压力沼气原理

中国科技论文在线 压力沼气原理 王宝瑞 鞍山环科采暖科技开发有限公司（114000） E-mail: as_hkekafg@188.com 摘　要:　本文首先、首次提出了压力沼气的概念，并以基础理论为指导，论述了生物压力沼气的厌氧发酵特性，说明了在压力下，产甲烷菌将一部分碳源转化成甲烷的优异性能，使甲烷数量大幅度增加。同时文章认为压力沼气是一个全新的领域，是对传统常压厌氧发酵的一个突破，必将产生深远的影响。 关键词：压力沼气，甲烷，二氧化碳，温度，溶解度。 0.导言 在有压力的厌氧环境中，有机物经微生物发酵作用而降解生成沼气，称压力沼气。沼气压力的产生依存于生物压力反应器系统这一特定的条件，并受控于所限定的压力范围，这种只存在于压力厌氧微生物学过程中的压力沼气发酵工艺，既压力沼气，是一种突破传统的理论概念。 本文以科学发展观为指导，从理论上阐述了在压力下，沼气发酵的微生物学特性、压力沼气的运行机理，为压力沼气的计算，科学实验，产品开发提供了详实可靠的理论依据。 １.压力沼气的厌氧发酵特性 　 有机物的厌氧生物降解，是一个复杂的生物化学过程，在厌氧微生物反应器系统中，微生物对发酵原料进行有机降解，最终生成沼气。在生物压力反应器系统中，存在着液相和气相，由于液体静压力作用，沼气向上浮升，从液相界面进入到气相中，使生物压力反应器系统内的压力不断增高，生物压力反应器系统中沼气的增压过程，实质上是沼气发酵微生物旺盛繁殖及沼气的富集增压过程，微生物在厌氧发酵过程中，生物的代谢压力是通过液体静压力实现的。假定产甲烷菌的生长代谢顺利进行，生物代谢产生的代谢压力将达到1MPa。实质上当压力提高，温度不变的情况下，液相中二氧化碳的溶解度也在相应加大，随着溶解在发酵液水中的二氧化碳浓度增大，甲烷菌受到抑制，如再提高压力，压力将不再升高，全部压力将加至到有机酸的累积中去，发酵液的酸度会逐渐变强。压力与温度同二氧化碳溶解度的厌氧发酵关系如图1所示。 从图中可以看出，在压力和温度较高时，产甲烷环境的范围还是非常宽阔的，随着发酵温度的降低，发酵会迅速进入到酸化环境。 2.代谢压力与二氧化碳溶解度 在一定压力和温度下，所溶于发酵液水中的二氧化碳，在水中先以碳酸的形式存在，继而被产甲烷菌再次重复利用，最终转化成甲烷。微生物厌氧发酵代谢过程中能产生二氧化碳，当压力加大时，能溶于水中，再转化为甲烷。二氧化碳成为可再生资源，为产甲烷菌提供了大量营养物质，使沼气产气量增加，并使沼气中甲烷含量提高。 要使沼气中存有较高的甲烷含量，就得增大二氧化碳的溶解度，在状态下（101.325KPa）温度15.56℃（60℉）时，1容积的水溶解1容积的CO２，称为一气体容积。在一定压力和温度下，二氧化碳在沼气发酵液水中的最大溶解量，称溶解度。在温度不变的情况下，二氧化碳溶解度，随压力升高而加大，在厌氧发酵产沼气过程中，一般二氧化碳含量在压力范围内（ＰJ＜800KPa＝二氧化碳的溶解量，服从亨利定律和道尔顿定律［１］，既温度不变时，溶解的气体容积与二氧化碳的分压成正比。其关系为： 　C＝Pi／101.325＝P／101.325+1　　　　 （１－１） 式 中 C — 溶解量,倍容积; Pi — 绝对压力,KPa ; P — 压力, KPa; 101.325— atm与KPa的转换系数。 沼气厌氧发酵代谢压力及温度范围内，二氧化碳溶解吸收系数见表1—1 。 表１—１　 二氧化碳溶解吸收系数表　 温度℃ 压 力 MPa 0.00 0.01 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.31 0.32 0.33 0.35 5 1.42 1.56 2.13 2.84 3.55 4.26 4.97 5.68 5.82 5.96 6.10 6.39 10 1.19 1.30 1.79 2.38 2.98 3.57 4.17 4.76 4.88 5.00 5.12 5.36 15 1.02 1.12 1.15 2.04 2.55 3.06 3.57 4.08 4.12 4.28 4.39 4.95 20 0.88 0.97 1.32 1.76 2.20 2.64 3.08 3.52 3.60 3.70 3.78 3.96 25 0.76 0.84 1.14 1.52 1.90 2.28 2.66 3.04 3.12 3.19 3.27 3.42 30 0.67 0.74 1.00 1.34 1.68 2.01 2.35 2.68 2.75 2.81 2.88 3.02 35 0.59 0.65 0.89 1.18 1.48 1.77 2.07 2.36 2.42 2.48 2.54 2.65 40 0.53 0.58 0.80 1.06 1.33 1.59 1.86 2.12 2.17 2.23 2.28 2.39 45 0.48 0.53 0.72 0.96 1.20 1.44 1.68 1.92 1.97 2.02 2.06 2.16 50 0.44 0.48 0.66 0.88 1.10 1.32 1.54 1.76 1.80 1.85 1.89 1.98 在压力不变的情况下，溶解度随温度降低而增加，会有大量有机酸积累，当有机酸超过一定限度时，不利于沼气发酵，大量有机酸积累最终导致发酵停止。