CN114350421A - 厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统及方法，属于餐厨垃圾处理利用技术领域。该系统包括预处理设备、进料罐、厌氧反应器、沼气气柜、水电解制氢设备、储氢罐和非并网发电设备，预处理设备的出料口与进料罐的进料口连接，进料罐的出料口与厌氧反应器的进料口连接，厌氧反应器内装有含食氢产甲烷菌的接种物，其出气口与沼气气柜连接，非并网发电设备电连接水电解制氢设备，水电解制氢设备的氢气出口与储氢罐的进气口连接，储氢罐的出气口与厌氧反应器的进气口连接。本发明具有投资成本低，资源能源转化和利用率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于餐厨垃圾处理利用技术领域，具体涉及一种厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统及方法。
背景技术
餐厨垃圾因其高含水率、高有机质含量、高油脂等特点，成为资源化、高值化利用的优质对象，同时，因其极易腐败酸化的特性，若处理不当，会对环境产生巨大的危害，具有资源和垃圾的双重属性。市场上较为成熟的餐厨垃圾处理技术包括饲料化、好氧发酵、厌氧消化以及生物处理，其中厌氧发酵市场占比约74.3%。餐厨垃圾厌氧发酵产生的沼气中一般含有50%~70% CH4，30%~50% CO2，少量的水和H2S等成分。CO2作为存在于沼气中的惰性气体，会降低沼气的能量，当沼气中的CO2的含量为30%~50% 时，其能量密度仅为18~23 MJ/m3，而天然气的能量密度约为37 MJ/m3。现阶段，国内大型餐厨垃圾处理厂厌氧发酵所生产的沼气主要用于供热和热电联产，一些配套设施不完善的小规模餐厨垃圾处理厂则将沼气直接通过火炬焚烧后排入大气，未能最大程度的实现餐厨垃圾的资源化处置和沼气的高值化利用，只有极少数项目对沼气进行提纯后制备生物天然气。目前较为成熟的沼气提纯工艺包括物理吸收法、化学吸收法、膜分离法和变压吸附法等，均存在成本较高的弊端，降低了工艺的可实施性；而低温分离法则存在适用范围小的缺点，限制了生产的规模。
与此同时，以可再生能源为主的能源转型已初具规模，然而，随着地理上分散、生产不连续、随机性、波动性和不可控等特点的可再生能源的占比增大，对电网的稳定性造成重要的影响，导致弃风、弃光问题。以利用可再生能源电解水制氢可将间歇性大、波动性强的电能转化为稳定的氢气化学能形式储存，被认为是提高可再生能源利用率的重要发展方向。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统及方法，具有投资成本低，资源能源转化和利用率高的特点。
技术方案：厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，包括预处理设备、进料罐、厌氧反应器、沼气气柜、水电解制氢设备、储氢罐和非并网发电设备，所述预处理设备的出料口与进料罐的进料口连接，所述进料罐的出料口与厌氧反应器的进料口连接，所述厌氧反应器内装有含食氢产甲烷菌的接种物，其出气口与沼气气柜连接，所述非并网发电设备电连接水电解制氢设备，所述水电解制氢设备的氢气出口与储氢罐的进气口连接，所述储氢罐的出气口与厌氧反应器的进气口连接。
优选的，所述预处理设备包括顺次连接的接料斗、分拣机、破碎筛分机、螺旋挤压机、滤渣机和三相分离机，所述三相分离机的固相-水相出料口与进料罐的进料口连接。
优选的，所述厌氧反应器设有布气机构，所述布气机构包括进气管和布气管，所述进气管设于厌氧反应器的底部，其一端与布气管的进气口连接，另一端与储氢罐的出气口连接；所述布气管为圆环形，设于厌氧反应器内，其顶部和内侧壁上设有进气孔。
优选的，所述厌氧反应器设有搅拌机构，所述搅拌机构包括驱动装置和搅拌轴，所述驱动装置设于厌氧反应器的顶部，所述搅拌轴设于厌氧反应器内，其顶部与驱动装置电连接，其轴向方向上设有螺旋叶片。
优选的，所述厌氧反应器设有温控机构，所述温控机构包括半管盘管、热水循环泵、热水箱和温度传感器，所述半管盘管设于厌氧反应器的外侧壁周向，所述热水循环泵分别连接半管盘管和热水箱，所述温度传感器设于厌氧反应器的侧壁上。
优选的，所述厌氧反应器的侧壁上还包覆有保温棉。
优选的，所述非并网发电设备为非并网风电设备或非并网光电设备。
厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的方法，包括步骤如下：
S1.餐厨垃圾在预处理设备中经过分选提砂、破碎制浆、加热提油后输送至进料罐进行均质缓存，随后进入厌氧反应器；
