CN110073855A - 一种分布式能源-农业循环经济系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种分布式能源‑农业循环经济系统及方法，包括沼气池、沼气发电机、热交换器、太阳能集热器、温室大棚、蓄热器、沼气脱硫罐、固液分离器、脱硫溶液再生罐、压缩空气瓶；本发明将沼气池生产出的沼气转化为电力，充分利用燃烧烟气热能和太阳能用于制冷和供热，并将烟气废气实现资源化再利用，作为气体肥料供给到温室；本发明将分布式能源系统与农业循环经济相结合，在实现农业循环过程中将各种用能要求与能量梯级利用进行适配，不污染环境，不产生固体废弃物。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式能源-农业循环经济系统及方法，属于农业循环经济领域。
背景技术
循环经济是指以生态学理论和生态环境规律为基础的可持续发展的经济模式，对社会经济和生态环境融合发展起到了指导作用。循环经济理论倡导经济发展和 生态环保达到"双赢"，改变经济增长依靠消耗、枯竭自然资源转变成废物来达到 经济发展的不可持续模式，提出自然资源和生态环境循环利用、融合发展的新经 济模式。在农业生产领域中引入循环经济的理念，将促进农业生产与生态环保的 融合，优化农业生态环境，真正实现农业的可持续发展。目前，研究较多的农业 循环经济模式为“温室-养殖-沼气-蔬菜种植”的‘四位一体’模式，将温室大棚、畜禽 养殖、沼气发酵和农作物种植进行了有机结合，达到四者相互依存，优势互补的 目的。沼气池不仅可以为农民生活提供清洁易燃的沼气，而且可以利用沼气发酵 后的沼液和沼渣，改良土壤，提高土壤有机质。同时满足农民生产、生活等能源 资源需求。沼液、沼渣可以直接用于温室大棚内的无公害绿色蔬菜种植，促进种 植业和养殖业向生态农业转变。
分布式能源系统是相对于传统大型电站和电网的集中式供能而定义的，是指将发电系统以小规模、模块式、分散式的方式布置在用能用户的附近，可独立地向用户输出冷、热、电的能源系统。分布式能源系统是以液体或气体作为燃料的内燃机、斯特林发动机、燃气轮机和燃料电池为原动机的能量转化系统。与传统的集中式供能相比较，分布式能源系统具有以下几点优势：极低的输配电损耗；适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时数；工程建设成本和安装维护成本较低；各分布式微型电站相互独立，依靠微电网控制，供电可靠性较高。可远程监控区域电力质量和性能：非常适合对乡村、牧区、山区及商业区和居民区提供基础电力。分布式能源系统可满足用户生产和生活需求，弥补大电网在安全性、环保性和可靠性方面的不足，为多种能源互补的综合利用提供了可能，为可在生能源的利用开辟了新的研究应用方向。分布式能源系统实现了从高品位能源到低品位能源合理的梯级利用，高效节能，能效达到80%~90%。分布式能源采用先进的能源转换技术，尽力减少污染物的排放，并使排放分散化，便于被周边植被吸收。同时，分布式能源利用其排放量小，排放浓度低的优势，可以将主要大气环境污染物和温室气体实现废弃物资源化再利用。分布式能源采用清洁能源燃料，极大的减少有害气体的排放，SO2、PM2.5、固体废弃物和污水接近于零排放。
发明内容
为了解决传统农业循环经济“四位一体”以家庭为生产单位的局限性和当前国家推行以农村合作社相适应的农业循环经济难以实现的问题，本发明提供一种分布式能源-农业循环经济系统，该系统结合了分布式能源的优点，不仅限于农业生产，还产可生电能及肥料，同时提供商业冷藏及冷冻服务。