随温度降低，二氧化碳溶解度会出现极限值，常数为Ce，二氧化碳与发酵温度溶解度极限常数Ce见表1—2。 表 1——2 溶解度极限常数Ce（101.325KPa体积分数） 温 度 ℃ ５０ ４５ ４０ ３５ ３０ ２５ ２０ １５ １０ ５ Ce 5.80 5.00 4.75 4.20 4.05 3.50 3.08 2.04 1.79 1.56 同一饱和溶液，当发酵温度升高时，二氧化吸收系数就要降低，而二氧化碳吸收系数降低时，绝对压力就要升高。由此可见，在沼气发酵中，二氧化碳的再生利用率，随压力升高而增多，随温度降低而增加。由于温度降低受到二氧化碳溶解度极限常数Ｃe所限制，当达到规定二氧化碳含量时，应是最佳代谢压力，最佳发酵温度。引入溶解度极限常数Ce，将二氧化碳溶解度吸收系数Ｃ表示为压力的函数： 　　　　Ce = C ( 1—2 ) 由上式可见，不允许二氧化碳溶解度超过极限常数 ,一旦超过就会使厌氧发酵停止，这样就需要二氧化碳溶解度极限常数，在任何时候都是负值。 2.1代谢压力下二氧化碳的再生 生物压力反应器系统，是严格厌氧的，产甲烷菌也都为严格厌氧微生物，这为产甲烷菌营造了旺盛的优良生物环境，并使各种类群的微生物得到最佳的生长条件，使有机物转化为沼气的生成量提高。特别是在压力下，二氧化碳得以再生，可被利用H2 / CO2 重整，再生成转化为甲烷，提高了单位产气量热值。 求出在代谢压力范围以内,有机物厌氧发酵转化为甲烷，和二氧化碳在压力下，二氧化碳再生的理论值，对科学研究和生产实践有理论指出导意义。 2.1.1有机物在压力下转化为沼气的计算方法 a .按有机物厌氧发酵转化为沼气的理论计算方法［２］ 以葡萄糖厌氧发酵为例，假定不考虑厌氧菌的细胞合成所需的有机物，其生化反应方程式如下： 　　　　　　　　　厌氧菌 　C6 H12 O6 ———→ 3CH4 + 3CO2 180 48 132 ( 2—1 ) 根据上式，1㎏葡萄糖C6 H12 O6 被完全分解为CH4和CO2 可产生48/180= 0.267㎏CH4 和132 /180 = 0.733㎏CO2 ，相当于己于16.67molCH4 和16.67molCO2 ，在标准状态下(０℃101.325KPa )，可产生22.4×16.67×2＝746.8Ｌ沼气，约可产生0.75 m3 沼气。 b.代谢压力对二氧化碳再生的影响 产甲烷菌在生物压力反应器系统内,不但能有效的利用甲醇，甲酸，乙酸，甲胺类及异丙醇等有机质形成甲烷,更重要的是能再生二氧化碳转化成甲烷。产甲烷菌在氧化H2 的同时,把CO2 还原成甲烷，这是在有压力下，产甲烷菌所独有的反应。 二氧化碳再生成甲烷是由压力来体现的，可以认为气相中有四种主要气体，既CO2 、CH4 、H2S和Ｈ２　，根据道尔顿分压定律［１］，有： PCH4 ＋ PCO2 ＋ PH2S ＋ PH2 ＝ 1atm (2—2) 式中PCO2 是生物压力反应器系统中，二氧化碳的分压，由于沼气厌氧发酵所产生的代谢压力能达到Pj800KPa。按通常温度和二氧化碳溶解吸收系数,一般压力沼气均常温发酵，温度约为35—40℃ ,代谢压力限定为Ｐj300—360ＫPa ；这一发酵温度及其压力，是最佳规定值。当厌氧发酵在这一规定值运行时，由ＣＯ２还原ＣＨ４ 的途径，其生化反应方程式如下： 　　　４Ｈ２　＋　ＣＯ２　——→　ＣＨ４　＋　２Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　（２—３） 已知１㎏葡萄糖Ｃ６Ｈ１２Ｏ６被完全分解，在标准状态下 （0℃101.325KPa）有0.733㎏CO2 产生，在二氧化碳重组中，产甲烷菌所需的碳源分子C被H2还原转化成 CH4 ，其转化数量可用下式表达： 　　　　ＣＯ2 ＝ C ＋ O2 44 12 32 　　　(2—4) 以照上式，原有0.733㎏ＣＯ２ ，可得到分子Ｃ12／44×0.733＝0.20㎏，与0.067㎏H2 反应后,可得再生CH40.267㎏，相当于16.67molCH4 。因在1㎏葡萄糖中，已产了16.67molCH4 ，加上再生后转化得到的16.67molＣＨ４，两项相加总计得到16.67mol×2＝33.34molCH4 。 采用上述计算方法，计算出１㎏葡萄糖在压力沼气厌氧发酵时，在最佳发酵温度和最大压力极限值时（PJ800KPa ）总计可产生33.34molCH4 ，相当于22.4Ｌ×33.34＝746.8ＬCH４　，约产生0.75m3 纯度甲烷。 由此可知，二氧化碳被产甲烷菌重组后，所产生的甲烷是原先的二倍，既甲烷总数量为0.75m3 。 事实上,只有当生物压力反应器的压力达到最大值时（Pj 800KPa），才能得到上述甲烷数量。 