基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置与方法制造方法及图纸

基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置与方法，本发明专利技术的目的是为了解决微波加热预处理和辅助发酵的均匀性差，发酵产氢率低和产氢能耗高等问题。本发明专利技术基于双频双路耦合微波源的制氢装置中的矩形波导呈十字形并具有四个端部，矩形波导中的两个端部分别连接两个微波功率源，与连接微波功率源相对的端部设置有匹配活塞，在矩形波导的上表面中心处设置有多级圆波导，在矩形波导的下表面中心处连接有中心圆柱波导，两个波导组件分别与微波反应腔和发酵反应腔相连通。本发明专利技术制氢装置与方法通过双频均衡不同频率下的场分布，提高了微波加热预处理和辅助发酵的均匀性和效率，进而提高厌氧菌发酵的产氢率，产氢速率并降低产氢能耗。降低产氢能耗。降低产氢能耗。

【技术实现步骤摘要】
基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置与方法


[0001]本专利技术属于生物质能源
，具体涉及一种微波辅助细菌发酵农业废弃物产氢方法和装置。

技术介绍

[0002]近年来，农业废弃物产量剧增，据统计，中国秸秆废弃物的年总产量为7亿吨，按当量能源计算，相当于2亿吨的原油。农业废弃物的处理需求极大，目前，我国已相继出台多部规划和指导意见推动农业废弃物资源的高效利用，并进一步加大了政策支持以及财政支持的力度。农业废弃物的主要成分为大量的木质素和纤维素等植物纤维和畜禽粪便，具有很高的回收利用价值。对于这些废弃物的回收和处理是能源和环境的一大研究热点，目前对于农作物秸秆综合利用有这样几种方式：肥料化利用、饲料化利用、燃料化利用、基料化利用、工业原料化利用。其中肥料化如直接还田，堆肥处理占比最多。
[0003]有不少学者提出利用这些农业废弃物制氢，这是能量转化回收减少环境污染的有效途径。氢气能源是当前最具潜力的清洁能源，与传统的三大化石能源：石油，煤炭和天然气相比，氢气完全氧化的产物只有水，无二氧化碳、硫和氮等温室和有害气体排放。氢能源因其高清洁度，高能量密度被认为是未来最重要的工业能源和原料。随着全球能源和环境问题日益紧张，将农业废弃物转化为清洁氢能源，无论对能源供需平衡，还是对生态环境保护，都有着不可估量的价值。从制氢角度来看，当前的制氢方式有：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢和生物质制氢等，由于能源问题的紧张和可持续发展理念的深化，生物质制氢的电成本需求较低，能耗较小，最为环保。
[0004]使用农业废弃物制氢的技术目前主要有两类，一类是高温热解产氢，另一类是微生物发酵产氢。高温热解是在没有气化剂和燃烧剂的情况下，直接热解有机物使其裂解产生氢气等产物。过程的第一步是对原料进行预处理，主要将原料有机物高温裂解为生物碳和水，第二步深度地裂解这些生物碳，产物主要包括：氢气，二氧化碳，一氧化碳以及甲烷、乙烯等烃类，随着温度控制的不同，产物组分发生不同，烃类的相态可能变化，同时在较高温度下伴随着二次分解，烃类分解产生碳，低碳量烃和焦油等。高温热解存在着巨大的缺点，高温情况下产物组分十分复杂，存在着氢气纯度低，氢转化效率低和难以分离等问题。此外，热解需要的温度为600
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1200℃，如此高温会消耗大量的热能，工业所采用的加热方式包括：传统的燃烧供热，其承担着巨大的碳成本和环境污染压力，已经逐渐退出工业生产，取而代之的是电供热，如电阻丝，电极和微波加热等。
[0005]微生物产氢是利用了产氢微生物的生化反应，产氢微生物包括光合微生物，如绿藻和光合细菌；以及非光合微生物，如严格厌氧细菌，兼性厌氧细菌和好氧细菌。在光合或是发酵过程中，利用氢化酶或是固氮酶释放的电子将氢离子转化为氢气分子。碳水，脂肪，蛋白质等有机物作为供氢体，产物主要为水，乙酸、丁酸、乙醇、氢气和二氧化碳。混合气包含氢气与二氧化碳，可采用加压液化法分离，副产物二氧化碳可作为重要的工业原料，残液
包含水，乙酸、丁酸和乙醇等，可通过分馏逐一获得，均是重要的工业原料。微生物方法虽然产氢速率较慢，但其气体产物组分简单，易于分离；此外，氢转化效率高，产氢所需的温度通常不高，能耗较低，对环境友好，发酵装置易于放大，更容易实现工业化。
[0006]在农业废弃物处理中，微波已是一个成熟且重要的参与角色，微波的主要作用体现在：一方面为微波的热效应，通过加速分子间摩擦和介电损耗将电转化为热，可使系统迅速升温，非接触式加热大大提高了操作人员的便利性。另一方面为微波的催化效应：微波导致的分子极化会使得反应体系中粒径和密度变化趋向于更均匀的分布，微波激发的等离子体会使分子获得更高的能量，分子碰撞更加激烈。在原料的预处理中，微波首先可以进行快速加热控制含水量，杀死病原体，利于产氢菌的发酵，其次可以很大程度上破坏植物纤维的致密结构，裂解生物固体，释放为水，无机盐，有机物等，稳定重金属离子。在现有的微波辅助处理废弃物产氢的研究中，对于微波源的考虑不够深入，均为单一的2450MHz的微波源，在充满大量低介电损耗物质的容器中，微波无论加热还是催化效应都大打折扣。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决微波加热预处理和辅助发酵的均匀性差，发酵产氢率低，产氢速率慢和产氢能耗高等问题，而提供一种基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢方法与装置。
