CN1271741C - 利用农作物生物质制氢及氢能发电装置 - Google Patents

利用农作物生物质制氢及氢能发电装置 Download PDF

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利用农作物生物质制氢及氢能发电装置，涉及一种利用农作物秸秆生物质制氢及氢能发电的成套装置。提供一种利用农作物秸秆等生物质的微生物分解及微生物制氢的应用，将农作物秸秆等生物质的微生物分解、制氢、储氢及氢能-电能转化结合的装置。设有生物质分解装置、发酵制氢装置、反应液后处理装置、水封装置、气体洗脱装置、气体干燥装置、储氢装置、燃料电池。利用分解微生物将各种农业秸杆和淀粉类物质分解为糖类物质，利用微生物发酵糖类物质产氢，发酵废液通过后处理排放，生物氢通过洗脱后储存于储氢系统，并通过燃料电池将氢能转化为电能或直接供热。可用于大规模生物质制氢和发电和分散的小规模生物质制氢发电。

Description

利用农作物生物质制氢及氢能发电装置
技术领域
本发明涉及一种利用农作物秸秆生物质制氢及氢能发电的成套装置。
背景技术
包括石油、天然气和煤在内的化石燃料仍然是当今能源结构的主体。而石油、天然气等化石燃料是一类宝贵的不可再生资源，全球已探明的储量按现消费水平仅可用50年左右；另一方面，化石能源的不合理利用已给环境带来了严重的影响，造成大气、水体和土壤被污染。随着经济和社会的发展，人类对能源的需求不断增加，能源的需求与供给之间的缺口将变得越来越大。为了保持国民经济的可持续发展，开发可再生的能源体系是一种必然选择。可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、氢能等。纤维素和淀粉类物质是自然界中极为丰富的可再生资源，全球光合作用产生的植物生物量每年高达1.14×1012T。我国的纤维原料也很丰富，仅秸秆和皮壳每年可达7×108T。这些原料大部分被烧掉，既破坏了生态平衡，又污染环境，且能量利用率低，约为10％(陈洪章，李佐虎.纤维素原料微生物与生物量全利用[J].化工科技市场，2001，(5)：17-20)。如将纤维素等降解为可有效利用的简单的糖类物质，并进一步转化为酒精、氢气等能源物质，则对解决当今世界所面临的粮食短缺、能源危机和环境污染等问题有深远的意义(Van Wyk J.P.H.andMohulatsi.M.Biodegradation of wastepaper by cellulase from Trichodermaviride[J].Bioresource Technology，2003，86(1)：21-23)。
利用微生物制氢的研究起始于20世纪80年代。国内外对利用产氢微生物分解有机废水制氢进行了较多的研究，但目前主要还停留在实验室阶段。对利用农作物秸秆等发酵制氢并发电等的研究未见报道。利用农作物秸秆等生物质发酵产氢实用化过程存在的问题主要表现在：(1)农作物秸秆的糖化效率较低；(2)微生物产氢的效率较低；(3)制氢反应器过于复杂或对提高菌株放氢速率不够理想；(4)制氢成本昂贵。国外报道高产氢微生物菌株的产氢活性可达26.9mmol H2/h·g cell(Kumar N，Das D，Continuous hydrogenproduction by immobilized Enterobacter cloacae IIT-BT 08 using lignocellulosic material as solidmatrices，Enzyme Microbial Technol，2001，29：280-287)。国内报道微生物产氢的活性可达24.9mmol H2/h·g cell(林明，任南琪，王爱杰，等.高效产氢发酵细菌在不通气相条件下产氢.中国沼气，2002，20(2)：3-7)。
