一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的装置和方法

摘要

本发明属于沼气净化与气体分离领域，特指一种采用水合物法为植物光合作用稳定供碳的装置和方法。本发明利用水合物法固化沼气中的二氧化碳，进而将沼气提纯，提纯后的甲烷可以作为民用气燃烧，也可经过进一步处理用来作为工业原料气或动力能源等用途；固化后的二氧化碳水合物利用太阳能所提供的热量分解，高浓度的二氧化碳被送入大棚以提高植物的光合作用效率，提高农作物的产量。

说明书

技术领域

本发明属于沼气净化与气体分离领域，这里特指利用水合物法固化沼气中的二氧化碳，进而将沼气提纯，提纯后的甲烷可以作为民用气燃烧，也可经过进一步处理用来作为工业原料气或动力能源等用途；固化后的二氧化碳水合物利用太阳能所提供的热量分解，高浓度的二氧化碳被送入大棚以提高植物的光合作用效率，提高农作物的产量。

背景技术

随着沼气技术在农村的普及，如何提高农村沼气利用率，并将其与现代农业相结合一直都是研究的热点；沼气的主要成分包括二氧化碳（30％-40％）与甲烷（50％-70％）二种气体，二氧化碳是植物光合作用的原料，较高浓度的二氧化碳能够提高光合作用的效率；甲烷提纯后能够用于民用气及LNG等的原料气，二者都具有较大的用途。

水合物气体分离技术基于不同气体形成水合物的条件不同，通过控制水合反应的温压条件将二氧化碳及甲烷气体相分离，进而进步利用；专利“一种沼气净化方法及系统”（200710019153.0，公开（公告）号CN 101428190A）提出了一种采用水合物法固化沼气中的二氧化碳，从而将甲烷提纯获得高纯甲烷气的方法；专利“一种利用太阳能加热结晶水合物给温室大棚供暖的装置”（201220612156.1，公开（公告）号CN202873445U）提出了一种利用太阳能加热结晶水合物的吸放热过程，为温室大棚供暖的装置，然而，对于目前来说，有关沼气与现代农业相结合的“绿色”农业途径仍然未找到，因此，亟需探寻出一种能够实际应用的绿色农业模式。

发明内容

本发明的目的是针对当前农村沼气利用的低效性，通过水合物法将沼气中的二种主要气体组分分离，分离后的高浓度二氧化碳用于提高植物大棚内二氧化碳的浓度，以增强光合作用强度，提高农产品的产量以及品质，分离后的甲烷气，由于浓度较高，提高了气体品质，能够用于各种用途。

本发明由太阳能集热器；离心水泵；保温箱；单向液阀；水合物存储单元；截至阀；单向气阀；植物大棚；浆液泵；三相分离器；水合物生成单元；压力控制阀；压缩机；研碎装置；制冰装置；水合物存储单元夹套空腔；沼气池和过滤器组成；沼气池的输出端与第三单向气阀的输入端连接；第三单向气阀的输出端与过滤器的输入端连接；过滤器的输出端与压缩机的输入端连接；压缩机的输出端与第二压力控制阀的输入端连接；第二压力控制阀的输出端与水合物生成单元的第一输入端连接；进水管接入制冰装置的第一输入端；制冰装置的输出端与研碎装置的输入端连接；研碎装置的输出端与第三浆体泵的输入端连接；第三浆体泵的输出端与第四单向液阀的输入端连接；第四单向液阀的输出端与水合物生成单元的第二输入端连接；水合物生成单元的第一输出端与第一压力控制阀的输入端连接；第一压力控制阀的输出端用于输出高浓度甲烷气；水合物生成单元的第二输出端与第三截止阀的输入端连接；第三截止阀的输出端与第二浆液泵的输入端连接；第二浆液泵的输出端与立式三相分离器的输入端连接；立式三相分离器的第一输出端与第二单向气阀的输入端连接；第二单向气阀的输出端用于输出甲烷气；立式三相分离器的第二输出端与第六单向液阀的输入端连接；第六单向液阀的输出端与第四离心水泵的输入端连接；第四离心水泵的输出端与第五单向液阀的第一输入端连接；第五单向液阀的输出端与制冰装置的第二输入端连接；立式三相分离器的第三输出端与第二截止阀的输入端连接；第二截止阀的输出端第一浆液泵的输入端连接；第一浆液泵的输出端与第一截止阀的输入端连接；第一截止阀的输出端与水合物存储单元的输入端连接；水合物存储单元的第一输出端与第一单向气阀的输入端连接；第一单向气阀的输出端与植物大棚的输入端连接；水合物存储单元的第二输出端与第三单向液阀的输入端连接；第三单向液阀的输出端与第三离心水泵的输入端连接；第三离心水泵的输出端与第五单向液阀的第二输入端连接；太阳能集热器的输出端与第一离心水泵的输入端连接；第一离心水泵的第一输出端与保温箱的第一输入端连接；保温箱的第一输出端与第七单向液阀的第一输入端连接；第七单向液阀的输出端与太阳能集热器的输入端连接；第一离心水泵的第二输出端与第一单向液阀的第一输入端连接；第一单向液阀的输出端与第二离心水泵的输入端连接；第二离心水泵的输出端与水合物存储单元夹套空腔的输入端连接；水合物存储单元夹套空腔的输出端与第二单向液阀的输入端连接；第二单向液阀的第一输出端与保温箱的第二输入端连接；保温箱的第二输出端与第一单向液阀的第二输入端连接；第二单向液阀的第二输出端与第七单向液阀的第二输入端连接。