[0008]本专利技术基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置包括两个微波功率源、两个波导组件、微波反应腔、发酵反应腔、传送带、氮气瓶和集气瓶，所述的波导组件包括中心圆柱波导、矩形波导、多级圆波导和匹配活塞，其中矩形波导呈十字形并具有四个端部，矩形波导中的两个端部分别连接两个微波功率源，与连接微波功率源相对的端部设置有匹配活塞，在矩形波导的上表面中心处设置有多级圆波导，在矩形波导的下表面中心处连接有中心圆柱波导；
[0009]两个波导组件中的中心圆柱波导的下部分别与微波反应腔和发酵反应腔相连通，在微波反应腔上开有进料口，微波反应腔的出料口经传送带与发酵反应腔的进料口相连通，发酵反应腔上还开有进气口和出气口，进气口与氮气瓶相连，出气口与集气瓶相连。
[0010]本专利技术基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置中的两个单频高功率微波源通过矩形方波导两路耦合至中心圆波导中，底部多级圆波导与匹配负载实现良好的功率传输，微波谐振反应腔中设有气料出入口。
[0011]本专利技术基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢方法按照以下步骤实现：
[0012]一、对农业废弃物进行干燥和粉碎，粉碎后的农业废弃物装入微波反应腔中，然后加入水和金属氧化物颗粒，得到发酵混合物；
[0013]二、开启两个微波功率源，控制两个微波功率源的输入频率为2430MHz～2480MHz，矩形波导两侧的输入频率差为20MHz～40MHz，微波功率源的功率为0.6～1kW，以200～300℃的温度进行预处理，得到预处理后的发酵物；
[0014]三、预处理后的发酵物与产氢菌混合后加入到发酵反应腔中，降低调节微波功率源的功率(输入频率和频率差不变)，控制发酵温度为40～65℃，通入氮气进行厌氧发酵，收集排出的气体；
[0015]四、对步骤三得到的气体进行加压液化法分离，获得液氢。
[0016]本专利技术提出使用双频双路耦合微波源辅助制氢的方法，双频微波源优势在于：相比单频，双频通过均衡不同频率下的场分布，使其叠加场的强弱分布更加合理，加热更加均匀；相比多频，多频不仅意味更多复杂的模式，而且带来多源馈口间的能量互耦损失和微波泄漏，双频能够做到较小的能量损耗。工业生产中为达到600
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1200℃的高温，采用的微波源通常高于6kW，所使用的单个磁控管微波源的功率为1kW左右，这不仅对波导和变压器等微波部件提出了极高要求，且使用的多源技术有着较大的耦合损失，且微波泄漏严重，能耗居高不下。细菌发酵产氢在预处理阶段所需温度只有200
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置，其特征在于该制氢装置包括两个微波功率源(1)、两个波导组件、微波反应腔(7)、发酵反应腔(11)、传送带(12)、氮气瓶(13)和集气瓶(14)，所述的波导组件包括中心圆柱波导(2)、矩形波导(3)、多级圆波导(4)和匹配活塞(5)，其中矩形波导(3)呈十字形并具有四个端部，矩形波导(3)中的两个端部分别连接两个微波功率源(1)，与连接微波功率源(1)相对的端部设置有匹配活塞(5)，在矩形波导(3)的上表面中心处设置有多级圆波导(4)，在矩形波导(3)的下表面中心处连接有中心圆柱波导(2)；两个波导组件中的中心圆柱波导(2)的下部分别与微波反应腔(7)和发酵反应腔(11)相连通，在微波反应腔(7)上开有进料口(8)，微波反应腔(7)的出料口经传送带(12)与发酵反应腔(11)的进料口相连通，发酵反应腔(11)上还开有进气口(9)和出气口(10)，进气口(9)与氮气瓶(13)相连，出气口(10)与集气瓶(14)相连。2.根据权利要求1所述的基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置，其特征在于矩形波导(3)与中心圆柱波导(2)连接处设置有倒角。3.根据权利要求1所述的基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置，其特征在于多级圆波导(4)采用4级结构，在多级圆波导(4)与矩形波导(3)的连接处设置倒角。4.根据权利要求1所述的基于双频双路耦合微波源的细菌发酵农业废弃物制氢装置，其特征在于在矩形波导(3)内设置渐变匹配节(6)，渐变匹配节(6)为直角梯形。5.基于双频双路耦合微波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琮，李纪虎，赵蒙，蔡大雨，魏杰，李喆一，王磊，赵晓波，
申请(专利权)人：青岛晶芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：