[实用新型]一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器

说明书

技术领域

本实用新型属于环境保护与可再生能源利用领域，特别涉及一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器。

背景技术

我国沼气行业在沼气产量和已建大中型沼气工程数量方面，均已位居世界第一，但沼气的利用手段单一，整体利用水平低下，且中小规模和分散式沼气工程居多。目前，能实现沼气的高效高值利用的一种重要技术是将生物质厌氧消化产生的沼气精制形成生物天然气(Bio-Natural Gas，BNG)，该技术的核心是沼气提纯，其目的在于去除沼气中的二氧化碳，以增加沼气的热值和能量密度，满足天然气沃泊系数要求。当前成熟的沼气提纯技术均属于纯物化法范畴，主要包括变压吸附(PSA)、洗涤和膜分离等，物化法的缺点在于只能作为后处理单元，因此较适合大中型沼气精制工程，对于小规模和分散式沼气精制工程而言，其经济可行性不高；同时，纯物化类沼气提纯技术会或多或少产生不必要的副产物，对这些副产物的处理处置又将进一步增加整个沼气提纯工艺系统的复杂性，导致投资大、运行成本高。因此，在能源结构调整和温室效应控制等新形势下，新型沼气提纯技术研发具有重要的现实和科学意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，解决了传统物化法沼气提纯技术对小规模及分散式沼气精制工程的经济可行性不高、容易产生不必要副产物等问题，同时能有效改善厌氧产沼性能。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器，包括反应池5、参考电极3、生物阴极6、阳极室7和化学阳极8，其中参考电极3固定在反应池5的侧部开孔处且其下部浸没在反应池5的液体中，生物阴极6和阳极室7位于反应池5中，化学阳极8位于阳极室7中，所述反应池5同时充当阴极室和厌氧消化池，其底部设有进水口，顶部设有排气口9和出水口。

所述反应池5进水口经管道连接有进水池1和进水泵2，出水口经管道连接有出水池10，所述参考电极3、生物阴极6和化学阳极8经导线连接至恒电位仪4。

所述参考电极3嵌入在丁基橡胶塞中。

所述生物阴极6和化学电极8均由未抛光的石墨材料制成。

所述生物阴极6有多个，相互并联设置。

所述阳极室7占反应池5体积的10-20％，其整体或液体浸没部分由阳离子交换膜卷制而成，两端用丁基橡胶塞堵住，并用环氧树脂进行整体密封处理。

本实用新型的技术原理：

生物电化学技术二氧化碳去除机制主要有3种。

a)生物电甲烷化(electromethanogenesis)，部分甲烷菌能直接利用电子将二氧化碳转化成甲烷(CO₂+8H⁺+8e^-→CH₄+2H₂O)；

b)生物电化学辅助产氢+嗜氢甲烷化，生物阴极能产生氢气，嗜氢甲烷菌原位利用氢气将二氧化碳转成成甲烷(CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O)；

c)电化学产碱+二氧化碳碱吸收，由于氢离子从阳极室经阳离子交换膜传递到阴极室的过程存在部分限制，导致阴极室产碱，能原位吸收部分二氧化碳。

以上3种机制都能实现原位沼气提纯功能。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和有益效果：

本实用新型能同时将生物法和原位法两种理念融合到沼气提纯过程中，实现甲烷增量和沼气提纯的同时，不仅能大幅度减少二氧化碳排放，而且通过电化学产碱+二氧化碳碱吸收过程可以补充厌氧消化过程所需碱度；本实用新型中的低生物阴极电势有助于提高厌氧甲烷菌的活性，改善厌氧消化性能；本实用新型顺利将厌氧消化和沼气提纯进行原位耦合，实现两者的一体化与同步性，简化了沼气精制系统，尤其适合中小型厌氧产沼系统。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种基于生物电化学原理的原位沼气提纯反应器的结构示意图。

图2为本实用新型实施案例沼气提纯效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。