CN110743898A - 一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及垃圾处理联合地热开采领域，尤其是一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置。所述装置位于小区垃圾房内部及地面以下，包括湿垃圾及粪水预处理系统、沼气制取及分离系统、燃料电池系统和水塔地热系统，所述沼气制取及分离系统设置在所述湿垃圾及粪水预处理系统的下游并利用所述湿垃圾及粪水预处理系统内的垃圾进行沼气的制取及分离、同时实现为其下游的燃料电池系统的发电提供能量，所述水塔地热系统设置在所述燃料电池系统的下游并利用其产生的电能实现地热开采。能够对生活垃圾进行及时处理后转化为电能，并及时的应用于整个小区的内部以及实现外部商用，减少了垃圾转运带来的繁琐的劳动量。

Description

一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置
技术领域
本发明涉及垃圾处理联合地热开采领域，尤其是一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置。
背景技术
中国城市生活垃圾年产量超过1亿吨，且以每年10%的速度增长；历年垃圾堆存量达60亿吨以上，目前已有若干座城市处于垃圾包围之中，生活垃圾分类已经成为垃圾处理重要环节之一。
2019年7月1日，上海率先将“垃圾分类”纳入了法治轨道，该条例的出台标志着我国垃圾分类和垃圾处理迈上了一个新台阶；上海率先实行垃圾分类入法也能够给其他城市以借鉴；破解“垃圾围城”的难题指日可待；对推动2025年底前全国地级及以上城市基本建成垃圾分类处理系统有积极影响，可以预见不远的将来，垃圾分类风潮将席卷全国。
但随之而来的问题是垃圾分类专用运输车辆不足尤其是湿垃圾车辆不足导致居民辛苦分好的垃圾又被混合拉走，额外增加了无效的劳动，严重掣肘了垃圾分类的推行。
综上所述可知，如何设计一套创新式的装置和系统，使其能够在处理生活掉湿垃圾的同时并能够将其进行充分利用用以更好地供生活所需使用，这是目前急需解决的技术难题也是未来更好地就地处理湿垃圾的良好手段。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一所采用的技术方案是：一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，所述装置位于小区垃圾房内部及地面以下，包括湿垃圾及粪水预处理系统、沼气制取及分离系统、燃料电池系统和水塔地热系统，所述沼气制取及分离系统设置在所述湿垃圾及粪水预处理系统的下游并利用所述湿垃圾及粪水预处理系统内的垃圾进行沼气的制取及分离、同时实现为其下游的燃料电池系统的发电提供能量，所述水塔地热系统设置在所述燃料电池系统的下游并利用其产生的电能实现地热开采。
优选地，所述湿垃圾及粪水预处理系统包含湿垃圾投放口、湿垃圾粉碎机、冲水管、下排管、湿垃圾及粪水调节均质罐、厕所排污管接口，所述湿垃圾投放口与所述湿垃圾粉碎机相连通，所述湿垃圾粉碎机的上面与所述冲水管相连、下面与所述下排管相连，所述冲水管与出水管网相连，所述下排管与所述湿垃圾及粪水调节均质罐相连，所述厕所排污管接口与所述湿垃圾及粪水调节均质罐相连。
优选地，所述湿垃圾及粪水预处理系统还包含含水量监测装置、除氧器，所述湿垃圾及粪水调节均质罐中设置有所述含水量监测装置、所述除氧器、出料管，所述出料管位于所述湿垃圾及粪水调节均质罐和所述沼气制取及分离系统的入口之间。
优选地，所述沼气制取及分离系统包含沼气厌氧反应池、、沼气过滤装置、蒸汽转化装置、冷却装置、PSA变压吸附装置、导气管。
优选地，所述沼气厌氧反应池内部包含设置有保温层、防水层、排料口、集气盖、单向排气阀、温度监测装置、冷热盘管、PH值监测装置、酸碱中和系统，所述温度监测装置、所述冷热盘管设置在所述沼气厌氧反应池内部，所述冷热盘管的冷水管与所述水塔地热系统的水塔中的出水管网相连、热水管与所述燃料电池系统中的换热装置相连；集气盖位于所述沼气厌氧反应池的上部，单向排气阀位于集气盖顶端中央位置，所述单向排气阀与所述沼气过滤装置相连，所述沼气过滤装置与所述蒸汽转化装置相连，所述蒸汽转化装置与所述冷却装置相连，所述冷却装置与所述PSA变压吸附装置相连，所述排料口位于所述沼气厌氧反应池的侧端，所述残渣由所述排料口排出。
