CN110282843A

CN110282843A - 一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式

Info

Publication number: CN110282843A
Application number: CN201910586323.6A
Authority: CN
Inventors: 杨帆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2019-09-27

Abstract

本发明公开了一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式，包括以下步骤：将粪便中注入相同容积的水，在高温膨化的作用下，对提取的甲烷气体进行无害化气体的净化，此时收集到的非纯沼气为多气体混合气体在天然沼气中进行提取甲烷和二氧化碳并进行前期提纯并进行收集，此时产生的气态物质所产生的合成气体物质为70%以上浓度的甲烷介质及95%的乙烷树脂。有益效果在于：本发明利用天然粪便产生的沼气所产生的沼气，将所有排泄物集中后进行无害化绿色处理加工，开发利用废弃加工技术为提供新型机动设备提供新型燃烧方式，解决了汽车等运载交通工具的发动机只能依靠燃烧石油来提供动能的问题，也解决了传统燃烧方式所带来的能源短缺问题。

Description

一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式

技术领域

本发明涉及新能源开发技术领域，尤其是涉及一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式。

背景技术

沼气是一种混合气体，可以燃烧。沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体。

沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，与适量空气混合后即对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800－23600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。从沼气中提炼的天然气可直接燃烧可作内燃机的燃料,生产物质链为燃烧气体，周围的树脂为天然的甲醇、福尔马林、四氯化碳等可用的生化气体。

甲烷是优质的气体燃料，符合汽车内燃机的材料燃烧条件，完全燃烧后最高温度可达400℃左右，甲烷的燃点超低，属于易燃气体，在氧化的空气中完全可以符合汽车发动机燃烧的压缩天然气。

压缩天然气（CompressedNaturalGas,简称CNG）是天然气加压并以气态储存在容器中。它与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷（CH4）。CNG可作为车辆燃料使用，LNG（LiquefiedNaturalGas）可以用来制作CNG，这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV（NaturalGasVehicle）。液化石油气（LiquefiedPetroleumGas,简称LPG）经常容易与LNG混淆，其实它们有明显区别。液化石油气LPG的主要物质链的组成为丙烷（超过95%），其周围还有少量的丁烷树脂，LPG在适当可控的压力下以液态储存在储罐容器中，可进行压缩、制冷等相关操作形成可被用的民用燃烧气体和车辆内燃机燃料。压缩天然气是一种最理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。天然气加气站一般分为三个基本类型，即快速充装型，普通（慢速）充装及两者的混合型。

常规汽车使用的动力来源于发动机燃烧内部的汽油及天然气，对于汽车动力的及能源来说，石油及天然气是当今汽车行业主要的支持方向，随着飞机、轮船及大小型的运载工具不断涌现市场，对于能源供给来说，石油和天然气的供应及利用开发，代表着一个国家的综合实力的体现。油价高涨，给交通运输业带来越来越大的成本压力，尤其是城市公共交通。城市公共交通有用油数量大、不能随意调整班次、车票价格不能随便浮动的特征，因此油价上涨将直接导致企业成本增加，而且这种成本无法在短时间内转嫁出去。高昂的油价不仅直接提高了用车成本，而且抬高了整个社会的物流成本。于是，寻找新型的成品燃料的替代能源又一次成为人们所关注的话题。

“以油改气”主要是液化石油气（LPG），液化石油气价格变动与油价是同步进行，油价和等热值的液化石油气价格相差不大，“以油改气”的初衷主要是改善大气质量，因此缺乏经济利益驱动的“以油改气”工作开展一直较为缓慢。随着油价一涨再涨，石油和天然气之间的价格差距加大，改用相对低廉的天然气可以节约大量的燃料成本。尽快完善“油改气”相关的法律环境，统一现有车辆的改装标准，创新改装费用承担模式，鼓励社会制造、采购、使用双燃料汽车，各地做好加气站点的统一规划，建设布点合理、加气方便的加气站体系。当天然气燃料普及使用时，人们就不用再因油价上涨而备受困扰。

发明内容

本发明利用沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种压缩的可燃天然气体，人畜粪便、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式，包括以下步骤：

