CN104974927A - 一种秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统，该系统包括：粉碎机、调节池、中温发酵池、第一挤压固液分离机、水热反应器、高温发酵池、第二挤压固液分离机、烘干机、沼气净化器、沼气发电机组、第一水-水换热器、第二水-水换热器、第一热水罐、泥-水换热器、第二热水罐。本发明相对于现有技术，利用中温发酵池、水热反应器、高温发酵池相连接，实现中温发酵、水热处理、高温发酵相结合的沼气制备工艺，提高了原料的沼气产率，缩短了发酵周期；将中温发酵、水热处理、高温发酵的沼气制备工艺与沼气发电余热综合利用相结合，提高了秸秆沼气制备效率，降低了系统的综合能耗。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源开发领域，尤其涉及一种秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统。
背景技术
中国是一个农业大国，每年产生约8亿吨农作物秸秆。目前，秸秆的能源化利用方式主要有焚烧、气化、热解、乙醇发酵和沼气发酵。与其它转化技术相比，利用沼气发酵技术处理利用秸秆，不仅可以产生高效、清洁的高品位能源，同时产生的沼渣和沼液还可以直接用作有机肥料，不失为一种行之有效的出路。沼气发酵技术本身是一种非常成熟的技术，利用该技术转化秸秆为新型能源，可以缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量；另一方面，又可解决作物秸秆的出路问题，减少因其露天焚烧、乱堆乱置等带来的对环境不利影响。实际上，我国已经明确将秸秆沼气作为一项主要的可再生能源进行重点支持发展。
众所周知，由于秸秆等木质纤维原料自身的特点，例如，复杂难降解的木质纤维结构、较高的碳氮比、湿发酵容易上浮结壳，导致秸秆沼气发酵的稳定性及产气效率较低。针对上浮结壳，主要通过改进反应器结构来解决，例如公开专利CN 103103117 B、CN 103374521 B等即通过改进反应器的原料进出口、搅拌方式来解决上浮结壳。针对较高的碳氮比，主要通过混合发酵的方式来解决，例如公开专利CN 101235388 B、CN 102732565 B等即通过添加含氮较多的粪便、酒蒸馏废液等与秸秆进行混合发酵来调整碳氮比。
针对复杂难降解的木质纤维结构，主要通过预处理来解决。一般来讲，用于减小原料尺寸的切碎、粉碎等机械预处理是必须的，这里讲的预处理方法主要指化学法、生物法、物理法等改变内部木质纤维结构的方法：
化学法主要采用酸、碱预处理，例如，公开专利CN 102154374 B、CN 102399825 B、CN 101691586 B、CN 101475964 B、CN 103740767 A等即采用硫酸、盐酸、尿素、氢氧化钠、有机酸、固体碱等进行化学预处理。化学预处理方法普遍存在设备腐蚀问题，且需要大量的水对预处理后的原料进行清洗或需要大量的酸碱进行中和。当用水进行清洗时，会损失溶解性有机质，当用酸碱中和时，又会产生大量的钠离子和氯离子，不仅可能抑制厌氧发酵，还可能造成环境污染，而且会影响沼渣的后续利用。以上问题严重影响了酸碱预处理在规模化秸秆沼气工程上的应用；
生物法主要采用酶或微生物进行预处理，由于酶的价格较高，而沼气的附加值还不是很高，因此，一般不考虑用酶来进行预处理，更多的是采用微生物来进行处理。例如公开专利CN 1888073 B、CN 100487104C、CN 102533609 B、CN 101486988 B等即通过木质纤维素降解菌来破化木质纤维结构。另外，公开专利CN 102586335 B、CN 102031276 B、CN 102261004 B等进行生物-化学联合预处理。生物预处理虽然条件温和，没有腐蚀和二次污染，但是需要的处理时间较长，更为重要的是，由于微生物的自身代谢，需要消耗原料本身作为碳源，而且消耗掉的原料部分是很容易被降解利用的部分。因此，原料的碳损失较为严重，大大降低了原料产率；
