CN104729145B - 一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统，通过燃气内燃机产生动力带动发电机发电，同时将内燃机产生的高温烟气通入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组实现制冷、供热。采用发电机水冷与内燃机缸套水冷却相结合的方式制取生活热水，同时也可作为补充热源驱动吸收式机组制取冷、热量。另一方面内燃机余热还可用于沼气的恒温发酵，生产连续稳定高效的沼气。基于生物质气的冷热电联供系统实现能量梯级利用，充分回收利用生物质有机物发酵产生的沼气，有效缓解大气污染。

Description

一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统

技术领域

本发明涉及一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统。

背景技术

我国作为农业大国，具有相当丰富的生物质能资源，每年可用于生产生物质气的资源约折合2.5亿吨标准煤，能转化当量沼气约1990亿立方米，折合天然气1200亿立方米，相当于我国2011年天然气消费量1290亿立方米的93％，按照2011年的能源消费总量(34.8亿吨标准煤)计算，生物质气发展将使中国气体能源消费的比重提高7％左右。另一方面，我国大部分农户还仍然延续着分散养殖的习惯。目前我国生猪分散养殖户为1.07亿户，奶牛、肉牛0.18亿户，蛋肉鸡1.17亿户，羊0.28亿户，役畜0.22万户，其粪便排放量每年则高达32亿吨，如果不能适时处理将会极大的污染社会环境。

厌氧微生物分解生物质中的有机物会产生大量沼气，在沼气的成分中，甲烷约占50％-70％，其余为二氧化碳和少量硫化氢等，此外还包含乙烷、甲苯等非甲烷有机化合物。沼气是一种易燃、易爆的有毒气体，其直接排入空气将严重危害人体健康、破坏环境并加剧温室效应。同时，沼气作为一种典型的生物质气可再生能源，具有燃烧产物污染小等优点，1立方米沼气完全燃烧能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量，利用沼气发电不仅可解决电力短缺问题，又能减少甲烷等温室气体的排放，净化空气环境。再者，冷热电联供系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上的总能系统，其最大特点是可对不同品位的热能实现综合梯级利用，同时完成发电、制冷及供热(包括供暖和热水)三过程，就地满足用户的冷、热、电需求，从而降低远距离供能的传输损失，极大的提高社会经济效益及能源利用效率。在现有技术条件下，联供系统的一次能源利用率可达到75％-90％，目前已受到国内外不同行业的广泛青睐。因此，在农村养殖场等具有丰富生物质气资源的场所推广使用沼气冷热电联供系统，对推动农业结构调整及建设社会主义新农村具有重要意义。

然而一个不争的事实是，目前我国农村生物质沼气大多仅用于农户炊事，在非炊事时间则处于闲置状态，从而造成了装置、资金及资源的极大浪费，即便是现有的沼气发电项目也均以大中型为主，缺少小型工程，基本没有以沼气为能源的冷热电联供系统。小型(如30kW)的生物质气冷热电联供系统非常适合我国分散式、小规模应用的需求，发出的电力可满足手工业、排灌以及边远地区的生活用电，同时也可极大的缓解农村供热难和局部环境污染的问题。显而易见，我国对数十千瓦级生物质气冷热电联供分布式供能系统的需求十分紧迫，需求数量巨大。

小型冷热电联供系统一般指机组容量低于500kW，高于20kW的系统，以燃气内燃机或微型燃气轮机为主要动力装置，其中内燃发电机组机因技术成熟、价格低廉和发电效率高等优点而被广泛应用于小型联供系统。燃气内燃机的排烟作为高温热源驱动溴化锂吸收式机组，用于制冷或供热，内燃机的缸套水还可制取生活热水。然而遗憾的是，现有内燃发电机组中的发电机大多通过风扇风冷，发电机废热被风带走，难以回收利用，从而未能最大程度彰显联供系统的节能特性。

通过检索发现，目前大多数冷热电联供系统的动力均来自于以天然气为主的化石燃料，如专利号为200710021510.7(申请日2007.4.18)提出了一种由天然气驱动的小型冷热电联供系统，还有采用生物质固体成型燃料燃烧后的烟气作为热源的冷热电联供系统，如专利号为201110345197.9(申请日2011.11.04)介绍了一种由生物质固体燃烧后的烟气驱动的冷热电联供系统，另外也有部分冷热电联供系统动力源来自于太阳能，如专利号为200710041475.5(申请日2007.5.31)的专利中联供系统的动力来自于太阳能。尚未发现以生物质沼气为动力驱动源的冷热电联供系统以及针对发电机余热回收的设计。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统，本装置通过燃气内燃机产生动力带动发电机发电，同时将内燃机产生的高温烟气通入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组实现制冷、供热。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统，包括沼气收集净化部件、燃气内燃机、水冷发电机、烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组、换热装置及冷却塔；其中，沼气收集净化部件连接燃气内燃机，燃气内燃机利用净化后的沼气驱动产生动力，带动与其连接的水冷发电机进行发电，冷却塔产生的冷却水通过出水口进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，燃气内燃机产生的高温烟气进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，产生冷冻水和热媒水用于制冷与供暖，烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组和水冷发电机均连接换热装置。

