CN102876410A - 一种村镇户用小型氢烷燃气发生装置和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种村镇户用小型氢烷燃气发生装置：垃圾破碎输送装置通过绞龙与氢烷发生器的进料口相连；破碎后的垃圾在氢烷发生器内进行厌氧发酵；厌氧产氢室和厌氧产沼室之间设有厌氧产沼室单向可开启阀门；氢烷发生器中心贯穿的纳米陶瓷镀膜滚轴的出气端分别连接氢气纯化器和甲烷纯化器；纯化后的氢气和甲烷经过气体混合阀控制进行氢烷气的混配后输送至储氢罐；氢烷发生器安装在一底座上，该底座与氢烷发生器之间安装有重力升降装置；底座下部安装有360度可旋转万向轮；底座两侧设有支架，分别用于固定绞龙和氢气纯化器、甲烷纯化器。本发明还提供了利用上述氢烷燃气发生装置制备氢烷燃气的方法。

Description

一种村镇户用小型氢烷燃气发生装置和使用方法
技术领域
本发明属于生物能源技术领域，具体涉及一种村镇户用小型氢烷燃气发生装置。
本发明的又一目的在于提供一种利用上述氢烷燃气发生装置制备氢烷燃气的方法。
背景技术
随着社会的发展及村民生活水平提高的同时，带来了村镇环境污染问题和资源浪费。据报道，我国是世界上农村有机废弃物产出量最大的国家，每年大约有40多亿t，其中畜禽粪便排放量26.1亿t，农作物秸秆7.0亿t，废弃农膜等塑料2.5万t，蔬菜废弃物1-1.5亿t。其中，我国村镇生活源有机废弃物、人畜粪便所占份额较大，造成村镇垃圾随意倾倒、粪土乱堆、柴草乱垛等现象，严重影响村容村貌和危害居民身体健康。
氢气作为高效、清洁、可再生的能源，受到人们的日益关注。但是，理论上生物制氢过程能源利用率最高仅为35％，而氢气-甲烷联产耦合制氢技术能源利用率高达89％。此外，氢烷燃气是将氢气和甲烷气按照一定比例混合后制备的具有高附加值的新型燃气，经混配后的燃气其燃烧性能、热值等均有显著提高，且燃烧后产生的硫化物、CO2等二次污染少，是理想的生物能源。由于村镇废弃物分散、混杂，现有处理设施存在预处理要求高、启动缓慢、运行不稳定、产气率低、能耗大和占地面积大等问题，无法实现氢气-甲烷联产，以及混配利用的目的。因此，研发适合我国村镇单户使用的，具有“小型化、低成本、易操作”的氢烷燃气发生装置不仅是研究热点，也是亟待解决的难点问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种村镇户用小型氢烷燃气发生装置。
本发明的又一目的在于提供一种利用上述氢烷燃气发生装置制备氢烷燃气的方法。
为实现上述目的，本发明提供的村镇户用小型氢烷燃气发生装置，主要包括：
垃圾破碎输送装置，通过绞龙与氢烷发生器的进料口相连；
氢烷发生器内部为厌氧产氢室和厌氧产沼室组成的双反应区结构，破碎后的垃圾在氢烷发生器内分别经过厌氧产氢室和厌氧产沼室进行厌氧发酵；厌氧产氢室和厌氧产沼室之间设有厌氧产沼室单向可开启阀门；
氢烷发生器中心贯穿有纳米陶瓷镀膜滚轴，纳米陶瓷镀膜滚轴的出气端分别连接氢气纯化器和甲烷纯化器，对生物气进行纯化；
纯化后的氢气和甲烷经过气体混合阀控制进行氢烷气的混配后输送至储氢罐进行储存和利用；
氢烷发生器安装在一底座上，该底座与氢烷发生器之间安装有重力升降装置；底座下部安装有360度可旋转万向轮，便于装置的移动和安放；底座两侧设有支架，分别用于固定绞龙和氢气纯化器、甲烷纯化器。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，垃圾破碎输送装置是由预混室和设置在预混室内的垃圾破碎器组成，预混室底部的出料口与绞龙连接。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢烷发生器为高径比1∶0.5-1∶5的卧式滚筒；厌氧产氢室和厌氧产沼室的体积比为1∶0.5-1∶5。