研究簡(jiǎn)介:全球對減少人為產(chǎn)生的溫室氣體影響的緊迫性意識不斷增強，推動(dòng)了工業(yè)、交通和能源部門(mén)的綠色轉型。隨著(zhù)全球對減少人為溫室氣體影響的緊迫性認識的增加，綠色轉型的速度加快，目的是實(shí)現工業(yè)、交通和能源部門(mén)的脫碳。國際可再生能源機構（IRENA）報告稱(chēng)，2020年全球可再生能源發(fā)電能力擴大了10.3％，主要依賴(lài)于風(fēng)能和太陽(yáng)能等間歇性能源。然而重型交通等無(wú)法直接電氣化的部門(mén)需要開(kāi)發(fā)Power-to-X（PtX）技術(shù)，利用可再生能源將CO2轉化為可再生的碳基燃料。PtX技術(shù)目前正在開(kāi)發(fā)用于將CO2轉化為各種增值產(chǎn)品。一種新興的技術(shù)是生物電化學(xué)系統，其中通過(guò)陰極提供微生物CO2還原的還原當量。盡管這些系統在生產(chǎn)H2、丁酸和CH4等方面表現出希望，但許多系統仍處于實(shí)驗室規模。大多數領(lǐng)先的PtX技術(shù)選項目前基于通過(guò)使用可再生電力進(jìn)行水電解產(chǎn)生的可再生氫（H2）?；贖2平臺的各種PtX應用通過(guò)減少CO2來(lái)生產(chǎn)各種化學(xué)品，如生物乙醇、乙酸、甲烷、生物基塑料（聚羥基丁酸酯）和蛋白質(zhì)。具有集成碳捕獲和利用（CCU）潛力的新興PtX技術(shù)是原位生物甲烷化，將CO2轉化為運輸和化學(xué)工業(yè)部門(mén)急需的碳中性生物甲烷（CH4）。

本研究采用一種新穎的方法，通過(guò)在滴流床反應器（TBR）的垂直軸上安裝多個(gè)H2微傳感器，監測反應器內部的動(dòng)態(tài)過(guò)程。該方法在丹麥的一家全規模沼氣廠(chǎng)中進(jìn)行了135天的實(shí)驗驗證。研究人員通過(guò)在TBR的不同高度安裝氫氣微傳感器（unisense），以創(chuàng )建反應器內的H2濃度剖面。通過(guò)持續監測H2濃度，實(shí)現對TBR內部動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監測和控制，最大限度地利用反應器的性能能力，并且能夠在反應器性能惡化之前幾天發(fā)出早期預警。

Unisense微電極系統的應用

在TBR的垂直軸上安裝了多個(gè)新型的H2微傳感器，新型H2微傳感器用于監測反應器頂部、中部和底部的氫濃度，以照亮TBR的黑匣子，創(chuàng )建反應器的濃度剖面。通過(guò)監測不同位置的H2濃度，揭示反應器內部的動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現了對TBR內部動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監測和控制，提高了反應器的穩定性和生產(chǎn)力。

實(shí)驗結果

TBRs中生物甲烷化的近似塞流條件被確定為導致局部CH4生產(chǎn)能力達到54.8 L L?1d?1，盡管總體CH4生產(chǎn)能力為12.6 L L?1d?1，這是由于生物和質(zhì)量傳遞限制。證明了沿垂直軸線(xiàn)戰略性安裝的H2微傳感器能夠監測這種內部分區和局部性能能力。傳感器平臺的過(guò)程監測因此能夠實(shí)現快速響應和優(yōu)化，通過(guò)充分利用反應器體積以及檢測性能變化（即早期預警）。

圖1、滴流床反應器和監測裝置的工藝和儀器示意圖。

圖2、滴流床反應器中I階段不同垂直位置的氫氣底物濃度分布：A)第1段0–12.5厘米，B)第2段12.5–51.5厘米，C)第3段51.5–91.5厘米。每個(gè)數據點(diǎn)代表1440次測量的平均值（每分鐘1次測量）。

圖3、135天操作期間，在滴流床反應器垂直軸線(xiàn)上不同位置的傳感器測量的局部甲烷生產(chǎn)能力時(shí)間序列數據（基于連續的氫氣傳感器和定期的氣體成分及流量測量）：第1段（0–12.5厘米），第2段（12.5–51.5厘米），第3段（51.5–91.5厘米）。每個(gè)數據點(diǎn)代表1440次測量的平均值（每分鐘1次測量）。

圖4、滴流床反應器第88天通過(guò)氫氣微傳感器揭示的酸化早期預警，隨后在第92天完全酸化，導致產(chǎn)品氣質(zhì)量下降。每個(gè)數據點(diǎn)代表1440次測量的平均值（每分鐘1次測量）。

圖5、滴流床反應器尺寸相對于厭氧消化器尺寸的甲烷生產(chǎn)能力的相對關(guān)系圖。虛線(xiàn)表示達到3.5（階段I和II）、12.6 L L?1d?1（階段III）和54.8 L L?1d?1（階段III–第1段）甲烷生產(chǎn)能力時(shí)所需的反應器尺寸預測。

結論與展望

通過(guò)將新開(kāi)發(fā)的內聯(lián)H2微傳感器與反應器氣相中反應物和產(chǎn)物的順流特性相結合，建立了一種垂直監測TBR控制的H2濃度剖面的新方法。這種H2濃度剖面的建立提供了一種監測反應器內部動(dòng)態(tài)的新方法，并且證明了TBR是高度動(dòng)態(tài)的系統。H2傳感器的垂直定位使得能夠對H2的轉化速率進(jìn)行持續在線(xiàn)監測，從而充分利用了反應器的性能容量，并且可以基于檢測到的H2消耗模式的分歧進(jìn)行早期警報。提高生物甲烷化效率，通過(guò)精確監測和控制反應器內部的動(dòng)態(tài)過(guò)程，能夠顯著(zhù)提高TBR的穩定性和CH4生產(chǎn)率。建立了早期預警機制，傳感器能夠在傳統氣體分析方法之前幾天檢測到H2消耗模式的變化，從而提供早期預警。本研究方法在實(shí)際沼氣廠(chǎng)中得到了驗證，展示了其在實(shí)際環(huán)境中的有效性和應用潛力。這種傳感技術(shù)（unisense）和過(guò)程監控方法在工業(yè)上具有重要的應用價(jià)值，能夠顯著(zhù)提升生物甲烷化滴流床反應器的效率和穩定性。因此所提出的系統可以作為改進(jìn)的生物甲烷化過(guò)程監測和隨后控制的重要工具，用于滴流床反應器。本研究成果通過(guò)引入先進(jìn)的傳感技術(shù)和過(guò)程監控方法，為提升生物甲烷化滴流床反應器的效率和穩定性提供了重要的技術(shù)支持，具有廣泛的工業(yè)應用前景。