发明内容
本发明旨在提供一种利用农作物秸秆等生物质的微生物分解及微生物制氢的应用，将农作物秸秆等生物质的微生物分解系统、高效微生物制氢系统、储氢系统及氢能-电能转化系统(氢燃料电池)等有机结合起来的成套装置。
本发明至少设有
生物质分解装置，用于将农作物生物质分解为简单的糖类等物质；
生物发酵制氢反应装置，用于对分解产物发酵产氢，生物制氢反应装置的进口与生物质分解装置的出口连接；
反应液后处理装置，用于对发酵反应后的废液进行达标排放处理，反应液后处理装置的进口接生物发酵制氢反应装置的出口；
水封装置，水封装置的进口接反应液后处理装置的出口；
气体洗脱装置，用于对发酵气进行洗脱，除去二氧化碳等气体组份，气体洗脱装置的进口接水封装置的出口；
气体干燥装置，用于对经洗脱过的发酵气进行干燥处理，气体干燥装置的进口接气体洗脱装置的出口；
储氢装置，用于储存经干燥后得到的纯氢；储氢装置的进口接气体干燥装置的出口；
氢能-电能转化装置或燃料电池，用于将氢能转化为电能，氢能-电能转化装置的进口接储氢装置的出口，氢能-电能转化装置的输出端外接用电电器或设备。
所说的生物质分解装置可设有农作物生物质预处理装置、分解罐、搅拌装置、温控装置、pH控制装置、供氧装置和分解液输送装置，搅拌装置设于分解罐内，温控装置、pH控制装置和供氧装置与分解罐连接。
本发明利用分解微生物将各种农业秸杆(例如甘蔗秸杆、玉米秸杆、稻草、杂草等)和淀粉类物质分解为简单的可被有效利用的糖类物质，然后利用高效产氢微生物发酵糖类物质产氢，发酵废液通过后处理装置达标排放，生物氢通过洗脱后储存于储氢系统，并通过燃料电池将氢能转化为电能或直接供热。本发明既可用于大规模生物质制氢和发电，也可用于分散的小规模生物质制氢发电(如农村农户、西部偏远地区居民、远离大陆的海岛居民等)。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的生物质分解装置结构示意图。
图3为本发明实施例的生物发酵制氢反应装置结构示意图。
图4为本发明实施例的发酵制氢反应液后处理装置结构示意图。
图5为本发明实施例的气体洗脱装置结构示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例包括农作物生物质分解装置1、生物发酵制氢反应装置2、反应液后处理装置3、水封装置4、气体洗脱装置5、气体干燥装置6、储氢装置7、质子膜燃料电池8以及外接的电气设备9。
如图2所示，所说的生物质分解装置可设有农作物生物质预处理装置、分解罐、搅拌装置、温控装置、pH控制装置、供氧装置和分解液输送装置，搅拌装置设于分解罐内，温控装置、pH控制装置和供氧装置与分解罐连接。将经过粉碎和预处理的农业秸杆和淀粉类物质加入分解罐，在分解罐内与分解微生物混合。分解罐包括倒锥形罐体16、固液相分离筒13及顶盖17三部分。固液相分离筒内为混合分解反应区25，经预处理的秸秆等生物质及分解微生物在搅拌装置(包括搅拌电机19和搅拌叶片26)的作用下在混合反应区内充分混合，使秸秆等生物质中的纤维素、淀粉、果胶等成分被分解为简单的糖类等物质。为防止分解系统搅拌时形成涡流，在固液相分离筒13的内壁上等距离设有数块锯形挡板22。分解罐内的温度由测温电极15测定，通过温控装置由电加热棒28或控温水浴管21为分解系统加温或冷却，电热棒的多少和位置可根据分解罐的大小确定。水浴控温系统和电热棒加温系统为两套独立的温控系统，可单独使用。水浴温控进出水通过进出水管口12进出。分解罐内的酸碱度由pH控制装置调节，pH控制装置由pH电极14和酸碱加样口18等部分组成。分解罐的供氧装置由通气管10、气体分散头11和溶氧控制系统等组成，经过滤的空气由通气管10进入，由排气管20排出。分解系统产生的糖类物质溶解在溶液中，通过固液相分离筒与罐体之间的沉降区内沉降并经过滤装置23后，经分解液输送装置(包括导出管.24和加料泵27)输送到制氢反应器中。分解反应罐的残渣由排空管29排出。
