專利名稱：一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及沼氣生產(chǎn)技術(shù)，具體地說是一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)。
背景技術(shù)：
沼氣是一種具有較高熱值，并且能夠普遍、易獲得的生物質(zhì)能的可燃?xì)怏w，其熱值約為20 25MJ / m3，即每立方米沼氣的熱值相當(dāng)于0.8kg標(biāo)準(zhǔn)煤，并且與其它燃?xì)庀啾?，其抗爆性能好，是一種公認(rèn)的清潔型可再生燃料。沼氣開發(fā)利用已有幾十年的歷史，利用沼氣作為治理環(huán)境污染的一種途徑，既減少了環(huán)境污染，又獲得了能源和高效有機(jī)肥。沼氣主要通過利用有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵來制取獲得沼氣，然后對(duì)沼氣進(jìn)行提純凈化，分離出其中的甲烷。在處理環(huán)境污染物如生活垃圾、畜禽糞便、作物秸桿等的同時(shí)可以獲得清潔的燃料(甲烷)，不但可以減少人們對(duì)化石能源如煤炭、石油、天然氣的依賴，還可以應(yīng)對(duì)人們對(duì)能源日益增長的需求，是解決能源問題的有效途徑之一。沼氣發(fā)酵主要分為三個(gè)階段:水解階段、產(chǎn)乙酸階段、產(chǎn)甲烷階段。水解階段主要是通過利用產(chǎn)生纖維素酶的微生物來促進(jìn)秸桿的水解，為后兩個(gè)階段的厭氧發(fā)酵提供底物，如果此階段秸桿水解不充分，則容易導(dǎo)致微生物可利用的小分子的糖類較少，影響沼氣發(fā)酵中微生物的生長，也不能為乙酸菌和甲烷菌提供充足底物，從而導(dǎo)致產(chǎn)氣量低。現(xiàn)有技術(shù)中，沼氣發(fā)酵及凈化提純效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
所要解決的技 術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，進(jìn)一步提高沼氣發(fā)酵效率，降低沼氣發(fā)酵成本。技術(shù)方案:一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，包括:在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的反應(yīng)罐中通過接種厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌之微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸桿、畜禽糞便有機(jī)物的發(fā)酵，沼氣發(fā)酵溫度控制在37±0.2°C的恒溫水平；
沼氣中甲烷和二氧化碳凈化提純分離，包括對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。所述“厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌”是從牛瘤胃內(nèi)容物、污水處理物以及池底淤泥中分別分離出多株能產(chǎn)生透明圈的菌株，通過厭氧發(fā)酵測定酶活性復(fù)篩出一株酶活性較高的兼性厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌，其菌種選育路線是:出發(fā)菌株——單細(xì)胞懸浮液——誘變處理——平板初篩——單菌落分離——復(fù)篩——變異株遺傳穩(wěn)定性——菌種保藏。所述“沼氣發(fā)酵溫度控制在37±0.2°C的恒溫水平”，采用太陽能加熱恒溫，利用太陽能熱水器對(duì)水進(jìn)行加熱，利用傳感器感應(yīng)沼氣反應(yīng)罐中溫度，通過溫度智能控制變送儀來實(shí)現(xiàn)熱水的循環(huán)，從而保證沼氣反應(yīng)罐中保持恒溫。所述“對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離”，采用改性活性炭為脫硫劑對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫處理，采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理，采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。所述改性活性炭是將將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH溶液浸潰負(fù)載于活性炭上，并以1%的MCM-41分子篩作為添加劑，對(duì)活性炭進(jìn)行改性，能夠使活性炭纖維表面具有大量活性官能團(tuán)，擴(kuò)大炭孔結(jié)構(gòu)，增加活性炭的吸附容量。