A、将粪便中注入相同容积的水，在高温膨化的作用下，对提取的甲烷气体进行无害化气体的净化，此时收集到的非纯沼气为多气体混合气体在天然沼气中进行提取甲烷和二氧化碳并进行前期提纯并进行收集，此时产生的气态物质所产生的合成气体物质为70%以上浓度的甲烷介质及95%的乙烷树脂，粪便中能够产生甲烷的细菌属厌氧生物物质，少量的氧也会严重影响其生长繁殖，处理系统中建设一个能隔绝氧的密闭消化池，温度在厌氧消化过程中是一个重要因素；

B、通过热工艺可产生大量的沼气和可燃烧的甲烷气体，对粪便进行收集并进行集中气体降温过滤、制冷压缩，并通过高温膨化进行气体筛放，实现固气分离及气体收集处理，然后会将收集到的所有气体进行统一集中压缩制冷设备降温甲烷能在0-80℃的温度范围内具有可燃性，有分别适应低温(20℃)、中温(30℃)、高温(50℃)的各类甲烷，最适宜的燃点温度分别为15℃、35℃、53℃左右；

C、粪便中能够产生甲烷的细菌属厌氧生物物质，少量的氧也会严重影响其生长繁殖，处理系统中建设一个能隔绝氧的密闭消化池，温度在厌氧消化过程中是一个重要因素，在甲烷中的冷却树脂与二氧化碳冷却树脂相同，向分离设备空间同时输入已去除杂质硫化氢和水蒸气的沼气并在分离设备中产生气体相互吸附产生融合，此时物质形态成混合态，气体中具有高燃烧效率的多项可燃气体，燃烧效益高，无污染，压缩后的天然气物质，周围树脂为混合性可燃烧气体树脂；

D、粪便中能够产生甲烷的细菌属厌氧生物物质，少量的氧也会严重影响其生长繁殖，处理系统中建设一个能隔绝氧的密闭消化池，温度在厌氧消化过程中是一个重要因素，将膨化后的气体冷却后，甲烷的燃点会随着温度降低而降低，当甲烷冷却在10℃以下后，甲烷中的碳化体会自然与气体分离，低温冷却处理后，甲烷存储内部空间气体可为高纯度甲烷树脂；

E、沼气发酵微生物主要从加温及热膨胀过程中进行发酵原料，并从中吸取碳（为沼气微生物提供能量）和氮（构成细胞）两大营养元素，以及氢、硫、磷等元素树脂，沼气发酵树脂的碳氮比为20：1～30：1，甲烷菌生长繁殖最适宜的pH值约为7.0-7.5，超出此范围，厌氧消化的效率就会降低，在厌氧消化过程中担负废弃物发酵作用的细菌，还需要氮、磷和其他营养物质，投入沼气池的原料比例，大体上要按照碳氮比等于20：1-25：1控制影响沼气发酵的有害物质浓度；

F、设置气体分离，将甲烷气瓶与二氧化碳用真空加工实施分离、甲烷气瓶与二氧化碳气瓶进行分开抽吸，二氧化碳被排除后，产生的气体为纯甲烷气体，物质链组成为单物质结构，甲烷气体周围25%以上气体树脂可为燃点低的助燃性气体树脂，从沼气中提炼后的气体可直接提取70%以上浓度的甲烷，与助燃气体氧气结合后可产生供燃烧的天然气体，压缩后可用来制作CNG，这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV（NaturalGasVehicle）压缩天然气是一种最理想的车用替代能源，内部可燃烧气体的树脂含量可达85%以上，降低燃料的燃点，使燃料易于燃烧；

G、利用吹拂方式将气体收集在无害化沼气的净化储存空间和输配具有无有害气体释放的空间内，吸附少量的氧化气体，可收集到的非纯燃烧气体的助燃物质，综合树脂可为多气体混合燃烧气体，将以上阶段的产物转化为甲烷和二氧化碳，形成集中压缩天然气（CompressedNaturalGas,简称CNG），将粪便进行加热膨化，从散发的气体中提取天然甲烷气体，集中后加压并以气态储存在容器中，它与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷树脂，CNG经冷却后可直接输送到气体容器中，作为车辆燃料使用；