S2. 水电解制氢设备接收非并网发电设备产生的非并网电能，产生氢气并存储于储氢罐中，随后氢气进入厌氧反应器；
S3.餐厨垃圾在厌氧反应器中发生厌氧消化反应生成粗制沼气，氢气与粗制沼气中的二氧化碳在食氢产甲烷菌的作用下生成甲烷，得到高品质燃气，随后输送至沼气气柜。
优选的，所述厌氧反应器采用机械搅拌，反应温度为50~55℃，反应压力为3~4kpa。
优选的，所述氢气的进气体积为粗制沼气中的二氧化碳体积的4倍。
有益效果：本申请提供了一种餐厨垃圾厌氧发酵沼气的高值化利用方式，对消纳有机废弃物、丰富燃料资源具有重要意义；
本申请在餐厨垃圾的厌氧反应器中通入H2，利用生物甲烷化实现CO2的转化，达到沼气原位脱碳提纯的目的，相较于传统的化学催化生物甲烷化，其投资低，操作简单，设备简单，无需高温高压以及催化剂的存在；
本申请利用间歇性大、波动性强的非并网电能进行电解水制氢，将电能转化为氢能再进一步转化为热能，在提高可再生能源利用率的同时，提供廉价氢源。
附图说明
图1是厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统的结构示意图；
图2是预处理设备的结构示意图；
图3是厌氧反应器的结构示意图；
图4是厌氧反应器中布气机构的结构示意图；
图中各数字标号代表如下：1.预处理设备；11.接料斗；12.分拣机；13.破碎筛分机；14.螺旋挤压机；15.滤渣机；16.三相分离机；2.进料罐；3.厌氧反应器；31.布气机构；311.进气管；312.布气管；313.进气孔；32.驱动装置；33.搅拌轴；331.螺旋叶片；34.半管盘管；35.热水循环泵；36.热水箱；37.温度传感器；4.沼气气柜；5.水电解制氢设备；6.储氢罐；7.非并网发电设备。
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描述。
实施例1
如图1所示，厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，包括预处理设备1、进料罐2、厌氧反应器3、沼气气柜4、水电解制氢设备5、储氢罐6和非并网发电设备7。
如图2所示，所述预处理设备1包括接料斗11、分拣机12、破碎筛分机13、螺旋挤压机14、滤渣机15和三相分离机16，其中三相分离机16的固相-水相出料口与进料罐2的进料口连接。餐厨垃圾经收运车卸入接料斗11后，经螺旋输送至分拣机12，物料在分拣机12中经过粗分选后由螺旋输送至破碎筛分机13，筛下物通过螺旋输送至螺旋挤压机14，经过挤压的浆液由渣浆泵泵入滤渣机15，经过过滤的浆液再由渣浆泵送入三相分离机16，三相分离后的固相和水相经过螺杆泵输送至进料罐2。
所述进料罐2的出料口与厌氧反应器3连接。
如图3所示，所述厌氧反应器3设有布气机构31、搅拌机构和温控机构。
如图4所示，所述布气机构31包括进气管311和布气管312，所述进气管311设于厌氧反应器3的底部，其一端与布气管312连接，另一端与储氢罐6的出气口连接；所述布气管312为圆环形，设于厌氧反应器3内，其顶部和内侧壁上设有进气孔313。
所述搅拌机构包括驱动装置32和搅拌轴33。所述驱动装置32设于厌氧反应器3的顶部，所述搅拌轴33设于厌氧反应器3内，其顶部与驱动装置32电连接，其轴向方向上设有螺旋叶片331。
所述温控机构包括半管盘管34、热水循环泵35、热水箱36和温度传感器37。所述半管盘管34设于厌氧反应器3的外侧壁周向，所述热水循环泵35分别连接半管盘管34和热水箱36，可以向半管盘管34内通入60~65℃的热水。所述温度传感器37设于厌氧反应器3的侧壁上，在本实施例中分别设置在厌氧反应器3的1/3和2/3高度处，用于监测厌氧反应器3内的反应温度。当两处温度平均值低于53℃时，热水循环泵35启动，半管盘管34内的热水开始循环；当两处温度平均值高于55℃时，热水循环泵35停止运行。
所述厌氧反应器3的侧壁上还可包覆有保温棉，用于减少热量散失。
所述非并网发电设备7为非并网风电设备或非并网光电设备，电连接水电解制氢设备5，为其提供可再生的非并网电能。
所述水电解制氢设备5的氢气出口与储氢罐6的进气口连接，所述储氢罐6的出气口与厌氧反应器3的进气口连接。
厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的方法，包括步骤如下：
S1.餐厨垃圾在预处理设备1中经过分选提砂、破碎制浆、加热提油后输送至进料罐2进行均质缓存，随后进入厌氧反应器3；
S2. 水电解制氢设备5接收非并网发电设备7产生的非并网电能，产生氢气并存储于储氢罐6中，随后氢气进入厌氧反应器3；
