一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于沼氣凈化與氣體分離領域，特指一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的裝置和方法。本發(fā)明利用水合物法固化沼氣中的二氧化碳，進而將沼氣提純，提純后的甲烷可以作為民用氣燃燒，也可經過進一步處理用來作為工業(yè)原料氣或動力能源等用途；固化后的二氧化碳水合物利用太陽能所提供的熱量分解，高濃度的二氧化碳被送入大棚以提高植物的光合作用效率，提高農作物的產量。
【專利說明】一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于沼氣凈化與氣體分離領域，這里特指利用水合物法固化沼氣中的二氧化碳，進而將沼氣提純，提純后的甲烷可以作為民用氣燃燒，也可經過進一步處理用來作為工業(yè)原料氣或動力能源等用途；固化后的二氧化碳水合物利用太陽能所提供的熱量分解，高濃度的二氧化碳被送入大棚以提高植物的光合作用效率，提高農作物的產量。
【背景技術】
[0002]隨著沼氣技術在農村的普及，如何提高農村沼氣利用率，并將其與現(xiàn)代農業(yè)相結合一直都是研究的熱點；沼氣的主要成分包括二氧化碳(30% -40%)與甲烷(50% -70%)二種氣體，二氧化碳是植物光合作用的原料，較高濃度的二氧化碳能夠提高光合作用的效率；甲烷提純后能夠用于民用氣及LNG等的原料氣，二者都具有較大的用途。
[0003]水合物氣體分離技術基于不同氣體形成水合物的條件不同，通過控制水合反應的溫壓條件將二氧化碳及甲烷氣體相分離，進而進步利用；專利“一種沼氣凈化方法及系統(tǒng)”(200710019153.0，公開(公告)號CN 101428190A)提出了一種采用水合物法固化沼氣中的二氧化碳，從而將甲烷提純獲得高純甲烷氣的方法；專利“一種利用太陽能加熱結晶水合物給溫室大棚供暖的裝置”(201220612156.1，公開(公告)號CN202873445U)提出了一種利用太陽能加熱結晶水合物的吸放熱過程，為溫室大棚供暖的裝置，然而，對于目前來說，有關沼氣與現(xiàn)代農業(yè)相結合的“綠色”農業(yè)途徑仍然未找到，因此，亟需探尋出一種能夠實際應用的綠色農業(yè)模式。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對當前農村沼氣利用的低效性，通過水合物法將沼氣中的二種主要氣體組分分離，分離后的高濃度二氧化碳用于提高植物大棚內二氧化碳的濃度，以增強光合作用強度，提高農產品的產量以及品質，分離后的甲烷氣，由于濃度較高，提高了氣體品質，能夠用于各種用途。
[0005]本發(fā)明由太陽能集熱器；離心水泵；保溫箱；單向液閥；水合物存儲單元；截至閥；單向氣閥；植物大棚；漿液泵；三相分離器；水合物生成單元；壓力控制閥；壓縮機；研碎裝置；制冰裝置；水合物存儲單元夾套空腔；沼氣池和過濾器組成；沼氣池的輸出端與第三單向氣閥的輸入端連接；第三單向氣閥的輸出端與過濾器的輸入端連接；過濾器的輸出端與壓縮機的輸入端連接；壓縮機的輸出端與第二壓力控制閥的輸入端連接；第二壓力控制閥的輸出端與水合物生成單元的第一輸入端連接；進水管接入制冰裝置的第一輸入端；制冰裝置的輸出端與研碎裝置的輸入端連接；研碎裝置的輸出端與第三漿體泵的輸入端連接；第三漿體泵的輸出端與第四單向液閥的輸入端連接；第四單向液閥的輸出端與水合物生成單元的第二輸入端連接；水合物生成單元的第一輸出端與第一壓力控制閥的輸入端連接；第一壓力控制閥的輸出端用于輸出高濃度甲烷氣；水合物生成單元的第二輸出端與第三截止閥的輸入端連接；第三截止閥的輸出端與第二漿液泵的輸入端連接；第二漿液泵的輸出端與立式三相分離器的輸入端連接；立式三相分離器的第一輸出端與第二單向氣