优选地，所述燃料电池系统包含PEMP燃料电池堆矩阵、换热装置、微型空气泵和电力输出系统。
优选地，PEMP燃料电池堆矩阵有多个燃料电池堆构成，每个燃料电池堆均包含端板，双极板，气体扩散层，聚乙二醇-多酸半固态质子交换膜，密缝垫片，出水口。
优选地，所述水塔地热系统包含水塔、进水管、水位表、水压表、出水管网、出水控制系统、加压输送泵、地热回灌井、地热生产井、离心式抽水泵、过滤器、换热器、储热罐、小区供暖系统，回水管，所述进水管为水塔提供水源，所述水位表和所述水压表实时监测水塔中的水量和水压，所述水塔上的出水管网分别与所述湿垃圾及粪水预处理系统中的所述冲水管、所述沼气制取及分离系统中的所述蒸汽转化装置和所述冷却装置、所述燃料电池系统中的所述换热装置、所述水塔地热系统中的所述加压输送泵相连，所述出水控制系统用于接收各用水系统的信号并调节供水量；所述地热生产井与所述过滤器相连，所述过滤器与所述离心式抽水泵相连，所述离心式抽水泵与所述回水管、所述换热器相连，所述换热器与所述储热罐和所述小区供暖系统相连，所述回水管与所述加压输送泵相连，所述加压输送泵与所述地热回灌井相连。
本发明的有益效果体现在：
1、能够对生活垃圾进行及时处理后转化为电能，并及时的应用于整个小区的内部以及实现外部商用，减少了垃圾转运带来的繁琐的劳动量。
2、废物利用并形成能量转化系统，能够快速匹配地热系统实现联合地热开采、环保节能。
3、本套系统通用性强、全年适用，可以根据季节性的实际生活所需实现按需调节，匹配度强，实现小区冬季有供暖、夏季有制冷。
4、本套系统可根据需求实现地热回灌，能够实现对地热资源的保护、减少资源浪费、延长生产井寿命以及减少环境污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部件一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部件并不一定按照实际的比例绘制。
图1该装置的系统透视图。
图2该装置的立面图。
图3湿垃圾及粪水预处理系统的放大透视图。
图4沼气制取及分离系统的内部结构示意图。
图5燃料电池系统的放大透视图。
图6燃料电池系统的立面图。
图7 PEMP燃料电池堆的分解结构示意图。
图中，1、垃圾房；2、湿垃圾及粪水预处理系统；3、沼气制取及分离系统；4、燃料电池系统；5、水塔地热系统；6、湿垃圾投放口；7、湿垃圾粉碎机；8、冲水管；9、下排管；10、湿垃圾及粪水调节均质罐；11、厕所排污管接口；12、含水量监测装置；13、除氧器；14、出料管；15、沼气厌氧反应池；16、保温层；17、防水层；18、排料口；19、集气盖；20、单向排气阀；21、温度监测装置；22、冷热盘管；23、PH值监测装置；24、酸碱中和系统；25、沼气过滤装置；26、蒸汽转化装置；27、冷却装置；28、PSA变压吸附装置；29、导气管；30、PEMP燃料电池堆矩阵；30a、端板；30b、双极板；30c、气体扩散层；30d、聚乙二醇-多酸半固态质子交换膜；30e、密缝垫片；30f、出水口；31、换热装置；32、微型空气泵；33、电力输出系统；34、水塔；35、进水管；36、水位表；37、水压表；38、出水管网；39、出水控制系统；40、加压输送泵；41、地热回灌井；42、地热生产井；43、离心式抽水泵；44、过滤器；45、换热器；46、储热罐；47、小区供暖系统；回水管48。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-7中所示，一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，述装置位于小区垃圾房1内部及地面以下，包括湿垃圾及粪水预处理系统2、沼气制取及分离系统3、燃料电池系统4和水塔地热系统5，所述沼气制取及分离系统3设置在所述湿垃圾及粪水预处理系统2的下游并利用所述湿垃圾及粪水预处理系统2内的垃圾进行沼气的制取及分离、同时实现为其下游的燃料电池系统4的发电提供能量，所述水塔地热系统5设置在所述燃料电池系统4的下游并利用其产生的电能实现地热开采。