一种分布式能源-农业循环经济系统，包括沼气池1、沼气发电机2、热交换器3、太阳能集热器4、温室大棚6、蓄热器7、沼气脱硫罐9、固液分离器10、脱硫溶液再生罐11、压缩空气瓶12；
沼气池1底部与温室大棚6顶部喷头连接，温室大棚6顶部喷头还与水管连接，沼气池1底部与温室大棚6顶部喷头之间设有泵8，沼气池1内产生的沼液被泵8抽出与水混合后，到温室大棚6顶部喷头，从喷头喷洒到温室大棚6内的作物上，作为肥料使用；沼气池1顶部与沼气脱硫罐9下部连接，沼气脱硫罐9顶部设有喷头，沼气脱硫罐9底部与固液分离器10连接，固液分离器10与脱硫溶液再生罐11连接，脱硫溶液再生罐11底部与压缩空气瓶12连接，脱硫溶液再生罐11下部通过泵与沼气脱硫罐9顶部喷头连接，脱硫塔9顶部与沼气发电机2连接，沼气发电机2与热交换器3连接，热交换器3还分别与太阳能集热器4、温室大棚6、蓄热器7连接。
所述沼气池1内部设有螺旋水管，螺旋水管一端与蓄热器7连接，另一端分成两条支路，一条支路与太阳能集热器4连接，另一条支路与热交换器3连接。
所述温室大棚6侧面设有火墙，火墙为中空结构，火墙内部与热交换器3连通，位于温室大棚6内侧的火墙上设有多个管道，管道出口设有温度传感器Ⅰ、电磁阀，温度传感器Ⅰ、电磁阀与控制器连接。
所述热交换器3为中心设有螺旋管道的箱体，沼气发电机2出来的燃烧废气与热交换器3的螺旋管道通连通。
所述温室大棚6内设有温度传感器Ⅱ，蓄热器7内设有温度传感器Ⅲ。
所述系统还包括吸收式冷库5，吸收式冷库5外部设有环形水管，环形水管一端与蓄热器7连接，另一端分成两条支路，一条支路与太阳能集热器4连接，另一条支路与热交换器3连接。
所述系统两两连接部件之间均设有阀门。
本发明还提供所述分布式能源-农业循环经济方法，农田秸秆和禽畜养殖排泄物送入沼气池1内，沼气池1产生的沼渣返回农田作为肥料使用，沼气池1产生的沼液被泵8抽出后与水混合，被喷洒到温室大棚6内，给温室大棚蔬菜施肥，剩余沼液浓缩后成为叶面肥，沼气池1产生的沼气进入沼气脱硫罐9被脱硫处理后进入沼气发电机2进行沼气发电，沼气脱硫罐9内的脱硫液体进入固液分离器10分离出单质硫，分离之后的液体进入脱硫溶液再生罐11进行再生，压缩空气瓶12向脱硫溶液再生罐11中持续通入含氧气体，脱硫溶液被再生后返回沼气脱硫罐继续使用，沼气发电生产的电力输送家庭使用，太阳能集热器4利用太阳能将水加热，输送至热交换器3经沼气发电烟气余热进一步加热后储存在蓄热器7里面，用于沼气池1、吸收式冷库5使用，经过热交换器3后的烟气作为热源为温室大棚6供热后再作为气体肥料（CO2）通入温室大棚6，温室大棚6生产的果蔬和禽畜养殖屠宰的禽畜肉类可存储于吸收式冷库5，沼气池1、吸收式冷库5使用后的循环水返回太阳能集热器4或热交换器3。
所述沼气脱硫罐9内装有脱硫溶液，脱硫溶液为氯化铁溶液。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在整个农业循环过程中，不产生任何有害物质及废弃物。
（2）本发明除基本农产品外，还可生产电力及提供冷藏等商业服务。
（3）本发明充分运用了能量梯级利用原则，高品位能源用于发电，低品位能源用于供暖和制冷。