H、对提取的甲烷进行真空隔离，分离室加热到常温，使分离空间顶部为纯甲烷，底部为纯二氧化碳，在它们之间形成薄薄的中间地带，产生流动气体树脂为甲烷和二氧化碳的气体的混合物，将粪便中复杂的高分子有机物质转化为低分子的乙酸、丙酸、丁酸等有机物，提供和保持沼气发酵中各种微生物所需的生活条件，通过发酵分解作用的为多种可燃树脂共同作用。

采用了上述技术方案的有益效果：

1、本发明利用天然粪便产生的沼气所产生的沼气，将所有排泄物集中后进行无害化绿色处理加工，开发利用废弃加工技术为提供新型机动设备提供新型燃烧方式，解决了汽车等运载交通工具的发动机只能依靠燃烧石油来提供动能的问题，也解决了传统燃烧方式所带来的能源短缺问题。实现废气变废为宝的环保新能源开发；

2、本发明利用城市粪便产生的沼气集中处理后提炼出大量纯度在70%以上的甲烷气体，燃烧过程中实现低燃点燃烧，作为汽车发动机燃烧的再生能源，代替过去汽车缩小汽车只能靠燃烧汽油的依赖性，利用新方法制作天然气作为发动机的动能，解决了传统燃烧方式所带来的能源短缺问题；

3、本发明提供技术实现综合可燃性气体物质的提纯，燃烧气体可在长时间低温的条件下利于内燃机内的快速燃烧，气体燃点可为-15℃至-25℃，在超低温的环境下可以进行常规打火，并节省燃烧时间，节约机油消耗；

4、本发明在燃烧至排放过程中代替了汽油完成气体的彻底燃烧过程，在不减少动能的情况下实现及时变档加速时提供快速燃烧，在匀速加速等操作过程中，减少机油消耗，并减少了汽油燃烧后而产生的碳树脂及其他有害气体的排放；

5、本发明对提炼出的天然气在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全、干净、不容易产生积碳，抗爆性能好，不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，能延长发动机的寿命和润滑油的使用期限，减少废弃扩散排放，对城市绿色环境的改善及空气净化具有系统化的建设意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的低温下甲烷燃点与汽油在内燃机内的燃点；

图2是本发明的天然气在燃烧中的燃烧比与汽油的燃烧比。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1-2所示，一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式，包括以下步骤：

本发明按照萃取过程进行对甲烷的提取，制作萃取过的甲烷，其浓度占整体沼气含有量的70%以上，沼气是多种气体的混合物，主要成分是甲烷。沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(CO2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢气(H2)、小于0．4％的氧气(O2)与0．1％～3％硫化氢(H2S)等气体组成。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。其特性与天然气相似。空气中如含有8.6～20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成符合燃烧性的混合气体。

实施例一：

在吉林大学及一家环保单位的支持下，在长春市污水厂收集1000kg粪便，将所有的粪便进行小规模的分开化实验，首先将所有粪便按批不间断的送入实验流程中的所有仪器，进行不间断的提纯和化验，进行实效性测试和实验。按本发明流程小型仪器熔炉内分批对所有粪便进行提纯处理和压缩实验，然后将流入的粪便进行固液分离，并逐批对粪便进行了甲烷等高纯度燃烧气体的一次萃取和二次萃取，并对萃取到的可燃气体进行了科学的收集和凝聚压缩，在实验过程中，系统对粪便进行分别进入加水混拌及膨化、制冷压缩等整个流程监测和实验。

通过整个体系实验，在各批粪便进行处理后进行集中气体收集，进行化学检验得知，1000kg的混合粪便通过加工工艺，除固态物收集外，在气体加工中一共压缩合成了57.4L的浓缩甲烷气体，高纯度达成了85%-95%的可燃性。在燃点的要求中，本发明所提炼的天然甲烷燃烧速度及可燃性达到了汽油的2.6倍，周围温度上降低固化后可完全达到低温环境下进行快速实现全部燃烧的效果。

