CN101314780A - 利用太阳能生产甲烷和电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种利用太阳能生产甲烷和电的方法，是在封闭的太阳能温室内，种植快速生长的植物，收割植物，进行厌氧消化，产生含有甲烷和二氧化碳的沼气，将沼气燃烧发电，同时产生二氧化碳；或分离沼气生产甲烷和二氧化碳；产生的二氧化碳通入温室，甲烷输出，植物厌氧消化残渣和消化液作为温室内植物生长肥料。本发明自成循环系统，几乎没有能量损失，因而节约了植物生长需要的肥料。系统不需要输入任何其他物质，如肥料等，简化了太阳能转化利用过程。每亩太阳能温室年产甲烷达到6000方(75％消化转化率)，发电24000kwh。

Description

利用太阳能生产甲烷和电的方法
技术领域
本发明属于一种能源技术领域，更具体地说是关于太阳能植物转化和利用植物生产甲烷燃料和电的方法。
背景技术
现有的太阳能利用方法，如光伏电池，太阳能集热器等，其主要设施均是按照收集太阳辐射最大能量来设计制造的，设备复杂，而利用率很低，使太阳能的利用成本很大。植物能够将太阳能通过光合作用转换为生物质，不需要复杂装置，是自古以来人们就使用的能源。生物质能虽然成本低，但资源分散，品质低，随着化石燃料的出现和工业化的发展，在发达地区，逐渐停止了使用。近年来，由于石油危机和温室效应的预测，人们重新重视生物质资源的开发和转化利用。
太阳能转化利用率与生物质的产量成正比。因此，提高植物产量是提高太阳能利用率的关键因素之一。通常植物生长需要消耗大量营养盐。现有的太阳能植物转化和利用系统中，为了使种植的植物获得高产量，需要供应大量肥料，以满足植物对营养盐的需要。生产这些肥料需要复杂的设施，并消耗很多能量。在植物转化利用过程中，产生了大量废弃物，需要复杂的设施，处理过程中还消耗大量能量，使太阳能植物转换和植物利用系统非常复杂。此外，植物的收集和运输，也需要复杂的装置和设备，如收割机、汽车等，在使用过程中消耗很多能量。因此，目前的植物能源利用，主要使用生物质废料。
发明内容
本发明针对现有方案的缺点，提出一种通过植物光合作用利用太阳能生产生物质，然后通过厌氧消化转化为沼气分离生产甲烷或燃烧发电的方法，这种方法将植物厌氧发酵产生的废液和废渣用作植物生长的肥料提高太阳能利用率，简化太阳能转化和植物转化利用过程。
本发明技术方案如下：
利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：在封闭的太阳能温室内，种植快速生长的植物，收割植物，进行厌氧消化，产生含有甲烷和二氧化碳的沼气，将沼气燃烧发电，同时产生二氧化碳；或分离沼气生产甲烷和二氧化碳；植物厌氧消化残渣和消化液作为温室内植物生长肥料。
利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：在水池中养殖水生植物，收集植物，进行厌氧消化，产生含有甲烷和二氧化碳的沼气，将沼气燃烧发电，同时产生二氧化碳；或分离沼气生产甲烷和二氧化碳；植物厌氧消化残渣和消化液进入水池用作植物生长肥料。
所产生的二氧化碳通入温室，用于促进植物生长。
所产生的二氧化碳通入水池，用于促进植物生长。
所述太阳能温室内设有水池，快速生长的植物是生长在水池中的水生植物。
所述的水生植物为水葫芦，水花生，水浮莲。
向所述水池内通入污水，利用水池内水生植物系统净化污水。
所述水池成环形沟道，沟道内设推流器，水生植物收集装置，开动推流器，推动沟内水流流动，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表面的水生植物移动到收集装置上，由收集装置收集。
所述收集装置由输送机，破碎机和泵组成，水生植物由输送机输送到破碎机，破碎机将收集的水生植物破碎后，由泵通过管道输送，进行厌氧消化处理。
在太阳能温室内，通过植物，如紫花苜蓿等进行光合作用，将太阳能转换为生物质，每天收集部分生物质，通过厌氧消化生产沼气，沼气燃烧发电同时产生二氧化碳或分离沼气中二氧化碳生产甲烷，产生的沼渣和沼液作为温室内植物生长的肥料，促进植物生长，提高太阳能转化率。
本发明的第二种技术方案是在水池中，养殖生长速度很快的水生植物，如水葫芦，用作厌氧消化的原料，每天收集部分水葫芦，同时保留水池中水葫芦一定数量，以利于保持水葫芦每天的增长量。收集的水葫芦通过厌氧消化生产沼气，沼气燃烧发电同时产生二氧化碳或分离沼气中二氧化碳生产甲烷，产生的沼渣和沼液作为温室内植物生长的肥料，促进植物生长，提高太阳能转化率。