如图3所示，生物发酵制氢装置主要由发酵罐体、搅拌装置、温控装置(包括水浴温控进出水管32、温控探头35、控温水浴管36和加热棒51等)和pH控制装置(包括酸碱加料口41和pH控制探头48)等组成。发酵罐体包括倒锥体外壳33、密封盖40及沉淀筒47等部分。外壳33由内外两层组成，中间为隔热层。沉淀筒47由外壳内壁下端内伸的数个支架支撑。沉淀筒内侧为混合发酵区34，秸杆等分解产物和产氢微生物通过进料口31直接进入混合发酵区，在机械搅拌装置(由电机30和搅拌叶片38组成)的作用下在混合发酵区内充分混合并发酵产氢，为防止混合发酵区内形成涡流并有利于发酵气逸出液面，在沉淀筒的内壁上等距离设有数个(根据反应器的大小而定)锯形挡板46。罐体内的发酵情况可由窥镜37观察。
混合反应区34与沉淀区49的底部相连通，反应液在沉淀区内继续发酵，在沉淀区内反应液保持相对静止，微生物和颗粒状物质不断沉降并进入混合反应区。混合反应区和沉淀区产生的发酵气体在沉淀筒的上端汇合。为防止气体外逸，顶盖与罐体通过密封圈44密封，并通过紧固螺丝43固定。同时顶盖的内壁与罐体的内壁相贴，并延伸至反应液的液面下，形成水封39效果，氢气由导管42排出。发酵反应液经过沉淀区的沉降作用后由排料口45排出。发酵反应的残渣由排空管53排出。通过蒸汽导管52输送蒸汽可对罐体进行灭菌处理。在罐体下侧设置有沉淀回流管50，回流管50与反应液后处理装置的回流泵相连接，反应液后处理装置中的细胞类沉淀物经此管可重新进入制氢发酵罐，参与制氢发酵。生物发酵制氢反应装置可单个或多个串并联使用。
如图4所示，反应液后处理装置包括筒体55、进样管56、顶盖57、导气管58、过滤泵59、排液口60、过滤层61、排空管63和回流泵54等。生物发酵制氢反应装置中的发酵反应液通过进样管56进入到筒体的底部，通过沉降区62的沉降作用，颗粒状物质(如菌体细胞和其它固体状物质)沉降在筒体的底部，通过回流泵54及回流管50输回至制氢反应罐中，或通过排空管排放。沉降区上部分为澄清的处理液，经过过滤层61的过滤后将处理液中微生物截留，再通过过滤泵59的过滤后由排液口60进行环保排放。过滤泵59可采用多种过滤材质如膜过滤材料等。
如图5所示，气体洗脱装置主要由洗脱塔筒体64、活动介质承载板65、内导气管66、顶盖68、淋喷头70、填充介质71、碱液输送管72、分流开关73、碱输液泵74等组成。由发酵制氢装置和反应液后处理装置产生的发酵气经内导气管67和气体分散头75进入洗脱塔的碱液中洗脱，再由排气管69排出。
参见图1，发酵气体经碱洗脱塔5洗脱后由氢气导管输送至干燥装置6进行干燥，干燥装置内储有干燥剂，可定期更换。干燥后得到的纯氢先由氢气导管输送至储氢装置7，储氢装置包括储氢气罐和储氢材料(储氢材料对氢气具有高效吸附作用，包括金属储氢材料或纳米碳储氢材料等)。储氢装置通过氢气导管与质子膜燃料电池8相连接，氢与氧(或空气)在质子膜燃料电池8中发生反应，产生电能用于照明或带动电器设备9。

Claims (10)

1、氢能发电装置，其特征在于设有
生物质分解装置，用于将农业秸秆和淀粉类物质分解为简单的糖类物质；
生物发酵制氢反应装置，用于对分解产物发酵产氢，生物制氢反应装置的进口与生物质分解装置的出口连接；
反应液后处理装置，用于对发酵反应后的废液进行达标排放处理，反应液后处理装置的进口接生物发酵制氢反应装置的出口；
