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CN108315357A - 利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法及系统 - Google Patents

利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法及系统 Download PDF

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CN108315357A
CN108315357A CN201810317910.0A CN201810317910A CN108315357A CN 108315357 A CN108315357 A CN 108315357A CN 201810317910 A CN201810317910 A CN 201810317910A CN 108315357 A CN108315357 A CN 108315357A
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stalk
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biomass
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闫巍
张畅
余智勇
杨作红
卢峰
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Huaneng Clean Energy Research Institute
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Huaneng Clean Energy Research Institute
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Abstract

本发明涉及一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法及系统，先向粉碎的秸秆中加入水或其他溶液制备秸秆混合液，秸秆混合液经加热预处理后，在可再生能源发电产生的直流电场作用下进行厌氧发酵，冷却分离后得到可燃性气体，再将上述可燃性气体与水电解产物氢气经过催化甲烷化，压缩分离后得到直接利用的天然气；本发明还提供了实现该方法的系统；本发明利用生物质能和电能二者的耦合作用提高了秸秆厌氧发酵的产气率和产气量，提高了整个系统的处理效率，促进了秸秆的资源化利用，而且减少了对环境的污染；本发明将生物质能、太阳能和风能以合成甲烷的形式储存，提供了一种综合利用太阳能、风能和生物质能的成本低、性能可靠的可持续能源系统。

Description

利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能、风能储存和生物质清洁利用技术领域，特别是涉及一种利用可再生能源和生物质(秸秆)耦合制取可燃性气体的方法及系统。
背景技术
化石能源紧缺和生物质废弃物资源化利用是当今世界面临的重大课题。全球能源消耗和工业用基础化学品的资源主要来自化石燃料。其中，80％以上来源于原油，天然气或煤炭。人口增长和科技进步进一步增加了对化石燃料的需求，并导致温室气体(GHG)排放量的增加。这些人为温室气体排放可能具有不可逆转的效应，改变了地区和全球的生活质量和农业多样性。只有通过可再生能源在内的化石燃料替代品和减少许多行业对化石燃料依赖性的可持续程序才能成功实现排放目标。在新的能源形势下，世界各国开始将目光聚集到新能源和可再生能源领域。
生物质能是以生物质为载体的一种可再生能源，是最安全稳定的能源。厌氧发酵技术是生物质能源化、资源化利用的一种有效途径。随着城镇化和新农村的建设，农村产生的农林废弃物处理量越来越大，沼气发酵是国内外都广泛应用的生物质能源技术，曾在我国农村沼气工程中得到应用和发展，但由于原料更换及除渣不方便，四季产气量差距大，大部分农村沼气工程被废弃。农作物秸秆是我国农业生产中数量最大的副产品，对于以农业秸秆为原料的沼气生产虽然有所报道，但从公开的技术中发现沼气产量低，满足不了对沼气生产的实际需要，因此如何利用清洁可再生的生物质(秸秆)制备沼气，并提高沼气产量是当前的重要研究方向。
电场刺激技术与生物质能源技术之间存在着紧密的联系。相关研究已经涉及电场刺激对细胞生长、代谢等诸方面的影响，并广泛应用于生化、环境等领域，同时也为生物工程领域提供了新的技术。当利用弱电流激发电极反应时可以刺激细胞的生长和代谢，产生促进作用，因此电场强化厌氧发酵技术具有发酵速度快和系统运行高效等优点。