实施例二：

常规汽油发动机启动过程中，需将汽油吸入内燃机底层后，内燃机进行旋转后产生20℃上下的温度，再利用火花塞旋转后产生的闪燃，实现内燃机内的利用温度的增加产生可控爆炸，瞬间将内燃机内部温度提高至可燃温度，车体油箱内部在外部环境下温度，需符合汽油燃烧温度所产生的相对燃点，可对气体产生的热量进行内部燃烧，在低温的情况下，车辆启动需先对汽车进行热身后，提高油箱与气缸和发动机自身温度后方可进行打火和燃烧。如将甲烷气体直接注入油箱后，可降低燃点温度，可在低温下产生快速打火并在气缸内和发动机内对甲烷气体进行充分的燃烧，其效果即可使内燃机节省起车时间，也可使内燃机温度长时间保持充分燃烧，节省机油消耗，且不会对车辆带来损耗，废气排放降低65%-70%，排量超出国VI标准，实现了超低排放的环保标准。

在一台一汽大众捷达自然吸气2.0L发动机的汽车内进行气体动力燃烧和启动过程实验，将甲烷气体经四台气缸分流后分别由油箱送入内燃机底层，对四台气缸中的内燃机进行同时旋转和气体压缩，使用火花塞进行点火燃烧，使内燃机内部杠杆进行快速旋转，气缸内部周围环境温度为-15℃上下的燃烧温度，利用火花塞打火对上升的气体进行瞬时点火，实现内燃机内的瞬时甲烷气体闪燃。利用缸内气体经压缩、点火、燃烧过程后产生爆炸和气体膨胀，提高温度产生内燃机内部的可控性爆炸，瞬间将内燃机内部温度提高至可燃温度，车体油箱内部在外部环境下温度，需符合汽油燃烧温度所产生的相对燃点，可对气体产生的热量进行内部燃烧，在低温的情况下，车辆启动需先对汽车进行热身后，提高油箱与气缸和发动机自身温度后方可进行打火和燃烧。如将甲烷气体直接注入油箱后，可降低燃点温度，可在低温下产生快速打火并在气缸内和发动机内对甲烷气体进行充分的燃烧，其效果即可使内燃机节省起车时间，也可使内燃机温度长时间保持充分燃烧，节省机油消耗，且不会对车辆带来损耗。

实施例三：

对于涡轮增压的发动机，转速绪提高至相对与汽车时速为90M以上才可以保证涡轮增压器完全打开，并产生完全燃烧，在发动机低速旋转时，发动机的变速不会对涡轮增压产生任何作用，不会产生充分燃烧的功能。然而普通城市汽车限速值难以超过涡轮增压打开的所需值，所有汽油难以达到全部燃烧，汽车发动机的动力也会受到相对限制和影响。采用本发明制造出的甲烷气体代替汽油进行燃烧，可在涡轮增压的旋转过程中降低转速需求，实现内燃机内的气体快速燃烧。

在一台德国大众捷达1.4T涡轮增压四缸油气混合发动机内进行点火实验、能源燃烧及动力实验，本发明在通过快速燃烧过程，在-20℃度的环境下进行点火实验，经测试，甲烷气体点火时间为0.3m，在点火后，可燃气体迅速向内燃机内部进行释放，进行快速变档提速后，发动机的速度达到了80M以上时，涡轮增压燃烧方式达到了启动工作温度，内燃机内涡轮增压燃烧过程完全打开，气体物质链中的甲烷及乙烷等可燃气体在快速燃烧后，可匀速将周围的其他气体（氧气）同时带入气缸，带来的动力达到150马力，燃烧的四部气缸完全打开并进行完全燃烧，在燃烧至排放过程中代替了汽油完成气体的彻底燃烧过程，并减少了汽油燃烧后而产生的碳树脂有害排放气体，在气体燃烧中降解因未完全燃烧材料，周围的氧气产生的树脂为助燃气体树脂，可以推动发动机实现甲烷的辅助燃烧，并且节省能源，使甲烷充分燃烧后不会产生过量的废气，内燃机内甲烷的发热最高为34000千焦/L，发热量约为20800－23600千焦，所有甲烷可在燃烧的内燃机里充分燃烧并加大动力，使燃烧比达到90%-95%以上，充分节约燃烧能源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种粪便萃取甲烷供应动力燃烧方式，其特征在于：包括以下步骤：

将粪便中注入相同容积的水，在高温膨化的作用下，对提取的甲烷气体进行无害化气体的净化，此时收集到的非纯沼气为多气体混合气体在天然沼气中进行提取甲烷和二氧化碳并进行前期提纯并进行收集，此时产生的气态物质所产生的合成气体物质为70%以上浓度的甲烷介质及95%的乙烷树脂，粪便中能够产生甲烷的细菌属厌氧生物物质，少量的氧也会严重影响其生长繁殖，处理系统中建设一个能隔绝氧的密闭消化池，温度在厌氧消化过程中是一个重要因素；