所述“采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理”是以硅膠來作為干燥吸附劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣的干燥。所述“采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的分離”，采用4A分子篩作為吸附劑；工作流程為:將干燥后的沼氣通過吸附床壓縮機(jī)進(jìn)行升壓至0.5MPa的壓力下進(jìn)行吸附，吸附2小時(shí)后降壓脫附，先進(jìn)行5分鐘的卸壓，然后抽真空1.5小時(shí)，降壓至IkPa時(shí)保持均壓10分鐘，即可完成吸附劑4A分子篩的脫附過程。

有益效果:
1、采用誘變技術(shù)培育新型厭氧高活性纖維素酶細(xì)菌。通過利用剛果紅雙層平板法、亞硝酸一紫外單獨(dú)和復(fù)合誘變處理等技術(shù)，本發(fā)明培育了一種新型厭氧高活性纖維素酶細(xì)菌，其酶活性為誘變處理前菌種酶活性的180%以上，良好促進(jìn)了沼氣發(fā)酵過程中水解的效率和水解程度，進(jìn)一步提升了沼氣發(fā)酵效率。2、實(shí)現(xiàn)太陽能技術(shù)和沼氣發(fā)酵技術(shù)的完美結(jié)合。本發(fā)明通過太陽能加熱技術(shù)，利用熱水循環(huán)來加熱沼氣反應(yīng)罐，將太陽能技術(shù)和沼氣發(fā)酵聯(lián)合使用，解決了沼氣反應(yīng)罐內(nèi)部溫度不穩(wěn)定、產(chǎn)氣率低等問題，此外太陽能作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔能源，進(jìn)一步降低了沼氣發(fā)酵成本，并且實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。3、對(duì)活性炭進(jìn)行金屬離子負(fù)載改性，增強(qiáng)其脫硫效率。本發(fā)明選用活性炭作為脫硫劑，并對(duì)活性炭進(jìn)行金屬離子負(fù)載改性處理，可以在活性炭上形成金屬氧化物，在活性炭內(nèi)部形成新的活性位，并且金屬離子與SO2之間具有良好的結(jié)合能力，并且進(jìn)一步擴(kuò)大活性炭孔結(jié)構(gòu)，能夠有效提升脫硫效率。金屬離子負(fù)載改性法相對(duì)于其他改性方法來說,能夠更有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2的吸收。4、以4A分子篩作為吸附劑的變壓吸附法實(shí)現(xiàn)沼氣中甲烷的制取。目前現(xiàn)有工藝中均以碳分子篩、硅膠或者一些金屬氧化物作為變壓吸附法的吸附齊U，來吸附沼氣中的二氧化碳，從而實(shí)現(xiàn)沼氣中甲烷的制取。本發(fā)明采用4A分子篩作為吸附劑，相對(duì)于以上所提及的分子篩，4A分子篩主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:4A分子篩為極性吸附劑，對(duì)極性強(qiáng)和不飽和的分子有更強(qiáng)的吸附能力，即使是非極性分子，易極化的極化率大的分子也易被吸附。CO2分子雖偶極矩為零，但由于碳氧鍵的極性和氧原子的孤對(duì)電子的存在，使CO2與4A分子篩陽離子有強(qiáng)烈作用，導(dǎo)致吸附量增加。


圖1是本發(fā)明沼氣中甲烷和二氧化碳的提純以及回收利用生產(chǎn)工藝流程圖。圖2是本發(fā)明太陽能加熱恒溫沼氣發(fā)酵裝置示意圖。圖3是本發(fā)明太陽能加熱恒溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)主要原理圖。圖4是本發(fā)明C02和CH4在分子篩上的等溫吸附線示意圖。
具體實(shí)施例方式一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，包括:在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的反應(yīng)罐中通過接種厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌之微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸桿、畜禽糞便有機(jī)物的發(fā)酵，沼氣發(fā)酵溫度控制在37 ± 0.2 °C的恒溫水平；