本发明探索秸秆高效可综合利用的制取可燃性气体的方法，可实现生物质成分的高效充分利用，大幅度提高产气率，从而实现农林废弃物的能源化、资源化利用，并且缓解当前大量使用化石燃料而面临的能源危机和环境危机。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题与缺陷，本发明旨在提供一种利用可再生能源和生物质(秸秆)耦合制取可燃性气体的方法及系统，该方法可通过电场作用实现秸秆高效厌氧发酵产生可燃性气体，产气率高，系统运行高效。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，包括以下步骤：
(1)选取生物质秸秆，预处理后，加入溶剂，制备得到秸秆混合液；
(2)将步骤(1)中的秸秆混合液进行加热预处理；
(3)利用发电系统将可再生能源风能、太阳能转化为电能；
(4)将一部分电能用于对水进行电解，其产物为氧气和氢气；
(5)将另一部分电能作用于经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液，使其在直流电场的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理，得到气态生成物；
(6)经过步骤(5)得到的气态生成物经过冷却分离后得到可燃性气体和液体；
(7)将上述可燃性气体与水电解产物氢气经过催化甲烷化，压缩分离后得到能直接利用的天然气。
所述步骤(1)中的生物质秸秆为麦秸秆、玉米秸秆、稻秆、花生秧、高粱秸秆、甘蔗渣、豆秆中的任意一种或两种以上任意比重的混合物；
所述步骤(1)中预处理包括自然风干、烘干至恒重、粉碎至2-50mm；
所述步骤(1)中秸秆与溶剂的质量比为1:1～1:20，所述溶剂为水、污泥、沼渣或化学溶液，所述污泥或沼渣含水率为75％～85％，所述化学溶液为硫酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠或尿素，其占秸秆混合液的质量百分含量为5％～98％。
步骤(2)中所述加热预处理的为45～150℃，处理时间为30～120min。
所述步骤(5)中将经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液在直流电场作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，厌氧发酵处理时温度为25～60℃，厌氧发酵时间为3～15天；
所述步骤(5)中将经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液在直流电场作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵反应器中进行，所述厌氧发酵反应器中设有感温探头、温控仪、加热管和两电极极板和与所述两电极极板通过导线相连接的直流电源，其中所述直流电源是通过逆变器将电能转换为直流电源，所述直流电源的电压为0.2V～3V；
所述步骤(5)中将经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液在直流电场作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵反应器中进行，所述秸秆混合液的加入量占所述厌氧发酵反应器总体积的2/3，进行厌氧发酵处理前先采用氮气吹扫出厌氧发酵反应器中的空气。
所述步骤(1)、(2)、(5)需要搅拌，搅拌速度为25～400rmp。
所述步骤(7)中催化甲烷化采用的催化剂是过渡金属催化剂；
所述步骤(7)中催化甲烷化过程采用固定床或者流化床反应器进行。
所述过渡金属催化剂为铁、镍基催化剂。
实现所述方法的系统，包括风力发电系统或太阳能光伏发电系统1，所述风力发电系统或太阳能光伏发电系统1的正极输出端和负极输出端分别与电解水系统8中的阳极和阴极连接，风力发电系统或太阳能光伏发电系统1通过正负极导线与逆变器2输入端连接，逆变器2的正负极输出端与直流电源3的输入端连接；还包括秸秆储罐4，秸秆储罐4出口连接预处理反应器5入口，预处理反应器5出口连接厌氧发酵反应器7，厌氧发酵反应器7入口还连接有氮气吹扫仪6，厌氧发酵反应器7出口连接冷却分离系统9入口，冷却分离系统9出口与所述电解水系统8的阴极共同连接催化系统10入口，催化系统10出气口连接储气罐11。
所述厌氧发酵反应器7中两电极输入电压为0.2～3V；所述厌氧发酵反应器7内设置有感温探头、加热管、温控仪和固定的两电极极板，固定的两电极极板通过导线与直流电源3的两电极相连，两电极与直流电流输出端头组成电源闭合回路，两电极极板的面积和相距距离由厌氧发酵反应器的具体大小来调节。
所述秸秆储罐4、预处理反应器5和厌氧发酵反应器7中设置有连续运行的搅拌器；所述厌氧发酵反应器7中设置有控制其连续进出料或间隙进出料的阀门。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法解决了生物质能中可燃气体浓度低，产气量少等技术问题；
