沼气转化成绿色气体 | 流量测控

2023年10月26日 Bronkhorst

荷兰正面临向可持续社会转型的重大任务，温室气体二氧化碳排放量低很多，而且没有来自格罗宁根省的化石天然气。太阳能和风能将在发电和社会电气化方面发挥更大的作用。格罗宁根的Hanze应用科学大学正在进行研究，Bronkhorst质量流量计和流量控制器也在其中发挥了作用。

沼气在能源转型中的作用

在这一能源转型中，“绿色气体”发挥着重要作用-这是为荷兰天然气电网升级的沼气。先决条件是有足够的可用性。我们采访了格罗宁根Hanze应用科技大学的讲师研究员Gert Hofstede，他一直专注于这件事。流量计在他将沼气再处理成绿色气体的研究中发挥着重要作用。

沼气是主要由甲烷(CH4, 50-60%)和二氧化碳(CO2, 40-50%)组成的混合气体，由路边草或蔬菜、水果和花园垃圾等有机生物发酵（“好氧分解”）制成。沼气被认为是可再生能源，由有机废物产生，但含有太多二氧化碳，无法实际使用，例如无法添加到天然气管网中。将沼气升级为绿色气体的过程主要通过去除存在的二氧化碳来完成，但也可以通过将过量的二氧化碳转化为甲烷来完成。我们问Gert如何做到这一点。

沼气变绿色气体

“我的博士研究是尽可能有效地分解生物质，最终将其转化为生物能源。生物量丰富，但我们不能用其中的大部分做任何事情。我的工作是利用这些“剩菜剩饭”制造生物能源。沼气的质量很差，我们想把这种气体升级为绿色气体。为此，我们耍了一个“花招”，建造了一个生物反应器，向其中添加绿色氢气。反应器中有专门的微生物，可将H2和CO2转化为甲烷(4H2+CO2à CH4 +H2O)。因此，突然之间，同样数量的生物质产生了更多的甲烷（几乎是原来的两倍）。当然，通过太阳能或风能电解水产生的“绿色”氢气是最好。但是向生物反应器中添加氢气的使用测量方法是什么？任何确切地知道添加了多少氢气？”

“升级沼气意味着甲烷含量从60%提高到88-90%以上，之后其质量与低热值的荷兰天然气兼容，可以注入天然气管网。如果你用压力阀将氢气直接从气瓶中“冒泡”到含有微生物的液体中，你不知道你放了多少。更重要的是：氢气在40°C的水中溶解得很差，没有正确地接触到微生物，所以它不起作用。”

添加氢气

Gert继续说“最终，对于实验室规模的反应器，我们想出了一个聪明的解决方案，在反应器中放入一根软管，然后使用质量流量控制器添加氢气。软管中充满了气体，氢气通过软管壁扩散，添加了几乎看不见的非常小的气泡，但它们是有效的。通过搅拌反应器，微生物可以接触到可用的氢气。这在小规模上进行得很好，但扩大规模需要数公里的软管。下一步的时间到了：滴流床反应器。”

“在滴流床反应器中，微生物被固定：它们被困在表面积非常大的多孔载体上，液体或气体成分沿着该载体运输。我们使用的微生物由许多不同的物种组成，根据氢气与二氧化碳的比例，我们只促进那些可以从CO₂ 和H₂中制造CH₄ 的微生物。理论上期待四个分子的氢比一个分子的二氧化碳来制造甲烷，但在实践中需要更少的氢，因为二氧化碳也被用来生长微生物。因此，这个比例很重要。”

氢气质量流量控制器

“我们从一个质量流量控制器开始，该控制器的氢气/二氧化碳比例为80/20 体积%。很快就发现，在这样做的过程中，我们引入了太多的氢气，助长了错误的微生物，而牺牲了甲烷的生产。因此，我们认为：我们必须能够分别添加氢气和二氧化碳这两种气体，这样就可以添加我们想要的任何比例。我们为氢气和二氧化碳分别购买了一个单独的质量流量控制器（来自EL-FLOW Select 系列）。”

Gert现在也在使用第三个质量流量控制器，例如添加氮气。这降低了氢气的分压，似乎提高了工艺的稳定性。他的研究现在正处于进一步的扩大阶段，在这个阶段，他将把反应器从实验室规模扩大到演示规模，甚至更大。

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