CN1844789A - 以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法及设备，本发明方法，以太阳集热器获得100℃以上的热水，通过换热管加热人粪沼气发生器，使人粪沼气发生器内的发酵温度保持在55℃－60℃，获得沼气发生率为2.5－3.5m3/m3天的高产量沼气，沼气为区域热电联产供应的能源。本发明装置它包括有太阳能采集装置、沼气反应装置、蒸汽发电装置。实现了人粪发酵产生沼气必须通过高温的要求，同时也保证了给发酵池提供能量的需要，本发明人粪的沼气产量约为0.43m3/kg，畜类粪便的沼气产量在0.12－0.35m3/kg。高温(45～55℃)沼气发酵池(消化器)的沼气产气率是低温(＜35℃)沼气池的2.5－3倍。特别适合于高校校园及人口密集的工业厂区及农村小区。
Description
技术领域：
本发明涉及一种以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法及设备，该方法和设备特别为一种高温高产气率的人粪沼气发酵池与CPC式中品位太阳能联合供应能量实现热电联产的方法。
背景技术：
中国是一个人口众多的国家，长期以来人们忽视了人类排泄物的潜在能量价值，大多数作为废弃物排放，不仅浪费了能源，而且污染了环境。目前的沼气池一般为常温或不定温沼气池，产率比较低且不稳定，不适合工业连续生产，而将太阳能引入沼气池获得更高产气率的方法目前仅限于板式集热器等小型太阳能系统，对温度控制均未作要求，限制了太阳能沼气发生器的工作性能和应用范围。
发明内容：
本发明的目的，就是为了解决现有技术的上述缺陷，而提供的一种可以为连续工业过程热电联产系统供应能量的太阳能和粪便沼气生产的方法和设备的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法及设备。
本发明的目的可通过以下技术解决方案来实现：
以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，以太阳集热器获得100℃以上的热水，通过换热管加热人粪沼气发生器，使人粪沼气发生器内的发酵温度保持在55℃-60℃，获得沼气发生率为2.5-3.5m3/m3天的高产量沼气，沼气为区域热电联产供应的能源。
以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，它包括有太阳能采集装置、沼气反应装置、蒸汽发电装置，其中所述的太阳能采集装置包括有太阳热水器，热水联箱管及热水存储器；沼气反应装置包括有沼气发生器，储气柜，燃烧室；蒸汽发电装置包括有蒸汽过热器、蒸汽再热器、高压透平、低压透平、冷凝器、水加热器、蒸汽发生器；所述的太阳能热水器通过热水联箱管与热水存储器连通，热水存储器的出水口通过泵与沼气发生器内连通，沼气发生器的出气口与储气柜连通，储气柜与燃烧器连通，燃烧器的烟气出口通过管线与蒸汽发生器连通，蒸汽发生器的出气端与高压透平连通，高压透平的出气端与蒸汽再热器连通，蒸汽再热器的出气端与低压透平连通，低压透平的出气端与冷凝器连通，冷凝器通过泵与水加热器连接，水加热器与蒸发器连接，蒸发器与蒸汽过热器连接。
发明的目的还可通过以下技术措施来进一步实现：
前述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，是将物料(一定碳氮比的人粪混合物)放入沼气发生器中，将太阳能采集器采集的100℃以上的热水通过热水联箱进入热水储存器，再将热水储存器的热水通过热管将热量传入沼气发生器中，保持发酵温度在55℃-60℃使物料进行发酵，发酵产生的沼气通过出气口进入气柜储存，进入气柜储存的沼气通过燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气首先通过蒸汽过热器，蒸汽过热器出来的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平，降温后进入蒸汽再热器，提高温度后进入低压透平，背压蒸汽进入冷凝器，与外界冷水进行热交换，冷凝水通过循环泵加压打入水加热器，再次被加热到产生高温高压蒸汽推动透平发电，形成一个高效率的回热循环发电回路。