通过热工艺可产生大量的沼气和可燃烧的甲烷气体，对粪便进行收集并进行集中气体降温过滤、制冷压缩，并通过高温膨化进行气体筛放，实现固气分离及气体收集处理，然后会将收集到的所有气体进行统一集中压缩制冷设备降温甲烷能在0-80℃的温度范围内具有可燃性，有分别适应低温(20℃)、中温(30℃)、高温(50℃)的各类甲烷，最适宜的燃点温度分别为15℃、35℃、53℃左右；

粪便中能够产生甲烷的细菌属厌氧生物物质，少量的氧也会严重影响其生长繁殖，处理系统中建设一个能隔绝氧的密闭消化池，温度在厌氧消化过程中是一个重要因素，在甲烷中的冷却树脂与二氧化碳冷却树脂相同，向分离设备空间同时输入已去除杂质硫化氢和水蒸气的沼气并在分离设备中产生气体相互吸附产生融合，此时物质形态成混合态，气体中具有高燃烧效率的多项可燃气体，燃烧效益高，无污染，压缩后的天然气物质，周围树脂为混合性可燃烧气体树脂；

粪便中能够产生甲烷的细菌属厌氧生物物质，少量的氧也会严重影响其生长繁殖，处理系统中建设一个能隔绝氧的密闭消化池，温度在厌氧消化过程中是一个重要因素，将膨化后的气体冷却后，甲烷的燃点会随着温度降低而降低，当甲烷冷却在10℃以下后，甲烷中的碳化体会自然与气体分离，低温冷却处理后，甲烷存储内部空间气体可为高纯度甲烷树脂；

沼气发酵微生物主要从加温及热膨胀过程中进行发酵原料，并从中吸取碳（为沼气微生物提供能量）和氮（构成细胞）两大营养元素，以及氢、硫、磷等元素树脂，沼气发酵树脂的碳氮比为20：1～30：1，甲烷菌生长繁殖最适宜的pH值约为7.0-7.5，超出此范围，厌氧消化的效率就会降低，在厌氧消化过程中担负废弃物发酵作用的细菌，还需要氮、磷和其他营养物质，投入沼气池的原料比例，大体上要按照碳氮比等于20：1-25：1控制影响沼气发酵的有害物质浓度；

设置气体分离，将甲烷气瓶与二氧化碳用真空加工实施分离、甲烷气瓶与二氧化碳气瓶进行分开抽吸，二氧化碳被排除后，产生的气体为纯甲烷气体，物质链组成为单物质结构，甲烷气体周围25%以上气体树脂可为燃点低的助燃性气体树脂，从沼气中提炼后的气体可直接提取70%以上浓度的甲烷，与助燃气体氧气结合后可产生供燃烧的天然气体，压缩后可用来制作CNG，这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV（NaturalGasVehicle）压缩天然气是一种最理想的车用替代能源，内部可燃烧气体的树脂含量可达85%以上，降低燃料的燃点，使燃料易于燃烧；

利用吹拂方式将气体收集在无害化沼气的净化储存空间和输配具有无有害气体释放的空间内，吸附少量的氧化气体，可收集到的非纯燃烧气体的助燃物质，综合树脂可为多气体混合燃烧气体，将以上阶段的产物转化为甲烷和二氧化碳，形成集中压缩天然气（CompressedNaturalGas,简称CNG），将粪便进行加热膨化，从散发的气体中提取天然甲烷气体，集中后加压并以气态储存在容器中，它与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷树脂，CNG经冷却后可直接输送到气体容器中，作为车辆燃料使用；

对提取的甲烷进行真空隔离，分离室加热到常温，使分离空间顶部为纯甲烷，底部为纯二氧化碳，在它们之间形成薄薄的中间地带，产生流动气体树脂为甲烷和二氧化碳的气体的混合物，将粪便中复杂的高分子有机物质转化为低分子的乙酸、丙酸、丁酸等有机物，提供和保持沼气发酵中各种微生物所需的生活条件，通过发酵分解作用的为多种可燃树脂共同作用。