沼氣中甲烷和二氧化碳凈化提純分離，包括對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。所述“厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌”是從牛瘤胃內(nèi)容物、污水處理物以及池底淤泥中分別分離出多株能產(chǎn)生透明圈的菌株，通過厭氧發(fā)酵測定酶活性復(fù)篩出一株酶活性較高的兼性厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌，其菌種選育路線是:出發(fā)菌株——單細(xì)胞懸浮液——誘變處理——平板初篩——單菌落分離——復(fù)篩——變異株遺傳穩(wěn)定性——菌種保藏。所述“沼氣發(fā)酵溫度控制在37±0.2°C的恒溫水平”，采用太陽能加熱恒溫，利用太陽能熱水器對(duì)水進(jìn)行加熱，利用傳感器感應(yīng)沼氣反應(yīng)罐中溫度，通過溫度智能控制變送儀來實(shí)現(xiàn)熱水的循環(huán)，從而保證沼氣反應(yīng)罐中保持恒溫。所述“對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離”，采用改性活性炭為脫硫劑對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫處理，采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理，采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。所述改性活性炭是將將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH溶液浸潰負(fù)載于活性炭上，并以1%的MCM-41分子篩作為添加劑，對(duì)活性炭進(jìn)行改性，能夠使活性炭纖維表面具有大量活性官能團(tuán)，擴(kuò)大炭孔結(jié)構(gòu)，增加活性炭的吸附容量。所述“采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理”是以硅膠來作為干燥吸附劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣的干燥。所述“采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的分離”，采用4A分子篩作為吸附劑；工作流程為:將干燥后的沼氣通過吸附床壓縮機(jī)進(jìn)行升壓至0.5MPa的壓力下進(jìn)行吸附，吸附2小時(shí)后降壓脫附，先進(jìn)行5分鐘的卸壓，然后抽真空1.5小時(shí)，降壓至IkPa時(shí)保持均壓10分鐘，即可完成吸附劑4A分子篩的脫附過程。本發(fā)明具體內(nèi)容說明如下。

1、培育一種厭氧高活性纖維素酶產(chǎn)生菌，來提升發(fā)酵效率。沼氣發(fā)酵主要分為三個(gè)階段:水解階段、產(chǎn)乙酸階段、產(chǎn)甲烷階段。水解階段主要是通過利用產(chǎn)生纖維素酶的微生物來促進(jìn)秸桿的水解，為后兩個(gè)階段的厭氧發(fā)酵提供底物，如果此階段秸桿水解不充分，則容易導(dǎo)致微生物可利用的小分子的糖類較少，影響沼氣發(fā)酵中微生物的生長，也不能為乙酸菌和甲烷菌提供充足底物，從而導(dǎo)致產(chǎn)氣量低。一般從自然界中分離純化的微生物菌種產(chǎn)纖維素酶活性普遍比較低，不適宜直接投產(chǎn)，必須進(jìn)行菌種選育，這是提高產(chǎn)纖維素酶菌株產(chǎn)酶能力的的有效手段。厭氧高活性纖維素酶產(chǎn)生菌的選育技術(shù)，本發(fā)明的菌種選育路線為:
出發(fā)菌株——單細(xì)胞懸浮液——誘變處理——平板初篩——單菌落分離——復(fù)篩——變異株遺傳穩(wěn)定性——菌種保藏。(I)出發(fā)菌株:通過雙層剛果紅平板法從牛瘤胃內(nèi)容物、污水處理物以及池底淤泥中分別分離出多株能產(chǎn)生透明圈的菌株，通過厭氧發(fā)酵測定酶活性復(fù)篩出一株酶活性較高的兼性厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌。通過對(duì)該菌株形態(tài)特征、生理生化特征和16SrDNA同源性和系統(tǒng)化進(jìn)行樹分析鑒定，該菌株屬于Celloulonmonas sp.,將其命名為CR-14。
