[发明专利]一种低碳零排放循环制取氢气的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物化工反应装置，具体涉及一种低碳零排放循环 制取氢气的装置。

背景技术

氢气作为高能量密度的载体(122KJ/g)，被认为是未来的主要能源 之一。许多物理化学制氢方法，如蒸汽重整和电解水等，需要高温 (>850℃)和能量输入。相比之下，利用微生物发酵的生物制氢方法由 于能量输入较低且反应条件温和而具有独特的优势。

然而，在现有技术中，产氢率和高成本底物是生物制氢发展和应用 的两大瓶颈。特别地，传统的生物质暗发酵产氢的产氢率低和能源转化 效率低，发酵尾液中含有大量有机酸和醇类，既浪费了能量又污染了环 境。例如，CN103667352A公开了一种以有机废水为菌种的生物制氢方 法，将污水处理厂的厌氧消化污泥在80℃的条件下进行10分钟的热处理 后作为菌种，将可溶性淀粉和营养液作为反应底物，控制一定温度进行 发酵产氢。CN103627729A公开了一种玉米芯发酵制氢的方法，该方法 以牛粪堆肥为暗发酵菌种，用N₂吹扫反应器剩余空间中的氧气，用医用 橡胶塞密封，进行恒温发酵制取氢气。CN101920258B公开了一种有机 废弃物能源化利用的系统，将厌氧发酵、沼气发酵、CO₂吸收和固定、 沼液处理、能源草种植相结合，该方法可用于对有机废气物和生活垃圾 进行处理。然而，上述发明使用的单纯厌氧制氢的产率有限，暗发酵制 氢的理论最大产氢率是4molH₂/mol葡萄糖(乙酸是唯一底物)，且由 于菌体的生长和其他挥发性有机酸(丙酸、丁酸等)的生成，暗发酵的 实际产氢率只有2-3molH₂/mol葡萄糖。而且发酵液中有大量有机酸无 法利用，会对环境造成严重污染。CN101920258B虽然通过沼气发酵和 CO₂吸收对发酵液中有机酸和CO₂进行了部分利用，但依然存在底物转 化率和产氢率偏低的问题。此外，该系统仅是提供了一种理论上的系统 和方法，并没有对产氢率、能源转化效率、污染物去除率以及CO₂减排 率等具体参数和实际运行效果进行说明。

此外，也有些学者利用暗光发酵耦合产氢的方式提高产氢效率。如 CN100532566C将生物质及固体有机废弃物水解、酸化，生成丙酮酸、 短链脂肪酸和少量H₂、CO₂，然后丙酮酸和短链脂肪酸混合物在发酵产 氢细菌作用下生成大量氢气，并得到小分子有机酸副产物乙醇、乙酸、 丙酸和丁酸，然后将小分子有机酸乙醇、乙酸、丙酸和丁酸接种光合产 氢细菌后在光合作用下继续生成氢气。CN202576411U公开了利用暗-光 发酵耦合产氢模拟反应装置，通过周期性的暗-光照明，实现暗-光发酵耦 合产氢。这种发酵方式提高了产氢效率，但仍有大量温室气体CO₂排放 到环境中，给环境带来负面影响。

另一方面，就底物而言，生物制氢可使用的底物广泛，既可以是淀 粉、纤维素类等可再生生物质，也可以是海洋微藻等富含糖类的生物质。 然而，常规底物葡萄糖、蔗糖和淀粉的价格昂贵，严重地限制了生物制 氢的发展和应用。相比之下，海洋微藻具有如下优点：(1)生长速度很 快，能在短时间内获得大量生物质；(2)可以在海洋中生长，不占用陆 地面积，不消耗淡水资源；(3)对环境的适应性强，对环境因素如温度、 pH值、盐度等具有较宽的耐受范围；(4)可以利用电站烟气中的CO₂作为碳源迅速生长，实现很高的脱碳效率，同时对烟气中的SO_X和NO_X也会有一定的脱除效果；(5)微藻的生物质可被用于生物能源转换(例 如，利用微藻固定的糖类制取氢气，或利用微藻固定的脂肪类生产生物 柴油)。因此微藻是在减少CO₂的排放的同时进行生物能源转化的良好生 物反应器。

发明内容

为了解决现有生物产氢工艺中产氢效率低下、发酵尾液中含有大量 小分子有机酸且尾气中含有的温室气体CO₂的问题，本发明提供了一种 以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放循环制取氢气的装置，所述装 置包括：

预处理设备、暗发酵反应器、固液分离设备、光发酵反应器、气体 分离设备和微藻生长反应器；

其特征在于：