[實用新型]一種基于生物電化學(xué)原理的原位沼氣提純反應(yīng)器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420346491.0
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN203959919U
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王凱軍;徐恒
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: C02F3/28
• 分類號: C02F3/28;C02F3/34
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于環(huán)境保護與可再生能源利用領(lǐng)域，特別涉及一種基于生物電化學(xué)原理的原位沼氣提純反應(yīng)器。

背景技術(shù)

我國沼氣行業(yè)在沼氣產(chǎn)量和已建大中型沼氣工程數(shù)量方面，均已位居世界第一，但沼氣的利用手段單一，整體利用水平低下，且中小規(guī)模和分散式沼氣工程居多。目前，能實現(xiàn)沼氣的高效高值利用的一種重要技術(shù)是將生物質(zhì)厭氧消化產(chǎn)生的沼氣精制形成生物天然氣(Bio-Natural?Gas，BNG)，該技術(shù)的核心是沼氣提純，其目的在于去除沼氣中的二氧化碳，以增加沼氣的熱值和能量密度，滿足天然氣沃泊系數(shù)要求。當(dāng)前成熟的沼氣提純技術(shù)均屬于純物化法范疇，主要包括變壓吸附(PSA)、洗滌和膜分離等，物化法的缺點在于只能作為后處理單元，因此較適合大中型沼氣精制工程，對于小規(guī)模和分散式沼氣精制工程而言，其經(jīng)濟可行性不高；同時，純物化類沼氣提純技術(shù)會或多或少產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)物，對這些副產(chǎn)物的處理處置又將進一步增加整個沼氣提純工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致投資大、運行成本高。因此，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和溫室效應(yīng)控制等新形勢下，新型沼氣提純技術(shù)研發(fā)具有重要的現(xiàn)實和科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種基于生物電化學(xué)原理的原位沼氣提純反應(yīng)器，解決了傳統(tǒng)物化法沼氣提純技術(shù)對小規(guī)模及分散式沼氣精制工程的經(jīng)濟可行性不高、容易產(chǎn)生不必要副產(chǎn)物等問題，同時能有效改善厭氧產(chǎn)沼性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：

一種基于生物電化學(xué)原理的原位沼氣提純反應(yīng)器，包括反應(yīng)池5、參考電極3、生物陰極6、陽極室7和化學(xué)陽極8，其中參考電極3固定在反應(yīng)池5的側(cè)部開孔處且其下部浸沒在反應(yīng)池5的液體中，生物陰極6和陽極室7位于反應(yīng)池5中，化學(xué)陽極8位于陽極室7中，所述反應(yīng)池5同時充當(dāng)陰極室和厭氧消化池，其底部設(shè)有進水口，頂部設(shè)有排氣口9和出水口。

所述反應(yīng)池5進水口經(jīng)管道連接有進水池1和進水泵2，出水口經(jīng)管道連接有出水池10，所述參考電極3、生物陰極6和化學(xué)陽極8經(jīng)導(dǎo)線連接至恒電位儀4。

所述參考電極3嵌入在丁基橡膠塞中。

所述生物陰極6和化學(xué)電極8均由未拋光的石墨材料制成。

所述生物陰極6有多個，相互并聯(lián)設(shè)置。

所述陽極室7占反應(yīng)池5體積的10-20％，其整體或液體浸沒部分由陽離子交換膜卷制而成，兩端用丁基橡膠塞堵住，并用環(huán)氧樹脂進行整體密封處理。

本實用新型的技術(shù)原理：

生物電化學(xué)技術(shù)二氧化碳去除機制主要有3種。

a)生物電甲烷化(electromethanogenesis)，部分甲烷菌能直接利用電子將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷(CO₂+8H⁺+8e^-→CH₄+2H₂O)；

b)生物電化學(xué)輔助產(chǎn)氫+嗜氫甲烷化，生物陰極能產(chǎn)生氫氣，嗜氫甲烷菌原位利用氫氣將二氧化碳轉(zhuǎn)成成甲烷(CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O)；

c)電化學(xué)產(chǎn)堿+二氧化碳堿吸收，由于氫離子從陽極室經(jīng)陽離子交換膜傳遞到陰極室的過程存在部分限制，導(dǎo)致陰極室產(chǎn)堿，能原位吸收部分二氧化碳。

以上3種機制都能實現(xiàn)原位沼氣提純功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下特點和有益效果：

本實用新型能同時將生物法和原位法兩種理念融合到沼氣提純過程中，實現(xiàn)甲烷增量和沼氣提純的同時，不僅能大幅度減少二氧化碳排放，而且通過電化學(xué)產(chǎn)堿+二氧化碳堿吸收過程可以補充厭氧消化過程所需堿度；本實用新型中的低生物陰極電勢有助于提高厭氧甲烷菌的活性，改善厭氧消化性能；本實用新型順利將厭氧消化和沼氣提純進行原位耦合，實現(xiàn)兩者的一體化與同步性，簡化了沼氣精制系統(tǒng)，尤其適合中小型厭氧產(chǎn)沼系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的一種基于生物電化學(xué)原理的原位沼氣提純反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型實施案例沼氣提純效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明本實用新型的實施方式。