（4）本发明充分利用了沼气发电机废气资源，从废气的热能、废气的主要成分等都进行了资源化再利用，以往烟气的废气很难回收利用，其原因在于废气中会含有NOX，将脱硝与温室生产相结合，既可以为植物生长提供氮肥又可减少废气氮氧化物排放。在实际运行过程中，沼气发酵需要保持一定温度才可正常发酵产生沼气，除此之外的还有温室用热和吸收式冷库制冷，热能综合利用系统的主要设计思想为能量的梯级利用和冬夏季差异化供能，充分利用沼气发电机的高温烟气，将太阳能集热器加热的低温热水提升至中温热水，用以供热和制冷。
附图说明
图1是本发明实施例1的系统结构示意图；
图中：1-沼气池，2-沼气发电机，3-热交换器，4-太阳能集热器，5-吸收式冷库，6-温室大棚，7-蓄热器，8-泵，9-沼气脱硫罐，10-固液分离器，11-脱硫溶液再生罐，12-压缩空气瓶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是实施例中的一部分，基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有创造性发明的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种分布式能源-农业循环经济系统，如图1所示，包括沼气池1、沼气发电机2、热交换器3、太阳能集热器4、吸收式冷库5、温室大棚6、蓄热器7、沼气脱硫罐9、固液分离器10、脱硫溶液再生罐11、压缩空气瓶12、泵和阀门若干；
沼气池1底部与温室大棚6顶部喷头连接，温室大棚6顶部喷头还与水管连接，沼气池1底部与温室大棚6顶部喷头之间设有泵8，沼气池1内产生的沼液被泵8抽出与水混合后，到温室大棚6顶部喷头，从喷头喷洒到温室大棚6内的作物上，作为肥料使用；沼气池1顶部与沼气脱硫罐9下部连接，沼气脱硫罐9顶部设有喷头，沼气脱硫罐9底部与固液分离器10连接，固液分离器10通过泵与脱硫溶液再生罐11连接，脱硫溶液再生罐11底部与压缩空气瓶12连接，压缩空气瓶12内装有压缩空气，脱硫溶液再生罐11下部通过泵与沼气脱硫罐9顶部喷头连接，脱硫塔9顶部与沼气发电机2连接，沼气发电机2与热交换器3连接，热交换器3为中心设有螺旋管道的箱体，沼气发电机2出来的燃烧废气与热交换器3的螺旋管道通连通，热交换器3还分别通过泵与太阳能集热器4、温室大棚6、蓄热器7连接；温室大棚6侧面设有火墙，火墙为中空结构，火墙内部与热交换器3连通，位于温室大棚6内侧的火墙上设有多个管道，管道出口设有温度传感器Ⅰ、电磁阀，温度传感器Ⅰ、电磁阀与控制器连接；温室大棚6内设有温度传感器Ⅱ，用于测温室大棚6内的温度，蓄热器7内设有温度传感器Ⅲ，用于测蓄热器7内部温度；沼气池1内部设有螺旋水管，螺旋水管一端通过泵与蓄热器7连接，另一端分成两条支路，一条支路通过泵与太阳能集热器4连接，另一条支路通过泵与热交换器3连接，吸收式冷库5外部设有环形水管，环形水管一端通过泵与蓄热器7连接，另一端分成两条支路，一条支路通过泵与太阳能集热器4连接，另一条支路通过泵与热交换器3连接，两两连接部件之间均设有阀门。
本实施例系统中，农田生产的粮食用于出售，农作物作为禽畜养殖的食物，禽畜养殖得到的禽畜产品用于出售，剩余的农田秸秆和禽畜养殖排泄物送入沼气池1内进行沼气发酵，发酵后沼气池1产生的沼渣返回农田作为肥料使用，沼气池1产生的沼气进入沼气发电机2进行沼气燃烧发电，生产的电力输送家庭使用，沼气进入沼气发电机2之前进入沼气脱硫罐9内，沼气脱硫罐9内装有脱硫溶液，脱硫溶液为浓度为5mol/L的氯化铁溶液，可以对沼气进行脱硫处理，使进入沼气发电机2的沼气更加环保、清洁，而且脱硫溶液在脱硫后，固液分离器10分离出单质硫，剩余溶液使用压缩空气瓶12中的压缩空气进行再生，返回沼气脱硫罐9继续使用，沼气池1产生的沼液被泵8抽出后与水混合，被喷洒到温室大棚6内，由于沼液呈微碱性，可以吸收中和NOX，生成氮肥被农作物吸收，减少化肥使用，所以喷洒沼液可用于吸收氮氧化物并作为温室作物叶面肥，同时，沼液可以杀灭部分虫害，减少农药使用，剩余沼液浓缩后成为叶面肥待用；