在上述两种方案中，还可将厌氧消化产生的二氧化碳，以及甲烷燃烧发电产生的二氧化碳，通入温室或水池内回用，以促进植物生长和太阳能转化。
选择生长速度快，产量高的植物，单位面积土地能够转化较多的太阳能，生产较多的电能和甲烷，是较好的方案。选择的植物应在不同季节生长均匀，能够比较均匀地提供生物质，作为厌氧消化原料，从而避免储存生物质带来的生物质损失和能量消耗。应选择多年生植物，不需要每年播种，减少了种子收集和播种等工序。应选择含木质素少，可消化组分多的植物，有利于生物质厌氧消化转化为甲烷燃料，是本方案中较好的植物。满足这些要求，比较好的植物包括紫花苜蓿，高羊毛，水葫芦，水花生，水浮莲等，其中最好的植物是水生植物风眼莲。
在以上所述方案的太阳能温室内设置水池，所述植物是水生植物，如水葫芦，水浮莲等。水生植物生长速度快。其中水葫芦是已知生长最快的多年生植物之一。采用生长快速的水生植物，如水葫芦可提高太阳能转化率。
在以上方案中，向所述太阳能温室或水池内输入污水，利用污水中氮磷钾等营养盐作为植物植物生长肥料，污水中的有机物被温室内微生物氧化为二氧化碳，提供了植物生长所需。污水同时得到净化。
在以上方案中，将水池设计成环形沟道，沟道内设推流器，水生植物收集装置，开动推流器，推动沟内水流流动，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表面的水生植物在沟内移动，收集装置在沟内固定位置收集不断移动的生物质。
在以上方案中，所述收集装置由输送机，破碎机和泵组成，水生植物有输送机输送到破碎机，破碎机将收集的水生植物破碎后，由于水生植物含水率高达95％左右，可由泵通过管道输送到厌氧消化池进行厌氧消化。
本发明的有益效果是：
本发明厌氧消化产生的沼渣和沼液作为植物生长的肥料；厌氧消化产生的二氧化碳，返回到温室内，促进植物光合作用，提高了植物产量。本方案实现了封闭的物质循环，不对外界排放任何污染物，其中植物转化将部分二氧化碳固定为木质素，不能被厌氧消化转化，该过程减少了温室气体排放。向温室内补充二氧化碳，可以提高植物生长速度，和太阳能转化效率。植物厌氧消化残渣和消化液很好地保留了氮磷钾等养分，这些养分在系统内部循环，几乎没有损失，因而节约了植物生长需要的肥料。系统不需要输入任何其他物质，如肥料等，简化了太阳能转化利用过程。该方法同时能够处理污水，分解吸收污水中有机物和营养盐，从而不需要修建复杂的污水处理装置。
本发明采用水生植物如风眼莲，一方面水生植物，生长快，产量高，在温室条件下，多年生植物风眼莲能够1年365天连续生长和利用，同时，提高温室内二氧化碳浓度，风眼莲年产量达到干重200吨以上/ha(年太阳辐射5000MJ/m2地区)。太阳能转化率超过7％。水葫芦是原产热带的多年生草本植物，木质素含量低于5％，可消化能量成分高达90％以上，采用厌氧消化技术，转化率可达80％以上，转化温度仅为35℃左右，能量损失小，产品甲烷分离纯化能耗低，还可不分离直接输入到燃气轮机与蒸汽轮机联合高效发电(发电能量转化率可达46％)。每亩年产甲烷达到6000方(75％消化转化率)，发电24000kwh。
由于采用封闭循环，肥料不会流失，避免了通常植物种植带来的水土流失导致的水体富营养化问题。
将水池设计成环形沟道，沟道内设推流器，水生植物收集装置，开动推流器，推动沟内水流流动，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表面的水生植物移动到收集装置上，由收集装置收集。收集时仅仅收集其中部分的水生植物，其余的部分仍然放养，以便生长。理想状态是处于一边收集一边保持池中一定的水生植物养殖规模。现有水生植物的收集方法，需要移动收集设备，去收集植物，本发明方法简化了收集设备的复杂性，保持收集装置不动，通过水生植物流动来进行收集，减小了收集能耗和费用。
收集装置由输送机，破碎机和泵组成，破碎机将收集的水生植物破碎后，由于水生植物含水率高达95％左右，可由泵通过管道输送到远处。不需要使用轮船汽车等运输设备，降低了运输费用。
温室可以在寒冷季节为多年生植物提供生长环境，保证了寒冷季节厌氧消化使用的植物原料的供应。同时，使系统常年保证了植物量，无需生产种子，以及相关的种子收集和播种等操作。在热带地区，植物如果能够常年生长，可以省略温室。
还可在温室中央建高烟囱，导入温室内被加热的空气，在烟囱内部安装风力发电机可以发电。
附图说明
附图1是根据本发明的太阳能植物利用生产甲烷流程示意图。
