合成气生物甲烷化反应器及系统技术方案

一种合成气生物甲烷化反应器及系统，该反应器包括主体，该主体包括：微生物合成反应区，设置在该主体的中部，在该区利用该反应器内的厌氧微生物对合成气中的CO及H2进行生物转化，生成以CH4为主要成分的生物天然气；以及气液混合区，设置在该微生物合成反应区下方，在该气液混合区内通入以CO及H2为主要成分的合成气及微生物营养液，并实现气液的混合，混合后的气液升入该微生物合成反应区中进行该生物转化。本实用新型专利技术开发了一种新的低成本、低能耗的合成气厌氧微生物转化反应器，将热解燃气、工业副产煤气等燃气高效转化为清洁能源，可有效的解决这些燃气热值低且存在安全隐患的问题。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种生物合成高品质生物天然气的设备，特别涉及一种合成气生物甲烷化反应器，它是以热解气及工业副产煤气等以CO及H2为主要成分的合成气为原料，在生物合成反应器内通过厌氧微生物将所述合成气直接转化为高品质生物天然气，属于环境工程的能源再生

技术介绍
热解气中虽然含有少量的CO2和CH4，但其主要的组份为CO和H2，存在热值低、CO含量高等问题，需要进一步甲烷化。目前热解气甲烷化的技术尚处于探索比选阶段。国家十二五期间明确提出了重点扶持煤制天然气(煤→热解气→甲烷)技术，国内已上马了多个煤制天然气项目，其中热解气甲烷化也是煤制天然气的重要中间环节。目前热解气甲烷化技术主要利用多相催化甲烷化反应原理，将热解气中的碳氧化合物催化加氢生成甲烷。然而该技术的主要问题是需要在高温(200-700℃)高压(1-7.5MPa)条件下进行，CO和H2需要固定的比例，甲烷化催化剂价格昂贵，而且催化剂易受硫化物等的影响而失活。高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为：CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25％左右。虽然高炉煤气的热值不高，但巨大的产量所产生的能源价值是很可观的。由于高炉煤气的产气量大于用户的用气量，过剩的高炉煤气需要通过放散塔放散掉或采用火炬燃烧。不仅浪费了大量的能源，而且会有大量有害气体和粉尘排放到大气中产生严重的环境污染。焦炉煤气是炼焦过程中，产出焦炭和焦油产品的同时所得到的>可燃气体，其主要成分其主要成分为氢气(55％～60％)和甲烷(23％～27％)，是炼焦过程的副产品。随着焦化行业的发展，有大量的焦炉气资源产生。焦炉气除部分返回炼焦炉用作加热燃料外，剩余的气体主要用作城市居民的燃料气，因不便送入城市管网，也有相当数量通过火炬燃烧放空。目前工业上焦炉煤气利用途径主要有：作为城市燃气直接利用；发电；通过变压吸附法等工艺可以提取氢气；深度净化后生产甲醇；合成氨或酵素等。这些工艺存在经济效益不高、能耗大、温室气体排放量大、环境效益低等缺点。同时热解气、高炉煤气、转炉煤气富含CO，毒性大，直接燃烧安全隐患大。因此，国内已经开展了焦炉气制天然气的研究及工程示范。目前，在进行焦炉气转化为天然气的过程中，均采用化学方法，焦炉气中含有的少量CO(5-7％)和CO2(1-3％)在化学催化剂的作用下和H2的作用下转化为甲烷(式1和式2)，但是，仍有相当余量的H2剩余(占焦炉气的30％左右)，从而导致焦炉气本身不能完全转化为天然气，而需要额外补充CO2。目前的化学催化法实现焦炉气甲烷化需要高温(200-700℃)和化学催化剂，因此成本较高，另外也没有合适的CO2来源作为额外的碳源。CO+3H2＝CH4+H2OΔG＝-206.16kJ/mol式1CO2+4H2＝CH4+2H2OΔG＝-165.08kJ/mol式2综上所述，目前合成气甲烷化技术主要采用化学合成技术，然而该技术的主要问题是需要在高温(200-700℃)高压(1-7.5MPa)条件下进行，CO和H2需要固定的比例，甲烷化催化剂价格昂贵，而且催化剂易受硫化物等的影响而失活。热解气、焦炉煤气等工业副产煤气燃气成分复杂，CO和H2的比例难以满足要求，利用化学合成原理的合成气工业甲烷化技术具有很大的缺陷。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本技术提供一种合成气生物甲烷化反应器，可将以CO及H2为主要成分的合成气中的CO、H2通过生物合成的方式转化为CH4。为实现本技术的目的，根据本技术的一个实施例，一种合成气生物甲烷化反应器，包括主体，该主体包括：微生物合成反应区，设置在该主体的中部，在该区利用该反应器内的厌氧微生物对合成气中的CO及H2进行生物转化，生成以CH4为主要成分的生物天然气；以及气液混合区，设置在该微生物合成反应区下方，在该气液混合区内通入以CO及H2为主要成分的合成气及微生物营养液，并实现气液的混合，混合后的气液升入该微生物合成反应区中进行该生物转化。其中该合成气生物甲烷化反应器还包括：气固液分离区，设置在该微生物合成反应区上方，分离和分别收集生物合成后的生物天然气；以及排泥区，设置在该反应器的最底部，定期排除反应器底部的污泥。其中该微生物营养液为C∶N∶P比为100～300∶5∶1的营养液。其中该主体的高径比为2∶1～10∶1。其中该气液混合区包括：营养液进口及均匀布水系统，用以均匀地通入适合该微生物合成反应区内的厌氧微生物生长所需要的该微生物营养液，该微生物营养液在该反应器内的上升流速控制在1～2m/h内，使得该微生物营养液浸透该厌氧微生物；以及燃气进口及曝气装置，用以通入以CO及H2为主要成分的该合成气，并将气体分化为微小气泡上升至该微生物合成反应区进行反应。其中该微生物合成反应区的反应温度为30-40℃或50-60℃，该厌氧微生物适宜生长的pH值为6.5～7.5。其中以CO及H2为主要成分的该合成气中的H2和CO的转化率均可达80％以上。其中该气固液分离区包括气固液分离装置、排水口及排气口，反应后的气固液混合体在该区通过该气固液分离装置进行分离，从该气固液混合体中分离出的生物天然气通过该排气口排出，分离出的上清液通过该排水口(9)排出，而分离出的污泥回流到该反应器底部。其中该分离出的污泥回流到该排泥区，通过设置在该排泥区下方的排泥口排出该反应器。根据本技术的另一个实施例，一种合成气生物甲烷化反应系统，包括：如上所述的合成气生物甲烷化反应器；营养液储罐和进水泵，其中该进水泵将微生物营养液从该营养液储罐输送至该合成气生物甲烷化反应器的营养液进口；以及进气泵，将以CO及H2为主要成分的合成气输送至该合成气生物甲烷化反应器的燃气进口。本技术设备利用生物合成技术将以CO及H2为主要成分的合成气中H2，CO转化为CH4，转化率可达80％以上。与现有的化学催化过程相比，该技术具有反应条件温和(无需高温高压)、副产物少、无需固定合成气中的CO和H2的比例、以及对焦炉煤气中的硫化物及热解气中的焦油有耐受性等优点。附图说明图1为本技术生物甲烷化反应器的结构示意图；图2为本技术的生物甲烷化反应器的配置示意图。其中的附图标记说明如下：1、微生物合成反应区；2、气液混合区；3、气固液分离区；4、排泥区；5、营养液进口；6、均匀布水系统；7、燃气进口；8、曝气装置；9、排水口；10、排气口；11、排泥口；12、营养液储罐；13、进水泵14、进气泵。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合成气生物甲烷化反应器，包括主体，其特征在于，该主体包括：微生物合成反应区(1)，设置在该主体的中部，在该区利用该反应器内的厌氧微生物对合成气中的CO及H2进行生物转化，生成以CH4为主要成分的生物天然气；以及气液混合区(2)，设置在该微生物合成反应区(1)下方，在该气液混合区(2)内通入以CO及H2为主要成分的合成气及微生物营养液，并实现气液的混合，混合后的气液升入该微生物合成反应区(1)中进行该生物转化。