(2)單細(xì)胞懸浮液:將菌株培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長期，然后離心沉淀菌體，用生理鹽水制備菌懸液，調(diào)節(jié)菌懸液濃度約為I X IO7個(gè)/mL。(3)誘變處理:本項(xiàng)目采取亞硝酸誘變、紫外誘變以及二者復(fù)合誘變法對(duì)菌株進(jìn)行誘變處理。將誘變后菌懸液倒入初篩培養(yǎng)基上進(jìn)行混勻，帶初篩培養(yǎng)液冷卻后再倒入一層瓊脂水冷卻，放置30 V培養(yǎng)箱培養(yǎng)。(4)篩選技術(shù):根據(jù)剛果紅平板上各菌株透明圈與菌落直徑比的大小進(jìn)行初篩，將比值比出發(fā)菌株大的菌株挑出，接種到半固體穿刺培養(yǎng)基中，在30°C下培養(yǎng)36h，在接種到發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)60h后，在4°C、8000r/min將發(fā)酵液離心lOmin，取上清液，測試器酶活性，選取其中透明圈相對(duì)較大的菌株進(jìn)行培養(yǎng)。(5)變異株遺傳穩(wěn)定性處理:誘變選育的菌株，往往是當(dāng)代突變，遺傳的穩(wěn)定性差。為了檢驗(yàn)突變株的遺傳穩(wěn)定性，連續(xù)傳種8代，將8代的每個(gè)斜面同時(shí)活化后發(fā)酵，測定發(fā)酵液的酶活，選取其中遺傳性能穩(wěn)定菌株進(jìn)行進(jìn)一步培育。2、新型變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣中甲烷的凈化提純和分離。沼氣中主要成分包括甲烷(CH4)50% 75 %、二氧化碳(CO2) 25 % 45 %、水(H2O) 2%氮?dú)?N2)O 2%、少量的氧氣(O2)以及少于1%的氫氣(H2)和硫化氫(H2S)等物質(zhì)。沼氣中主要當(dāng)做生物質(zhì)能的物質(zhì)是甲烷，必須將甲烷從沼氣中分離提純出來。沼氣的提純以及分離技術(shù)，主要包括有對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離三個(gè)部分。(I)采用改性活性炭為脫硫劑對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫處理?；钚蕴康母男?沼氣中均不可避免的存在著硫化氫(H2S)等硫化物，其含量因?yàn)榘l(fā)酵原料的不同有所變化。硫化氫(H2S)等硫化物與水接觸，溶解于其中形成酸性很強(qiáng)的霧狀硫化氫水溶液，能夠和大部分金屬反應(yīng)。當(dāng)沼氣中硫化氫(H2S)含量超過0.01%，且直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，容易腐蝕壓縮機(jī)、氣體儲(chǔ)存罐和發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其強(qiáng)度和壽命造成很大的危害。因此，在沼氣的凈化提純中，脫硫工藝是其中不可缺少的一個(gè)工藝。本發(fā)明主要是通過采活性炭為脫硫劑來對(duì)沼氣中硫化物進(jìn)行吸收?；钚蕴烤哂形锢砦?，并且具有催化作用，吸附過程一般在5飛(TC進(jìn)行，并且具有表面積大、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、熱穩(wěn)定性好以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，良好適用于H2S含量低于0.3%的沼氣。本發(fā)明在采用活性炭作為脫硫劑的基礎(chǔ)上，對(duì)活性炭進(jìn)行改性研究研究，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH溶液浸潰負(fù)載于活性炭上，并以1%的MCM-41分子篩作為添加劑，對(duì)活性炭進(jìn)行改性，能夠使活性炭纖維表面具有大量活性官能團(tuán)，擴(kuò)大炭孔結(jié)構(gòu)，增加活性炭的吸附容量，提升活性炭吸附效果，使活性炭的流容量至少增加200%以上，并使其具有持續(xù)的脫硫能力?；钚蕴康奈皆?活性炭的吸附脫硫工藝主要通過活性炭表面的活性基團(tuán)對(duì)硫化物和氧的催化作用來完成。其吸附和再生流程和原理主要為:
①吸附過程:2H2S+02 — 2S+2H20。其主要過程為:活性炭吸附硫化氫后，通過氧氣將其轉(zhuǎn)換為硫和水，并且活性炭本身具有加速硫化氫氧化為硫的催化作用。

②再生過程:(NH4) 2+nS — (NH4)2Sn+10其主要過程為:將吸附在活性炭上的硫，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12% 14%的硫化銨((NH4)2)溶液萃取活性炭上的游離硫而得到回收。(2)采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理。在沼氣的分離提純過程中，脫水工藝是其中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果沼氣中含有水分而沒有對(duì)其進(jìn)行干燥處理，則會(huì)容易使沼氣中的酸性氣體如h2s、CO2等，這些氣體在水中會(huì)電離，電離質(zhì)子的存在會(huì)腐蝕金屬設(shè)備，影響設(shè)備的性能以及使用壽命；并且影響甲烷的使用。因此，沼氣的分離提純工藝中必須得有脫水干燥工藝。