物理法主要有水热处理和蒸汽爆破。水热处理即通过高温蒸汽破化木质纤维结构。蒸汽爆破是一种改进型的水热处理，利用高压蒸汽迅速升温，将原料和水或水蒸气等在高温、高压下(150～240℃)处理一定时间后，立即降至常温、常压，蒸汽爆破过程中,高压蒸汽渗入至纤维内部，以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，使纤维发生一定的机械断裂，同时高温、高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，纤维素内的有序结构发生变化，增加了纤维素的吸附能力。蒸汽爆破法对木质素去除率很低，并且经蒸汽爆破后的木质素对纤维素酶有着较高的非特定吸附，同时一些低聚糖类和断裂木质素会在冷却后沉淀黏附于纤维素表面，阻碍纤维素酶解。然而，由于水热处理和蒸汽爆破的能耗较高，而沼气的附加值不是很高，因此很少采用这种物理方法进行预处理。而且水热处理和蒸汽爆破处理过程，不仅能够破化真正的木质纤维结构，还会将原料中易降解的溶解性糖以及半纤维素降解后的单糖转化为糠醛、羟甲基糠醛等发酵抑制物，从而影响后续厌氧发酵。对于秸秆，尤其是青绿秸秆，原料中含有部分可溶性的糖类，如果直接进行水热处理，就会将这些可溶性糖类转化为糠醛、羟甲基糠醛等发酵抑制物。另外，原料中可溶性糖类以及容易生物降解的半纤维素的存在，会降低蒸汽直接与难降解纤维素和木质素结构的接触面积，从而降水热处理的处理效率。
综上所述，有必要针对秸秆的原料特点，开发新系统，以实现一种综合能耗低、处理效率高、且对后续发酵无抑制的秸秆预处理及沼气发酵的新工艺。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种提高秸秆沼气制备效率、降低系统综合能耗的秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统。
本发明涉及一种秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统，该系统包括：粉碎机、调节池、中温发酵池、第一挤压固液分离机、水热反应器、高温发酵池、第二挤压固液分离机、烘干机、沼气净化器、沼气发电机组、第一水-水换热器、第二水-水换热器、第一热水罐、泥-水换热器、第二热水罐；其中粉碎机的出料口与调节池的进料口、调节池的出料口与中温发酵池的进料口、中温发酵池的出料口与第一挤压固液分离机的进料口依次连通；第一挤压固液分离机的出液口与高温发酵池的进液口连通，第一挤压固液分离机的出料口与水热反应器的进料口连通；水热反应器的出料口与高温发酵池的进料口、高温发酵池的出料口与泥-水换热器的进料口、泥-水换热器的出料口与第二挤压固液分离机的进料口依次连通，第二挤压固液分离机的出液口与调节池的进液口连通；泥-水换热器的出热水口与第二热水罐的进水口、第二热水罐的出水口与调节池内设的增温盘管的进水口、调节池内设的增温盘管的出水口与泥-水换热器的回冷水口依次连通；中温发酵池和高温发酵池的沼气出口与沼气净化器、沼气净化器与沼气发电机组依次连通；沼气发电机组的高温烟气排放管道与烘干机的进气管道、烘干机的出气管道与水热反应器的进气管道依次连通；沼气发电机组的冷却水排放管道与第一水-水换热器连通；沼气发电机组的缸套水排放管道与第二水-水换热器连通；第一水-水换热器的出热水口与第二水-水换热器的回冷水口、第二水-水换热器的出热水口与第一热水罐的进水口、第一热水罐的出水口与中温发酵池内设的增温盘管的进水口、中温发酵池内设的增温盘管的出水口与第一水-水换热器的回冷水口依次连通。