所述沼气收集净化部件，包括沼气收集装置和沼气净化装置，沼气收集装置采集并储存粪便发酵产生的沼气，通过烟管连接沼气净化装置，沼气净化装置连接第一三通阀的入口，第一三通阀的出口一侧连接燃气内燃机，另一侧连接补燃装置。

所述补燃装置对沼气进行补燃，产生的烟气经过第三三通阀的出口、乏气管进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组。

所述燃气内燃机通过净化后的沼气驱动，产生动力，通过输出轴带动水冷发电机发电，产生的烟气通过第三三通阀、乏气管进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，所述水冷发电机通过发电机冷却水进水管、出水管分别连接发电机换热器的两端。

所述燃气内燃机通过缸套水进水管、缸套水出水管分别连接缸套水换热器，产生的热水通过第二三通阀的一侧出水口传输给用于提供生活热水的管道，另一侧出水口通过管道连接烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组的热水入口。

所述换热装置包括缸套水换热器、发电机换热器和烟气换热器，缸套水换热器、发电机换热器通过管道连接，烟气换热器的一侧入口连接烟气型溴化锂吸收式冷温水机组的排气管，烟气换热器的另一侧入口连接常温水管道，经过换热后产生热水有另一侧入口连接烟气热水由热水管道排出，循环利用后的废气通过尾气排出管排出。

燃气内燃机的动力由猪牛羊粪便、农业生产废弃物等发酵产生的沼气提供。发酵产生的沼气首先进入净化装置，因沼气除含有甲烷外，还包括二氧化碳和少量硫化氢以及乙烷、甲苯等非甲烷有机化合物，这些物质会导致燃烧不充分，净化后可提高燃烧效率及可靠性，并减少空气污染。

燃气内燃机产生动力通过输出轴带动水冷发电机发电，为用户提供所需电能。常温水通过常温水进水管进入发电机冷却水换热器，初次增温后的热水再通过内燃机缸套水换热器完成二次换热增温。然后通过生活热水出水管排出用于提供生活热水，同时还可由吸收式制冷机热水入口通入吸收式机组进行制冷、供热。

燃气内燃机产生的高温烟气作为热源经乏气管通入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，冷却水通过冷却塔出水口进入吸收式机组进行换热，换热后的冷却水再通过冷却塔进水口送回冷却塔中进行冷却，完成冷却水循环。

烟气热水型溴化锂吸收式机组根据用户需求，如在夏季，冷媒水通过冷(热)媒水入口进入吸收式机组，降温后的冷媒水由吸收式机组的冷水出口排出用于制冷；如在冬季，升温后的热媒水经吸收式机组的热水出口排出用于供暖。当燃气内燃机产生的高温烟气不足以制取足够冷(热)量时，将串联回收内燃机缸套水和发电机冷却水产生的热水通入吸收式机组以作补充。若仍无法满足需求，再将一部分沼气通入补燃装置为吸收式机组提供额外热量，以制取足够的冷(热)量。

本发明的工作原理为：以猪牛羊粪便、农业生产废弃物等发酵产生的沼气作为联供系统的能源，通过燃气内燃机产生动力驱动发电机以提供用户所需电能。燃气内燃机产生的高温烟气通入烟气热水型溴化锂吸收式机组实现制冷、供暖，同时净化后的沼气还可通过溴化锂机组补燃以制取更多的冷热量；同时采用发电机水冷与内燃机缸套水冷却相结合的方式制取生活热水，也可作为补充热源通入溴化锂机组实现制冷、供暖，充分吸收内燃发电机组的余热；另外烟气热水型溴化锂吸收式机组的排气也可经换热装置生产热水，进一步改善能源利用效率，实现沼气能源梯级利用，有效的缓解大气污染。

本发明的有益效果为：

1)我国生物质能资源具有小型分散、普及率差、利用率低等特点，本发明的一种小型生物质气冷热电联供系统非常适合我国国情，有助于生物质能的推广应用，有效解决养殖场牲畜粪便、生活垃圾等带来的污染，净化局部地区的环境；

2)本发明改变了传统的沼气利用方式，不仅可以产生电能，内燃发电机组的余热还可用于供暖、制冷以及制取生活热水，充分实现了能量的梯级利用，大大提高了沼气资源的利用率；

3)本发明特别使用了水冷式发电机，采用发电机水冷与内燃机缸套水冷却相结合的方式制取生活热水，以克服风冷发电机废热难以利用的缺陷，实现了对机组余热的充分回收，有效提高了联供系统的热回收效率；