本發(fā)明采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理，通過對(duì)各類干燥吸附劑的對(duì)比分析，本發(fā)明選擇使用硅膠來作為干燥吸附劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣的干燥。硅膠的主要成分是二氧化硅(SiO2),是一種高活性吸附材料，屬非晶態(tài)物質(zhì)，化學(xué)分子式為HiSiO2.ηΗ20，其物理結(jié)構(gòu)非常像一個(gè)海綿體，由互相連通的小孔構(gòu)成一個(gè)有巨大的表面積的毛細(xì)孔吸附系統(tǒng)，能吸附和保存水氣；并且硅膠不溶于水和任何溶劑，無毒無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除強(qiáng)堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。硅膠的化學(xué)組分和物理結(jié)構(gòu)決定了它具有許多同類材料所不具備的難以取代的特點(diǎn):吸附能力高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此能夠良好適用于本項(xiàng)目沼氣的干燥處理。(3)采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的良好分離。沼氣中二氧化碳含量一般為259Γ50% (根據(jù)不同的沼氣發(fā)酵原料和發(fā)酵工藝而不同)。沼氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料使用時(shí)，如果其中二氧化碳含量過高，則會(huì)影響到沼氣的燃燒熱值，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率等性能。因此，必須得對(duì)沼氣進(jìn)行甲烷和二氧化碳的分離處理，使沼氣中二氧化碳含量低于3%。由于二氧化碳是一種強(qiáng)吸附物質(zhì)，容易被吸附劑所吸附和回收，因此，針對(duì)這一特性，本發(fā)明采取變壓吸附法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣中甲烷和二氧化碳的分離。本發(fā)明采取的變壓吸附法對(duì)吸附劑有特定的要求，需要能夠?qū)O2有良好的吸附作用，同時(shí)對(duì)CH4吸附作用不明顯。針對(duì)這一要求，本發(fā)明選取了 4Α分子篩作為吸附劑，CO2和CH4在分子篩上的等溫吸附線如圖4所示，由圖可知，CO2和CH4在4Α分子篩上的吸附差異很大，對(duì)二氧化碳具有良好的吸附作用，對(duì)甲烷吸附作用較小，良好滿足了變壓吸附法吸附劑的要求。發(fā)明采用變壓吸附法對(duì)沼氣中CO2和CH4進(jìn)行分離的主要工作流程分為3個(gè)階段來進(jìn)行:
①升壓階段:將干燥后的沼氣通過吸附床壓縮機(jī)進(jìn)行升壓，至最高壓力時(shí)為止。升壓后能夠使氣體密度增加，氣體分子碰撞到吸附劑表面的機(jī)會(huì)增多，更容易被吸附劑表面的剩余引力捕獲。根據(jù)上圖4Α分子篩對(duì)甲烷和二氧化碳的吸附能力的不同，本發(fā)明選擇升壓至
0.5MPa的壓力下進(jìn)行吸附，會(huì)達(dá)到滿意的效果。②吸附階段:保持壓力不變，以一定的速度通過吸附劑4A分子篩，使強(qiáng)吸附的組分二氧化碳被吸附，弱吸附組分甲烷被排出。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為在0.5MPa下吸附2小時(shí)。③降壓脫附階段:降低壓力，從吸附劑中獲得富極強(qiáng)吸附組分二氧化碳，達(dá)到二氧化碳和甲烷的分離效果，使吸附劑獲得再生，為下一循環(huán)做準(zhǔn)備。本發(fā)明設(shè)計(jì)脫附階段的主要工作流程為:先進(jìn)行5min的卸壓，然后抽真空1.5小時(shí)，降壓至IkPa時(shí)保持均壓lOmin，即可完成吸附劑4A分子篩的脫 附過程。本發(fā)明主要是研究開發(fā)的是利用吸附法分離提純沼氣中的二氧化碳和甲烷。其中主要工序包括有沼氣脫硫處理、沼氣干燥處理、CH4和CO2分離、CH4和CO2的冷凝存儲(chǔ)等。由于沼氣中H2S是酸性氣體，易溶于水生成酸性溶液腐蝕裝置，所以應(yīng)該先對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫處理；脫硫后的沼氣中含有部分水蒸氣，會(huì)對(duì)后續(xù)分離工藝中分子篩的吸附性能等其他性能造成影響，所以應(yīng)該對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理；接下來需要對(duì)沼氣進(jìn)行分離處理以及存儲(chǔ)分離的CH4和CO2。