合成氣生物甲烷化反應器及系統技術方案

一種合成氣生物甲烷化反應器及系統，該反應器包括主體，該主體包括：微生物合成反應區，設置在該主體的中部，在該區利用該反應器內的厭氧微生物對合成氣中的CO及H2進行生物轉化，生成以CH4為主要成分的生物天然氣；以及氣液混合區，設置在該微生物合成反應區下方，在該氣液混合區內通入以CO及H2為主要成分的合成氣及微生物營養液，并實現氣液的混合，混合后的氣液升入該微生物合成反應區中進行該生物轉化。本發明專利技術開發了一種新的低成本、低能耗的合成氣厭氧微生物轉化反應器，將熱解燃氣、工業副產煤氣等燃氣高效轉化為清潔能源，可有效的解決這些燃氣熱值低且存在安全隱患的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種生物合成高品質生物天然氣的設備，特別涉及一種合成氣生物甲烷化反應器，它是以熱解氣及工業副產煤氣等以CO及H2為主要成分的合成氣為原料，在生物合成反應器內通過厭氧微生物將所述合成氣直接轉化為高品質生物天然氣，屬于環境工程的能源再生

技術介紹
熱解氣中雖然含有少量的CO2和CH4，但其主要的組份為CO和H2，存在熱值低、CO含量高等問題，需要進一步甲烷化。目前熱解氣甲烷化的技術尚處于探索比選階段。國家十二五期間明確提出了重點扶持煤制天然氣(煤→熱解氣→甲烷)技術，國內已上馬了多個煤制天然氣項目，其中熱解氣甲烷化也是煤制天然氣的重要中間環節。目前熱解氣甲烷化技術主要利用多相催化甲烷化反應原理，將熱解氣中的碳氧化合物催化加氫生成甲烷。然而該技術的主要問題是需要在高溫(200-700℃)高壓(1-7.5MPa)條件下進行，CO和H2需要固定的比例，甲烷化催化劑價格昂貴，而且催化劑易受硫化物等的影響而失活。高爐煤氣為煉鐵過程中產生的副產品，主要成分為：CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量約占25％左右。雖然高爐煤氣的熱值不高，但巨大的產量所產生的能源價值是很可觀的。由于高爐煤氣的產氣量大于用戶的用氣量，過剩的高爐煤氣需要通過放散塔放散掉或采用火炬燃燒。不僅浪費了大量的能源，而且會有大量有害氣體和粉塵排放到大氣中產生嚴重的環境污染。焦爐煤氣是煉焦過程中，產出焦炭和焦油產品的同時所得到的可燃氣體，其主要成分其主要成分為氫氣(55％～60％)和甲烷(23％～27％)，是煉焦過程的副產品。隨著焦化行業的發展，有大量的焦爐氣資源產生。焦爐氣除部分返回煉焦爐用作加熱燃料外，剩余的氣體主要用作城市居民的燃料氣，因不便送入城市管網，也有相當數量通過火炬燃燒放空。目前工業上焦爐煤氣利用途徑主要有：作為城市燃氣直接利用；發電；通過變壓吸附法等工藝可以提取氫氣；深度凈化后生產甲醇；合成氨或酵素等。這些工藝存在經濟效益不高、能耗大、溫室氣體排放量大、環境效益低等缺點。同時熱解氣、高爐煤氣、轉爐煤氣富含CO，毒性大，直接燃燒安全隱患大。因此，國內已經開展了焦爐氣制天然氣的研究及工程示范。目前，在進行焦爐氣轉化為天然氣的過程中，均采用化學方法，焦爐氣中含有的少量CO(5-7％)和CO2(1-3％)在化學催化劑的作用下和H2的作用下轉化為甲烷(式1和式2)，但是，仍有相當余量的H2剩余(占焦爐氣的30％左右)，從而導致焦爐氣本身不能完全轉化為天然氣，而需要額外補充CO2。目前的化學催化法實現焦爐氣甲烷化需要高溫(200-700℃)和化學催化劑，因此成本較高，另外也沒有合適的CO2來源作為額外的碳源。CO+3H2＝CH4+H2OΔG＝-206.16kJ/mol式1CO2+4H2＝CH4+2H2OΔG＝-165.08kJ/mol式2綜上所述，目前合成氣甲烷化技術主要采用化學合成技術，然而該技術的主要問題是需要在高溫(200-700℃)高壓(1-7.5MPa)條件下進行，CO和H2需要固定的比例，甲烷化催化劑價格昂貴，而且催化劑易受硫化物等的影響而失活。熱解氣、焦爐煤氣等工業副產煤氣燃氣成分復雜，CO和H2的比例難以滿足要求，利用化學合成原理的合成氣工業甲烷化技術具有很大的缺陷。
技術實現思路
為克服現有技術的缺陷，本專利技術提供一種合成氣生物甲烷化反應器，可將以CO及H2為主要成分的合成氣中的CO、H2通過生物合成的方式轉化為CH4。為實現本專利技術的目的，根據本專利技術的一個實施例，一種合成氣生物甲烷化反應器，包括主體，該主體包括：微生物合成反應區，設置在該主體的中部，在該區利用該反應器內的厭氧微生物對合成氣中的CO及H2進行生物轉化，生成以CH4為主要成分的生物天然氣；以及氣液混合區，設置在該微生物合成反應區下方，在該氣液混合區內通入以CO及H2為主要成分的合成氣及微生物營養液，并實現氣液的混合，混合后的氣液升入該微生物合成反應區中進行該生物轉化。其中該合成氣生物甲烷化反應器還包括：氣固液分離區，設置在該微生物合成反應區上方，分離和分別收集生物合成后的生物天然氣；以及排泥區，設置在該反應器的最底部，定期排除反應器底部的污泥。其中該微生物營養液為C∶N∶P比為100～300∶5∶1的營養液。其中該主體的高徑比為2∶1～10∶1。其中該氣液混合區包括：營養液進口及均勻布水系統，用以均勻地通入適合該微生物合成反應區內的厭氧微生物生長所需要的該微生物營養液，該微生物營養液在該反應器內的上升流速控制在1～2m/h內，使得該微生物營養液浸透該厭氧微生物；以及燃氣進口及曝氣裝置，用以通入以CO及H2為主要成分的該合成氣，并將氣體分化為微小氣泡上升至該微生物合成反應區進行反應。其中該微生物合成反應區的反應溫度為30-40℃或50-60℃，該厭氧微生物適宜生長的pH值為6.5～7.5。其中以CO及H2為主要成分的該合成氣中的H2和CO的轉化率均可達80％以上。其中該氣固液分離區包括氣固液分離裝置、排水口及排氣口，反應后的氣固液混合體在該區通過該氣固液分離裝置進行分離，從該氣固液混合體中分離出的生物天然氣通過該排氣口排出，分離出的上清液通過該排水口(9)排出，而分離出的污泥回流到該反應器底部。其中該分離出的污泥回流到該排泥區，通過設置在該排泥區下方的排泥口排出該反應器。根據本專利技術的另一個實施例，一種合成氣生物甲烷化反應系統，包括：如上所述的合成氣生物甲烷化反應器；營養液儲罐和進水泵，其中該進水泵將微生物營養液從該營養液儲罐輸送至該合成氣生物甲烷化反應器的營養液進口；以及進氣泵，將以CO及H2為主要成分的合成氣輸送至該合成氣生物甲烷化反應器的燃氣進口。本專利技術設備利用生物合成技術將以CO及H2為主要成分的合成氣中H2，CO轉化為CH4，轉化率可達80％以上。與現有的化學催化過程相比，該技術具有反應條件溫和(無需高溫高壓)、副產物少、無需固定合成氣中的CO和H2的比例、以及對焦爐煤氣中的硫化物及熱解氣中的焦油有耐受性等優點。附圖說明圖1為本專利技術生物甲烷化反應器的結構示意圖；圖2為本專利技術的生物甲烷化反應器的配置示意圖。其中的附圖標記說明如下：1、微生物合成反應區；2、氣液混合區；3、氣固液分離區；4、排泥區；5、營養液進口；6、均勻布水系統；7、燃氣進口；8、曝氣裝置；9、排水口；10、排氣口；11、排泥口；12、營養液儲罐；13、進水泵14、進氣泵。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進行詳細描述。如圖1所示，為本專利技術的合成氣生物甲烷化反應器結構示意圖。根據本專利技術的另一實施例，該合成氣生物甲烷化反應器包括主體，該主體包括：微生物合成反應區1，設置在該主體的中部，利用該反應器內的厭氧微生物對合成氣中的CO及H2進行生物轉化，生成以CH4為主的生物天然氣；氣液混合區2，設置在微生物合成反應區1下方，在該區內通入以CO及H2為主要成分的合成氣及微生物營養液，并實現氣液的高效混合；氣固液分離區3，設置在微生物合成反應區1上方，分離收集生物合成后的生物天然氣；以及排泥區4，設置在該反應器的最底部，定期排除反應器底部的污泥。所述以CO及H2為主要成分的合成氣可以是熱解氣、高爐煤氣和焦爐煤氣等，可以是其中一種或幾種混合。所述微生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種合成氣生物甲烷化反應器，包括主體，該主體包括：微生物合成反應區(1)，設置在該主體的中部，在該區利用該反應器內的厭氧微生物對合成氣中的CO及H2進行生物轉化，生成以CH4為主要成分的生物天然氣；以及氣液混合區(2)，設置在該微生物合成反應區(1)下方，在該氣液混合區(2)內通入以CO及H2為主要成分的合成氣及微生物營養液，并實現氣液的混合，混合后的氣液升入該微生物合成反應區(1)中進行該生物轉化。