水封装置，水封装置的进口接反应液后处理装置的出口；
气体洗脱装置，用于对发酵气进行洗脱，除去二氧化碳气，气体洗脱装置的进口接水封装置的出口；
气体干燥装置，用于对经洗脱过的发酵气进行干燥处理，气体干燥装置的进口接气体洗脱装置的出口；
储氢装置，用于储存经干燥后得到的纯氢；储氢装置的进口接气体干燥装置的出口；
氢能-电能转化装置，用于将氢能转化为电能，氢能-电能转化装置的进口接储氢装置的出口，氢能-电能转化装置的输出端外接用电电器或设备。
2、如权利要求1所述的氢能发电装置，其特征在于所说的生物质分解装置设有农作物生物质预处理装置、分解罐、搅拌装置、温控装置、pH控制装置、供氧装置和分解液输送装置，搅拌装置设于分解罐内，温控装置、pH控制装置和供氧装置与分解罐连接；所说的分解罐包括倒锥形罐体(16)、固液相分离筒(13)及顶盖(17)三部分，固液相分离筒内为混合分解反应区(25)，在固液相分离筒(13)的内壁上等距离设有数块锯形挡板(22)。
3、如权利要求2所述的氢能发电装置，其特征在于所说的温控装置设有测温电极(15)、加热棒(28)和控温水浴管(21)，测温电极(15)、加热棒(28)和控温水浴管(21)设于分解罐内，水浴温控进出水通过进出水管口(12)进出。
4、如权利要求2所述的氢能发电装置，其特征在于所说的pH控制装置由pH电极(14)和酸碱加样口(18)组成。
5、如权利要求2所述的氢能发电装置，其特征在于所说的分解罐的供氧装置由通气管(10)、气体分散头(11)、排气管(20)和溶氧控制系统组成，经过滤的空气由通气管(10)进入，由排气管(20)排出。
6、如权利要求2所述的氢能发电装置，其特征在于所说的生物发酵制氢装置设有发酵罐体、搅拌装置、温控装置和pH控制装置，温控装置包括水浴温控进出水管(32)、温控探头(35)、控温水浴管(36)和加热棒(51)，pH控制装置包括酸碱加料口(41)和pH控制装置探头(48)；生物发酵制氢反应装置单个或多个串并联使用。
7、如权利要求6所述的氢能发电装置，其特征在于发酵罐体包括倒锥体外壳(33)、密封盖(40)及沉淀筒(47)，外壳(33)由内外两层组成，中间为隔热层，沉淀筒(47)由外壳内壁下端内伸的支架支撑，沉淀筒内侧为混合发酵区(34)，秸杆等分解产物和产氢微生物通过进料口(31)直接进入混合发酵区，在沉淀筒的内壁上等距离设有锯形挡板(46)。
8、如权利要求1所述的氢能发电装置，其特征在于反应液后处理装置设有回流泵(54)、筒体(55)、进样管(56)、顶盖(57)、导气管(58)、过滤泵(59)、排液口(60)、过滤层(61)和排空管(63)，生物发酵制氢反应装置中的发酵反应液通过进样管(56)进入到筒体的底部，通过沉降区(62)的沉降作用，颗粒状物质沉降在筒体(55)的底部，通过回流泵(54)输回至制氢反应罐中，或通过排空管(63)排放。
9、如权利要求1所述的氢能发电装置，其特征在于气体洗脱装置设有洗脱塔筒体(64)、活动介质承载板(65)、内导气管(66)、顶盖(68)、排气管(69)、淋喷头(70)、填充介质(71)、碱液输送管(72)、分流开关(73)和碱输液泵(74)，由发酵制氢装置和反应液后处理装置产生的发酵气经内导气管(67)和气体分散头(75)进入洗脱塔的碱液中洗脱，再由排气管(69)排出。
10、如权利要求1所述的氢能发电装置，其特征在于发酵气体经碱洗脱塔(5)洗脱后由氢气导管输送至干燥装置(6)进行干燥，干燥装置内储有干燥剂，干燥装置(6)由氢气导管接储氢装置(7)。
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