CN101798953A - 中低温多能互补沼气发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于沼气发电领域的中低温多能互补沼气发电系统。该系统属于新型可再生能源联合发电系统，采用两级CSTR发酵技术，通过与热管式太阳能集热单元、低风速风能利用单元和余热利用单元的互补优化集成，实现中低温条件下沼气发电系统全年稳定高效进行，实现多能互补沼气发电系统全工况能耗最低，全部使用可再生能源，系统无二次污染。

Description

中低温多能互补沼气发电系统
技术领域
本发明涉及沼气发电领域，尤其涉及沼气发电的太阳能及风能联合加热设备。
背景技术
燃煤电厂污染物对环境的破坏，使得可再生能源日益受到普遍关注。沼气是一种新型可再生能源，主要由甲烷和二氧化碳组成，通常情况下两者的含量分别为55％～70％、25％～40％。利用沼气发电可以大大地减少污染物排放量，同时由于沼气的生产利用有效地降低了有机废弃物自然堆放过程中释放的CH4温室气体排放量，利于缓和温室效应。每减少1吨CH4排放量，相当于减少25吨CO2的排放。
我国为保障能源和电力的可持续供给，国家对生物质能的发展给予了高度重视。《可再生能源中长期发展规划》和《可再生能源发展“十一五”规划》确定到2010年，全国生物质发电装机容量达到550万千瓦，沼气年利用量达到190亿立方米。到2020年，生物质发电总装机容量达到3000万千瓦，生物质固体成型燃料年利用量达到5000万吨，沼气年利用量达到440亿立方米。规模化畜禽养殖场、工业有机废水处理和城市污水处理厂建设沼气工程，配套安装沼气发电设施，在2010年和2020年分别达到100万千瓦和300万千瓦。沼气建设规模不断扩大，进入了快速发展的新阶段。
另一方面，随着经济的快速发展，电力紧缺状况日趋严重，严重影响畜禽养殖的正常生产。同时由于目前集约化养殖步伐加快，现代化养殖技术的利用，污水和粪便的清理采用机械化，由于停电造成清理不及时，导致养殖场污水四溢，蚊蝇孳生，严重影响养殖场的防疫和安全生产。
传统的沼气发酵系统直接燃烧沼气，消耗大量优质能源，降低系统效率，通过沼气发电，可解决养殖场的日常用电，减少电网供电压力，确保集约化畜禽养殖场正常生产，多余电力可用于农产品深加工。沼气发电在消耗沼气的同时，提高了能量的品位，能源利用效率和使用范围，解决了大中型沼气工程产气和沼气消纳之间的矛盾，确保沼气工程的效益和可持续发展。
然而，在我国中低温地区，大中型沼气工程依然存在低温条件下沼气发酵系统产气率低，低温条件下沼气发酵系统供热能量来源单一，沼气发电系统稳定性差，沼气发电成套设备的集成能力和运行水平有待提高等诸多问题。传统的风能互补沼气发电系统以及太阳能互补发酵系统采用风能、太阳能互补的方法为沼气发酵系统增温提供能量，但太阳辐射强度波动大，昼夜温差大，太阳能独立供热的方法难以满足沼气发酵的温度要求；而风力发电系统由于受到气候的影响，风力发电存在较大的不稳定性和波动性，使得风能互补沼气发电系统的正常运行受到严重制约，如何保证沼气发酵系统全年稳定、高效运行成为沼气大规模推广急需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种中低温多能互补沼气发电系统。
该系统包括主管道、前处理单元、厌氧消化单元、沼气净化存储单元、沼气发电单元、沼渣后处理单元以及风力发电加热系统；
所述前处理单元包括格栅、调节池及日光温室，其中格栅和调节池位于日光温室内，格栅位于调节池前部；
所述厌氧消化单元包括一级厌氧反应器、二级厌氧反应器及污水泵；
所述沼气净化存储单元包括第一导气管、脱硫塔、冷凝器及储气罐；
所述沼气发电单元包括阻火器及沼气内燃发电机组；
所述沼渣后处理单元包括阀门、沼渣浓缩装置及排渣管；
所述风力发电加热系统包括低风速风力发电机组及电加热器，低风速风力发电机组通过导线与循环水箱中的电加热器相连；循环水泵通过第三管道与循环水箱出水口和热管式太阳能热水阵列入水口相连，热管式太阳能热水阵列出水口经第四管道与循环水箱入水口相连组成的太阳能加热系统；
所述调节池通过主管道经由污水泵与一级厌氧反应器相连；
位于一级厌氧反应器中的第二盘管式换热器和位于二级厌氧反应器中的第三盘管式换热器分别通过第二管道与主循环水泵出水口、循环水箱入水口相连组成循环水系统，第一管道将调节池内设置的第一盘管式换热器与第二管道相连构成循环水路；
二级厌氧反应器通过第一导气管与脱硫塔相连，脱硫塔与冷凝器经第二导气管相连，冷凝器与储气罐经第三导气管相连，储气罐中的气体经第四导气管通过阻火器经第五导气管进入沼气内燃发电机组。
