一种利用生物质生产高品质生物甲烷气的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用生物质生产高品质生物甲烷气的系统及方法，属于生物质高效能源化利用技术领域。
【背景技术】
[0002]传统的化石燃料作为一种不可再生的资源正面临着日渐枯竭的问题，在世界范围内均出现了不同程度的能源危机。面对日益紧缺的传统化石能源，世界各国开始加大开发新能源的步伐，其中，以生物质为原料的新能源技术发展迅速。生物质主要指植物中的有机质，产生的途径主要是植物的光合作用。全球每年通过光合作用储藏在生物圈的生物质能约为2.3ZJ，因此，生物质能未来的发展潜力巨大。
[0003]目前，国内生物质主要集中在农作物秸杆、林业废弃物及能源植物等。生物质利用技术主要包括直接燃烧法、生物转化法、热化学转化法等。然而，现有的生物质利用技术效率低下，并不能很好地将生物质转化为高品质的能源。
[0004]以农作物秸杆为例，直接将其燃烧会产生大量的烟尘、颗粒物等污染物质，对周围环境产生严重污染，且燃烧产生的能源利用效率较低。
[0005]生物转化法如厌氧发酵产沼气技术，由于秸杆中主要是木质纤维素，其特有的性质使得以秸杆为原料的厌氧发酵常常存在着启动时间长，原料利用率低(一般为50%_60%),产气率低(一般为200-300m3/t )，沼气品质低(甲烷含量在50 %左右，热值在17MJ/m3左右)，且存在着发酵进出料困难、沼渣沼液处理困难等问题。此外，将沼气提纯作为车用燃气需要添加额外的设备才能实现沼气提纯，或需要高压或者投加化学物质才能进行，因而运行成本较高。
[0006]热化学转化法如热解气化技术是处理此类生物质较好的方法，其能量转化效率可以达到90%以上，但是存在着焦油产量大(约为总原料的10%-30%),热解气产率低(一般为400-600m3/t)、品质低(气体成分复杂，包括H2，CO，CH4，CO2等气体，热值在10MJ/m3左右)、存在毒性(CO中毒)等问题，且热解气一般只用于燃烧供能、供热或燃烧发电。
【发明内容】
[0007]为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种利用生物质生产高品质生物甲烷气的系统。
[0008]本发明的目的还在于提供应用上述系统的利用生物质生产高品质生物甲烷气的方法。
[0009]为达到上述目的，本发明提供一种利用生物质生产高品质生物甲烷气的方法，其中，该方法包括以下步骤:
[0010]a、将生物质进行热解气化反应，得到气体原料、固体炭及生物油；
[0011]以气体原料的总体积为100%计，该气体原料包含20-4(^%的!12、20-30￥%的0)、10-20v% 的(^4和20-3(^%的(:02 ；
[0012]b、将所述气体原料与发酵剂混合进行厌氧发酵原位富集甲烷反应，得到CH4和CO2的混合气体；
[0013]以OU和⑶2的混合气体的总体积为100%计，所述OU和⑶2的混合气体包含65-68v% 的(^4和32-35￥%的(:02 ；
[0014]C、将所述CH4和CO2的混合气体、外源H2及发酵剂混合进行厌氧发酵原位富集甲烷反应，得到所述生物甲烷气。
[0015]根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中，该方法还包括步骤d:
[0016]在完成上述步骤c后，向第二甲烷化反应器中通入％(厌氧环境)以除去第二甲烷化反应器上部空余体积中残留的CO2，随后重新调整进气。
[0017]根据本发明所述的方法，步骤d中除去第二甲烷化反应器上部空余体积中残留的CO2可以避免重新通气前反应器内存留的气体对后续实验的影响。
[0018]根据本发明所述的方法，所述生物质包含但不限于农作物秸杆、林业废弃物、动物粪便、能源植物及有机固体废弃物。在本发明优选的实施方式中，需要事先将生物质原料通过揉搓、粉碎、研磨等预处理工艺将其加工成粉末或颗粒状，该粉末或颗粒状生物质的粒径小于1mm，并将生物质的含水量控制在10%左右。
