有真空抽气泵；
一种利用植物生物质制备天然气的方法，如下：
步骤一：将植物生物质和水以质量比为1:10混合放入第一罐体中发酵，同时加入厌氧枣泥催化剂，该催化剂的用量为植物生物质质量的10％-20％，并将第一罐体封闭储存2-7天，植物生物质细胞壁内充满水分，得到含有饱和水分的植物生物质；
步骤二：由第二罐体向第一罐体中通入0.2MPa-0.8MPa的蒸汽，温度在180℃-240℃，流量为第一罐体体积的15％-30％，对植物生物质进行汽相蒸煮2-5min，植物生物质降解、软化，此时细胞壁内的水升至高温水；
步骤三：停止蒸汽的通入，并通过第四罐体将第一罐体内抽成真空状态，再通过第三罐体向第一罐体中通入20-30℃的低温水，水量为第一罐体体积的2/3，降温降压，植物生物质的细胞开始爆裂，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作为物料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外做功，在爆碎过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使之在软化条件下产生剪切力变形运动；由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使纤维有目的的分离，最终得到甲烷、水、二氧化碳和杂质的混合物；
步骤四：将得到的混合物通过生物脱硫塔及压缩机去除二氧化碳、水和杂质，最终得到纯净的天然气。
2.根据权利要求1所述的一种利用植物生物质制备天然气的***，其特征在于：所述第一罐体上还连接有具有将植物生物质搅碎的粉碎机，第一罐体上设有与粉碎机相连的物料进口。
3.根据权利要求1所述的一种利用植物生物质制备天然气的***，其特征在于：所述第二罐体为用于储存0.2MPa-0.8MPa、180℃-240℃的高温蒸汽的蒸汽罐。
4.根据权利要求1所述的一种利用植物生物质制备天然气的***，其特征在于：所述第三罐体为用于储存20℃-30℃的低温水的蓄水罐。
5.根据权利要求1所述的一种利用植物生物质制备天然气的***，其特征在于：所述第四罐体为真空引流罐。
6.根据权利要求1所述的一种利用植物生物质制备天然气的***，其特征在于：所述第五罐体为气体收集罐。
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