CN109970204A - 一种人工湿地-生物质能发电联合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人工湿地‑生物质能发电联合系统，该系统包括：表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)，生物质处理和输送系统(13)，以及发电系统(14)，其中，所述表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)串联，生物质处理和输送系统(13)用于处理来自所述表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)的植物体，并将处理后所得的物质输送到所述发电系统(14)，用于发电。

Description

一种人工湿地-生物质能发电联合系统

技术领域

本发明涉及污水生态处理领域，特别是涉及一种人工湿地-生物质能发电联合系统。

背景技术

能源危机和气候变化已经成为世界可持续发展的两个巨大挑战。生物能源作为一种可再生的能源一直以来都是科学界关注的焦点。生物质燃烧放出来的二氧化碳是植物短期固碳的再释放，所以没有破坏地球二氧化碳的平衡，这些生物质如果不作为生物能源来利用，大部分也会在一年的期限内通过呼吸再释放回大气，由此通过生物能源替代化石燃料，生物质能燃烧释放二氧化碳便不属于温室效应，因此，生物质能源具有良好的节能减排能力。

现代生物质能的发展方向是高效清洁利用，将生物质转换为优质能源，包括电力、燃气、液体燃料和固体成型燃料等。欧盟地区生物能源的主要转化形式是生物燃料，包括燃料乙醇和生物柴油。巴西是乙醇燃料开发应用力度最大的国家，巴西一半以上的汽车使用乙醇燃料。美国是运用生物柴油、生物质发电最多的国家，中国的生物质发电利用也排在国际前列。生物质发电包括直接燃烧发电、混合燃烧发电及气化发电三种方式。混合燃烧发电是指在燃煤锅炉里混合一定比例的生物质燃烧发电；生物质气化发电是指生物质原料气化后生成可燃气体，净化后燃烧，驱动内燃机或燃气轮机发电，生物质气化发电主要集中在畜禽养殖场沼气发电、垃圾填埋场导排气发电、工业有机废物发电等领域；生物质直接燃烧发电是指利用蒸汽锅炉燃烧生物质燃料，产生蒸汽带动汽轮发电机组发电，生物质直接燃烧发电的技术目前已基本成熟，进入推广应用阶段，美国大部分生物质采用这种发电方式，10年来已建成生物质燃烧发电站约6000MW，处理的生物质大部分是农业废弃物或木材厂纸厂的森林废弃物。在三种生物质发电方式中，目前直燃发电应用前景最为广阔，我国目前已投产和正在建设的发电工程大部分为直燃发电项目。为了推动生物质发电技术的发展，2003年以来，国家先后核准批复了多个生物质发电示范项目，并于2005年正式颁布了《可再生能源法》，同时，实施了生物质发电优惠上网电价等相关配套政策(《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》(发改价格[2010]1579号))，从而使生物质发电产业迅速发展。随着国家政策导向力度不断加强，我国生物质发电产业的发展渐入佳境。但是，目前我国生物质发电还存在原料供应问题。我国目前生物质能原料资源主要有农作物秸秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物(植物)等。这些生物质能原料资源占用了土地，且消耗了大量农化物资的投入(尤其是氮肥)，而且引起了温室气体的排放,未能达到清洁能源的要求。秸秆是其中最主要的生物质能原料，但由于秸秆等农业加工剩余物原料较为分散、能量密度低，存在明显的区域性和季节性，所以收集、运输及贮存费用是生物质成本的主要部分，因此原料问题是我国生物质发电亟需解决的关键问题。生物质发电这一产业在我国农村能否实现科学设计和健康发展，需要进行深入广泛研究，制订出适合中国国情的经济技术及发展战略。

