CN110423679A - 一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，包括燃料电池机构、用于为所述燃料电池机构提供甲烷气的厌氧发酵机构；所述厌氧发酵机构包括N个分别独立的发酵反应器，以发酵周期为循环周期每天使用一个进行独立全周期密闭发酵，各反应器循环使用；处于不同发酵阶段的各所述发酵反应器集成产气，通过集气管道连通所述燃料电池机构，其中，15≤N≤20。该家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合发电系统可以家庭、食堂、餐厅等小型用户为单位，有效利用厨余垃圾进行发电，燃料电池所产生的电量可用于供给小型家用电器使用达到节能环保的目的。

Description

一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统
技术领域
本发明涉及一种厨余垃圾处理设备，具体的说，涉及了一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统。
背景技术
家庭厨余垃圾指的是人们在日常生活饮食活动中所产生的垃圾，其主要成分为食物残渣、油脂、果皮等以及一些固体混合物。我国是一个人口大国，人们一日三餐或多或少都会造成一定的厨余垃圾。对于家庭厨余垃圾，传统处理方法有焚烧处理、填埋法以及堆肥处理等，需要经过多种环节的收集、运输等，造成大量的污染与附加成本。同时，填埋或堆肥中会产生大量的甲烷释放于环境中，不但是一种清洁能源的损失，也是一种温室气体，其温室效应是CO2的约22倍。
其中，焚烧处理一方面效率低下，而且会产生二恶英等有毒气体造成大气污染；而餐厨垃圾中含有极其丰富且易降解的有机化合物，例如脂类、糖类、蛋白质以及纤维素等，如果采用填埋法或直接弃置于自然环境中进行堆肥，有机物会发生一系列的反应并产生有毒有害物质，也会造成环境污染。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案在保证绿色环保的前提下对家庭厨余垃圾进行处理。
发明内容
本发明的目的是针对现有垃圾处理现状及技术的不足，提供一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统。可以家庭、食堂、餐厅等小型用户为单位，有效利用厨余垃圾进行发电，燃料电池所产生的电量可用于供给小型家用电器使用达到节能环保的目的。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，包括燃料电池机构、用于为所述燃料电池机构提供甲烷、氢气等燃料的厌氧发酵机构；所述厌氧发酵机构包括N个分别独立的发酵反应器，以发酵周期为循环周期每天使用一个进行独立全周期密闭发酵，各发酵反应器循环使用；处于不同发酵阶段的各所述发酵反应器集成产气，通过集气管道送往所述燃料电池机构进行发电，其中，N≥发酵周期，取15≤N≤20。
基于上述，所述发酵反应器的顶部设置端盖，所述端盖包括内端盖和外端盖，所述内端盖的外径等于所述发酵反应器的内径，所述外端盖的外径大于所述发酵反应器的内径，所述内端盖设置竖向的排气管，排气管的一端穿过所述内端盖连通发酵反应器内的沼液液面，所述排气管的另一端穿过所述外端盖连接所述集气管道的集气接口。
基于上述，所述燃料电池机构通过固定支架安装于所述厌氧发酵机构底部，所述集气管道架设于所述厌氧发酵机构上方，并经布置于所述厌氧发酵机构一侧的管道将发酵产生的甲烷和少量氢气输运至所述燃料电池机构，进行电化学反应发电；所述厌氧发酵机构的另一侧设置竖直杆对集气管道进行支撑。
基于上述，所述厌氧发酵机构包括一保温箱，该保温箱由隔板隔出N个隔间，各所述发酵反应器分别放在对应的隔间中。
基于上述，所述燃料电池机构包括电池箱和设置于电池箱中的燃料电池，所述电池箱的其中一个侧壁为可开合的活动侧壁。
基于上述，所述发酵反应器的上部和下部中央处分别设置温度传感器，各所述排气管中分别设置甲烷浓度传感器，所述集气管道安装气压传感器，防止管内压力过高。