3、太陽能加熱恒溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)發(fā)酵過程中起主導(dǎo)作用的是各類厭氧細(xì)菌，主要包括各類分解菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌。在發(fā)酵過程中，溫度是影響厭氧微生物生命活動(dòng)的重要因素。它通過對(duì)酶的活性，微生物代謝方式、物質(zhì)在水中的溶解度等方面影響沼氣發(fā)酵最終產(chǎn)物的理化性質(zhì)。對(duì)于產(chǎn)甲烷反應(yīng)器，溫度波動(dòng)范圍一般一天之中不宜超過士 2°C，當(dāng)有士 3°C的變化時(shí)，就會(huì)抑制甲烷的產(chǎn)生速率，有士 5°C的急劇變化時(shí)，就會(huì)完全抑制甲烷的產(chǎn)生。因此，本發(fā)明需要設(shè)計(jì)開發(fā)一種恒溫沼氣池，來保證發(fā)酵過程的順利進(jìn)行。在沼氣的發(fā)酵過程中，其中起主要作用的是各類微生物，根據(jù)厭氧微生物的代謝規(guī)律以及最佳活性的分析，需要將沼氣發(fā)酵溫度控制在一個(gè)37±0.2°C的一個(gè)恒溫水平，這樣能夠保證發(fā)酵過程中微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酶保持著最高活性。參見圖3，太陽能加熱恒溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)主要原理。本發(fā)明通過將太陽能加熱技術(shù)應(yīng)用于沼氣發(fā)酵中，其主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)為:設(shè)計(jì)一種太陽能恒溫加熱系統(tǒng)，利用太陽能熱水器對(duì)水進(jìn)行加熱，利用傳感器感應(yīng)沼氣反應(yīng)罐中溫度，通過溫度智能控制變送儀來實(shí)現(xiàn)熱水的循環(huán)，從而保證沼氣反應(yīng)罐中保持恒溫。參見圖2，太陽能加熱恒溫沼氣發(fā)酵裝置包括有沼氣發(fā)酵反應(yīng)罐5、太陽能熱水器
1、熱水緩沖器12、螺旋式換熱器4、自動(dòng)控制系統(tǒng)(溫度傳感器3、10、交流觸電器、溫控儀2和電磁閥6、7、8、11 、13、15、16、19)、循環(huán)泵9和熱水循環(huán)管18，室內(nèi)自來水接口 17，室內(nèi)水池接口 14。及其他輔助部件等。整個(gè)裝置主要包括沼氣發(fā)酵系統(tǒng)、溫度智能控制系統(tǒng)以及熱水循環(huán)系統(tǒng)等。(I)沼氣發(fā)酵系統(tǒng):沼氣發(fā)酵系統(tǒng)在反應(yīng)罐中進(jìn)行，通過接種厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌、產(chǎn)甲烷菌等多種微生物，控制其中的溫度、壓強(qiáng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸桿、畜禽糞便等各類有機(jī)物的發(fā)酵。(2)溫度智能控制系統(tǒng):由溫度傳感器和溫度智能控制儀組成。先由溫度傳感器將溫度信號(hào)傳送給溫控箱，溫控箱根據(jù)所設(shè)定的溫度決定是否開關(guān)水泵和相應(yīng)的電磁閥，從而決定加熱循環(huán)路線達(dá)到控制反應(yīng)裝置內(nèi)部發(fā)酵溫度的目的。(3)熱水循環(huán)系統(tǒng):熱水循環(huán)系統(tǒng)主要包括熱水緩沖器與反應(yīng)罐之間的循環(huán)和熱水緩沖器與太陽能熱水器之間的循環(huán)兩個(gè)部分。熱水緩沖器與反應(yīng)罐之間的循環(huán):當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)溫度小于設(shè)定溫度時(shí)(37°C )，由溫度傳感器2反饋到溫控箱從而開啟循環(huán)泵，促使熱水箱中的水在熱水緩沖器與反應(yīng)罐之間進(jìn)行循環(huán)，從而提升反應(yīng)罐內(nèi)的溫度，當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，再由溫度傳感器反饋到溫控箱從而關(guān)閉循環(huán)泵，循環(huán)終止。熱水緩沖器與太陽能熱水器之間的循環(huán):當(dāng)熱水緩沖器中的水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，由溫度傳感器I反饋到溫控箱從而開啟泵2，促使熱水箱與太陽能熱水器中的水進(jìn)行循環(huán)，從而提升熱水箱內(nèi)水的溫度，當(dāng)熱水箱內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)時(shí)，再由溫度傳感器I反饋到溫控箱從而關(guān)閉泵2，循環(huán)終止。