閥的輸入端連接；第二單向氣閥的輸出端用于輸出甲燒氣；立式三相分離器的第二輸出端與第六單向液閥的輸入端連接；第六單向液閥的輸出端與第四離心水泵的輸入端連接；第四離心水泵的輸出端與第五單向液閥的第一輸入端連接；第五單向液閥的輸出端與制冰裝置的第二輸入端連接；立式三相分離器的第三輸出端與第二截止閥的輸入端連接；第二截止閥的輸出端第一衆(zhòng)液泵的輸入端連接；第一衆(zhòng)液泵的輸出端與第一截止閥的輸入端連接；第一截止閥的輸出端與水合物存儲單元的輸入端連接；水合物存儲單元的第一輸出端與第一單向氣閥的輸入端連接；第一單向氣閥的輸出端與植物大棚的輸入端連接；水合物存儲單元的第二輸出端與第三單向液閥的輸入端連接；第三單向液閥的輸出端與第三離心水泵的輸入端連接；第三離心水泵的輸出端與第五單向液閥的第二輸入端連接；太陽能集熱器的輸出端與第一離心水泵的輸入端連接；第一離心水泵的第一輸出端與保溫箱的第一輸入端連接；保溫箱的第一輸出端與第七單向液閥的第一輸入端連接；第七單向液閥的輸出端與太陽能集熱器的輸入端連接；第一離心水泵的第二輸出端與第一單向液閥的第一輸入端連接；第一單向液閥的輸出端與第二離心水泵的輸入端連接；第二離心水泵的輸出端與水合物存儲單元夾套空腔的輸入端連接；水合物存儲單元夾套空腔的輸出端與第二單向液閥的輸入端連接；第二單向液閥的第一輸出端與保溫箱的第二輸入端連接；保溫箱的第二輸出端與第一單向液閥的第二輸入端連接；第二單向液閥的第二輸出端與第七單向液閥的第二輸入端連接。
[0006]本發(fā)明的顯著優(yōu)點在以下幾個方面:
(I)采用水合物法固化沼氣中大量的二氧化碳，以將沼氣中二種主要的氣體分離，提純后的甲烷輸出作為能源或其它的用途使用，所形成的二氧化碳水合物分解，放出二氧化碳氣體作為大棚植物光合作用的原料。
[0007](2)水合物分解過程中充分利用太陽能所提供的熱量，無污染且大大降低了成本。
[0008](3)將民用沼氣與中的二氧化碳用于提高植物的光合作用效率，使得農作物的產量及質量得到提高，不僅提高了沼氣的利用率，而且有助于減少溫室氣體的排放。
[0009](4)經過分離后的沼氣，甲烷濃度很高，提高氣體的的品質，這部分甲烷氣體能夠供民用燃燒，甚至能夠用于LNG，CNG生產的原料氣。
[0010](5)未反應的水被重新用于水合物的合成，充分節(jié)約了水資源。
[0011](6)該技術將沼氣技術與水合物技術相結合，為綠色農業(yè)的發(fā)展提供了一個有效的途徑，且為工業(yè)生產所產生的二氧化碳提供了一個有效的途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述裝置的結構示意圖。
[0013] 圖中:1 —太陽能集熱器;2，5，12，28 —離心水泵；3 —保溫箱；4，6，8，23，27，29，30 一單向液閥；7 —水合物存儲單元；9，14，17—截至閥；10，20，33 —單向氣閥；11 一植物大棚；13，16, 24 一衆(zhòng)液泵；15 —三相分尚器；18 —水合物生成單兀；19，22 一壓力控制閥；21 一壓縮機；25 —研碎裝置；26 —制冰裝置；31 —水合物存儲單元夾套空腔；32 —沼氣池；34 一過濾器?！揪唧w實施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明主要本發(fā)明由太陽能集熱器；離心水泵；保溫箱；單向液閥；水合物存儲單元；截至閥；單向氣閥；植物大棚；漿液泵；三相分離器；水合物生成單元；壓力控制閥；壓縮機；研碎裝置；制冰裝置；水合物存儲單元夾套空腔；沼氣池和過濾器組成。其具體的實施方案如下:
(I)水經過制冰裝置26制冰，并經過研碎裝置25研碎成冰水混合物，后經由第三漿液泵24經過第四單向液閥23，進入水合物反應單元18內，完成進液過程，緊接著將水合物反應單元18中的制冷循環(huán)打開，使反應器內部的溫度維持在4.5-60C，一般取5°C。
