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沼氣轉(zhuǎn)化成綠色氣體 | 流量測控

2023年10月26日 Bronkhorst
荷蘭正面臨向可持續(xù)社會轉(zhuǎn)型的重大任務(wù)，溫室氣體二氧化碳排放量低很多，而且沒有來自格羅寧根省的化石天然氣。太陽能和風(fēng)能將在發(fā)電和社會電氣化方面發(fā)揮更大的作用。格羅寧根的Hanze應(yīng)用科學(xué)大學(xué)正在進行研究，Bronkhorst質(zhì)量流量計和流量控制器也在其中發(fā)揮了作用。

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沼氣在能源轉(zhuǎn)型中的作用

在這一能源轉(zhuǎn)型中，“綠色氣體”發(fā)揮著重要作用-這是為荷蘭天然氣電網(wǎng)升級的沼氣。先決條件是有足夠的可用性。我們采訪了格羅寧根Hanze應(yīng)用科技大學(xué)的講師研究員Gert Hofstede，他一直專注于這件事。流量計在他將沼氣再處理成綠色氣體的研究中發(fā)揮著重要作用。

沼氣是主要由甲烷(CH4, 50-60%)和二氧化碳(CO2, 40-50%)組成的混合氣體，由路邊草或蔬菜、水果和花園垃圾等有機生物發(fā)酵（“好氧分解”）制成。沼氣被認為是可再生能源，由有機廢物產(chǎn)生，但含有太多二氧化碳，無法實際使用，例如無法添加到天然氣管網(wǎng)中。將沼氣升級為綠色氣體的過程主要通過去除存在的二氧化碳來完成，但也可以通過將過量的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷來完成。我們問Gert如何做到這一點。

沼氣變綠色氣體

“我的博士研究是盡可能有效地分解生物質(zhì)，最終將其轉(zhuǎn)化為生物能源。生物量豐富，但我們不能用其中的大部分做任何事情。我的工作是利用這些“剩菜剩飯”制造生物能源。沼氣的質(zhì)量很差，我們想把這種氣體升級為綠色氣體。為此，我們耍了一個“花招”，建造了一個生物反應(yīng)器，向其中添加綠色氫氣。反應(yīng)器中有專門的微生物，可將H2和CO2轉(zhuǎn)化為甲烷(4H2+CO2à CH4 +H2O)。因此，突然之間，同樣數(shù)量的生物質(zhì)產(chǎn)生了更多的甲烷（幾乎是原來的兩倍）。向生物反應(yīng)器中添加氫氣的使用測量方法是什么？任何確切地知道添加了多少氫氣？”

“升級沼氣意味著甲烷含量從60%提高到88-90%以上，之后其質(zhì)量與低熱值的荷蘭天然氣兼容，可以注入天然氣管網(wǎng)。如果你用壓力閥將氫氣直接從氣瓶中“冒泡”到含有微生物的液體中，你不知道你放了多少。更重要的是：氫氣在40°C的水中溶解得很差，沒有正確地接觸到微生物，所以它不起作用?！?/p>

添加氫氣

Gert繼續(xù)說“最終，對于實驗室規(guī)模的反應(yīng)器，我們想出了一個聰明的解決方案，在反應(yīng)器中放入一根軟管，然后使用質(zhì)量流量控制器添加氫氣。軟管中充滿了氣體，氫氣通過軟管壁擴散，添加了幾乎看不見的非常小的氣泡，但它們是有效的。通過攪拌反應(yīng)器，微生物可以接觸到可用的氫氣。這在小規(guī)模上進行得很好，但擴大規(guī)模需要數(shù)公里的軟管。下一步的時間到了：滴流床反應(yīng)器?！?

“在滴流床反應(yīng)器中，微生物被固定：它們被困在表面積非常大的多孔載體上，液體或氣體成分沿著該載體運輸。我們使用的微生物由許多不同的物種組成，根據(jù)氫氣與二氧化碳的比例，我們只促進那些可以從CO2?和H2中制造CH4 的微生物。理論上期待四個分子的氫比一個分子的二氧化碳來制造甲烷，但在實踐中需要更少的氫，因為二氧化碳也被用來生長微生物。因此，這個比例很重要?！?/p>

氫氣質(zhì)量流量控制器

“我們從一個質(zhì)量流量控制器開始，該控制器的氫氣/二氧化碳比例為80/20 體積%。很快就發(fā)現(xiàn)，在這樣做的過程中，我們引入了太多的氫氣，助長了錯誤的微生物，而犧牲了甲烷的生產(chǎn)。因此，我們認為：我們必須能夠分別添加氫氣和二氧化碳這兩種氣體，這樣就可以添加我們想要的任何比例。我們?yōu)闅錃夂投趸挤謩e購買了一個單獨的質(zhì)量流量控制器（來自EL-FLOW Select?系列）?！?/p>

Gert現(xiàn)在也在使用第三個質(zhì)量流量控制器，例如添加氮氣。這降低了氫氣的分壓，似乎提高了工藝的穩(wěn)定性。他的研究現(xiàn)在正處于進一步的擴大階段，在這個階段，他將把反應(yīng)器從實驗室規(guī)模擴大到演示規(guī)模，甚至更大。
 

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