优选地，所述湿垃圾及粪水预处理系统2包含湿垃圾投放口6、湿垃圾粉碎机7、冲水管8、下排管9、湿垃圾及粪水调节均质罐10、厕所排污管接口11，所述湿垃圾投放口6与所述湿垃圾粉碎机7相连通，所述湿垃圾粉碎机7的上面与所述冲水管8相连、下面与所述下排管9相连，所述冲水管8与出水管网38相连，所述下排管9与所述湿垃圾及粪水调节均质罐10相连，所述厕所排污管接口11与所述湿垃圾及粪水调节均质罐10相连。
居民将湿垃圾投入湿垃圾投放口6中：
湿垃圾投放口6与湿垃圾粉碎机7相连，湿垃圾粉碎机7上面与冲水管8相连，下面与下排管9相连，冲水管8与出水管网38相连，下排管9与湿垃圾及粪水调节均质罐10相连。湿垃圾经湿垃圾粉碎机7粉碎后被冲水管8冲进湿垃圾及粪水调节均质罐10中。
所述厕所排污管接口11与所述湿垃圾及粪水调节均质罐10相连，可将小区内厕所粪水输送至湿垃圾及粪水调节均质罐10中。
优选地，所述湿垃圾及粪水预处理系统2还包含含水量监测装置12、除氧器13，所述湿垃圾及粪水调节均质罐10中设置有所述含水量监测装置12、所述除氧器13、出料管14，所述出料管14位于所述湿垃圾及粪水调节均质罐10和所述沼气制取及分离系统3的入口之间。
所述湿垃圾及粪水调节均质罐10中设置有含水量监测装置12，用于随时监测罐中的含水量，工作人员根据监测结果及需要，可通过所述冲水管8加水，使得罐中的含水量达到80%左右，使得湿式发酵保持在其所需的最佳含水量；通过除氧器13去除罐中的氧气；出料管14位于湿垃圾及粪水调节均质罐10和沼气厌氧反应池15之间，将调节均质后的原料从湿垃圾及粪水调节均质罐10排入所述沼气制取及分离系统3的沼气厌氧反应池15中。
优选地，所述沼气制取及分离系统3包含沼气厌氧反应池15、、沼气过滤装置25、蒸汽转化装置26、冷却装置27、PSA变压吸附装置28、导气管29。
优选地，所述沼气厌氧反应池15内部包含设置有保温层16、防水层17、排料口18、集气盖19、单向排气阀20、温度监测装置21、冷热盘管22、PH值监测装置23、酸碱中和系统24，所述温度监测装置21、所述冷热盘管22设置在所述沼气厌氧反应池15内部，所述冷热盘管22的冷水管与所述水塔地热系统5的水塔34中的出水管网38相连、热水管与所述燃料电池系统4中的换热装置31相连；集气盖19位于所述沼气厌氧反应池15的上部，单向排气阀20位于集气盖19顶端中央位置，所述单向排气阀20与所述沼气过滤装置25相连，所述沼气过滤装置25与所述蒸汽转化装置26相连，所述蒸汽转化装置26与所述冷却装置27相连，所述冷却装置27与所述PSA变压吸附装置28相连，所述排料口18位于所述沼气厌氧反应池15的侧端，所述残渣由所述排料口18排出。
优选地，沼气厌氧反应池15中设置有温度监测装置21，可随时监测池中的温度，通过冷热盘管22调节池中的温度，使温度维持在53°左右，是高温发酵的最佳温度。冷热盘管22的冷水管与水塔34中的出水管网38相连，热水管与燃料电池系统4中的换热装置31相连，所述燃料电池系统4中的PEMP燃料电池堆矩阵30产生的热量经换热装置31置换后用来维持所述沼气厌氧反应池15的温度。
所述沼气厌氧反应池15中的所述PH值监测装置23可随时监测池中的PH值，通过所述酸碱中和系统24调节罐中PH值，配合工作人员的定期观察监测来使得罐中的PH值维持在7左右（该值是产甲烷的最佳PH值）。
向沼气厌氧反应池15中投入适量厌氧微生物菌落，在无氧、温度53°、PH值为7的条件下与含水量80%的原料反应，产生甲烷及其他杂质气体。
该甲烷混合气由集气盖19引流至单向排气阀20，通过单向排气阀20排入沼气过滤装置25中，去除甲烷混合气中的硫化氢等杂质气体。
优选地，过滤后的甲烷气体经蒸汽转化装置26后转化为氢气混合气，氢气混合气通过冷却装置27换热降温后去除氢气混合气中的水蒸气，去除水蒸气后的氢气经过PSA变压吸附装置28的变压吸附处理后得到高纯度的氢气，该高纯度的氢气经由数个导气管29分别进入PEMP燃料电池堆矩阵30的各个燃料电池堆中。