所述厌氧消化单元中的污水泵采用具有杂草切割功能的潜污泵。
在沼气厌氧发酵罐进料前，畜禽粪便及污水通过格栅和收集管先进入调节池内酸化，并在需要污水增温的季节，利用调节池中的第一盘管式换热器提高污水温度。
该系统通过优化配置沼气发酵系统，采用两级CSTR沼气发酵系统。采用两级串联的CSTR沼气发酵技术能增加有机物的降解率，增加沼气的产气率。发酵罐采用聚苯乙烯保温，并采用玻璃钢对保温层进行防水保护。
所述脱硫塔中采用氯化铁或氧化铁为脱硫剂的干法脱硫。
所述沼气内燃发电机组点火采用点火喷燃技术，在沼气内燃发电机组前设置干式阻火器。
该系统采用低风速风力发电技术，风速可达4m/s，且在原料预处理时增加了日光温室，对进入反应器的原料进行预先增温，提高发酵原料的温度，可根据气温波动灵活调节太阳能热水系统和风力发电机组的资源分配，达到资源的最优配置。
所述由一级和二级厌氧反应器排除的沼渣沼液经沼气浓缩装置浓缩分离后，部分上清液经曝气系统处理后用作养殖场冲粪用水，沼渣和其余沼液直接用作生态农场作物肥料。
该系统综合生态农场用能和养殖区粪污特征，综合考虑自然条件、粪便资源配套土地和能源需求等因素，采用“能源生态型”处理利用工艺将畜禽场处理污水经厌氧处理后不直接排入自然水体，而作为农作物的有机肥料。
本多能互补沼气发电系统针对中低温地区的自然条件特点，将太阳能、风能和生物质能互补利用，通过单元优化和系统集成，确保中低温地区沼气发电系统的稳定性、高效性和清洁性，实现了物质和能量的高效清洁综合利用。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明：
图1为多能互补联合发电系统总体配置结构示意图。
附图标记：
1-格栅，2-调节池，3-一级厌氧反应器，4-二级厌氧反应器，5-第一导气管，6-脱硫塔，7-冷凝器，8-储气罐，9-阻火器，10-沼气内燃发电机组，11-污水泵，12-阀门，13-沼渣浓缩装置，14-第一盘管式换热器，15-第二盘管式换热器，16-第三盘管式换热器，17-低风速风力发电机组，18-导线，19-电加热器，20-循环水箱，21-主循环水泵，22-循环水泵，23-第三管道，24-热管式太阳能热水阵列，25-厂房，26-第一管道，27-第二管道，28-第四管道，29-排渣管，30-主管道，31-日光温室，32-第二导气管，33-第三导气管，34-第四导气管，35-第五导气管。
具体实施方式
实施例一
本系统正常运行时的最低设计温度为零下12℃，畜禽粪便(牛粪、猪粪、鸡粪)及污水经格栅1、调节池2进行原料预处理，当系统在低温下运行时，为提高反应器发酵效果，需对发酵单元进行增温和保温措施，对发酵系统增温主要通过对厌氧罐的增温和发酵原料进行增温来实现，增温热源分别来自以下三个方面：
-太阳能：一方面通过在调节池2外面建设一个日光温室31并采用太阳能加热系统中的热水。在调节池2中设置第一盘管式换热器14对调节池2中的原料进行加热对进入到反应器的发酵液进行预先增温；热管式太阳能加热系统：利用热管式太阳能加热系统加热产生的热水通过在一级厌氧反应器3和二级厌氧反应器4中分别设置第二盘管式换热器15和第三盘管式换热器16对发酵罐进行增温；
-风能：利用风力发电机产生的电能加热循环水箱中的热水，然后通过在一级厌氧反应器3和二级厌氧反应器4中分别设置第二盘管式换热器15和第三盘管式换热器16对发酵原料进行增温，提高发酵原料的温度。发酵单元采用整体保温：包括管道、阀门、厌氧消化罐体采用聚苯乙烯材料作为保温材料，用玻璃钢对发酵罐保温层进行防水保护。调节池内的混合液经预处理后通过污水泵11泵入厌氧反应器，本多能沼气互补发电系统反应器采用两级CSTR反应器，发酵温度选择38℃，CSTR反应器混合时间短，反应器的传热和传质效率高，流场均匀，能有效降低停留时间，提高产气强度，增加有机物的降解率，增加产气率。反应器下部排渣，沼渣进入沼气浓缩装置13；产生的沼气由第一导气管5进入脱硫器6，采用氧化铁为载体的干法脱硫，沼气中硫化氢(H2S)氧化成硫氧化物后，余留在填料层中，净化后气体从容器塔顶排出经第二导气管32进入冷凝器7经脱水处理后经第三导气管33进入储气罐8。储气罐8中的沼气通过第四导气管34经过阻火器9，通过第五导气管35进入沼气内燃发电机组用于沼气内燃发电机组10发电，发电余热用于进料和发酵罐增温；发酵后产出的沼渣和沼液的混合物排入沼气浓缩装置13进行浓缩，部分沼液经养殖场现有曝气处理后作为冲粪用水，其余沼渣沼液作为灌溉水直接用作农场肥料。