基于上述，所述燃料电池机构的一侧设置排水口和接线孔。
基于上述，所述燃料电池机构采用低温燃料电池。
基于上述，所述发酵反应器的侧部设置提放部。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，本发明提供的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统可以有效利用厨余垃圾进行发电，燃料电池所产生的电量可用于供给小型家用电器使用，达到变废为宝，节能环保的目的，使用过程中每个发酵反应器内的餐厨垃圾在密封条件下经过一个完整的发酵周期，过程中间不需要打开反应器，而每天产生的餐厨垃圾按顺序有一个刚好完成发酵周期的反应器供使用以进入一个新的发酵周期。与传统厌氧发酵装置相比，无需每天往正在发酵反应的反应器内装入发酵料，避免加料过程出现漏气或其他不安全因素，同时避免了中途加料对进行中的发酵过程的产气效率的不利影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明厌氧发酵机构的结构示意图。
图3是本发明厌氧发酵机构的俯视结构示意图。
图4是本发明端盖的俯视结构示意图。
图中：1. 厌氧发酵机构；2. 端盖；21. 内端盖；22. 外端盖；23. 排气管；24.阀门；25. 电子显示屏；3. 燃料电池机构；4. 集气管道；5. 集气接口。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-4所示，一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，包括燃料电池机构3、用于为所述燃料电池机构提供沼气的厌氧发酵机构1；所述厌氧发酵机构1包括N个分别独立的发酵反应器，以发酵周期为循环周期每天使用一个进行独立全周期密闭发酵，各发酵反应器循环使用；处于不同发酵阶段的各所述发酵反应器集成产气，通过集气管道4送往所述燃料电池机构3进行发电，其中，N≥发酵周期，取15≤N≤20，发酵反应器的个数与厌氧发酵制备沼气周期的天数相同。本实施例中取N=20，每行5个，排为4行，发酵反应器的容积为3L，立式布置，在其他实施例中，可根据日常厨余垃圾的数量不同对发酵反应器的容积进行调整，温度不同发酵周期也不同，在其他的实施例中可根据温度等影响发酵速度和效率的条件的不同设置N=15、16、17、18或19。所述燃料电池机构采用低温燃料电池，具体的，本实施例中采用质子交换膜燃料电池，在其他的实施例中也可以采用其他低温燃料电池。
该家庭式循环厌氧发酵耦合发电系统可以实现厨余垃圾就地处理，并得到清洁高效的能量，同时省去了繁琐的垃圾转运、处理环节，同时避免了相应的附加成本和污染。首先将每天产生的餐厨垃圾日常厨余垃圾进行收集预处理，分拣过滤掉不反应固体杂物，如金属、砂石、骨头、木头等，将剩下的有机垃圾放入发酵反应器，接种沼渣进行厌氧发酵以产生以甲烷为主要燃料成分并含少量氢气的沼气，并通过燃料电池将收集到的甲烷和氢气通过电化学反应就地转变为电能，加以利用达到能量回收的效果，燃料电池所产生的电量可用于供给小型家用电器。
一般来讲平均每人每天所产生厨余垃圾量有0.7 kg，以四口之家为样本，每天所产厨余垃圾总量约2.8 kg，其中挥发分物质简称为Vs，占总重量的90％左右，每天接种沼渣的重量定为0.2 kg，沼渣中可挥发性物质大约占50％，总的挥发性物质分重约2.6 kg，由相关文献所做实验中，采用相同热处理和酸碱度调节的发酵过程结束后生成物中CH4的量约为7.02 mol，并有少量H2量较少，同时还有部分的CO2和N2以及其它不反应气体。由于日产气量较少，相应采用较小功率的燃料电池，因此，本实施例优选质子交换膜燃料电池，采用空气作为系统的氧化剂。由于燃料为甲烷和少量氢气，反应产物主要为二氧化碳和水。按照普通小型质子交换膜燃料电池当前技术水平的发电效率为60％，可算得发电量可达约 1.08kWh/d，为一450W的燃料电池连续满负荷运行的发电量，可供一台冰箱一天的用电，或可供小型家用节能灯照明使用。