本发明的显著优点在以下几个方面：

（1）采用水合物法固化沼气中大量的二氧化碳，以将沼气中二种主要的气体分离，提纯后的甲烷输出作为能源或其它的用途使用，所形成的二氧化碳水合物分解，放出二氧化碳气体作为大棚植物光合作用的原料。

（2）水合物分解过程中充分利用太阳能所提供的热量，无污染且大大降低了成本。

（3）将民用沼气与中的二氧化碳用于提高植物的光合作用效率，使得农作物的产量及质量得到提高，不仅提高了沼气的利用率，而且有助于减少温室气体的排放。

（4）经过分离后的沼气，甲烷浓度很高，提高气体的的品质，这部分甲烷气体能够供民用燃烧，甚至能够用于LNG，CNG生产的原料气。

（5）未反应的水被重新用于水合物的合成，充分节约了水资源。

（6）该技术将沼气技术与水合物技术相结合，为绿色农业的发展提供了一个有效的途径，且为工业生产所产生的二氧化碳提供了一个有效的途径。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图。

图中：1 －太阳能集热器；2，5，12，28－离心水泵；3－保温箱；4，6，8，23，27，29，30－单向液阀；7－水合物存储单元；9，14，17—截至阀；10，20，33－单向气阀；11－植物大棚；13，16，24－浆液泵；15－三相分离器；18－水合物生成单元；19，22－压力控制阀；21－压缩机；25－研碎装置；26－制冰装置；31－水合物存储单元夹套空腔；32－沼气池；34－过滤器。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要本发明由太阳能集热器；离心水泵；保温箱；单向液阀；水合物存储单元；截至阀；单向气阀；植物大棚；浆液泵；三相分离器；水合物生成单元；压力控制阀；压缩机；研碎装置；制冰装置；水合物存储单元夹套空腔；沼气池和过滤器组成。其具体的实施方案如下：

（1）水经过制冰装置26制冰，并经过研碎装置25研碎成冰水混合物，后经由第三浆液泵24经过第四单向液阀23，进入水合物反应单元18内，完成进液过程，紧接着将水合物反应单元18中的制冷循环打开，使反应器内部的温度维持在4.5-6℃,一般取5℃。

（2）沼气池32内的沼气经过第三单向气阀33、流经过滤器34过滤，过滤后的气体经过压缩机21增压，由第二压力控制阀22进入水合物反应单元18内，待水合物反应单元内气体的压力达到3-4MPa，一般取3.5MP时，停止进气，将温度控制在5℃。

（3）经过水合物反应单元18的水合反应后，大部分二氧化碳以水合物的形式被固定下来，未反应的气体经由第一压力控制阀19后作为高浓度甲烷气外输；二氧化碳水合物经由第三截止阀17，并由第二浆液泵16泵入三相分离器15进行分离。

（4）三相分离器15中的气体经由第二单向气阀20外输，水经由第六单向液阀29后，由第四离心水泵28经过第五单向液阀27泵入进水管道，重新利用。

（5）三相分离器15中的水合物经过第二截止阀14引出，在第一浆液泵13的作用下通过第一截止阀9进入水合物存储单元7存储。

（6）在需要时，水合物存储单元在外界提供热量的情况下发生分解，释放的二氧化碳气体经由第一单向气阀10，被送入植物大棚11内，以提高植物的光合作用效率，增加产量；分解后的水由第三单向液阀8经过第三离心水泵12加压后，由第五单向液阀27送入进水管路。

（7）太阳能集热器1由12根竖排的热管组成，在吸收太阳光的能量后；水的温度升高，温度较高的热水经过第一离心水泵2的加压后，经过第一单向阀4第二离心水泵5后进入水合物存储单元7为水合物分解提供热量，之后，低温水经过第二单向阀6、第七单向阀30回到太阳能集热器1吸收热量；保温箱3在过程当中吸收多余的热量，并存储起来，以供阴雨天气使用，届时，液体由流经保温箱后温度升高，高温的液体在经过第一单向阀4第二离心水泵5后进入水合物存储单元7为水合物分解提供热量，之后，低温液体经过第二单向阀6重新进入保温箱吸收热量，完成循环。