在实际应用中,只有生物压力反应器处于最适发酵温度，和最适限制压力时,生物压力反应器的运行才最经济，因此得CO2 再生反应方程式如下: Sco2 Pi /101.325 · Pt /101.325 ＋ 1 Cf ＝ ———————————————————— Pj 800 KPa （2—5） 式 中 Cf —— 单位温度、压力下CH4 再生数量，（mol）； 　　　 Sco2—— 可再生的CO2数量，（mol）； Pt —— 一般温度压力下CO2 ，吸收系数； Ｐj—— 代谢压力最大值，　（KPa ）； 例１：通过上述理论计算，当生物压力反应器的压力达最大值时（Pj800KPa），１㎏葡萄糖能得到16.67mol的可再生CH4 ；当最适合温度40℃、代谢压力360KPa 时，其再生的ＣＨ４数量为： 16.67 × 2.97 Ｃf ＝ ————————— ＝ 6.19 mol Pj 800 按溶解度极限常数Ce进行校核: Ce＝ C Ce＝ 2.97 — 4.75 Ce ＝ －1.78 （2—6） 计算结果是，在最适温度40℃，压力360KPa时，生物压力反应器系统内的二氧化碳的溶解度为负值，处于产甲烷发酵环境之中，生物压力反应器内发酵旺盛。由于已有先前产生的16.67molCH4 ，加上再生6.19molCH4 ,总计得22.86molCH4 。在压力沼气厌氧发酵过程中，１㎏葡萄糖能够产22.86molCH4 ，相当于22.4Ｌ×　22.86　＝　512ＬCH４　约0.51ｍ３　纯度甲烷,是原先产甲烷数量的1.37倍。 沼气是一种生物质能源,产生热量的成份主要是甲烷,在沼气生产中提高甲烷的产出比率是先决条件。本文以理论为依据，通过详细的计算得出，压力沼气的甲烷产出率，比传统常压沼气的产出率实际上高出了1.37倍，将原先每立方米沼气的热值从14.7MJ一下子提高到20.25MJ。 3.结论与建议 上述结果表明，沼气厌氧发酵降解有机质，在生物压力反应器系统中，由于压力的作用，使发酵液水中二氧化碳的溶解度提高，在压力下，甲烷菌利用二氧化碳，通过供氢体还原转化成甲烷，使甲烷产量大幅度增加。 压力沼气这种超常高效的能源转换率，是非常惊人的。文章中对压力沼气的提出，必将成为今后沼气发展和广泛应用的一门新学科，即压力沼气学。压力沼气能成为一门重要的新兴学科，同压力沼气所独有的超常、高效的能源转换率是分不开的，压力沼气将涉及到多个领域及学科，诸如压力厌氧生物微生物学，压力厌氧动力热力学，压力厌氧工艺工程学，以及化学，物理学，等多门学科。总之，在已知科学世界里，还有着未知领域，一门新学科的兴起，必然会产生广泛、丰富的科学研究课题，更需要广大专家，学者及各界同仁的通力合作，才能使压力沼气的理论更完善，更提高，并得到全面健康的发展。 参考文献 [ 1 ] Horst stocker 编著《 物 理 手 册 》[M] 吴锡真 等译著 北京 北京大学出版社 2004.01. Vol:22 .7 .3。 [ 2 ] 胡纪萃 等编著《 废水厌氧生物处理理论与技术 》[M] 北京 中国建设出版社 2003.05. (1).p12 —— 17。 Pressure gas theory Wangbaorui （Anshan Central Section heating Technology Development Co., Ltd.114032） E-mail: as_hkekafg@188.com Abstract The first, the first to raise the concept of gas pressure, and to the theoretical basis for guidance on the biological characteristics of the pressure off the anaerobic fermentation, described in the pressure off methane bacteria will be part of the carbon elements into methane outstanding performance, a substantial increase in the number of methane. The article maintains that pressure while methane is a new field, the traditional atmosphere of the anaerobic fermentation of a breakthrough will surely have a far-reaching impact. Keywords: pressure gas, methane, carbon dioxide, temperature, solubility. 索引 http://www.paper.edu.cn/process/download.jsp?.file=200603—276。