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利用外源氢气纯化升级沼气的研究进展

涂睿,黎军,王萌,刘畅,陆小华
(南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏 南京 210009)

摘要:沼气发酵过程存在产气速率低和甲烷浓度低两个普遍问题。从甲烷生成的反应机理来看,如果提供充足的氢气,能够把沼气中的CO2 成分转化为CH4,既提高了甲烷的产量,又提高了甲烷的浓度。介绍了最近国内外在这个方向上的探索性研究成果。实验表明,利用外源氢气确实可以纯化升级沼气,在一定条件下还可以达到生物甲烷的品质(即CH4 浓度高于95%)。分析了这项技术实用化需要解决的两个关键问题:强化H2 气液传质及获取廉价氢源。最后,对这个方向进行了展望,并提出了一个光电催化产氢与厌氧发酵产甲烷耦合的设想方案。
    关键词:沼气提纯;生物甲烷;氢气;厌氧发酵;原位沼气纯化
    DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2014.05.005
    中图分类号:TQ 028.8 文献标志码:A 文章编号:0438—1157(2014)05—1587—07
    Research progress of biogas upgrading with external resource of hydrogen gas

TU Rui,LI Jun,WANG Meng,LIU Chang,LU Xiaohua
    (State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009,Jiangsu, China)
    Abstract:Biogas fermentation has two general problems, low production rate and low methane concentration.From the reaction mechanism for methane formation, if external H2 is supplied, CO2 in the biogas can be converted into CH4, leading to increased yield and concentration of methane. Recently published experimental studies reported that biogas could be purified and upgraded to a quality as biomethane with the addition of hydrogen gas. However, to make this technology practical, two key problems should be resolved. One is to intensify H2 transfer from gas phase to aqueous phase at low mixing speeds. The other is to obtain hydrogen gas with economical methods. A scheme is suggested for biogas upgrading through the integration of H2 generation by photoelectrocatalysis and CH4 production by anaerobic fermentation.
    Key words:biogas upgrading/purification; biomethane; hydrogen gas; anaerobic fermentation; in situ methane enrichment

引 言
    我国人口众多,农业发达,每年产生3 亿吨城市垃圾、8 亿吨作物秸秆和40 亿吨畜禽粪便,造成严重的环境污染与危害,并排放出大量的温室气体。如果采取传统方式治污减排,将需要额外耗费巨大的能源。另一方面,我国对天然气的需求量在急剧攀升,根据中国石油经济技术研究院的统计,2013年我国天然气表观消费量达到1676 亿立方米,同比增长13.9%;2014 年将突破1860 亿立方米,同比增长11.0%[1]。然而,我国的天然气储量却相对贫乏,对外依存度逐年提高,这将影响到民生,也威胁着国家安全。如果把上述废弃生物质利用起来,经过厌氧发酵每年可制得2000 亿立方米生物甲烷[2],这接近2013 年我国天然气进口量的4 倍。按目前天然气价格计算,可形成6000 亿元产值,同时减少10 亿吨碳排放。因此,将废弃生物质高效转化为生物甲烷,具有保护环境和节能减排的多重意义。

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