(2)本发明方法将电能有效的应用于秸秆生物质厌氧发酵中，实现了对厌氧环境中补充能量，激活了细胞，促使细胞分子快速分解，激发了物质内能，起到了用能量做功的效果，生物质能和电能二者的耦合作用提高了秸秆厌氧发酵的产气率和产气量，提高了整个系统的处理效率；
(3)本发明可缩短秸秆厌氧发酵时间，提高秸秆厌氧消化产气总量，促进了秸秆的资源化利用，而且减少了对环境的污染；
(4)本发明方法将电场强化厌氧发酵技术结合，实现了物理化学和生物处理技术的结合，实现了有机底物的高效利用；
本发明方法将生物质能、太阳能和风能以合成甲烷的形式储存，提供了一种综合利用太阳能、风能和生物质能的成本低、性能可靠的可持续能源系统。
附图说明
图1是本发明一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法流程图，其中：
1——风力发电系统或太阳能光伏发电系统；2——逆变器；3——直流电源；4——秸秆储罐；5——预处理反应器；6——氮气吹扫仪；7——厌氧发酵反应器；8——电解水系统；9——冷却分离系统；10——催化系统；11——储气罐。
具体实施方式
为清楚说明本发明，下面结合实施例及附图1，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆(玉米秸秆)自然风干、烘干至恒重，然后粉碎到20mm，加入水，固液比为1:20。
(2)然后对所述的秸秆混合液进行加热预处理。热处理温度为120℃，处理时间为120min。
(3)利用发电系统将可再生能源风能、太阳能转化为电能。
(4)将一部分电能用于对水进行电解，其产物为氧气和氢气。
(5)厌氧发酵阶段。将秸秆从预处理反应器中输入到厌氧发酵反应器中，厌氧发酵反应器中秸秆含量控制在反应器体积的2/3。
其中实验前首先用氮气吹扫出厌氧发酵反应器中的空气，通过加热管将厌氧发酵反应器的温度控制在45℃。厌氧发酵反应器中固定有两电极极板和直流电源，在秸秆厌氧发酵的过程中耦合电场的作用发酵3天，将得到的气态生成物经过冷却分离后得到可燃性气体和液体。然后将可燃性气体与水电解产物氢气经过催化甲烷化，压缩分离后得到能直接利用的天然气。
直流电源的电压为3V，产生的气体主要有甲烷、二氧化碳和一氧化碳等，气体中有少量氢气检出。
催化甲烷化采用的催化剂是过渡金属催化剂，优选铁、镍基催化剂。
催化甲烷化过程采用固定床或者流化床反应器进行。
如图1所示，为实现所述方法的系统，包括风力发电系统或太阳能光伏发电系统1，所述风力发电系统或太阳能光伏发电系统1的正极输出端和负极输出端分别与电解水系统8中的阳极和阴极连接，风力发电系统或太阳能光伏发电系统1通过正负极导线与逆变器2输入端连接，逆变器2的正负极输出端与直流电源3的输入端连接；还包括秸秆储罐4，秸秆储罐4出口连接预处理反应器5入口，预处理反应器5出口连接厌氧发酵反应器7，厌氧发酵反应器7入口还连接有氮气吹扫仪6，厌氧发酵反应器7出口连接冷却分离系统9入口，冷却分离系统9出口与所述电解水系统8的阴极共同连接催化系统10入口，催化系统10出气口连接储气罐11。
具体过程为：
所述风力发电系统或太阳能光伏发电系统1的正极输出端和负极输出端分别与电解水系统8中的阳极和阴极连接。所述风力发电系统或太阳能光伏发电系统1通过正负极导线与逆变器2输入端连接，所述逆变器2的正负极输出端与直流电源3的输入端连接，将秸秆与水的混合物倒入秸秆储罐4中，通过泵将秸秆储罐4中的秸秆混合物输送至预处理反应器5中进行加热预处理。将秸秆从预处理反应器5中经泵输入到厌氧发酵反应器7中。厌氧发酵反应器7与氮气吹扫仪6相连接。秸秆储罐4、预处理反应器5、厌氧发酵反应器7内均设置有搅拌棒，搅拌棒由电机控制。厌氧发酵反应器7内设置有感温探头、加热管、温控仪和固定的两电极极板。厌氧发酵反应器7发酵过程中产生的气态生成物经过冷却分离系统9冷却分离。将经过冷却分离系统9冷却分离出的可燃性气体与从电解水系统8的阴极出来的氢气通过管道与催化系统10连通，所述催化系统10的出气口与储气罐11连通。
厌氧发酵反应器7中两电极输入电压为0.2～3V。
厌氧发酵反应器7既可以采用连续进出料，也可以采用间隙进出料，通过阀门人工控制即可。
厌氧发酵反应器7中固定的两电极极板通过导线与直流电源的两电极相连，双电极与直流电流输出端头组成电源闭合回路，两电极极板的面积和相距距离由厌氧发酵反应器的具体大小来调节。
秸秆储罐、预处理反应器、厌氧发酵反应器内的搅拌器为连续运行，通过电机控制系统的搅拌速度在300rmp。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)选取生物质秸秆，预处理后，加入溶剂，制备得到秸秆混合液；
(2)将步骤(1)中的秸秆混合液进行加热预处理；
(3)利用发电系统将可再生能源风能、太阳能转化为电能；
(4)将一部分电能用于对水进行电解，其产物为氧气和氢气；
(5)将另一部分电能作用于经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液，使其在直流电场的作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理，得到气态生成物；