进一步地，设置沼液排放管道与第二挤压固液分离机的出液口连通。
相对于现有技术，本发明(1)利用中温发酵池、水热反应器、高温发酵池相连接，实现中温发酵、水热处理、高温发酵相结合的沼气制备工艺，提高了原料的沼气产率，缩短了发酵周期；(2)先进行中温发酵再进行水热处理工艺避免了因直接对原料进行水热处理所产生的抑制物出现，且提高了水热处理的效率。原理为中温发酵将容易降解利用的可溶性糖类和半纤维素转化为甲烷，中温发酵后剩下的固形物主要是真正难降解的纤维素和木质素，此时再进行水热处理，水蒸汽可以直接作用于真正难降解的纤维素和木质素从而提高木质纤维结构的破坏程度。另外，中温发酵后容易降解利用的可溶性糖类和半纤维素已经被利用完，此时在进行水热处理就不会产生糠醛、呋喃等对后续发酵具有抑制作用的物质；(3)将中温发酵、水热处理、高温发酵的沼气制备工艺与沼气发电余热综合利用相结合，提高了秸秆沼气制备效率，降低了系统的综合能耗。根据沼气发电余热源的品位，进行梯级综合利用，系统的热利用效率较高。
附图说明
图1是本发明秸秆沼气制备耦合发电余热利用系统实施例的示意图
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明秸秆沼气制备耦合发电余热利用系统实施例的示意图。
该秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统包括：粉碎机、调节池、中温发酵池、第一挤压固液分离机、水热反应器、高温发酵池、第二挤压固液分离机、烘干机、沼气净化器、沼气发电机组、第一水-水换热器、第二水-水换热器、第一热水罐、泥-水换热器、第二热水罐；其中粉碎机的出料口与调节池的进料口、调节池的出料口与中温发酵池的进料口、中温发酵池的出料口与第一挤压固液分离机的进料口依次连通；第一挤压固液分离机的出液口与高温发酵池的进液口连通，第一挤压固液分离机的出料口与水热反应器的进料口连通；水热反应器的出料口与高温发酵池的进料口、高温发酵池的出料口与泥-水换热器的进料口、泥-水换热器的出料口与第二挤压固液分离机的进料口依次连通，第二挤压固液分离机的出液口与调节池的进液口连通，另外设置一沼液排放管道与第二挤压固液分离机的出液口连通；泥-水换热器的出热水口与第二热水罐的进水口、第二热水罐的出水口与调节池内设的增温盘管的进水口、调节池内设的增温盘管的出水口与泥-水换热器的回冷水口依次连通；中温发酵池和高温发酵池的沼气出口与沼气净化器、沼气净化器与沼气发电机组依次连通；沼气发电机组的高温烟气排放管道与烘干机的进气管道、烘干机的出气管道与水热反应器的进气管道依次连通；沼气发电机组的冷却水排放管道与第一水-水换热器连通，沼气发电机组的缸套水排放管道与第二水-水换热器连通，第一水-水换热器和第二水-水换热器分别用于换走沼气发电机组中冷却水和缸套水的热量；第一水-水换热器的出热水口与第二水-水换热器的回冷水口、第二水-水换热器的出热水口与第一热水罐的进水口、第一热水罐的出水口与中温发酵池内设的增温盘管的进水口、中温发酵池内设的增温盘管的出水口与第一水-水换热器的回冷水口依次连通。
下面结合附图1，对该系统的工作原理进行详细说明：
秸秆经粉碎机粉碎后进入调节池，采用来自于第二挤压固液分离机出液口的沼液回流至调节池，调节发酵物料的固体百分含量，利用调节池内的增温盘管，采用来自于第二热水罐的热水对发酵物料增温；将经增温和调节固体百分含量后的物料输送至中温发酵池，利用中温发酵池内的增温盘管，采用来自于第一热水罐的热水对发酵物料增温保温，控制中温发酵温度为35-40℃；将完成中温发酵后的物料输送至第一挤压固液分离机内，经固液分离后分为液体和固渣；将固渣置于水热反应器内进行水热处理强化固形物中的木质纤维水解，水热处理所需的蒸汽来自于烘干机内形成的高温蒸汽，控制水热