排料口18位于沼气厌氧反应池15的侧端，残渣由排料口18排出，可作为农作物或城市绿化植物的有机肥料来源。
优选地，所述燃料电池系统4包含PEMP燃料电池堆矩阵30、换热装置31、微型空气泵32和电力输出系统33。
优选地，PEMP燃料电池堆矩阵30有多个燃料电池堆构成，每个燃料电池堆均包含端板30a，双极板30b，气体扩散层30c，聚乙二醇-多酸半固态质子交换膜30d，密缝垫片30e，出水口30f。燃料电池堆结构属于现有技术。
该聚乙二醇-多酸半固态质子交换膜30d将聚乙二醇与多金属氧酸盐复合，通过氢键构筑了稳定的三维网络结构，实现了质子的有效传递。在保证高电导率，优良力学性能的基础上，将大大降低市场上现有质子交换膜燃料电池的成本。
PEMP燃料电池堆矩阵30的工作过程为：
氢气经由导气管29被送到燃料电池堆的负极，经过催化剂作用，氢原子中的两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过聚乙二醇-多酸半固态质子交换膜30d，在正极与氧原子和电子重新结合为水，产生的水经由出水口30f排入水塔地热系统5中的地热生产井42中，氧气可通过微型空气泵32从空气中获得。PEMP燃料电池堆矩阵30生产的电能除了可供给本装置自身用电外，还可经由电力输出系统33用作商用。(该部分由天然气制氢方法及步骤即可得到，不再赘述)
优选地，所述水塔地热系统5包含水塔34、进水管35、水位表36、水压表37、出水管网38、出水控制系统39、加压输送泵40、地热回灌井41、地热生产井42、离心式抽水泵43、过滤器44、换热器45、储热罐46、小区供暖系统47，回水管48，所述进水管35为水塔34提供水源，所述水位表36和所述水压表37实时监测水塔34中的水量和水压，所述水塔34上的出水管网38分别与所述湿垃圾及粪水预处理系统2中的所述冲水管8、所述沼气制取及分离系统3中的所述蒸汽转化装置26和所述冷却装置27（采用现有冷却方式即可）、所述燃料电池系统4中的所述换热装置31、所述水塔地热系统5中的所述加压输送泵40相连，所述出水控制系统39用于接收各用水系统的信号并调节供水量；所述地热生产井42与所述过滤器44相连，所述过滤器44与所述离心式抽水泵43相连，所述离心式抽水泵43与所述回水管48、所述换热器45相连，所述换热器45与所述储热罐46和所述小区供暖系统47相连，所述回水管48与所述加压输送泵40相连，所述加压输送泵40与所述地热回灌井41相连。
冬季时：
所述离心式抽水泵43将地热水从地热生产井42中抽上来，经由过滤器44过滤掉水中的胶体、铁、锰等杂质，换热器45将地热水中的热量带走，在冬季为小区供暖系统47提供热能，多余的热能储存在储热罐46中，可用作其他商业用途。
夏季时：
小区室内的热量再通过换热器45置换到地热水中，经回水管48再注入地热回灌井41中，使得小区冬季有供暖、夏季有制冷作用。
降温后的地热水经由回水管48、加压输送泵40被重新注入地热回灌井41中，地热回灌是实现地热资源可持续开发的有力措施，在世界各国已获得广泛应用，它对于地热资源的保护、减少资源浪费、延长生产井寿命以及减少环境污染等方面均具有重要意义。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中；对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述装置位于小区垃圾房（1）内部及地面以下，包括湿垃圾及粪水预处理系统（2）、沼气制取及分离系统（3）、燃料电池系统（4）和水塔地热系统（5），所述沼气制取及分离系统（3）设置在所述湿垃圾及粪水预处理系统（2）的下游并利用所述湿垃圾及粪水预处理系统（2）内的垃圾进行沼气的制取及分离、同时实现为其下游的燃料电池系统（4）的发电提供能量，所述水塔地热系统（5）设置在所述燃料电池系统（4）的下游并利用其产生的电能实现地热开采。
