[發明專利]有機廢水脫除沼氣中二氧化碳的方法及其裝置

無效

• 申請號: 201110412436.8
• 申請日: 2011-12-12
• 公開（公告）號: CN102492506A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 李東;孫永明;李連華;孔曉英;袁振宏;甄峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: C10L3/10
• 分類號: C10L3/10;C02F3/28;H01M8/16
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 莫瑤江

技術領域

本發明屬于有機廢棄物處理和清潔能源開發領域，具體涉及一種有機廢水脫除沼氣中二氧化碳的方法及其裝置。

技術背景

隨著我國經濟快速發展，能源生產已經無法滿足能源消費的快速增長，能源的對外依存度逐年增大，供需矛盾突出，且能源短缺將是一個長期的過程。從能源結構方面來看，縱觀人類利用能源發展史，能源形態逐步由固體(煤炭)向液體(石油)再向氣體(天然氣、未來可能是氫氣)發展。從天然氣供需來看，自2007年以來我國天然氣供需矛盾日益增大，2010年全國天然氣產量為967.6億m³，而天然氣消費量為1180億m³，供需缺口達212.4億m³。預計2011年、2015年、2020年的我國天然氣需求分別為1300億、1500億和3000億m³，屆時我國天然氣供需矛盾將更為突出。

經厭氧發酵形成的生物燃氣(沼氣)，其主要成份是CH₄和CO₂，凈化提純后可作為替代天然氣。制備生物燃氣的主要原料包括農作物秸稈、畜禽糞便、有機廢水廢渣、農產品加工剩余物、生活有機垃圾、污水污泥等。目前我國可用于生產生物燃氣的資源量約折合2.5億噸標準煤，能轉化當量天然氣(甲烷)1200億立方米，相當于我國2010年的天然氣消費量。

沼氣制備替代天然氣的關鍵步驟是二氧化碳脫除，沼氣脫除二氧化碳的方法目前主要有高壓水洗法、物理吸收法、化學吸收法、變壓吸附(PSA)法、膜分離法。高壓水洗、物理吸收、化學吸收、變壓吸附(PSA)主要利用吸收/吸附——吹脫/解吸的化工原理，其中物理吸收、化學吸收、變壓吸附還需要價格昂貴的吸收劑或吸附劑，膜分離由于需要較昂貴的膜組件以及較高的工作壓力，使用該方法的沼氣凈化工程較少。更為重要的是，以上全部的二氧化碳脫除方法，僅僅是實現了二氧化碳的轉移，即從沼氣中移出，并沒有實現二氧化碳的轉化利用。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種有機廢水脫除沼氣中二氧化碳的方法及其裝置，將沼氣中的二氧化碳轉化為沼氣中的主要成分(甲烷)，提高甲烷產量，實現沼氣中二氧化碳的高值利用，并降低沼氣脫碳成本。

本發明中有機廢水脫除沼氣中二氧化碳的方法，包括以下步驟：

(1)有機廢水產氫：在微生物電解電池的陽極室預先培養厭氧產電菌，有機廢水通入微生物電解電池的陽極室內，在厭氧條件下，廢水中的有機質在厭氧產電菌的代謝作用下形成CO₂、質子和電子，CO₂從陽極室排出，完成有機質利用的清水從陽極室排出，質子穿過質子交換膜進入微生物電解電池的陰極室，電子在外界電源的輔助下從陽極電極經過外電路傳遞到陰極室的陰極電極上，在厭氧條件下，質子和電子在陰極電極的催化作用下生成H₂，H₂從陰極室排出；

陽極室：

陰極室：2H⁺+2e^-→H₂

(2)氫和二氧化碳厭氧發酵產甲烷：收集上述過程獲得的H₂，并與沼氣(含有CH₄和CO₂)混合增壓后，通入預先培養有氫營養型產甲烷菌的厭氧反應器內，H₂和CO₂在氫營養型產甲烷菌的代謝作用下生成CH₄，另外，收集從陽極室排出的清水通入厭氧反應器內，沼氣中未被利用的一部分氣態CO₂在反應器內高壓條件下被清水進一步吸收，完成CO₂轉化和吸收后的沼氣(主要含CH₄)從厭氧反應器頂部排出，完成CO₂吸收后的高壓清水從厭氧反應器底部排出并通入閃蒸罐，利用閃蒸罐回收被清水吸收的少量甲烷，回收的甲烷與沼氣原料混合重新輸入厭氧反應器內，最后，清水從閃蒸罐排出。

H₂和CO₂厭氧發酵產甲烷：

高壓水吸收二氧化碳：CO₂(g)+H₂O?→CO₂(l)+H₂O。

本發明還提供了實現上述方法的裝置。