为了避免低温影响，冬天可以采用家用太阳能热水器中的热水作为放入新的餐厨垃圾时热源沼液的补充水，其温度较为稳定，可以实现预热处理的过程以使发酵隔间达到适合的反应温度。另外还可以在接种厌氧菌前调节原料的PH值改善产气效率，考虑到家用回收系统的简易性、经济性以及实用性，对原料的反应环境的酸碱度做大致的控制，可以在原料放入发酵反应器中时同时加入少量的家用苏打或石灰等添加剂把反应环境调整成为弱碱性即可，后续无需再对系统调节，这会对产气阶段中的产甲烷效率产生一定促进作用，同时可以吸收发酵产生的少量的有害气体H2S，而维持产甲烷的弱碱性条件。经查阅相关研究文献可知，对原料进行热处理后在30-40℃左右反应环境下经过20天发酵周期后产气过程结束。由于发酵过程为放热反应，不需要特意添加热源就能满足发酵反应温度需求。
使用过程中，每天的厨余垃圾分别按顺序分别置于不同的发酵反应器中，经过一个发酵周期密闭厌氧发酵反应之后便可完成产气过程，之后可将发酵反应器内的沼渣及部分沼液倒入沼渣池（或沼渣桶）。然后在该发酵反应器内装当天的餐厨垃圾，并且置入开始新的垃圾实现发酵产气循环，上次发酵完成所保留的沼液作为本次发酵循环的酵母，其中含有新的厌氧发酵过程所需要的各种厌氧菌。
具体的，每个发酵反应器内的餐厨垃圾在密封条件下经过一个完整的发酵周期，过程中间不需要打开反应器，而每天产生的餐厨垃圾按顺序有一个刚好完成发酵周期的反应器供使用以进入一个新的发酵周期。与传统厌氧发酵装置相比，无需每天往正在发酵反应的反应器内装入发酵料，避免加料过程出现漏气或其他不安全因素，同时避免了中途加料对进行中的发酵过程的产气效率的不利影响。
进一步，所述发酵反应器的顶部设置端盖2，所述端盖包括内端盖21和外端盖22，所述内端盖的外径等于所述发酵反应器的内径，所述外端盖的外径大于所述发酵反应器的内径，所述内端盖设置竖向的排气管23，排气管23的一端穿过所述内端盖连通发酵反应器内的沼液液面，所述排气管的另一端穿过所述外端盖连接所述集气管道4的集气接口5。外端盖辅助内端盖起密封作用，确保发酵过程中所产气体得以顺利收集的同时，发酵反应器能够密封不漏气，同时确保端盖整体垂直压合于沼液面；收集发酵过程中产生的沼气通过排气管送达燃料电池。内端盖和外端盖可均采用薄橡胶圈包裹，与发酵反应容器紧密贴合，以达到密封效果，内端盖的可移动使得发酵反应容器能够适应不同餐厨垃圾和沼液量的需求通过调整上下位置可以改变反应容器的体积。反应器发酵产生的气体在沼液内外压力差的作用下通过排气管道传输至集气管道4进行整合，然后连通燃料电池进行电化学反应发电。具体的，排气管可采用采用硬质圆管，长度约为发酵反应器小隔间深度一半加20 cm，并可以在排气管上采用加装小型调节阀门24，以对气路进行控制，排气管与集气管之间可采用软管连接。
进一步，所述燃料电池机构3通过固定支架安装于所述厌氧发酵机构1底部，所述集气管道4架设于所述厌氧发酵机构1上方，并经布置于所述厌氧发酵机构一侧的管道将发酵产生的甲烷和少量氢气输运至所述燃料电池机构，进行电化学反应发电；所述厌氧发酵机构的另一侧设置竖直杆对集气管道进行支撑。在其他的实施例中，也可以采用其他的支撑结构对集气管道4进行支撑。
该小型系统将发酵产气部分和燃料电池发电部分结合为紧凑的一体，一方面有利于保温和燃料电池余热的循环利用，另一方面可以最大程度地有效利用空间。这里将燃料电池部分置于发酵产气部分的下方，其发电过程产生的余热可用来加热位于上方的发酵反应器组，使其在环境温度较低情况下可以尽量利用自身余热保持系统的最佳反应温度。
进一步，所述燃料电池机构3包括电池箱和设置于电池箱中的燃料电池，所述电池箱的其中一个侧壁为可开合的活动侧壁，环境温度高时，则可将放置燃料电池的箱体的活动侧壁打开放出反应余热。
进一步，所述厌氧发酵机构1包括一保温箱，该保温箱由隔板隔出N个隔间，各所述发酵反应器分别放在对应的隔间中，以便调节发酵反应器中的发酵温度，具体的可以充入热水或冷水进行调节。