发电余热：利用沼气发电机组发电产生的发电余热为调节池2或两级厌氧反应器3、4增温。
所述沼气内燃发电机组(10)选用功率70kW，低风速风力发电机组(17)选用功率50kW，热管式太阳能热水阵列(24)规模为200m2。
实施例二
当系统在非增温季节运行时，为保证发酵罐中发酵液的温度，对发酵单元进行增温和保温措施主要通过在调节池外建设日光温室31提高进入反应器中发酵原料的温度就能满足温度需求；经预处理的原料进入一级厌氧反应器3、二级厌氧反应器4发酵后产生的沼气经第一导气管5进入脱硫器6，进行脱硫，从容器顶部排出的气体经第二导气管32进入冷凝器脱水处理后经第三导气管33进入储气罐8经第四导气管34、阻火器9和第五导气管35直接用于沼气内燃发电机组10发电，而管式太阳能系统加热产生的热水则为厂房25提供养殖喷淋，风力发电机组产生的电能直接供生态农场内部使用。沼气浓缩装置中产生的沼液部分经养殖场曝气后用于冲粪用水，其余沼渣沼液作为农场肥料。

Claims (8)

1.一种中低温多能互补沼气发电系统，其特征在于，包括主管道(30)、前处理单元、厌氧消化单元、沼气净化存储单元、沼气发电单元、沼渣后处理单元以及风力发电加热系统；
所述前处理单元包括格栅(1)、调节池(2)及日光温室(31)，其中格栅(1)和调节池(2)位于日光温室(31)内，格栅(1)位于调节池(2)前部；
所述厌氧消化单元包括一级厌氧反应器(3)、二级厌氧反应器(4)及污水泵(11)；
所述沼气净化存储单元包括第一导气管(5)、脱硫塔(6)、冷凝器(7)及储气罐(8)；
所述沼气发电单元包括阻火器(9)及沼气内燃发电机组(10)；
所述沼渣后处理单元包括阀门(12)、沼渣浓缩装置(13)及排渣管(29)；
所述风力发电加热系统包括低风速风力发电机组(17)及电加热器(19)，低风速风力发电机组(17)通过导线(18)与循环水箱(20)中的电加热器(19)相连；循环水泵(22)通过第三管道(23)与循环水箱(20)出水口和热管式太阳能热水阵列(24)入水口相连，热管式太阳能热水阵列(24)出水口经第四管道(28)与循环水箱(20)入水口相连组成的太阳能加热系统；
所述调节池(2)通过主管道(30)经由污水泵(11)与一级厌氧反应器(3)相连；
位于一级厌氧反应器(3)中的第二盘管式换热器(15)和位于二级厌氧反应器(4)中的第三盘管式换热器(16)分别通过第二管道(27)与主循环水泵(21)出水口、循环水箱(20)入水口相连组成循环水系统，第一管道(26)将调节池(2)内设置的第一盘管式换热器(14)与第二管道(27)相连构成循环水路；
二级厌氧反应器(4)通过第一导气管(5)与脱硫塔(6)相连，脱硫塔(6)与冷凝器(7)经第二导气管(32)相连，冷凝器(7)与储气罐(8)经第三导气管(33)相连，储气罐(8)中的气体经第四导气管(34)通过阻火器(9)经第五导气管(35)进入沼气内燃发电机组(10)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述厌氧消化单元中的污水泵(11)采用具有杂草切割功能的潜污泵。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在沼气厌氧发酵罐进料前，畜禽粪便及污水通过格栅(1)和收集管先进入调节池(2)。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，发酵罐采用聚苯乙烯作为保温材料，用玻璃钢对保温层进行防水保护。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脱硫塔(6)中采用氯化铁或氧化铁为脱硫剂的干法脱硫。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沼气内燃发电机组(10)点火采用点火喷燃技术，在沼气内燃发电机组前设置干式阻火器。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低风速风力发电机组(17)采用低风速风力发电技术，风速可低于4m/s。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述由一级和二级厌氧反应器排除的沼渣沼液经沼气浓缩装置(13)浓缩分离后，部分上清液经曝气系统处理后用作养殖场冲粪用水，沼渣和其余沼液直接用作生态农场作物肥料。
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