【技術特征摘要】
1.一種合成氣生物甲烷化反應器，包括主體，該主體包括：微生物合成反應區(1)，設置在該主體的中部，在該區利用該反應器內的厭氧微生物對合成氣中的CO及H2進行生物轉化，生成以CH4為主要成分的生物天然氣；以及氣液混合區(2)，設置在該微生物合成反應區(1)下方，在該氣液混合區(2)內通入以CO及H2為主要成分的合成氣及微生物營養液，并實現氣液的混合，混合后的氣液升入該微生物合成反應區(1)中進行該生物轉化。2.根據權利要求1所述的合成氣生物甲烷化反應器，還包括：氣固液分離區(3)，設置在該微生物合成反應區(1)上方，分離和分別收集生物合成后的生物天然氣；以及排泥區(4)，設置在該反應器的最底部，定期排除反應器底部的污泥。3.根據權利要求2所述的合成氣生物甲烷化反應器，其中該微生物營養液為C∶N∶P比為100～300∶5∶1的營養液。4.根據權利要求1或2或3所述的合成氣生物甲烷化反應器，其中該主體的高徑比為2∶1～10∶1。5.根據權利要求1或2或3所述的合成氣生物甲烷化反應器，其中該氣液混合區(2)包括：營養液進口(5)及均勻布水系統(6)，用以均勻地通入適合該微生物合成反應區(1)內的厭氧微生物生長所需要的該微生物營養液，該微生物營養液在該反應器內的上升流速控制在1～2m/h內，使得該微生物營養液浸透該厭氧微生物；以及燃氣進口(7)及曝氣裝置(8)，用以通入以CO及H2為主...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏曉明，王雯，羅紅梅，徐冬利，劉輝，劉廣清，
申請(專利權)人：北京聯合創業環保工程股份有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11