[0015](2)沼氣池32內的沼氣經過第三單向氣閥33、流經過濾器34過濾，過濾后的氣體經過壓縮機21增壓，由第二壓力控制閥22進入水合物反應單元18內，待水合物反應單元內氣體的壓力達到3-4MPa，一般取3.5MP時，停止進氣，將溫度控制在5°C。
[0016](3)經過 水合物反應單元18的水合反應后，大部分二氧化碳以水合物的形式被固定下來，未反應的氣體經由第一壓力控制閥19后作為高濃度甲烷氣外輸；二氧化碳水合物經由第三截止閥17，并由第二漿液泵16泵入三相分離器15進行分離。
[0017](4)三相分離器15中的氣體經由第二單向氣閥20外輸，水經由第六單向液閥29后，由第四離心水泵28經過第五單向液閥27泵入進水管道，重新利用。
[0018](5)三相分離器15中的水合物經過第二截止閥14引出，在第一漿液泵13的作用下通過第一截止閥9進入水合物存儲單元7存儲。
[0019](6)在需要時，水合物存儲單元在外界提供熱量的情況下發(fā)生分解，釋放的二氧化碳氣體經由第一單向氣閥10，被送入植物大棚11內，以提高植物的光合作用效率，增加產量；分解后的水由第三單向液閥8經過第三離心水泵12加壓后，由第五單向液閥27送入進水管路。
[0020](7)太陽能集熱器I由12根豎排的熱管組成，在吸收太陽光的能量后；水的溫度升高，溫度較高的熱水經過第一離心水泵2的加壓后，經過第一單向閥4第二離心水泵5后進入水合物存儲單元7為水合物分解提供熱量，之后，低溫水經過第二單向閥6、第七單向閥30回到太陽能集熱器I吸收熱量；保溫箱3在過程當中吸收多余的熱量，并存儲起來，以供陰雨天氣使用，屆時，液體由流經保溫箱后溫度升高，高溫的液體在經過第一單向閥4第二離心水泵5后進入水合物存儲單元7為水合物分解提供熱量，之后，低溫液體經過第二單向閥6重新進入保溫箱吸收熱量，完成循環(huán)。
【權利要求】
1.一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的裝置，其特征在于:所述裝置由太陽能集熱器；離心水泵；保溫箱；單向液閥；水合物存儲單元；截至閥；單向氣閥；植物大棚；漿液泵；三相分離器；水合物生成單元；壓力控制閥；壓縮機；研碎裝置；制冰裝置；水合物存儲單元夾套空腔；沼氣池和過濾器組成；沼氣池的輸出端與第三單向氣閥的輸入端連接；第三單向氣閥的輸出端與過濾器的輸入端連接；過濾器的輸出端與壓縮機的輸入端連接；壓縮機的輸出端與第二壓力控制閥的輸入端連接；第二壓力控制閥的輸出端與水合物生成單元的第一輸入端連接；進水管接入制冰裝置的第一輸入端；制冰裝置的輸出端與研碎裝置的輸入端連接；研碎裝置的輸出端與第三衆(zhòng)體泵的輸入端連接；第三衆(zhòng)體泵的輸出端與第四單向液閥的輸入端連接；第四單向液閥的輸出端與水合物生成單元的第二輸入端連接；水合物生成單元的第一輸出端與第一壓力控制閥的輸入端連接；第一壓力控制閥的輸出端用于輸出高濃度甲烷氣；水合物生成單元的第二輸出端與第三截止閥的輸入端連接；第三截止閥的輸出端與第二漿液泵的輸入端連接；第二漿液泵的輸出端與立式三相分離器的輸入端連接；立式三相分離器的第一輸出端與第二單向氣閥的輸入端連接；第二單向氣閥的輸出端用于輸出甲燒氣；立式三相分離器的第二輸出端與第六單向液閥的輸入端連接；第六單向液閥的輸出端與第四離心水泵的輸入端連接；第四離心水泵的輸出端與第五單向液閥的第一輸入端連接；第五單向液閥的輸出端與制冰裝置的第二輸入端連接；立式三相分離器的第三輸出端與第二截止閥的輸入端連接；第二截止閥的輸出端第一漿液泵的輸入端連接；第一衆(zhòng)液泵的輸出端與第一截止閥的輸入端連接；第一截止閥的輸出端與水合物存儲單元的輸入端連接；水合物存儲單元的第一輸出端與第一單向氣閥的輸入端連接；第一單向氣閥的輸出端與植物大棚的輸入端連接；水合物存儲單元的第二輸出端與第三單向液閥的輸入端連接；第三單向液閥的輸出端與第三離心水泵的輸入端連接；第三離心水泵的輸出端與第五單向液閥的第二輸入端連接；太陽能集熱器的輸出端與第一離心水泵的輸入端連接；第一離心水泵的第一輸出端與保溫箱的第一輸入端連接；保溫箱的第一輸出端與第七單向 