2.根据权利要求1所述的一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述湿垃圾及粪水预处理系统（2）包含湿垃圾投放口（6）、湿垃圾粉碎机（7）、冲水管（8）、下排管（9）、湿垃圾及粪水调节均质罐（10）、厕所排污管接口（11），所述湿垃圾投放口（6）与所述湿垃圾粉碎机（7）相连通，所述湿垃圾粉碎机（7）的上面与所述冲水管（8）相连、下面与所述下排管（9）相连，所述冲水管（8）与出水管网（38）相连，所述下排管（9）与所述湿垃圾及粪水调节均质罐（10）相连，所述厕所排污管接口（11）与所述湿垃圾及粪水调节均质罐（10）相连。
3.根据权利要求2所述的一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述湿垃圾及粪水预处理系统（2）还包含含水量监测装置（12）、除氧器（13），所述湿垃圾及粪水调节均质罐（10）中设置有所述含水量监测装置（12）、所述除氧器（13）、出料管（14），所述出料管（14）位于所述湿垃圾及粪水调节均质罐（10）和所述沼气制取及分离系统（3）的入口之间。
4.根据权利要求3所述的一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述沼气制取及分离系统（3）包含沼气厌氧反应池（15）、、沼气过滤装置（25）、蒸汽转化装置（26）、冷却装置（27）、PSA变压吸附装置（28）、导气管（29）。
5.根据权利要求4所述的一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述沼气厌氧反应池（15）内部包含设置有保温层（16）、防水层（17）、排料口（18）、集气盖（19）、单向排气阀（20）、温度监测装置（21）、冷热盘管（22）、PH值监测装置（23）、酸碱中和系统（24），所述温度监测装置（21）、所述冷热盘管（22）设置在所述沼气厌氧反应池（15）内部，所述冷热盘管（22）的冷水管与所述水塔地热系统（5）的水塔（34）中的出水管网（38）相连、热水管与所述燃料电池系统（4）中的换热装置（31）相连；集气盖（19）位于所述沼气厌氧反应池（15）的上部，单向排气阀（20）位于集气盖（19）顶端中央位置，所述单向排气阀（20）与所述沼气过滤装置（25）相连，所述沼气过滤装置（25）与所述蒸汽转化装置（26）相连，所述蒸汽转化装置（26）与所述冷却装置（27）相连，所述冷却装置（27）与所述PSA变压吸附装置（28）相连，所述排料口（18）位于所述沼气厌氧反应池（15）的侧端，所述残渣由所述排料口（18）排出。
6.根据权利要求1所述的一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述燃料电池系统（4）包含PEMP燃料电池堆矩阵（30）、换热装置（31）、微型空气泵（32）和电力输出系统（33）。
7.根据权利要求1所述的一种利用沼气燃料电池处理湿垃圾联合地热开采的装置，其特征在于：所述水塔地热系统（5）包含水塔（34）、进水管（35）、水位表（36）、水压表（37）、出水管网（38）、出水控制系统（39）、加压输送泵（40）、地热回灌井（41）、地热生产井（42）、离心式抽水泵（43）、过滤器（44）、换热器（45）、储热罐（46）、小区供暖系统（47），回水管（48），所述进水管（35）为水塔（34）提供水源，所述水位表（36）和所述水压表（37）实时监测水塔（34）中的水量和水压，所述水塔（34）上的出水管网（38）分别与所述湿垃圾及粪水预处理系统（2）中的所述冲水管（8）、所述沼气制取及分离系统（3）中的所述蒸汽转化装置（26）和所述冷却装置（27）、所述燃料电池系统（4）中的所述换热装置（31）、所述水塔地热系统（5）中的所述加压输送泵（40）相连，所述出水控制系统（39）用于接收各用水系统的信号并调节供水量；所述地热生产井（42）与所述过滤器（44）相连，所述过滤器（44）与所述离心式抽水泵（43）相连，所述离心式抽水泵（43）与所述回水管（48）、所述换热器（45）相连，所述换热器（45）与所述储热罐（46）和所述小区供暖系统（47）相连，所述回水管（48）与所述加压输送泵（40）相连，所述加压输送泵（40）与所述地热回灌井（41）相连。
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