循環(huán)管道設(shè)有單向閥，從而可以保證水的單向循環(huán)，防止水的倒流。4、沼氣中甲烷和二氧化碳的提純以及回收利用生產(chǎn)工藝流程，參見圖1。主要由沼氣加壓系統(tǒng)、沼氣脫硫系統(tǒng)、沼氣干燥系統(tǒng)、變壓吸附系統(tǒng)、產(chǎn)品集送系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。(I)沼氣加壓系統(tǒng):沼氣加壓系統(tǒng)主要是圖1所述的壓縮機(jī)部分，其主要功能是將沼氣存儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力增加至5.0MPa,以滿足沼氣分離提純流程所需的壓力。(2)沼氣預(yù)處理系統(tǒng):沼氣預(yù)處理系統(tǒng)主要包括有脫硫系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)，分別設(shè)置有脫硫裝置和干燥裝置對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫處理和干燥處理。一般要求處理后沼氣中P (H2S)< 15mg/m3, Φ (H2O) < I X 10 6。(3)沼氣分離系統(tǒng):由于沼氣中CHjP CO2的含量都很大，進(jìn)行分離提純時(shí)裝置的規(guī)模較大，因此分離提純流程采用4床分子篩真空解吸流程。沼氣分離系統(tǒng)主要由4只吸附塔、管道式氣動(dòng)閥、排氣消音器、真空泵等組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)吸附器內(nèi)分子篩的吸附和解吸，通過真空泵把吸附于分子篩孔穴內(nèi)的CO2分子抽出來，從而獲得產(chǎn)品CH4和C02。(4)產(chǎn)品集送系統(tǒng):產(chǎn)品集送系統(tǒng)主要由無油螺桿壓縮機(jī)、CH4儲(chǔ)存罐、CO2儲(chǔ)存罐、流量傳感器、壓力傳感器、CH4濃度傳感器、CO2濃度傳感器等組成。其作用為:一是向吸附器提供產(chǎn)品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣，為附器的吸附提供條件；二是向存儲(chǔ)罐內(nèi)輸送濃縮后的CH4和CO2 ;三是檢測產(chǎn)品CH4和CO2的流量、純度和壓力。(5)自動(dòng)控制系統(tǒng):由于變壓吸附真空流程中控制閥門數(shù)量多，流程控制點(diǎn)也多，因此，為了簡化生產(chǎn)操作，提高自動(dòng)化水平，將所有控制集中到控制室，操作過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程控制。

(6)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng):將整套設(shè)備安置在廠房內(nèi)或露天，有泄漏就有可能產(chǎn)生CH4積聚，造成人員中毒，一旦有火源存在就有可能引起CH4爆炸。為此，必須在各控制點(diǎn)特別是吸附塔和產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐上安裝壓力傳感器和安全閥，以及廠房內(nèi)安裝氧氣濃度傳感器和CH4濃度傳感器，一旦工作環(huán)境或設(shè)備環(huán)境CH4體積分?jǐn)?shù)超過3%，則實(shí)行自動(dòng)斷電停機(jī)。此夕卜，在濃縮CH4裝置的配套設(shè)備中，凡機(jī)電設(shè)備、儀器儀表必須選用具有防爆檢驗(yàn)合格證的產(chǎn)品。在進(jìn)入壓縮機(jī)前到濃縮裝置的各個(gè)單元應(yīng)設(shè)置阻火器，防止火焰的擴(kuò)散。由于沼氣中的CH4濃度不穩(wěn)定，為簡化操作，提高自動(dòng)化程度，應(yīng)在流程上設(shè)置穩(wěn)流、穩(wěn)壓，模擬量調(diào)節(jié)及計(jì)量、分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。