CN115404088A - 一种水热炭制备和原位生物燃气提质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，包括以下步骤：（1）有机废弃物进入到厌氧两相反应***中，反应后产物和剩余物分别进入不同后续处理***；（2）产酸相中的固体剩余物部分经转化制备成水热碳；（3）产酸相中的液体部分进入到产甲烷相中，作为底物被微生物转化为生物燃气；（4）产酸相中的气体部分经除杂处理后进入到产甲烷相中，与二氧化碳反应生成甲烷，降低生物燃气中二氧化碳含量，提升甲烷浓度。本发明通过在产酸相中将固、液、气三相产物进行转化利用，实现有机废弃物的全量化和高水分固体剩余物的高值化利用；通过产酸相产生的氢气原位转化二氧化碳制备生物燃气，同步实现了二氧化碳脱除和生物燃气品质提质。
Description
技术领域
本发明属于有机废弃物资源化和能源化领域，具体涉及一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法。
背景技术
在我国，如稻秆、麦秆等木质纤维素类原料年产量可达7亿吨左右，大部分废弃于农田或就地焚烧，即浪费了资源，也对环境造成了污染。果蔬废弃物的年产量约有1300万吨水果渣和5000万吨蔬菜渣，具有含水率高、易腐烂变质的特点，若处理不当易引起环境污染。能源草本植物由于具有生长快、产量高、易管理、热值高和环境友好等优点，近年来成为一种优质的生物质原料。
厌氧发酵工艺已成为一种商业化应用前景良好的技术，可同步实现有机废弃物处理和可再生能源制备。稻秆、麦秆等木质纤维素类原料和果蔬废弃物中富含有机物，可作为厌氧消化的原料；而能源植物可在边际土地上生长，在欧美等国家已成为生物燃气工程的主要原料之一。
但由于受转化工艺条件限制，生物燃气中甲烷含量通常在50-60%左右，需进一步脱碳提质，使得生产成本提高，如何实现低成本提质成为目前的产业热点问题。同时发酵剩余物的转化利用成为生物燃气工程的关键限制因素，故如何实现发酵剩余物的高值、高效转化成为必须。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，本发明解决了有机废弃物厌氧转化过程中甲烷含量低，为实现有机废弃物的高效厌氧转化提供保障；同时本发明解决了高水分发酵剩余物利用难的问题，实现了发酵剩余物的高效、高值利用，具有较高的社会经济效益。
本发明的目的在于提供一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，包括以下步骤：
（1）有机废弃物进入到厌氧两相反应***中，运行一段时间后，反应后产物和剩余物分别进入不同后续处理***；
（2）步骤（1）中的产酸相中的固体剩余物经水热过程制备高性能碳材料；
（3）步骤（1）中的产酸相中的液体部分进入到产甲烷相中，作为底物被微生物转化为生物燃气，水热碳加入到厌氧发酵***中促进厌氧发酵产气量；
（4）步骤（1）中的产酸相中的气体部分经缓冲罐后进入到产甲烷相中，作为底物，与二氧化碳反应生成甲烷，降低生物燃气中二氧化碳含量，提升甲烷浓度。
优选地，所述的有机废弃物包括农作物秸秆等木质纤维类废弃物、象草等能源作物、果蔬垃圾等中的一种或几种。
优选地，所述的厌氧两相反应***包括产酸相和产甲烷相。其中产酸相反应器的运行温度为30-55 ℃，运行时间为6-8 d，运行方式为序批式。其中产甲烷相反应器的运行温度为30-55 ℃，运行时间为10-20 d，有机负荷为5-20 g COD/L•d，运行方式为批式或连续式进料方式。
优选地，所述的产酸相中的固体剩余物含水量为75-90%。
优选地，所述的水热碳制备反应温度为200-350 ℃、压力为0.5-2 MPa、时间为60-90 min，在水热反应釜完成；反应结束后将反应釜冷中固体产物烘干后获得水热碳。
优选地，所述的水热碳加入到厌氧发酵***中促进厌氧发酵产气量，其中水热碳按底物VS质量比加入，加入量为0.5-1.5%。
优选地，所述的产酸相中的气体部分中H2含量为20-50%。
优选地，所述的产酸相中的气体部分经缓冲罐进入到产甲烷相中，气体从距离反应器底部三分之一处进入，进气速度为0.5-1.5 L/L•d。
本发明的有益效果是：本发明通过在产酸相中将固、液、气三相产物进行转化利用，一方面实现了有机废弃物的全量化利用，实现了高水分固体剩余物的高值化利用；另一方面，通过产酸相产生的氢气原位转化二氧化碳制备生物燃气，同步实现了二氧化碳脱除和生物燃气品质提质。
附图说明
图1所示为本发明水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法的示意图。原料首先进入产酸相反应器中，产酸相的气/液/固三相产物根据后续工艺进入不同***，其中产酸相反应器中的液体部分作为原料进入产甲烷相反应器中，气体部分也进入产甲烷相反应器中，原位提升产甲烷相反应器中甲烷含量；固体部分进入水热反应釜，生成水热碳，之后进入产甲烷相反应器，提升反应器的运行性能。
图2 实施例1中水热碳对厌氧发酵***原料产气率的影响。
图3 实施例2中水热碳对厌氧发酵***原料产气率的影响。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
如图1所示，一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，包括以下步骤：
（1）本工艺涉及到厌氧两相反应***，其中1相反应***为产酸相，另1相反应***为产甲烷相，产酸相的液相产物作为产甲烷相的原料进入反应器中。