S3.餐厨垃圾在厌氧反应器3中采用机械搅拌，发生厌氧消化反应生成粗制沼气，氢气与粗制沼气中的二氧化碳在食氢产甲烷菌的作用下生成甲烷，反应温度为50~55℃，反应压力为3~4kpa，得到高品质燃气，随后输送至沼气气柜4。
其中，所述氢气的进气体积为粗制沼气中的二氧化碳体积的4倍，厌氧反应器3中反应压力通过沼气水封进行调节。
Claims (10)
1.厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，包括预处理设备（1）、进料罐（2）、厌氧反应器（3）、沼气气柜（4）、水电解制氢设备（5）、储氢罐（6）和非并网发电设备（7），所述预处理设备（1）的出料口与进料罐（2）的进料口连接，所述进料罐（2）的出料口与厌氧反应器（3）的进料口连接，所述厌氧反应器（3）内装有含食氢产甲烷菌的接种物，其出气口与沼气气柜（4）连接，所述非并网发电设备（7）电连接水电解制氢设备（5），所述水电解制氢设备（5）的氢气出口与储氢罐（6）的进气口连接，所述储氢罐（6）的出气口与厌氧反应器（3）的进气口连接。
2.根据权利要求1所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，所述预处理设备（1）包括顺次连接的接料斗（11）、分拣机（12）、破碎筛分机（13）、螺旋挤压机（14）、滤渣机（15）和三相分离机（16），所述三相分离机（16）的固相-水相出料口与进料罐（2）的进料口连接。
3.根据权利要求1所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，所述厌氧反应器（3）设有布气机构（31），所述布气机构（31）包括进气管（311）和布气管（312），所述进气管（311）设于厌氧反应器（3）的底部，其一端与布气管（312）的进气口连接，另一端与储氢罐（6）的出气口连接；所述布气管（312）为圆环形，设于厌氧反应器（3）内，其顶部和内侧壁上设有进气孔（313）。
4.根据权利要求1所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，所述厌氧反应器（3）设有搅拌机构，所述搅拌机构包括驱动装置（32）和搅拌轴（33），所述驱动装置（32）设于厌氧反应器（3）的顶部，所述搅拌轴（33）设于厌氧反应器（3）内，其顶部与驱动装置（32）电连接，其轴向方向上设有螺旋叶片（331）。
5.根据权利要求1所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，所述厌氧反应器（3）设有温控机构，所述温控机构包括半管盘管（34）、热水循环泵（35）、热水箱（36）和温度传感器（37），所述半管盘管（34）设于厌氧反应器（3）的外侧壁周向，所述热水循环泵（35）分别连接半管盘管（34）和热水箱（36），所述温度传感器（37）设于厌氧反应器（3）的侧壁上。
6.根据权利要求1所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，所述厌氧反应器（3）的侧壁上还包覆有保温棉。
7.根据权利要求1所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的系统，其特征在于，所述非并网发电设备（7）为非并网风电设备或非并网光电设备。
8.根据权利要求1所述系统进行厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1.餐厨垃圾在预处理设备（1）中经过分选提砂、破碎制浆、加热提油后输送至进料罐（2）进行均质缓存，随后进入厌氧反应器（3）；
S2. 水电解制氢设备（5）接收非并网发电设备（7）产生的非并网电能，产生氢气并存储于储氢罐（6）中，随后氢气进入厌氧反应器（3）；
S3.餐厨垃圾在厌氧反应器（3）中发生厌氧消化反应生成粗制沼气，氢气与粗制沼气中的二氧化碳在食氢产甲烷菌的作用下生成甲烷，得到高品质燃气，随后输送至沼气气柜（4）。
9.根据权利要求8所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的方法，其特征在于，所述厌氧反应器（3）采用机械搅拌，反应温度为50~55℃，反应压力为3~4kpa。
10.根据权利要求8所述的厌氧发酵餐厨垃圾制备高品位燃气的方法，其特征在于，所述氢气的进气体积为粗制沼气中的二氧化碳体积的4倍。
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