[0019]根据本发明所述的方法，优选地，所述气体原料、固体炭及生物油的质量比为10:5:1。
[0020]根据本发明所述的方法，优选地，步骤a中所述热解气化反应是在固定床热解气化反应器中进行的，所述固定床热解气化反应器中装填有生物炭。
[0021]根据本发明所述的方法，优选地，所述生物炭来源于生物质热解气化反应得到的固体炭。
[0022]根据本发明所述的方法，优选地，所述生物炭的装填量为固定床热解气化反应器总体积的1/2-2/3。本发明所用的固定床热解气化反应器为本领域使用的常规热解气化反应器。
[0023]根据本发明所述的方法，优选地，步骤a中所述热解气化反应的反应温度为400-1000°C，反应时间为0.1-3h。
[0024]根据本发明所述的方法，优选地，步骤b中所述厌氧发酵原位富集甲烷反应的反应温度为30-40 °C，停留时间为0.1-48h;
[0025]更优选所述厌氧发酵原位富集甲烷反应的搅拌强度为50-400rpm。
[0026]根据本发明所述的方法，优选地，步骤b中所述发酵剂为经H2、C0、CH4和⑶2的混合气体驯化培养后的发酵剂；
[0027]更优选以所述H2、⑶、CHjMO2的混合气体的总体积为100 %计，该混合气体包含2(^%的(》2、3(^%的(:0、15￥%的(:!14及35￥%的!12。
[0028]根据本发明所述的方法，优选地，所述驯化的时间为5-20d。
[0029]根据本发明所述的方法，所述发酵剂为秸杆和动物粪便经厌氧发酵后所得的沼渣，所述沼渣可以购自任何正常运行的厌氧发酵厂，该沼渣中含有厌氧发酵所需的发酵微生物，该发酵微生物主要是广古菌门类微生物，具体包括盐杆菌、甲烷细菌、甲烷八叠球菌、甲烷囊菌及甲烷鬃菌等。
[0030]在本发明优选的实施方式中，所用的发酵剂需要事先经H2、C0、CH4和⑶2的混合气体驯化培养，经驯化培养后，发酵剂中的发酵微生物可以耐CO毒性，进而可以更加有利于厌氧发酵的进行。
[0031]本发明所述的驯化培养为本领域常规的技术手段，本领域技术人员可以根据现场作业要求，选择合适的方法对发酵微生物进行驯化培养。
[0032]根据本发明所述的方法，“步骤b中将气体原料与发酵剂混合”是通过以下操作实现的:反应前首先将所述发酵剂装填到第一甲烷化反应器中以在第一甲烷化反应器中富集发酵微生物，然后再将气体原料通入已经富集了高浓度发酵微生物的第一甲烷化反应器中进行厌氧发酵原位富集甲烷反应。
[0033]根据本发明所述的方法，本发明对步骤b中所述发酵剂的用量不作要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要向第一甲烷化反应器中添加合适剂量的发酵剂，只要能保证厌氧发酵反应的顺利进行就可以。
[0034]根据本发明所述的方法，优选地，步骤c中所述厌氧发酵原位富集甲烷反应的反应温度为30-40 °C，停留时间为0.1-48h;
[0035]更优选所述厌氧发酵原位富集甲烷反应的搅拌强度为50-400rpm。
[0036]根据本发明所述的方法，优选地，步骤c中所述发酵剂为经H2、C0、CH4和⑶2的混合气体驯化培养后的发酵剂；
[0037]更优选以所述H2、⑶、CHjPTO2的混合气体的总体积为100 %计，该混合气体包含2(^%的(》2、3(^%的(:0、15￥%的(:!14及35￥%的!12。
[0038]根据本发明所述的方法，优选地，所述驯化的时间为5-20d。
[0039]根据本发明所述的方法，所述发酵剂为秸杆和动物粪便经厌氧发酵后所得的沼渣，所述沼渣可以购自任何正常运行的厌氧发酵厂，该沼渣中含有厌氧发酵所需的发酵微生物，该发酵微生物主要是广古菌门类微生物，具体包括盐杆菌、甲烷细菌、甲烷八叠球菌、甲烷囊菌及甲烷鬃菌等。
[0040]在本发明优选的实施方式中，所用的发酵剂需要事先经H2、C0、CH4和⑶2的混合气体驯化培养，经驯化培养后，发酵剂中的发酵微生物可以耐CO毒性，进而可以更加有利于