前述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，是将物料(一定碳氮比的人粪混合物)放入沼气发生器中，将太阳能采集器采集的100℃以上的热水通过热水联箱进入热水储存器，再将热水储存器的热水通过热管将热量传入沼气发生器中，保持发酵温度在55℃-60℃使物料进行发酵，发酵产生的沼气通过出气口进入气柜储存，进入气柜储存的沼气通过燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气首先通过蒸汽过热器，蒸汽过热器出来的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平，降温后进入蒸汽再热器，提高温度后进入低压透平，背压蒸汽进入冷凝器，与外界冷水进行热交换，冷凝水通过循环泵加压打入水加热器，将循环泵送来的过冷水加热到接近饱和沸点，然后排入大气。
前述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其中所述的沼气发生器内设有重力热管，在沼气发生器的外表面设有水夹套，重力热管的蒸发段处在沼气发生器水夹套中，重力热管的冷凝段置于沼气发生器内，水夹套中的热本压力小于0.2MPa，在沼气发生器的上端设有进料口和沼气出气口，下端设有出渣口和出料口，沼气发生器水夹套下端设有热水进口，上端设有热水出口，热水出口与热管集热器的热水联箱联通。
前述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其中所述的重力热管是两相闭式热虹吸管，是以碳钢为壳体，水为工作介质的水-碳钢热管。
前述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其中所述的太阳热水器，它包括有真空玻璃管，热管，真空玻璃管的下面为复合抛物面太阳光反射镜，在热管表面的覆盖吸收涂层。
前述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其中所述热管是无氧铜为壳体，水为工作介质，并设有防冻吸液芯的热管。
本发明的优点：采用了复合抛物面太阳能集热器通过热管传热，加热入粪为原料的沼气发酵池得到高产率沼气，作为区域热电联供系统的能源。可以通过太阳能维持沼气池处于较高的温度状态(55℃-60℃)，太阳能系统配有蓄能装置，沼气池本身具有一定的蓄能作用，可以夜间或阴雨天也维持高温沼气发生反应，实现高产率沼气的连续供应。本发明提供的方法和设备可以方便实现连续工业过程的热电联产系统。
本发明的目的、优点、和特点，将通过下面优先实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例是通过复合抛物面式太阳能集热器收集得到中品位太阳能，加热热管式恒温沼气发生器，实现以人粪为原料的高产气率高温沼气发生反应，连续、稳定的对热电联产系统供应沼气作为能量。参照附图仅作为例子给出的。
附图说明：
图1为本发明太阳能-人粪沼气热电联产系统示意图。
图2为本发明热管太阳能热水器结构示意图。
图3为本发明太阳能复合抛物面A-A剖面结构示意图。
图4为本发明沼气发生器结构示意图。
具体实施方式：
如图1-图4所示，本发明的方法以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，以太阳集热器获得100℃以上的热水，通过热管加热人粪沼气发生器，使人粪沼气发生器内的发酵温度保持在55℃-60℃，获得沼气发生率为2.5-3.5m3/m3天的高产量沼气，沼气为区域热电联产供应的能源。
本发明的设备，它包括有太阳能采集装置、沼气反应装置、蒸汽发电装置，所述的太阳能采集装置包括有太阳热水器1，热水联箱管3及热水存储器4；沼气反应装置包括有沼气发生器5，储气柜7，燃烧室8；蒸汽发电装置包括有蒸汽过热器10、蒸汽再热器11、高压透平15、低压透平16、冷凝器17、水加热器13、蒸汽发生器12；所述的太阳能热水器1通过热水联箱管3与热水存储器4连通，热水存储器4的出水口通过泵18与沼气发生器5连通，沼气发生器5的出水口与热水联箱管3相连，沼气发生器5的出气口5-2与储气柜7连通，储气柜7与燃烧器8连通，燃烧器8的烟气出口通过管线与蒸汽过热器10连通，蒸汽过热器10的出气端与高压透平15连通，高压透平15的出气端与蒸汽再热器11连通，蒸汽再热器11的出气端与低压透平16连通，低压透平16的出气端与冷凝器17连通，冷凝器17通过泵14与水加热器13连接，水加热器13与蒸发器12连接，蒸发器12与蒸汽过热器10连接。其工作时，将物料(一定碳氮比的人粪混合物)放入沼气发生器5中，将太阳能采集器1采集的100℃以上的热水通过热水联箱3进入热水储存器4，再将热水储存器4的热水通过热管6将热量传入沼气发生器中，保持发酵温度在55℃-60℃使物料进行发酵，发酵产生的沼气通过出气口5-2进入气柜7储存，进入气柜7储存的沼气通过燃烧室9燃烧产生高温烟气，高温烟气首先通过蒸汽过热器10和蒸汽再热器11、蒸汽发生器12、水加热器13，然后排放。蒸汽过热器10出来的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平15，降温后进入蒸汽再热器11，提高温度后进入低压透平16，背压蒸汽进入冷凝器17，在冷凝器17中与外界冷水进行热交换，冷凝水通过循环泵14加压打入水加热器，再次被加热到产生高温高压蒸汽推动透平发电，形成一个高效率的回热循环发电回路。
