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沼氣轉(zhuǎn)化成綠色氣體 | 流量測(cè)控

2023年10月26日 Bronkhorst
荷蘭正面臨向可持續(xù)社會(huì)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(méi)有來(lái)自格羅寧根省的化石天然氣。太陽(yáng)能和風(fēng)能將在發(fā)電和社會(huì)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(jìn)行研究，Bronkhorst質(zhì)量流量計(jì)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(jí)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(zhuān)注于這件事。流量計(jì)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(jī)生物發(fā)酵（“好氧分解”）制成。沼氣被認(rèn)為是可再生能源，由有機(jī)廢物產(chǎn)生，但含有太多二氧化碳，無(wú)法實(shí)際使用，例如無(wú)法添加到天然氣管網(wǎng)中。將沼氣升級(jí)為綠色氣體的過(guò)程主要通過(guò)去除存在的二氧化碳來(lái)完成，但也可以通過(guò)將過(guò)量的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷來(lái)完成。我們問(wèn)Gert如何做到這一點(diǎn)。

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(jí)為綠色氣體。為此，我們耍了一個(gè)“花招”，建造了一個(gè)生物反應(yīng)器，向其中添加綠色氫氣。反應(yīng)器中有專(zhuān)門(mén)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(lái)的兩倍）。向生物反應(yīng)器中添加氫氣的使用測(cè)量方法是什么？任何確切地知道添加了多少氫氣？”

“升級(jí)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(méi)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(shuō)“最終，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器，我們想出了一個(gè)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(mǎn)了氣體，氫氣通過(guò)軟管壁擴(kuò)散，添加了幾乎看不見(jiàn)的非常小的氣泡，但它們是有效的。通過(guò)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(jìn)行得很好，但擴(kuò)大規(guī)模需要數(shù)公里的軟管。下一步的時(shí)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(yùn)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(jìn)那些可以從CO2?和H2中制造CH4 的微生物。理論上期待四個(gè)分子的氫比一個(gè)分子的二氧化碳來(lái)制造甲烷，但在實(shí)踐中需要更少的氫，因?yàn)槎趸家脖挥脕?lái)生長(zhǎng)微生物。因此，這個(gè)比例很重要。”

氫氣質(zhì)量流量控制器

“我們從一個(gè)質(zhì)量流量控制器開(kāi)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(guò)程中，我們引入了太多的氫氣，助長(zhǎng)了錯(cuò)誤的微生物，而犧牲了甲烷的生產(chǎn)。因此，我們認(rèn)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(gòu)買(mǎi)了一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)量流量控制器（來(lái)自EL-FLOW Select?系列）?！?/p>

Gert現(xiàn)在也在使用第三個(gè)質(zhì)量流量控制器，例如添加氮?dú)?。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(jìn)一步的擴(kuò)大階段，在這個(gè)階段，他將把反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)大到演示規(guī)模，甚至更大。
 

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