太阳能集热器4利用太阳能将水加热，输送至热交换器3中，沼气发电产生的热烟气通过热交换器3内的螺旋管道，进一步将水加热后储存在蓄热器7里面，吸收式冷库5外部设有环形水管，蓄热器7中的热水可用于吸收式冷库5使用，沼气池1内部设有螺旋水管，蓄热器7内的热水可用于沼气池1内部供热；若是在白天太阳大的时候，打开吸收式冷库5和沼气池1与太阳能集热器4之间的阀门，吸收式冷库5制冷和沼气池1内部供热后的水返回太阳能集热器4循环加热；若是在夜晚没有太阳的时候，关闭吸收式冷库5和沼气池1与太阳能集热器4之间的阀门，打开吸收式冷库5和沼气池1与热交换器3之间的阀门，吸收式冷库5制冷和沼气池1内部供热后的水返回热交换器3循环加热；
温度传感器Ⅲ对蓄热器7内的温度进行监测，当蓄热器7内的温度降低时，增加沼气池1内的农田秸秆和禽畜养殖排泄物，增加沼气产量，增加沼气发电机2的工作负荷，使之产生更多的热烟气用于热交换器3内加热；
温度传感器Ⅱ检测到温室大棚6内的温度变低时，打开热交换器3和温室大棚6火墙之间的阀门，经过热交换器3后的烟气携带余热通过烟气管道进入温室大棚6的侧面火墙，位于温室大棚6内侧的火墙上设有多个管道，管道出口设有温度传感器Ⅰ、电磁阀，烟气温度降到30℃时，温度传感器Ⅰ将温度反馈给控制器，控制器打开管道出口上的电磁阀，烟气进入温室大棚6进行混合传热传质，同时由于烟气中含有大量CO2，可以增加温室内的二氧化碳浓度，有利于植物光合作用，促进植物生长，减少植物生长剂的使用；
温室大棚6生产的果蔬和禽畜养殖屠宰的禽畜肉类可存储于吸收式冷库5，吸收式冷库5采用吸收式制冷和压缩式制冷相结合，吸收式制冷用于新鲜蔬菜和水果等冷藏，压缩式制冷用于肉类等冷冻，冷库即可储存自产品也可以向其他企业提供服务。
在冬季，要尽量将热能资源回收和储存，用以供给沼气池1发酵和温室大棚6保温用热，由于温室大棚6白天热负荷较低，调节阀门，将烟气多余热能转化为热水储存在蓄热器7中，用于夜晚沼气池1保温供热，蓄热器7中热水也可以作为生活用水使用。在夏季，温室大棚6和沼气池1无热负荷，因此需将尽可能多的热量供给吸收式冷库5制冷。按照此设计，尽可能减少沼气发电机2的负荷因用能单位的需求而大幅变动，有利于其平稳运行，沼气发电机2产生的电力输送家庭用电，实现了能源的充分利用，而且沼气中得到副产物单质硫，提高了经济效益。
Claims (9)
1.一种分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，包括沼气池（1）、沼气发电机（2）、热交换器（3）、太阳能集热器（4）、温室大棚（6）、蓄热器（7）、沼气脱硫罐（9）、固液分离器（10）、脱硫溶液再生罐（11）、压缩空气瓶（12）；
沼气池（1）底部与温室大棚（6）顶部喷头连接，温室大棚（6）顶部喷头还与水管连接，沼气池（1）底部与温室大棚（6）顶部喷头之间设有泵（8），沼气池（1）内产生的沼液被泵（8）抽出与水混合后，到温室大棚（6）顶部喷头，从喷头喷洒到温室大棚（6）内的作物上；沼气池（1）顶部与沼气脱硫罐（9）下部连接，沼气脱硫罐（9）顶部设有喷头，沼气脱硫罐（9）底部与固液分离器（10）连接，固液分离器（10）与脱硫溶液再生罐（11）连接，脱硫溶液再生罐（11）底部与压缩空气瓶（12）连接，脱硫溶液再生罐（11）下部通过泵与沼气脱硫罐（9）顶部喷头连接，脱硫塔（9）顶部与沼气发电机（2）连接，沼气发电机（2）与热交换器（3）连接，热交换器（3）还分别与太阳能集热器（4）、温室大棚（6）、蓄热器（7）连接。