設(shè)備安裝場地應(yīng)符合相關(guān)安全規(guī)定，并安裝細(xì)水霧滅火裝置等消防系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于包括: 在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的反應(yīng)罐中通過接種厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌之微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸桿、畜禽糞便有機(jī)物的發(fā)酵，沼氣發(fā)酵溫度控制在37±0.2°C的恒溫水平； 沼氣中甲烷和二氧化碳凈化提純分離，包括對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于:所述“厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌”是從牛瘤胃內(nèi)容物、污水處理物以及池底淤泥中分別分離出多株能產(chǎn)生透明圈的菌株，通過厭氧發(fā)酵測定酶活性復(fù)篩出一株酶活性較高的兼性厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌，其菌種選育路線是:出發(fā)菌株——單細(xì)胞懸浮液——誘變處理——平板初篩——單菌落分離——復(fù)篩——變異株遺傳穩(wěn)定性——菌種保藏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于:所述“沼氣發(fā)酵溫度控制在37±0.2°C的恒溫水平”，采用太陽能加熱恒溫，利用太陽能熱水器對(duì)水進(jìn)行加熱，利用傳感器感應(yīng)沼氣反應(yīng)罐中溫度，通過溫度智能控制變送儀來實(shí)現(xiàn)熱水的循環(huán)，從而保證沼氣反應(yīng)罐中保持恒溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于:所述“對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離”，采用改性活性炭為脫硫劑對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫處理，采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理，采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于:所述改性活性炭是將將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH溶液浸潰負(fù)載于活性炭上，并以1%的MCM-41分子篩作為添加劑，對(duì)活性炭進(jìn)行改性，能夠使活性炭纖維表面具有大量活性官能團(tuán)，擴(kuò)大炭孔結(jié)構(gòu)，增加活性炭的吸附容量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所 述的高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于:所述“采用固體吸附法對(duì)沼氣進(jìn)行干燥處理”是以硅膠來作為干燥吸附劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣的干燥。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，其特征在于:所述“采用變壓吸附法實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷和二氧化碳的分離”，采用4A分子篩作為吸附劑；工作流程為:將干燥后的沼氣通過吸附床壓縮機(jī)進(jìn)行升壓至0.5MPa的壓力下進(jìn)行吸附，吸附2小時(shí)后降壓脫附，先進(jìn)行5分鐘的卸壓，然后抽真空1.5小時(shí)，降壓至IkPa時(shí)保持均壓10分鐘，即可完成吸附劑4A分子篩的脫附過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效節(jié)能環(huán)保沼氣發(fā)酵及凈化提純技術(shù)，包括在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的反應(yīng)罐中通過接種厭氧纖維素酶產(chǎn)生菌之微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈、畜禽糞便有機(jī)物的發(fā)酵，沼氣發(fā)酵溫度控制在37±0.2℃的恒溫水平；沼氣中甲烷和二氧化碳凈化提純分離，包括對(duì)沼氣的脫硫處理、干燥處理以及對(duì)甲烷和二氧化碳的分離。本發(fā)明能有效提高沼氣發(fā)酵效率，增強(qiáng)凈化提純效果，降低沼氣發(fā)酵成本。
文檔編號(hào)C10L3/10GK103146760SQ20131008590
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者張其標(biāo) 申請(qǐng)人:張其標(biāo)