(6)经过步骤(5)得到的气态生成物经过冷却分离后得到可燃性气体和液体；
(7)将上述可燃性气体与水电解产物氢气经过催化甲烷化，压缩分离后得到能直接利用的天然气。
2.如权利要求1所述的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中的生物质秸秆为麦秸秆、玉米秸秆、稻秆、花生秧、高粱秸秆、甘蔗渣、豆秆中的任意一种或两种以上任意比重的混合物；
所述步骤(1)中预处理包括自然风干、烘干至恒重、粉碎至2-50mm；
所述步骤(1)中秸秆与溶剂的质量比为1:1～1:20，所述溶剂为水、污泥、沼渣或化学溶液，所述污泥或沼渣含水率为75％～85％，所述化学溶液为硫酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠或尿素，其占秸秆混合液的质量百分含量为5％～98％。
3.如权利要求1所述的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：步骤(2)中所述加热预处理的为45～150℃，处理时间为30～120min。
4.如权利要求1所述的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：
所述步骤(5)中将经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液在直流电场作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，厌氧发酵处理时温度为25～60℃，厌氧发酵时间为3～15天；
所述步骤(5)中将经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液在直流电场作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵反应器中进行，所述厌氧发酵反应器中设有感温探头、温控仪、加热管和两电极极板和与所述两电极极板通过导线相连接的直流电源，其中所述直流电源是通过逆变器将电能转换为直流电源，所述直流电源的电压为0.2V～3V；
所述步骤(5)中将经步骤(2)加热预处理的秸秆混合液在直流电场作用下以及搅拌条件下进行厌氧发酵处理时，在厌氧发酵反应器中进行，所述秸秆混合液的加入量占所述厌氧发酵反应器总体积的2/3，进行厌氧发酵处理前先采用氮气吹扫出厌氧发酵反应器中的空气。
5.如权利要求1所述的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：所述步骤(1)、(2)、(5)需要搅拌，搅拌速度为25～400rmp。
6.如权利要求1所述的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：
所述步骤(7)中催化甲烷化采用的催化剂是过渡金属催化剂；
所述步骤(7)中催化甲烷化过程采用固定床或者流化床反应器进行。
7.如权利要求6所述的一种利用可再生能源和生物质耦合制取可燃性气体的方法，其特征在于：所述过渡金属催化剂为铁、镍基催化剂。
8.实现权利要求1至7任一项所述方法的系统，其特征在于：包括风力发电系统或太阳能光伏发电系统(1)，所述风力发电系统或太阳能光伏发电系统(1)的正极输出端和负极输出端分别与电解水系统(8)中的阳极和阴极连接，风力发电系统或太阳能光伏发电系统(1)通过正负极导线与逆变器(2)输入端连接，逆变器(2)的正负极输出端与直流电源(3)的输入端连接；还包括秸秆储罐(4)，秸秆储罐(4)出口连接预处理反应器(5)入口，预处理反应器(5)出口连接厌氧发酵反应器(7)，厌氧发酵反应器(7)入口还连接有氮气吹扫仪(6)，厌氧发酵反应器(7)出口连接冷却分离系统(9)入口，冷却分离系统(9)出口与所述电解水系统(8)的阴极共同连接催化系统(10)入口，催化系统(10)出气口连接储气罐(11)。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述厌氧发酵反应器(7)中两电极输入电压为0.2～3V；所述厌氧发酵反应器(7)内设置有感温探头、加热管、温控仪和固定的两电极极板，固定的两电极极板通过导线与直流电源(3)的两电极相连，两电极与直流电流输出端头组成电源闭合回路，两电极极板的面积和相距距离由厌氧发酵反应器的具体大小来调节。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述秸秆储罐(4)、预处理反应器(5)和厌氧发酵反应器(7)中设置有连续运行的搅拌器；所述厌氧发酵反应器(7)中设置有控制其连续进出料或间隙进出料的阀门。
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