（2）农作物废弃物秸秆进入到厌氧两相反应***中的产酸相，其反应温度50 ℃，运行时间为6 d，反应结束后，反应器中60%物质经出料口进入到固液分离***中，其中固液分离后液体部分进入到产甲烷相反应器中，固体部分进入水热碳制备***；
（3）产酸相中经固液分离后获得的固体部分，进入到水热反应釜，控制反应釜温度为300 ℃、压力为1.0 MPa、时间为70 min，反应结束后将反应釜冷却，固体产物烘干后获得水热碳；
（4）产酸相中的液体部分通过泵定量进入到产甲烷相反应器中，该产甲烷相反应器中含有拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、Ignavibacteriae(暂无中文名)、绿弯菌门(Chloroflexi)和厚壁菌门(Firmicutes)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales) 和第七产甲烷古菌目（Methanomassiliicoccales）中的多种细菌和产甲烷菌组成的微生物群落，这些微生物可将来自产酸相中的液体部分转化为富含甲烷的生物燃气；且水热碳加入到产甲烷相反应器中，其添加量为底物的0.5%（按底物挥发性固体质量计算），反应器运行温度为35 ℃，反应时间为15 d，有机负荷为5g COD/L•d；
（5）产酸相产生的气体，首先暂存在缓冲罐中，经除杂处理后的气体泵入产甲烷相反应器中，在如甲烷微菌目(Methanomicrobiales)等氢营养型产甲烷菌的作用下将气体中H2与CO2反应生成甲烷，该反应器运行温度为35 ℃，反应时间为15 d，从而实现原位CO2转化，降低生物燃气中CO2含量，提升甲烷浓度。
经检测，在产甲烷相厌氧反应器中设置（1）对照组，该组反应器中未添加水热碳，仅加入来自产酸相的液体部分和气体部分，运行条件为：运行温度为35 ℃，反应时间为15d，有机负荷为5g COD/L•d；（2）实验组，该组反应器中添加0.5%水热碳（按底物固体质量分数计算），在加入来自产酸相的液体部分和气体部分，运行条件为：运行温度为35 ℃，反应时间为15 d，有机负荷为5g COD/L•d。结果表明，对照组厌氧发酵***原料产气率为278mL/g VS；实验组采用本工艺可获得高品质水热碳产品，且厌氧发酵***中添加水热碳后厌氧发酵***原料产气率为297mL/g VS，相比于对照组，实验组原料产气率可提高6.67%（图2）。
实施例2：
如图1所示，一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，包括以下步骤：
（1）农作物废弃物秸秆进入到厌氧两相反应***中的产酸相，其反应温度50 ℃，运行时间为8 d，反应结束后，反应器中60%物质经出料口进入到固液分离***中，其中固液分离后液体部分进入到产甲烷相反应器中，固体部分进入水热碳制备***；
（2）产酸相中经固液分离后获得的固体部分，进入到水热反应釜，控制反应釜温度为250 ℃、压力为1.5 MPa、时间为90 min，反应结束后将反应釜冷却，固体产物烘干后获得水热碳；
（3）产酸相中的液体部分通过泵定量进入到产甲烷相反应器中，该产甲烷相反应器中含有拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、Ignavibacteriae(暂无中文名)、绿弯菌门(Chloroflexi)和厚壁菌门(Firmicutes)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales) 和第七产甲烷古菌目（Methanomassiliicoccales）中的多种细菌和产甲烷菌组成的微生物群落，这些微生物可将来自产酸相中的液体部分转化为富含甲烷的生物燃气；且水热碳加入到产甲烷相反应器中，其添加量为底物的0.5%（按底物挥发性固体质量计算），反应器运行温度为35 ℃，反应时间为15 d，有机负荷为5g COD/L•d；
（4）产酸相产生的气体，首先暂存在缓冲罐中，经除杂处理后的气体泵入产甲烷相反应器中，在如甲烷微菌目(Methanomicrobiales)等氢营养型产甲烷菌的作用下将气体中H2与CO2反应生成甲烷，该反应器运行温度为35 ℃，反应时间为15 d，从而实现原位CO2转化，降低生物燃气中CO2含量，提升甲烷浓度。
经检测，在产甲烷相厌氧反应器中设置（1）对照组，该组反应器中未添加水热碳，仅加入来自产酸相的液体部分和气体部分，运行条件为：运行温度为35 ℃，反应时间为15d，有机负荷为5g COD/L•d；（2）实验组，该组反应器中添加0.5%水热碳（按底物固体质量分数计算），在加入来自产酸相的液体部分和气体部分，运行条件为：运行温度为35 ℃，反应时间为15 d，有机负荷为5g COD/L•d。结果表明，对照组厌氧发酵***原料产气率为278mL/g VS；实验组采用本工艺可获得高品质水热碳产品，且厌氧发酵***中添加水热碳后厌氧发酵***原料产气率为316mL/g VS，相比于对照组，实验组原料产气率可提高13.41%（图2）。
Claims (9)
1.一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）有机废弃物进入到厌氧两相反应***中，反应后产物和剩余物分别进入不同后续处理***；所述的厌氧两相反应***包括产酸相和产甲烷相；