传统污水处理工业是个高耗能行业，每吨污水平均耗能达0.75kwh，我国污水集中处理能力每天1亿吨，处理过程能耗的间接排放，相当于日排放二氧化碳当量6.75万吨。同时，污水处理过程还会造成大量温室气体的排放。1990-2020年间，全球污水处理过程排放的甲烷气将增加48.9％，特别是在快速发展的东南亚地区和中国地区；N₂O的排放统计不是很完全，但也将由25％的增长。排放增长的驱动力主要是人口增加导致的污水排放量增加，以及快速城市化和农村地区缺乏有效的污水处理设施，普遍采用技术含量低的厌氧处理工艺。近十几年来发展起来的人工湿地污水处理系统是一种模拟自然湿地生态系统中的物理、化学和生物作用而人工建造的用来专门污水处理的生态工程技术，是原生态系统污水处理功能群生物集约化的产物，具有重要的生态服务功能。人工湿地能够利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物的生长并使其增产，但是收割下来的植物地上部分却往往被人们抛弃。如果把这部分植物收集起来，用来制成生物质能并进行发电便可实现人工湿地系统的再资源化，同时又可解决传统生物质发电的原料供应问题。

发明内容

通过研究发现，人工湿地废弃植物具有比玉米、大豆、柳枝稷、低输入—高多样性(LIHD)草地更高的净能源输出。然而，人工湿地目前在我国空间上分布分散，多数面积较小。因此，用人工湿地进行大规模生产生物燃料的挑战之一就是集中操作和运输问题。为了缓解这些问题，我们开创性地提出人工湿地-生物质能发电联合系统，即在人工湿地分布当地用热能将生物量转变为电能用于当地居民生产生活等发电，可以为同时实现能源挑战、污水处理和环境保护的可持续发展提供研究基础。

根据本发明一方面，提供一种人工湿地-生物质能发电联合系统，包括：表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12，生物质处理和输送系统13，以及发电系统14，

其中，所述表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12串联，生物质处理和输送系统13用于处理来自所述表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12的植物体，并将处理后所得的物质输送到发所述电系统14，用于发电。

根据本发明的一个实施方案，其中所述表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12中种植的植物包括芦竹、菩提子、香蒲、芦苇、纸莎草、箛、风车草。

根据本发明的一个实施方案，其中所述生物质处理和输送系统13包括生物质准备工场、生物质存贮场、生物质干燥器、筛选机和研磨机。

根据本发明的一个实施方案，其中所述生物质处理和输送系统13还包括发酵池。

根据本发明的一个实施方案，其中所述发电系统14为生物质直燃发电系统

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方案的人工湿地-生物质能发电联合系统结构示意图。

图2为常用人工湿地植物地上生物量统计图。

图3为复合垂直流人工湿地、潜流人工湿地与表面流人工湿地生物量产量的比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明的一个实施方案的人工湿地-生物质能发电联合系统结构示意图。如图1所示，本发明的人工湿地-生物质能发电联合系统可以包括表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12，生物质处理和输送系统13以及发电系统14。

参考图1，所述表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12串联，例如在两个湿地之间设置有管道。生物质处理和输送系统13用于处理来自所述表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12的植物体，并将处理后所得的物质输送到发所述电系统14，用于发电。产生的电可以输送到农村或者其他需要电力的地方

根据本发明，所述表面流人工湿地11和垂直潜流人工湿地12中种植的植物包括芦竹、菩提子、香蒲、芦苇、纸莎草、箛、风车草。

更具体地，在植物选择方面。目前全球已被利用且产生效果的人工湿地有上百种。在人工湿地植物种类应用方面，早期的表面流人工湿地主要以采用水生植物类型为主，因为这种类型的人工湿地与自然湿地类似，废水从湿地表面流过且有积累，适于水生植物的生长。上世纪90年代开始，潜流人工湿地、复合垂直流人工湿地相继研发出现。这种新型人工湿地地表没有积水，杜绝了一般人工湿地蚊虫滋生等负面效应，适合更多植物种类的生长，而且大部分面积接近中生环境，有助于中生植物的生长，从而提高了人工湿地植物多样性。这些系统中采用了黑麦草、菩提子、芦竹、风车草等陆生植物，这也为更好地利用人工湿地植物作为生物质能源提供了基础。我们通过研究和整理国内外常用70余种人工湿地植物地上生物量数据库，分析发现芦竹具有较高生物量(千克/公顷)(参见图2)。其中生物量较高的植物有芦竹、菩提子、香蒲、芦苇、纸莎草、箛等。