反应器的处理温度为120-160℃；将完成水热处理后的固渣至于高温发酵池，同时将第一挤压固液分离机分离的液体通入高温发酵池与固渣混合进行高温发酵，液体用于冷却经水热处理后的固渣，同时高温的固渣用于维持高温发酵池的反应温度，控制高温发酵池的发酵温度为50-55℃；采用泥-水换热器对完成高温发酵后温度为50-55℃的剩余物进行换热以回收发酵剩余物蕴藏的热量，并以热水的形式储存于第二热水罐中，第二热水罐的热水用于加热调节池内的物料；经换热降温后的发酵剩余物，采用第二挤压固液分离机对其进行固液分离，分离为沼液和沼渣，沼液主要回流到上述调节池用于调节发酵物料的固体百分含量，多余的沼液通过沼液排放管道进行排放；沼渣采用烘干机进行烘干处理用以生产固体有机肥，烘干所需的高温烟气来自于沼气发电机组排放的500-600℃的高温烟气，高温烟气在烘干机内带走沼渣中的水份形成高温蒸汽并从烘干机气体出口中排出，从而实现沼渣烘干，形成的高温蒸汽通入水热反应器对固渣进行水热处理；收集中温发酵池和高温发酵池的沼气，经沼气净化器脱水脱硫后通入沼气发电机组，发电的同时会产生大量的余热，余热以三种形式存在：一是500-600℃的高温烟气，二是85-95℃的高温缸套水、三是50-60℃的中冷器和润滑油冷却水；对这三种不同热量品位的余热进行综合利用，高温烟气进入烘干机，用于烘干沼渣并形成高温蒸汽，进而用作水热处理的蒸汽源；中冷器和润滑油冷却水、高温缸套水依次经第一水-水换热器和第二水-水换热器换热后形成高温的热水，并储存于第一热水罐中，用于对中温发酵池内的发酵物料进行增温保温。
以上介绍了一种秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统。本发明并不限定于以上实施例。任何未脱离本发明技术方案，即仅仅对其进行本领域普通技术人员所知悉的改进或变更，均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统，其特征在于，所述系统包括：粉碎机、调节池、中温发酵池、第一挤压固液分离机、水热反应器、高温发酵池、第二挤压固液分离机、烘干机、沼气净化器、沼气发电机组、第一水-水换热器、第二水-水换热器、第一热水罐、泥-水换热器、第二热水罐；
其中粉碎机的出料口与调节池的进料口、调节池的出料口与中温发酵池的进料口、中温发酵池的出料口与第一挤压固液分离机的进料口依次连通；
第一挤压固液分离机的出液口与高温发酵池的进液口连通，第一挤压固液分离机的出料口与水热反应器的进料口连通；
水热反应器的出料口与高温发酵池的进料口、高温发酵池的出料口与泥-水换热器的进料口、泥-水换热器的出料口与第二挤压固液分离机的进料口依次连通，第二挤压固液分离机的出液口与调节池的进液口连通；
泥-水换热器的出热水口与第二热水罐的进水口、第二热水罐的出水口与调节池内设的增温盘管的进水口、调节池内设的增温盘管的出水口与泥-水换热器的回冷水口依次连通；
中温发酵池和高温发酵池的沼气出口与沼气净化器、沼气净化器与沼气发电机组依次连通；
沼气发电机组的高温烟气排放管道与烘干机的进气管道、烘干机的出气管道与水热反应器的进气管道依次连通；
沼气发电机组的冷却水排放管道与第一水-水换热器连通；沼气发电机组的缸套水排放管道与第二水-水换热器连通；
第一水-水换热器的出热水口与第二水-水换热器的回冷水口、第二水-水换热器的出热水口与第一热水罐的进水口、第一热水罐的出水口与中温发酵池内设的增温盘管的进水口、中温发酵池内设的增温盘管的出水口与第一水-水换热器的回冷水口依次连通。
2.如权利要求1所述的秸秆沼气制备耦合发电余热利用的系统，其特征在于，设置沼液排放管道与第二挤压固液分离机的出液口连通。
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