[发明专利]一种生物质发酵制混合氢烷的系统及生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物质发酵制混合氢烷的系统及生产方法，特别是，涉及一种通过厌氧生物发酵用生物质制氢气/甲烷混合比特定的混合氢烷的系统及生产方法。

背景技术

至今，化石能源仍是我国能源主体，但高质量的石油天然气探明储量及开采数量均远不能满足今后的能源需求，而煤炭则热值低、污染重，不宜再加大在能源使用中的比例。相对地，生物质资源丰富，据估算全球每年通过光合作用约积累2200亿吨生物质，并且生物质能可通过生物或化学的方法经气化或液化而转化成高质量能源，这样既开发了可用新能源又降低了环境污染，因此，生物质能源为化石能源的潜在和有效的替代能源。

近年来，对生物质进行厌氧生物发酵生产氢气和甲烷的技术成为能源领域的研究热点，特别是，生物质制氢气/甲烷混合氢烷成为继生物质制天然气之后的第二代生物质制气体燃料。一般而言，生物质制氢主要包括光驱动制氢和发酵制氢，其中光合制氢对环境影响较大，工业应用受到限制，而发酵制氢则是通过中间微生物群落-产氢菌、特别是产氢产酸菌在酸性介质中发酵和分解有机物，从而产生氢气。通过微生物发酵制甲烷的过程由水解液化、产氢产酸和产甲烷三个阶段组成，在实际甲烷发酵体系中，使用较多的是厌氧颗粒泥等混合菌群体系，整个厌氧消化过程是一个菌群间相互作用、相互制约的动态平衡过程。

实际上，很多研究已对用生物质生产氢气和甲烷的系统及方法进行了改进，例如CN101492696A公开了一种市政污泥和垃圾混合发酵生产氢气和甲烷的方法，其中处理工艺包括：加热处理、碱解反应、产氢反应和产甲烷反应，其具体过程如下：将厌氧消化污泥风干、磨碎、过筛后，在105℃下加热处理2小时，杀灭非芽胞菌/产甲烷菌，而后加入营养液并调节pH值，活化24小时；将上述污泥、垃圾和石灰装入碱解反应器中进行碱解反应；随后将碱解后的混合物按顺序送入制氢反应器和制甲烷反应器中，其中制氢反应器和制甲烷反应器的温度为30～60℃。

CN1330768C公开了制甲烷和氢气的系统以及生产方法，在该发明中，制甲烷和氢气的生产装置都是连续搅拌式釜式反应器，其可用包括城市垃圾在内的有机物生产氢气，并用生产氢气之后的残余物料生产甲烷和复合肥，其生产方法包括：制氢过程，使上述原料在产氢菌存在下和温度为30～55℃、pH值为4.5～7的条件下进行厌氧发酵反应，以制备氢气，时间为1～4天；和制甲烷过程，使上述制氢过程后的残余物料在温度为35～55℃，pH值为7～7.5的条件下进行发酵反应，以制备甲烷，反应时间为10～20天。

CN101289672B公开了一种经厌氧发酵和生物降解由木质纤维制氢气和甲烷的方法，该发明对难处理的木质纤维进行了蒸汽爆破预处理，随后向蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥，进行厌氧培养，蒸汽爆破预处理条件为：压力为1-3MPa、时间为1-30min，在第一阶段的厌氧培养中，热处理后的厌氧污泥与木质纤维的质量比为1～2∶1；培养条件为：氧化还原电位为-200～-250mV，pH为5.5～6.5，温度为35～40℃，培养时间为3～6天；在第二阶段的厌氧培养中，厌氧污泥与木质纤维的质量比为1～2∶1；培养条件为：氧化还原电位为-600～-300mV，pH为7.5～9.0，温度为35～40℃，培养时间为5～7天。

CN101760481A公开了一种纤维废弃物发酵制氢气和/或甲烷的方法及装置，该发明在制氢发酵混合物中接入嗜热菌种子液，而其嗜热菌包括一种菌或两种菌的混合物，两种菌的混合比例是5-10∶0-10；其装置包括高温制氢反应器、缓冲储液罐和中温制甲烷反应器；其生产方法包括：在混合物中接入嗜热菌种子液，在55-65℃、pH6.5-7.5的条件下进行厌氧发酵，从而产生氢气，以及向产氢发酵液中接入中温产甲烷污泥，在34-38℃、pH6.5-7.5的条件下进行厌氧发酵，从而进一步产生甲烷。

然而，在实际工业生产中，氢气/甲烷混合氢烷的生产需要各种厌氧发酵反应的协同作用，上述技术虽然在联产氢气和甲烷的方法上做出了一些改进，但制氢过程和制甲烷过程相对独立，存在或能量效率低下、发酵周期过长、过程系统集成度低、控制困难等问题，各自操作温度或酸碱度又相差较大，需要在两个反应器之间调温、调酸碱度、进行缓冲等操作，因此，在大规模工业生产过程中，各厌氧发酵反应无法实现协同，所生成的氢气/甲烷比例无法固定或实现监控，所以只能分别设置相互独立的氢气存储罐和甲烷存储罐，因此，现有技术存在可调性差、操作复杂等问题，其中因不同生物质的组成、性质差异较大，对低品位生物质、如木质纤维素类物质的协同发酵更是难题。