【技术特征摘要】
1.一种合成气生物甲烷化反应器，包括主体，其特征在于，该主体包括：
微生物合成反应区(1)，设置在该主体的中部，在该区利用该反应器内的厌氧微生物对
合成气中的CO及H2进行生物转化，生成以CH4为主要成分的生物天然气；以及
气液混合区(2)，设置在该微生物合成反应区(1)下方，在该气液混合区(2)内通入以CO
及H2为主要成分的合成气及微生物营养液，并实现气液的混合，混合后的气液升入该微生
物合成反应区(1)中进行该生物转化。
2.根据权利要求1所述的合成气生物甲烷化反应器，其特征在于，还包括：
气固液分离区(3)，设置在该微生物合成反应区(1)上方，分离和分别收集生物合成后
的生物天然气；以及
排泥区(4)，设置在该反应器的最底部，定期排除反应器底部的污泥。
3.根据权利要求1或2所述的合成气生物甲烷化反应器，其特征在于，该主体的高径比
为2∶1～10∶1。
4.根据权利要求1或2所述的合成气生物甲烷化反应器，其特征在于，该气液混合区(2)
包括：
营养液进口(5)及均匀布水系统(6)，用以均匀地通入适合该微生物合成反应区(1)内
的厌氧微生物生长所需要的该微生物营养液，该微生物营养液在该反应器内的上升流速控
制在1～2m/h内，使得该微生物营养液浸透该厌氧微生物；以及
燃气进口(7)及曝气装置(8)，用以通入以CO及H2为主要成分的该合成气，并将气体分化
为微小气泡上升至...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏晓明，王雯，罗红梅，徐冬利，刘辉，刘广清，
申请(专利权)人：北京联合创业环保工程股份有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11