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢烷发生器的厌氧产氢室和厌氧产沼室内均安装有温度、pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢烷发生器内壁安装有4-8组三棱柱型挡板，破碎后的垃圾在氢烷发生器内旋转过程中经挡板摔打使物料与发酵菌体充分混合，并使发酵温度均匀。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢气纯化器中安装有氢气膜分离组件，甲烷纯化器中安装有二氧化碳脱除组件，氢气纯化器和甲烷纯化器中配有干燥剂，分别对氢气和甲烷进行纯化和干燥。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，气体混合阀上连接有气体流量计以调节氢气和甲烷的比例。
所述的氢烷燃气发生装置，其中，所述垃圾包括厨余垃圾、人畜粪便、秸秆及难降解的混杂垃圾。
本发明提供的利用上述氢烷燃气发生装置制备氢烷燃气的方法，破碎后的垃圾在氢烷发生器内的厌氧产氢室和产氢发酵菌剂混合进行厌氧产氢发酵；
厌氧产氢室的物料进入厌氧产沼室，与产甲烷菌剂混进行厌氧产甲烷发酵；
发酵产生的氢气和甲烷气经纳米陶瓷镀膜滚轴出气端分别连接氢气纯化器和甲烷纯化器进行纯化；
纯化后的氢气和甲烷气按体积比1∶5-1∶100混配成氢烷燃气。
所述的方法，其中，纯化后的氢气和甲烷气是通过气体流量计调节和气体混合阀控制混配。
本发明的优点在于：
(1)产氢-产甲烷分室耦合设计：本发明氢烷发生器内部为双反应区结构，中部由单向可开启阀门分为厌氧产氢室和厌氧产沼室，物料首先在厌氧产氢室进行厌氧发酵产氢，代谢产生高浓度的挥发性有机酸和小分子醇类再进入厌氧产沼室作为底物发酵产甲烷，实现了同一反应器内氢气和甲烷的联产，及反应器快速启动和稳定运行。
(2)三棱柱形挡板设计：氢烷发生器内壁设有4-8组三棱柱形挡板，使反应器内部无死角，避免发酵不均和杂菌生成，通过摔打和旋转作用实现物料的充分混合，减少对菌丝体的破坏，保证发酵过程的微生物活性，有效提高发酵产气量和能量转化效率。
(3)纳米陶瓷镀膜滚筒轴设计：滚筒中心贯穿的滚筒轴通过纳米陶瓷膜进行生物气收集，还可通过反冲洗曝气预防滚轴堵塞。纳米陶瓷镀膜特有的孔径特征和选择性过滤特性，保证了氢气的高效收集、热量扩散和均匀曝气，且不易堵塞，无需清理。
(4)可移动和升降设计：装置底座下面安装有360度可旋转万向轮和轮锁，便于装置的自由移动和安放，实现废弃物的就地及时处理。反应装置预处理室端底座上安装有一个可升降设备，能够实现物料仓倾斜度的改变，从而使预处理后的物料在重力作用下通过单向阀门进入厌氧发酵室产氢。
(5)本发明将机械预处理、生物处理、膜处理等技术有机结合、优势互补，组合装置具有安装灵活、占地面积小、运行费用低、产气量大、可间歇运行等特点，生物气的收集、纯化和储存方便，适于农村单户生活垃圾的资源化利用。通过本发明的应用，能够将可再生资源利用、污染治理和制氢联合进行，在有机废弃物高值化利用的同时实现减排产能的目标。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
附图标记说明：
1预混器；2破碎装置；3绞龙；4氢烷发生器；5厌氧产氢室；6厌氧产沼室；7复合电极；8纳米陶瓷镀膜滚轴；9氢气纯化器；10甲烷纯化器；11气体流量计；12混配阀；13储氢罐；14支架；15底座；16重力升降装置；17单向阀门；18万向轮；19挡板。
具体实施方式