附图2是根据本发明的太阳能植物利用生产电能流程示意图。
具体实施方式
实施例1
在面积为300亩温室内种植高羊茅，每天收集高羊茅茎叶折合干草0.5-1.5吨，在150m3厌氧消化反应器2内发酵生成沼气300-900m3，沼渣和沼液人工撒入温室1，用于做高羊茅生长的肥料，在分离器3中将沼气中甲烷和二氧化碳分离，二氧化碳通入温室，提高温室二氧化碳浓度，促进植物光合作用和产量，甲烷经脱硫干燥后成为产品输出，每天产甲烷180-540m3左右。
实施例2
在面积为1500亩土地上种植紫花苜蓿，每天收集紫花苜蓿茎叶折合干草2.5-7.5吨，在700m3厌氧消化反应器2内发酵生成沼气1500-4000m3，沼渣和沼液用于做植物生长的肥料，沼气直接与温室内空气在燃气轮机4内燃烧发电约3000-8000kwh。
实施例3
在面积约为150亩温室内，设置1m水深水池内种植风眼莲，水池是由三个直径分别为350米、120米和10米圆形墙之间构成的二个封闭环形沟道，沟道内局部区域深度为3米，设有直径1.8米低速推流器，推动水体流动，流动速度为0.01-0.05m/s。流量为10000吨/天的污水经格栅除去较大固体，经沉砂池除去比重较大的固体，流入由10米圆形墙构成的沉淀池，沉淀的污泥和格栅除去的固体送入厌氧消化反应器，出水进入环形水池。环形水池沟道上设有风眼莲收集设备，收集设备有皮带输送机，破碎装置和泵组成，每天收集风眼莲茎叶折合干重3-6吨，夏季较多，冬季较少，保持池内水葫芦覆盖度50-80％，收集的水葫芦直接破碎后，由泵输送到厌氧反应器，在500m3厌氧消化反应器2内发酵生成沼气1600-3000m3，沼渣和沼液回流入水池，用于做风眼莲生长的肥料，沼气直接与温室内空气在燃气轮机4内燃烧发电约3000-6000kwh，产生的废气通过水洗降温进入水池，提高水池上方二氧化碳浓度，促进植物光合作用和产量。

Claims (9)

1、利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：在封闭的太阳能温室内，种植快速生长的植物，收割植物，进行厌氧消化，产生含有甲烷和二氧化碳的沼气，将沼气燃烧发电，同时产生二氧化碳；或分离沼气生产甲烷和二氧化碳；植物厌氧消化残渣和消化液作为温室内植物生长肥料。
2、利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：在水池中养殖水生植物，收集植物，进行厌氧消化，产生含有甲烷和二氧化碳的沼气，将沼气燃烧发电，同时产生二氧化碳；或分离沼气生产甲烷和二氧化碳；植物厌氧消化残渣和消化液进入水池用作植物生长肥料。
3、根据权利要求书1所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：所产生的二氧化碳通入温室，用于促进植物生长。
4、根据权利要求书2所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：所产生的二氧化碳通入水池，用于促进植物生长。
5、根据权利要求书1所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：所述太阳能温室内设有水池，快速生长的植物是生长在水池中的水生植物。
6、根据权利要求书2和5所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：所述的水生植物为水葫芦，水花生，水浮莲。
7、根据权利要求书2和5所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：向所述水池内通入污水，利用水池内水生植物系统净化污水。
8、根据权利要求书2和5所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：所述水池成环形沟道，沟道内设推流器，水生植物收集装置，开动推流器，推动沟内水流流动，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表面的水生植物移动到收集装置上，由收集装置收集。
9、根据权利要求书8所述利用太阳能生产甲烷和电的方法，其特征在于：所述收集装置由输送机，破碎机和泵组成，水生植物由输送机输送到破碎机，破碎机将收集的水生植物破碎后，由泵通过管道输送，进行厌氧消化处理。
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