4)本发明利用农村丰富的沼气资源产生电力，同时完成制冷、供暖，为用户提供生活用能，可解决偏远地区供能困难的问题，特别是内燃机的余热还可用于沼气的恒温发酵，生产连续稳定高效的沼气。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

1、沼气收集装置，2、烟管，3、沼气净化装置，4、第一三通阀，5、燃气内燃机，6、缸套水换热器，7、常温水第一进水口，8、缸套水进水管，9、缸套水出水管，10、发电机换热器，11、发电机冷却水进水管，12、发电机冷却水出水管，13、生活热水第一出水口，14、第二三通阀，15、输出轴，16、水冷发电机，17、吸收式机组热水入口，18、补燃装置，19、第三三通阀，20、乏气管，21、烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，22、常温水第二进水口，23、吸收式机组排气管，24、生活热水第二出水口，25、尾气排出管，26、烟气换热器，27、冷却塔入水口，28、冷却塔出水口，29、冷却塔，30、吸收式机组冷(热)媒水入口，31、吸收式机组冷水出口，32、吸收式机组热水出口。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，沼气收集装置1收集并储存养殖场牲畜粪便发酵产生的沼气，经烟管2通入沼气净化装置3，再通过第一三通阀4进入燃气内燃机5，净化后的沼气驱动燃气内燃机5产生动力，通过输出轴15带动水冷发电机16发电，为用户提供电能。

常温水通过常温水第一进水口7通入发电机换热器10，发电机冷却水经发电机冷却水进水管11进入发电机换热器10进行换热，换热后产生的热水再进入缸套水换热器6，同时内燃机缸套水通过缸套水进水管8进入缸套水换热器6，再次完成换热，。二次换热增温后的热水经第二三通阀14通过生活热水第一出水口13排出用于提供生活热水，另外还可作为补充热源通过第二三通阀14进入吸收式机组热水入口17，以驱动吸收式机组21制冷、供暖。换热后的缸套水通过缸套水出水管9流回燃气内燃机5，完成缸套水的循环，换热后的发电机冷却水通过发电机冷却水出水口12回到水冷发电机16，完成冷却水循环。

燃气内燃机5产生的高温烟气经乏气管20进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组21，冷却水通过冷却塔出水口28进入吸收式机组21，换热后再经冷却塔入水口27送回冷却塔29，完成冷却水的循环。夏季时，冷媒水通过吸收式机组冷(热)媒水入口30进入吸收式机组21，产生的冷冻水经吸收式机组冷水出口31排出用于制冷；冬季时，热媒水由吸收式机组冷(热)媒水入口30通入吸收式机组21，升温后的热媒水经吸收式机组热水出口32排出用于供暖。当需增大供冷、供热量时，沼气可通过第一三通阀4进入补燃装置18补燃，产生烟气再经第三三通阀19和乏气管20进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组21以制取更多的冷热量。

吸收式机组21排出的烟气经吸收式机组排气管23进入烟气换热器26，常温水通过常温水第二进水口22通入烟气换热器26，换热后产生的热水通过生活热水第二出水口24排出用于提供生活热水，循环利用后剩余的废气通过尾气排出管25排出。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种基于生物质气的分布式冷热电联供系统，其特征是：包括沼气收集净化部件、燃气内燃机、水冷发电机、烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组、换热装置及冷却塔；其中，沼气收集净化部件连接燃气内燃机，燃气内燃机利用净化后的沼气驱动产生动力，带动与其连接的水冷发电机进行发电，冷却塔产生的冷却水通过出水口进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，燃气内燃机产生的高温烟气进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，产生冷冻水和热媒水用于制冷与供暖，烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组和水冷发电机均连接换热装置；

所述沼气收集净化部件，包括沼气收集装置和沼气净化装置，沼气收集装置采集并储存粪便发酵产生的沼气，通过烟管连接沼气净化装置，沼气净化装置连接第一三通阀的入口，第一三通阀的出口一侧连接燃气内燃机，另一侧连接补燃装置；

所述补燃装置对沼气进行补燃，产生的烟气经过第三三通阀的出口、乏气管进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组；

所述燃气内燃机通过净化后的沼气驱动，产生动力，通过输出轴带动水冷发电机发电，产生的烟气通过第三三通阀、乏气管进入烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组，所述水冷发电机通过发电机冷却水进水管、 出水管分别连接发电机换热器的两端；

所述燃气内燃机通过缸套水进水管、缸套水出水管分别连接缸套水换热器，产生的热水通过第二三通阀的一侧出水口传输给用于提供生活热水的管道，另一侧出水口通过管道连接烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机组的热水入口；

所述换热装置包括缸套水换热器、发电机换热器和烟气换热器，缸套水换热器、发电机换热器通过管道连接，烟气换热器的一侧入口连接烟气型溴化锂吸收式冷温水机组的排气管，烟气换热器的另一侧入口连接常温水管道，经过换热后产生热水有另一侧入口连接烟气热水由热水管道排出，循环利用后的废气通过尾气排出管排出。