进一步，所述发酵反应器的上部和下部中央处分别设置温度传感器，进行温度监测，使得发酵反应器的温度保持在30~38℃的最佳反应温度。另外，在各所述排气管23中分别设置甲烷浓度传感器，所述集气管道中设置一气压传感器，以监测其发酵周期内甲烷浓度和气压的变化，掌握各反应器内的反应状况。所述保温箱的侧壁设置电子显示屏25集中显示和监控温度、甲烷浓度和气压参数。
进一步，所述燃料电池机构3的一侧设置排水口和接线孔。
进一步，所述发酵反应器的侧部设置提放部，该提放部可以为设置于发酵反应器外壁面的凸起或外翻边，以方便反应结束倾倒沼渣、沼液或其它需要的时候将容器取出。
对本领域的技术人员而言，从本技术领域或与本技术领域相关的技术领域，是容易获得的设备，不需要付出创造性劳动。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中；如改变发酵装置和燃料电池的相对位置，或将其分开为两个相分离的单元，均不脱离本发明所涉及的发酵和发电一体化实现的精神实质，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：包括燃料电池机构、用于为所述燃料电池机构提供甲烷的厌氧发酵机构；所述厌氧发酵机构包括N个分别独立的发酵反应器，以发酵周期为循环周期每天使用一个进行独立全周期密闭发酵，各发酵反应器循环使用；处于不同发酵阶段的各所述发酵反应器集成产气，通过集气管道送往所述燃料电池机构进行发电，其中，N≥发酵周期，取15≤N≤20。
2.根据权利要求1所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述发酵反应器的顶部设置端盖，所述端盖包括内端盖和外端盖，所述内端盖的外径等于所述发酵反应器的内径，所述外端盖的外径大于所述发酵反应器的内径，所述内端盖设置竖向的排气管，排气管的一端穿过所述内端盖连通发酵反应器内沼液液面，所述排气管的另一端穿过所述外端盖连接所述集气管道的集气接口。
3.根据权利要求1或2所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述燃料电池机构通过固定支架安装于所述厌氧发酵机构下方空间，所述集气管道架设于所述厌氧发酵机构上方，并经布置于所述厌氧发酵机构一侧的管道将发酵产生的甲烷和少量氢气输运至所述燃料电池机构，进行电化学反应发电；所述厌氧发酵机构的另一侧设置竖直杆对集气管道进行支撑。
4.根据权利要求3所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述厌氧发酵机构包括一保温箱，该保温箱由隔板隔出N个隔间，各所述发酵反应器分别放在对应的隔间中。
5.根据权利要求4所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述燃料电池机构包括电池箱和设置于电池箱中的燃料电池，所述电池箱的其中一个侧壁为可开合的活动侧壁。
6.根据权利要求4或5所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述发酵反应器的上部和下部中央处分别设置温度传感器，各所述排气管中分别设置甲烷浓度传感器，所述集气管道设置一气压传感器；所述保温箱的侧壁设置电子显示屏以集中显示和监控上述温度、甲烷浓度和气压参数，以确保系统在正常的工作状态。
7.根据权利要求6所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述燃料电池机构的箱体一侧设置排水口和接线孔。
8.根据权利要求7所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合发电系统，其特征在于：所述燃料电池机构采用低温燃料电池。
9.根据权利要求7或8所述的家庭式循环厨余垃圾厌氧发酵耦合一体化发电系统，其特征在于：所述发酵反应器的侧部设置提放部。
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