液閥的第一輸入端連接；第七單向液閥的輸出端與太陽能集熱器的輸入端連接；第一離心水泵的第二輸出端與第一單向液閥的第一輸入端連接；第一單向液閥的輸出端與第二離心水泵的輸入端連接；第二離心水泵的輸出端與水合物存儲單元夾套空腔的輸入端連接；水合物存儲單元夾套空腔的輸出端與第二單向液閥的輸入端連接；第二單向液閥的第一輸出端與保溫箱的第二輸入端連接；保溫箱的第二輸出端與第一單向液閥的第二輸入端連接；第二單向液閥的第二輸出端與第七單向液閥的第二輸入端連接。
2.一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的方法，其特征在于按照如下步驟進行: (1)水經過制冰裝置制冰，并經過研碎裝置研碎成冰水混合物，后經由第三漿液泵經過第四單向液閥，進入水合物反應單元內，完成進液過程，緊接著將水合物反應單元中的制冷循環(huán)打開，使反應器內部的溫度維持在4.5-60C ； (2)沼氣池內的沼氣經過第三單向氣閥、流經過濾器過濾，過濾后的氣體經過壓縮機增壓，由第二壓力控制閥進入水合物反應單元內，待水合物反應單元內氣體的壓力達到3-4MPa，停止進氣； (3)經過水合物反應單元的水合反應后，二氧化碳以水合物的形式被固定下來，未反應的氣體經由第一壓力控制閥后作為高濃度甲烷氣外輸；二氧化碳水合物經由第三截止閥，并由第二漿液泵泵入三相分離器進行分離； (4)三相分離器中的氣體經由第二單向氣閥外輸，水經由第六單向液閥后，由第四離心水泵經過第五單向液閥泵入進水管道，重新利用； (5)三相分離器中的水合物經過第二截止閥引出，在第一漿液泵的作用下通過第一截止閥進入水合物存儲單元存儲； (6)在需要時，水合物存儲單元在外界提供熱量的情況下發(fā)生分解，釋放的二氧化碳氣體經由第一單向氣閥，被送入植物大棚內，以提高植物的光合作用效率，增加產量；分解后的水由第三單向液閥經過第三離心水泵加壓后，由第五單向液閥送入進水管路； (7)太陽能集熱器在吸收太陽光 的能量后；水的溫度升高，溫度較高的熱水經過第一離心水泵的加壓后，經過第一單向閥第二離心水泵后進入水合物存儲單元為水合物分解提供熱量，之后，低溫水經過第二單向閥、第七單向閥回到太陽能集熱器吸收熱量；保溫箱在過程當中吸收多余的熱量，并存儲起來，以供陰雨天氣使用，屆時，液體由流經保溫箱后溫度升高，高溫的液體在經過第一單向閥第二離心水泵后進入水合物存儲單元為水合物分解提供熱量，之后，低溫液體經過第二單向閥重新進入保溫箱吸收熱量，完成循環(huán)。
3.如權利要求2所述的一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的方法，其特征在于:步驟I中使反應器內部的溫度維持在5°C。
4.如權利要求2所述的一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的方法，其特征在于:步驟2中水合物反應單元內氣體的壓力取3.5MP。
5.如權利要求2所述的一種采用水合物法為植物光合作用穩(wěn)定供碳的方法，其特征在于:所述太陽能集熱器由12根豎排的熱管組成。
【文檔編號】C10L3/10GK103965983SQ201410169830
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權日:2014年4月25日
【發(fā)明者】周詩崠, 余益松, 吳志敏, 王樹立, 李恩田, 李輝 申請人:常州大學