2.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，沼气池（1）内部设有螺旋水管，螺旋水管一端与蓄热器（7）连接，另一端分成两条支路，一条支路与太阳能集热器（4）连接，另一条支路与热交换器（3）连接。
3.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，温室大棚（6）侧面设有火墙，火墙为中空结构，火墙内部与热交换器（3）连通，位于温室大棚（6）内侧的火墙上设有多个管道，管道出口设有温度传感器Ⅰ、电磁阀，温度传感器Ⅰ、电磁阀与控制器连接。
4.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，热交换器（3）为中心设有螺旋管道的箱体，沼气发电机（2）出来的燃烧废气与热交换器（3）的螺旋管道通连通。
5.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，温室大棚（6）内设有温度传感器Ⅱ，蓄热器（7）内设有温度传感器Ⅲ。
6.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，还包括吸收式冷库（5），吸收式冷库（5）外部设有环形水管，环形水管一端与蓄热器（7）连接，另一端分成两条支路，一条支路与太阳能集热器（4）连接，另一条支路与热交换器（3）连接。
7.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济系统，其特征在于，所述系统两两连接部件之间均设有阀门。
8.根据权利要求1所述分布式能源-农业循环经济方法，其特征在于，农田秸秆和禽畜养殖排泄物送入沼气池（1）内，沼气池（1）产生的沼渣返回农田作为肥料使用，沼气池（1）产生的沼液被泵（8）抽出后与水混合，被喷洒到温室大棚（6）内，给温室大棚蔬菜施肥，剩余沼液浓缩后成为叶面肥，沼气池（1）产生的沼气进入沼气脱硫罐（9）被脱硫处理后进入沼气发电机（2）进行沼气发电，沼气脱硫罐（9）内的脱硫液体进入固液分离器（10）分离出单质硫，分离之后的液体进入脱硫溶液再生罐（11）进行再生，压缩空气瓶（12）向脱硫溶液再生罐（11）中持续通入含氧气体，脱硫溶液被再生后返回沼气脱硫罐（9）继续使用，沼气发电生产的电力输送家庭使用，太阳能集热器（4）利用太阳能将水加热，输送至热交换器（3）经沼气发电烟气余热进一步加热后储存在蓄热器（7）里面，用于沼气池（1）、吸收式冷库（5）使用，经过热交换器（3）后的烟气作为热源为温室大棚（6）供热后再作为气体肥料通入温室大棚（6），温室大棚（6）生产的果蔬和禽畜养殖屠宰的禽畜肉类可存储于吸收式冷库（5），沼气池（1）、吸收式冷库（5）使用后的循环水返回太阳能集热器（4）或热交换器（3）。
9.根据权利要求8所述分布式能源-农业循环经济方法，其特征在于，所述沼气脱硫罐（9）内装有脱硫溶液，脱硫溶液为氯化铁溶液。
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