[发明专利]利用来自工业设备的余热的制氢装置

说明书

相关申请的交叉参考

[0001]本专利根据35 U.S.C.§119(e)要求在2005年5月31日提交的第60/686,008号美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请名字为“HYDROGEN PRODUCING APPARATUS UTILIZING EXCESSHEAT FROM A INDUSTRIAL FACILITY(利用来自工业设备的余热的制氢装置)”。

发明领域

[0002]一般地，本发明涉及从产氢的微生物培养物集中生产氢的装置。更具体而言，本发明涉及将制氢系统与工业设备协同结合的装置，其中，所述工业设备除了所要求保护的装置外，可以与氢的制造不相关。制氢系统利用在工业设备的典型使用过程中产生的热量或者废热，由此降低制氢系统的能耗和避免浪费来自所述设备的能量。所述工业设备也可以制造有机废品，用作所述装置中产氢微生物(hydrogenmicroorganism)的有机原料。

发明背景

[0003]在当今世界，氢的制造是日益普通和重要的工艺。仅在美国，氢的制造量目前达到每年大约30亿立方英尺，产量可能还在增加。制造的氢的用途是多方面的，从在焊接中的用途到盐酸的制造。氢日益重要的用途涉及制造用于机器如机动车辆的代用燃料。氢作为代用燃料的成功使用能够给整个世界提供极大的益处。这是重要的，不仅因为氢可以不依赖于特定的油或者其它地面资源的位置而形成，而且因为氢作为燃料燃烧对大气是清洁的。基本上，在燃烧过程中不产生二氧化碳或者温室气体。因此，氢的制造是环境上期望的目标。

[0004]根据一些方法和装置制造氢为公众所知。例如，电解，其一般涉及利用电将水分解为氢和氧，是一种普遍使用的方法。然而，需要相当多的能量以产生进行该方法所需要的电。同样，蒸汽转化是另一个需要矿物燃料作为能源的昂贵的方法。容易理解的是，当使用造成污染的燃料作为能源用于制造氢时，制造氢的环境益处会至少部分被抵消。

[0005]因此需要产生氢的新方法。一个可能的方法是在生物系统中通过将有机物质转化为氢气而制造氢。制造生物学上产生的基本上是氢的气体在理论上可以在生物反应器中实现，其中，产氢微生物和有机原料保存在利于产氢的环境中。然而，从微生物大量地和有效地制造氢气存在问题。通过微生物持续制造可用数量的氢的主要障碍是最终制氢的中断，其一般伴随着甲烷的出现。这发生在生物反应器环境下产甲烷微生物将氢转化为甲烷时。这个过程在厌氧环境如湿地、沼泽和池塘沉淀物自然发生。由于在生物系统中出现产甲烷菌在以前一般是不可避免的，所以在过去从产氢微生物连续地制造氢是不成功的。

[0006]许多年来，微生物学家已经知道产生代谢副产物氢的微生物。该知识体系的两篇综述是Kosaric和Lyng(1988)与Nandi和Sengupta(1998)。在提到的各种微生物中，人们对异养兼性厌氧菌感兴趣，尤其是在已知为肠微生物的群落中的那些。混酸发酵微生物在该群落内，其最著名的是大肠杆菌(Escherichia coli)。当发酵葡萄糖时，这些微生物将葡萄糖分子分解，形成两分子的丙酮酸酯(方程式1)；乙酰基从每一丙酮酸酯片段剥离，留下甲酸(方程式2)，甲酸接着被裂解为等量的二氧化碳和氢，如下面简化形式所示(方程式3)。

葡萄糖→2丙酮酸酯                     (1)

2丙酮酸酯+2辅酶A→2乙酰基-CoA+2 HCOOH  (2)

2 HCOOH→2H₂+2CO₂                      (3)

[0007]因此，在这个过程中，一摩尔的葡萄糖产生两摩尔的氢气。在这个过程中，也产生了乙酸和乳酸，与少量的琥珀酸和乙醇。其它的肠道微生物(2，3丁二醇发酵菌)利用不同的酶途径，产生附加的CO₂，使得生成的二氧化碳与氢的比例为6∶1(Madigan等，1997)。该过程完成后，氢典型地被产甲烷菌转化为甲烷。

[0008]许多来源的废有机物质可以作为该微生物方法的底物。一种这样的材料是富含有机物的工业废水，尤其是富含糖的水，如加工水果和蔬菜的废水。其它的来源包括农业残留物和其它有机废物如污水和肥料。