本发明提出的村镇户用小型氢烷燃气发生装置，主要包括垃圾破碎输送装置、氢烷发生器、氢气纯化器、甲烷纯化器、氢烷混合阀、氢烷储气罐等。垃圾破碎输送装置与氢烷发生器通过绞龙相连，破碎后的垃圾在氢烷发生器内分别经过厌氧产氢室和厌氧产沼室进行厌氧发酵。氢烷发生器中心贯穿有纳米陶瓷镀膜滚轴用于气体收集和运输，滚轴两端分别连接氢气纯化器和甲烷纯化器，进行生物气纯化。纯化后的氢气和甲烷经流量计和气体混合阀控制进行氢烷气的混配，混配后的氢烷气输送至高压气体储罐进行储存和利用。
所述的氢烷发生装置，其中，垃圾破碎输送装置包括垃圾破碎预混室和绞龙，破碎预混室内将垃圾破碎后与高效产氢菌混合后经绞龙输送至氢烷发生器。绞龙一端与氢烷发生器进料口相连，共同固定于产氢反应器支架上，节省占地面积。
所述的氢烷发生装置，其中，氢烷发生器为高径比1∶0.5-1∶5的卧式滚筒，发生器内部为双反应区结构，中部由单向可开启阀门分为厌氧产氢室和厌氧产沼室，体积比为1∶0.5-1∶5。双室内部均安装有温度、pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定。滚筒内壁安装有4-8组三棱柱型挡板，废弃物在罐体旋转过程中经挡板19摔打使物料与发酵菌体充分混合，并使发酵温度均匀。
所述的氢烷发生装置，其中，氢气纯化器中安装有氢气分离膜，发酵生物气经膜分离提纯氢气，氢气纯度可达到90％以上；甲烷纯化器中安装有甲烷气分离膜，生物气经膜分离提纯甲烷气90％以上，纯化器中还配有干燥剂，分别对的生物气中氢气和甲烷进行干燥。
所述的氢烷发生装置，其中，气体纯化器悬挂于氢烷发生器右侧支架上，有效节省占地面积。
所述的氢烷发生装置，其中，氢烷气混配系统包括气体流量计和混配阀，纯化和干燥后的氢气和甲烷经混配阀混合后输送至高压储氢罐。氢烷燃气中氢气和甲烷比例为1∶5-1∶100，并通过气体流量计调节。
所述的氢烷发生装置，其中，氢烷气混配系统与高压氢烷储罐连接，混配后的氢烷燃气输送至储气罐储存，方便农户使用。氢烷储罐固定于氢烷发生器底座，便于运输，节省占地面积。
本发明所述村镇生活垃圾包括厨余垃圾、人畜粪便、秸秆及难降解的混杂垃圾。
下面结合附图和实施例对本发明做更详细地说明。
村镇生活垃圾经预混器1内安装的破碎装置2粉碎后，通过绞龙3输送至氢烷发生器4，垃圾在氢烷发生器内首先经过厌氧产氢室5发酵后，代谢产生高浓度的挥发性有机酸和小分子醇类，通过调整底座15的重力升降装置16使代谢产物经单向阀门17进入厌氧产沼室6后产生沼气。通过厌氧产氢室和厌氧产沼室内的温度、pH值、溶解氧复合电极7对发酵过程中的指标进行实时测定，并将数据同步传输至控制面板进行显示。生物气经纳米陶瓷镀膜滚轴8分别输送至氢气纯化器9和甲烷纯化器10进行纯化和干燥。纯化后的氢气和甲烷气通过气体流量计11调节气体比例，经混配阀12进行混配，最后将氢烷气输送至储氢罐13进行储存和利用。
小型氢烷燃气组合装置紧凑合理的安装于产氢反应器支架14和底座15上。其中破碎设备安装于左侧底座上，绞龙固定于左侧支架上，气体纯化器固定于右侧支架，高压储氢罐置于右侧底座上。装置底座与氢烷发生器之间安装有重力升降装置16，底座下部安装有360度可旋转万向轮18，便于装置的自有移动和安放，实现废弃物的就地及时处理。
一个具体实施例如下：
村镇户用小型氢烷燃气发生装置总占地面积仅为2m2，其中垃圾破碎机外形尺寸25cm×25cm，绞龙长为30cm；氢烷发生器高径比为2∶1，总容积1m3，氢烷发生器内壁设有4-8组三棱柱形挡板19，使反应器内部无死角，避免发酵不均和杂菌生成，通过摔打和旋转作用实现物料的充分混合，减少对菌丝体的破坏，保证发酵过程的微生物活性，有效提高发酵产气量和能量转化效率。厌氧产氢室与厌氧产沼室容积比为1∶1。氢气纯化器和甲烷纯化器均为圆柱状，外形尺寸20cm×10cm，悬挂于右侧支架上方，储气罐装置位于右侧支架下方，外形尺寸40cm×20cm的圆柱体。生活垃圾破碎后与高效产氢菌剂混合装填入厌氧产氢室，垃圾装填量为50％，菌剂接种量为0.1％。厌氧发酵产氢4天后将物料经单向阀门转移至厌氧产沼室，接种高效产甲烷菌剂进行生物强化，厌氧产沼周期为4天，两室发酵温度均保持在25-35℃。厌氧产氢室产生生物气中氢气含量高于50％，厌氧产沼室产生生物气中甲烷含量高于70％，垃圾资源转化效率达到85％以上，垃圾无害化100％。纯化后的氢气和甲烷按1∶10流量进行混配，混配后的氢烷气储存于储气罐中便于使用。本发明装置占地面积小，移动和安装方便，装料后12小时内即可产气，垃圾资源转化效率高达85％以上，垃圾无害化为100％。