（2）步骤（1）中的产酸相中的固体剩余物部分经转化制备成水热碳；
（3）步骤（1）中的产酸相中的液体部分进入到产甲烷相中，作为底物被微生物转化为生物燃气，且在产甲烷相中加入水热碳；
（4）步骤（1）中的产酸相中的气体部分经缓冲罐后进入到产甲烷相中，作为底物，与二氧化碳反应生成甲烷，降低生物燃气中二氧化碳含量，提升甲烷浓度。
2.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，所述的有机废弃物选自木质纤维类废弃物、能源作物、果蔬垃圾中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，
所述木质纤维类废弃物是农作物秸秆；所述能源作物是象草。
4.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，其中产酸相反应器的运行温度为30-55 ℃，运行时间为6-8 d，运行方式为序批式；其中产甲烷相反应器的运行温度为30-55 ℃，运行时间为10-20 d，有机负荷为5-20 g COD/L•d，运行方式为批式或连续式进料方式。
5.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，所述的产酸相中的固体剩余物含水量为75-90%。
6.据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，所述的水热碳制备反应温度为160-350 ℃、压力为0.5-2 MPa、时间为60-90 min，在水热反应釜内完成；反应结束后将反应釜冷中固体产物烘干后获得水热碳。
7.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的水热碳按底物VS质量比加入，加入量为0.5-1.5%。
8.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，所述的产酸相中的气体部分中H2含量为20-50%。
9.根据权利要求1所述的一种水热炭制备耦合原位生物燃气提质的方法，其特征在于，所述的产酸相中的气体部分经缓冲罐进入到产甲烷相中，气体从距离反应器底部三分之一处进入，进气速度为0.5-1.5 L/L•d。
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| CN202210823738.2A CN115404088A (zh) | 2022-07-14 | 2022-07-14 | 一种水热炭制备和原位生物燃气提质的方法 |
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| CN115404088A true CN115404088A (zh) | 2022-11-29 |
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| CN202210823738.2A Pending CN115404088A (zh) | 2022-07-14 | 2022-07-14 | 一种水热炭制备和原位生物燃气提质的方法 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014100849A1 (de) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.(ATB) | Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas |
| CN105039421A (zh) * | 2015-07-25 | 2015-11-11 | 中国科学院成都生物研究所 | 一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法 |
| CN112680481A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-04-20 | 北京工商大学 | 微生物电催化强化有机废弃物产甲烷的方法 |
| CN112941111A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-06-11 | 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 | 一种利用沼渣水热产物提高厌氧干发酵产气特性的方法 |
| US20210403955A1 (en) * | 2018-10-29 | 2021-12-30 | Electrochaea GmbH | Method to use industrial co2 containing gas for the production of a methane enriched gas composition |
-
2022
- 2022-07-14 CN CN202210823738.2A patent/CN115404088A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 何培新主编: "《高级微生物学》", vol. 1, 31 August 2017, 北京：中国轻工业出版社, pages: 249 * |
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