实施例一：
如图1所示，系统共分为三大部分。第一组成部分为太阳能热水器，它是由真空玻璃管1，热管2，热水联箱管3及热水存储器4组成的。太阳能热水器如图2所示，图2中1为真空玻璃管，1’为复合抛物面太阳光反射镜，2为热管，2’为覆盖于热管表面的吸收涂层。太阳光通过玻璃管1透射到1’CPC抛物面反射镜上，反射镜将太阳光聚焦到热管2的表面上为表面涂层2’吸收，太阳光转变的热量加热热管2的蒸发段，热管2内的工作介质受热气化，蒸汽将热量传递到热管的冷凝段2”，冷凝段将热量传递到联箱管中的水。热管2工作介质冷凝后的水再回到蒸发段吸收太阳热，如此循环，不断将太阳能产生的热量加热联箱管3中的流水，热水存储于储槽4并输出加热第二系统中的沼气发生器5，热管是无氧铜为壳体水为工作介质，并设有防冻吸液芯的热管。
本发明的第二组成部份(见图1-II)是由沼气发生器5，储气柜7，燃烧室8组成的。沼气发生器5内设有重力热管6(见图4)，在沼气发生器5的外表面设有水夹套5-7，重力热管的蒸发段处在沼气发生器水夹套5-7中，重力热管6的冷凝段置于沼气发生器5内，水夹套5-7中的热水压力小于0.2MPa，在沼气发生器5的上端设有进料口5-1和沼气出气口5-2，下端设有清渣口5-5和出料口5-4，沼气发生器水夹套下端设有热水进口5-6，上端设有热水出口5-3，热水出口5-3与热管集热器的热水联箱3联通。重力热管是两相闭式热虹吸管，是碳钢为壳体，水为工作介质的水-碳钢热管。
沼气发生器是钢制低压容器，也可以是玻璃钢材料，具体结构如图4所示，物料(一定碳氮比的人粪混合物)由进料口5-1进入沼气发生器，在一定的温度条件下，发酵产生的沼气由5-2排出进入沼气柜7存储。发酵后的物料由出料口5-4排除，5-5为清渣口。由太阳能集热系统来的热水由进水口5-6进入夹套5-7，将热量传给热管6，热管6将热量传给沼气发生器5，维持发酵所需的温度。放热降温后的热水由出口5-3送往太阳能采集系统继续加热。储气柜7根据不同规模的产气量，可以采用薄钢板制成，燃烧室8由耐火材料砌成，来自沼气柜7的沼气通过燃烧器9在燃烧室8内燃烧，燃烧产生的烟气进入第三系统(发电系统)的换热装置，产生蒸汽推动透平发电。
本发明的第三组成部份是蒸汽发电系统，见图1-III。由燃烧室8排出的高温烟气进入换热器系统，高温烟气首先通过蒸汽过热器10，蒸汽再热器11，将蒸汽过热到所需要的温度，然后通过蒸汽发生器12，将带压力的饱和水变为饱和水蒸气。再通过水加热器13，将循环泵14送来的过冷水加热到接近饱和沸点，然后排入大气(也可考虑再次余热回收利用)。由蒸汽过热器10出来的高温高压蒸汽首先进入高压蒸汽透平15，降温后进入蒸汽再热器11，提高温度后进入低压透平16，背压蒸汽进入冷凝器17，在冷凝器17中与外界冷水进行热交换，冷凝水通过循环泵14加压打入水加热器13，再次被加热到产生高温高压蒸汽推动透平发电，形成一个高效率的回热循环发电回路。冷凝器17将外界的冷水加热后可作为用户热水。同时，第一系统的太阳能热水存储器4中的热水也可直接给用户提供热水。
本发明是利用城市高密度人口区(如高校校园、部队营房等)的人类排泄物集中于一特殊高温高产气率沼气发酵池(消化器)，该沼气的发酵温度始终保持55℃-60℃，可以得到3.5m3/天m3左右的产气率，是普通沼气池产气率的2.5-3倍，维持沼气池高温发酵的热量由一个自动聚焦式的复合抛物面(CPC)太阳能集热器，热管真空接收器所组成的太阳能中温热水器(＞100℃)供给。发酵池产生的沼气集中于气柜，通过燃烧室将发电系统的水变为过热蒸汽，通过汽轮机发电(也可直接使用沼气发动机发电)，汽轮机排出的蒸汽通过冷凝器冷凝成水，再送入燃烧室加热变成过热蒸汽形成循环。冷凝蒸汽放出的热量可以提供用户热水，在不需要发电时，也可由太阳能集热系统直接供给用户热水，在没有太阳的阴雨天或夜间，可直接由沼气柜中的沼气供电供热，是一种投资不多，适用于人口密集，分散地区的热电联供系统。它使用人体排泄物和太阳能作为能源，节省了矿物资源，免除了大气污染和环境污染。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (8)
