基于两相发酵的甲烷原位富集工艺研究

【摘要】：随着世界范围内化石燃料日趋减少,开发生物天然气作为天然气的替代燃料已经引起了广泛重视。生物天然气是指由沼气提纯脱除CO2等杂质性气体组分后得到的高纯甲烷气。现在工业化应用的沼气提纯方法主要包括变压吸附法(PSA)、加压水洗法、化学吸收法和膜分离法。这些方法都需要在沼气发酵设备之外另建一套沼气提纯系统,所以存在系统复杂和运行能耗高等问题,制约了生物天然气生产的经济性。甲烷原位富集是在沼气生产环节生产出高甲烷含量生物气的工艺,所具有的系统简单和运行能耗水平低的特点,使其在生物天然气技术领域成为一种具有发展潜力的技术。 为推进甲烷原位富集技术的发展与应用,本文开展了两方面的研究：首先,鉴于C02的脱除效果对甲烷原位富集的重要作用,开展了脱碳方式的对比研究和创新；然后重点围绕秸秆等木质纤维素原料的厌氧转化利用,开展了基于两相发酵的甲烷原位富集工艺研究。 (1)脱碳方式对甲烷原位富集影响研究 首先对空气吹脱和真空脱碳两种方式进行了对比研究,并提出了超声波辅助空气吹脱除碳的方法。利用葡萄糖人工配水作为厌氧发酵原料,在中温35℃条件下进行了厌氧发酵和甲烷原位富集试验。重点研究了参与吹脱的发酵液的循环比率和吹脱时间对甲烷富集的影响。试验结果表明,当日循环比率达到3/5时,生物气平均CH4含量达到89.99%,比对照的70.61%提高了27.4%。随着吹脱时间的延长,生物气CH4含量呈现出降低趋势,与此同时,CH4的流失率则呈增加趋势。真空脱碳CH4富集效果比空气吹脱稍差,但真空脱碳可以降低所产生物气中N2含量。超声波辅助空气吹脱可以提高C02吹脱速率,降低液相中游离态C02浓度水平,尤其是在空气吹脱脱碳的初期,其作用更为明显。 (2)基于秸秆两相发酵的甲烷原位富集试验 提出了利用产酸相产生的高浓度挥发性脂肪酸(VFAs)促进产甲烷相厌氧发酵液中溶解性C02脱除的思路,并构建了基于秸秆两相发酵的甲烷原位富集试验系统。分别在固定发酵液循环量及加酸调控产酸发酵条件,以及变动发酵液循环量及充气调控产酸发酵条件下开展了系统运行试验。试验结果表明,该工艺可以显著提高秸秆厌氧发酵所产生物气中甲烷的含量,CH4最高含量达到86.9%;该工艺连续稳定运行的关键在于两相的分离,通过充气调控产酸反应器的溶解氧含量可以实现两相分离；控制产甲烷相气体压力是提高生物气甲烷含量的一个重要调控手段,当产甲烷相气体压力比大气压增加了13.4kPa时,生物气甲烷含量由71.49%提高到了83.91%；系统运行过程中,产酸相的发酵类型表现为丁酸型发酵,该发酵类型有利于产甲烷发酵过程。 【关键词】：沼气 甲烷原位富集 真空 超声波 两相发酵
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ221.11;O652.6
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 生物燃料发展背景11-12
• 1.2 沼气提纯制取生物甲烷气技术研究进展12-19
• 1.2.1 沼气提纯制取生物甲烷气进展12-17
• 1.2.2 甲烷原位富集工艺的研究进展17-19
• 1.3 本文研究思路19-21
• 第2章 脱碳方式对甲烷原位富集的影响试验21-35
• 2.1 材料与方法21-24
• 2.1.1 试验系统21-22
• 2.1.2 试验方法22-23
• 2.1.3 测试分析方法23-24
• 2.2 结果与讨论24-33
• 2.2.1 空气吹脱对甲烷原位富集的影响24-29
• 2.2.2 抽真空方式对甲烷原位富集的影响29-31
• 2.2.3 超声波辅助空气吹脱对脱碳效果的影响31-33
• 2.3 本章小结33-35
• 第3章 玉米秸秆两相发酵甲烷原位富集试验35-55
• 3.1 材料与方法36-41
• 3.1.1 实验材料与装置36-37
• 3.1.2 分析测试方法37-39
• 3.1.3 试验设计39-41
• 3.2 结果与分析41-53
• 3.2.1 固定循环量及加酸调控产酸发酵条件下的试验结果41-47
• 3.2.2 变动循环量及充气调控产酸发酵条件下的试验结果47-53
• 3.2.3 压力对甲烷原位富集的影响53
• 3.3 本章小结53-55
• 第4章 结论与展望55-57
• 4.1 本文研究工作总结55
• 4.2 下一步工作55-57
• 参考文献57-61
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果61-62
• 致谢62

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