本发明的装置布局紧凑合理，既可以在同一反应器内实现氢气和甲烷气联产，占地面积小，又能够保证反应器快速启动、稳定运行，适于村镇单户使用的小型氢烷燃气发生装置。

Claims (10)

1.一种村镇户用小型氢烷燃气发生装置，主要包括：
垃圾破碎输送装置，通过绞龙与氢烷发生器的进料口相连；
氢烷发生器内部为厌氧产氢室和厌氧产沼室组成的双反应区结构，破碎后的垃圾在氢烷发生器内分别经过厌氧产氢室和厌氧产沼室进行厌氧发酵；厌氧产氢室和厌氧产沼室之间设有厌氧产沼室单向可开启阀门；
氢烷发生器中心贯穿有纳米陶瓷镀膜滚轴，纳米陶瓷镀膜滚轴的出气端分别连接氢气纯化器和甲烷纯化器，对发酵产生的氢气和甲烷气进行纯化；
纯化后的氢气和甲烷经过气体混合阀控制进行氢烷气的混配后输送至储氢罐进行储存和利用；
氢烷发生器安装在一底座上，该底座与氢烷发生器之间安装有重力升降装置；底座下部安装有360度可旋转万向轮，便于装置的移动和安放；底座两侧设有支架，分别用于固定绞龙和氢气纯化器、甲烷纯化器。
2.根据权利要求1所述的氢烷燃气发生装置，其中，垃圾破碎输送装置是由预混室和设置在预混室内的垃圾破碎器组成，预混室底部的出料口与绞龙连接。
3.根据权利要求1所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢烷发生器为高径比1∶0.5-1∶5的卧式滚筒；厌氧产氢室和厌氧产沼室的体积比为1∶0.5-1∶5。
4.根据权利要求1或3所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢烷发生器的厌氧产氢室和厌氧产沼室内均安装有温度、pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定。
5.根据权利要求1或3所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢烷发生器内壁安装有4-8组三棱柱型挡板，破碎后的垃圾在氢烷发生器内旋转过程中经挡板摔打使物料与发酵菌体充分混合，并使发酵温度均匀。
6.根据权利要求1所述的氢烷燃气发生装置，其中，氢气纯化器中安装有氢气膜分离组件，甲烷纯化器中安装有二氧化碳脱除组件，氢气纯化器和甲烷纯化器中配有干燥剂，分别对氢气和甲烷进行纯化和干燥。
7.根据权利要求1所述的氢烷燃气发生装置，其中，气体混合阀上连接有气体流量计以调节氢气和甲烷的比例。
8.根据权利要求1所述的氢烷燃气发生装置，其中，所述垃圾包括厨余垃圾、人畜粪便、秸秆及难降解的混杂垃圾。
9.一种利用权利要求1所述氢烷燃气发生装置制备氢烷燃气的方法，破碎后的垃圾在氢烷发生器内的厌氧产氢室和产氢发酵菌剂混合进行厌氧产氢发酵；
厌氧产氢室的物料进入厌氧产沼室，与产甲烷菌剂混进行厌氧产甲烷发酵；
发酵产生的氢气和甲烷气经纳米陶瓷镀膜滚轴分别连接氢气纯化器和甲烷纯化器进行纯化；
纯化后的氢气和甲烷气按体积比1∶5-1∶100混配成氢烷燃气。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，纯化后的氢气和甲烷气是通过气体流量计调节和气体混合阀控制混配。
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