1.以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，以太阳集热器获得100℃以上的热水，通过热管加热人粪沼气发生器，使入粪沼气发生器内的发酵温度保持在55℃-60℃，获得沼气发生率为2.5-3.5m3/m3天的高产量沼气，沼气为区域热电联产供应的能源。
2.根据权利要求1所述的以人类沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，其特征在于：将物料放入沼气发生器中，将太阳能采集器采集的100℃以上的热水通过热水联箱进入热水储存器，再将热水储存器的热水通过热管传入沼气发生器中，保持发酵温度在55℃-60℃使物料进行发酵，发酵产生的沼气通过出气口进入气柜储存，进入气柜储存的沼气通过燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气首先通过蒸汽过热器，蒸汽过热器出来的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平，降温后进入蒸汽再热器，提高温度后进入低压透平，背压蒸汽进入冷凝器，与外界冷水进行热交换，冷凝水通过循环泵加压打入水加热器，再次被加热到产生高温高压蒸汽推动透平发电，形成一个高效率的回热循环发电回路。
3.根据权利要求1所述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法，其特征在于：将物料放入沼气发生器中，将太阳能采集器采集的100℃以上的热水通过热水联箱进入热水储存器，再将热水储存器的热水通过热管传入沼气发生器中，保持发酵温度在55℃-60℃使物料进行发酵，发酵产生的沼气通过出气口进入气柜储存，进入气柜储存的沼气通过燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气首先通过蒸汽过热器，蒸汽过热器出来的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平，降温后进入蒸汽再热器，提高温度后进入低压透平，背压蒸汽进入冷凝器，与外界冷水进行热交换，冷凝水通过循环泵加压打入水加热器，将循环泵送来的过冷水加热到接近饱和沸点，然后排入大气。
4.以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，它包括有太阳能采集装置、沼气反应装置、蒸汽发电装置，其特征在于所述的太阳能采集装置包括有太阳热水器，热水联箱管及热水存储器；沼气反应装置包括有沼气发生器，储气柜，燃烧室；蒸汽发电装置包括有蒸汽过热器、蒸汽再热器、高压透平、低压透平、冷凝器、水加热器、蒸汽发生器；所述的太阳能热水器通过热水联箱管与热水存储器连通，热水存储器的出水口通过泵与沼气发生器水夹套连通，沼气发生器的出气口与储气柜连通，储气柜与燃烧器连通，燃烧器的烟气出口通过管线与蒸汽发生器连通，蒸汽发生器的出气端与高压透平连通，高压透平的出气端与蒸汽再热器连通，蒸汽再热器的出气端与低压透平连通，低压透平的出气端与冷凝器连通，冷凝器通过泵与水加热器连接，水加热器与蒸发器连接，蒸发器与蒸汽过热器连接。
5.根据权利要求4所述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其特征在于沼气发生器内设有重力热管，在沼气发生器的外表面设有水夹套，重力热管的蒸发段处在沼气发生器水夹套中，重力热管的冷凝段置于沼气发生器内，水夹套中的热水压力小于0.2MPa，在沼气发生器的上端设有进料口和沼气出气口，下端设有出渣口和出料口，沼气发生器水夹套下端设有热水进口，上端设有热水出口，热水出口与热管集热器的热水联箱联通。
6.根据权利要求5所述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其特征在于重力热管是两相闭式热虹吸管，是碳钢为壳体，水为工作介质的水-碳钢热管。
7.根据权利要求4所述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其特征在于所述的太阳能热水器，它包括有真空玻璃管，热管，真空玻璃管的下面为抛物面太阳光反射镜，在热管表面的覆盖吸收涂层。
8.根据权利要求7所述的以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的设备，其特征在于所述热管是无氧铜为壳体水为工作介质，并设有防冻吸液芯的热管。
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