在植物的燃烧值方面，芦竹也表现出较高的值。在自然干燥大约10天，然后切割粉碎至20～80目，干燥至水分含量低于10％，储存于-20℃用于纤维素组分、热值测定。纤维素组分用HNO₃–乙醇法测定，热值用热值测定仪测量。结果发现，芦竹木质素含量比玉米秸秆低，有利于乙醇发酵和降低前处理的成本，而纤维素含量比玉米秸秆高，表明更适合做纤维素乙醇发酵原料，热值测定结果显示，芦竹具有与玉米秸秆相当的热值，具有较好能源转化潜力。检测结果参见下表1：

表1

本发明通过研究发现，人工湿地流型选择具有重要的意义。研究表明，复合垂直流人工湿地的平均生物量产量最高，潜流人工湿地的平均生物量产量要比表面流人工湿地产量高出1/3左右。结合不同流型人工湿地对N、P、COD、BOD处理效果，选择表面流+垂直复合流人工湿地系统，更适用于生产生物质燃料，具体参见附图3，图中示出了不同气候地区的不同类型的人工湿地系统的产出比较。

如图1所示，本发明的人工湿地，包括表面流人工湿地12和垂直潜流人工湿地13，二者串联，污水通过管道从表面流人工湿地中一端流入，在水流出的一端接入一个垂直潜流人工湿地。表面流人工湿地是预处理，类似沉淀池，充分利用填料表面生长的生物膜，丰富的植物根系及表层填料截留等的作用，首先对进水的有机污染物进行吸收、沉淀处理；而垂直潜流人工湿地由于水流在地表以下流动，故具有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好、有氧条件提高了氨氮的去除率等特点。

如图所示，本发明所述生物质处理和输送系统13可以包括生物质准备工场、生物质存贮场、生物质干燥器、筛选机、研磨机、发酵池等多种设备。例如图中示出了存储场所、切割池、以及发酵池等。其中存储场所用于存在收割的生物体或者干燥后的生物体，切割池对生物体进行分割，已形成适当粒径的材料，发酵池可以对生物材料进行发酵处理，例如产生甲烷等可燃气体等。然后可以将所产生的物质例如生物质颗粒物，甲烷等输送到发电系统中进行燃烧发电。例如可以将处理后的生物质颗粒物直接输送到直燃发电系统中进行燃烧，也可以将生产的可燃气体例如甲烷等输送到发电系统中进行燃烧发电。

本发明能实现两种能源优势互补，用热能将生物量转变为电能用于当地居民生产生活等发电，可以同时实现能源挑战、污水处理和环境保护。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种人工湿地-生物质能发电联合系统，其特征在于,包括：表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)，生物质处理和输送系统(13)，以及发电系统(14)，

其中，所述表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)串联，生物质处理和输送系统(13)用于处理来自所述表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)的植物体，并将处理后所得的物质输送到所述发电系统(14)，用于发电。

2.根据权利要求1所述的人工湿地-生物质能发电联合系统，其中所述表面流人工湿地(11)和垂直潜流人工湿地(12)中种植的植物包括芦竹、菩提子、香蒲、芦苇、纸莎草、箛、风车草。

3.根据权利要求1所述的人工湿地-生物质能发电联合系统，其中所述生物质处理和输送系统(13)包括生物质准备工场、生物质存贮场、生物质干燥器、筛选机和研磨机。

4.根据权利要求3所述的人工湿地-生物质能发电联合系统，其中所述生物质处理和输送系统(13)还包括发酵池。

5.根据权利要求1所述的人工湿地-生物质能发电联合系统，其中所述发电系统(14)为生物质直燃发电系统。