CN202808788U

CN202808788U - 利用生物质发电的系统

Info

Publication number: CN202808788U
Application number: CN2012203863729U
Authority: CN
Inventors: 向华; 庞娟娟; 向德成
Original assignee: Shanghai Hejide Dynamic Hydrogen Machine Co Ltd
Current assignee: Shanghai Hejide Dynamic Hydrogen Machine Co Ltd
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-08-06

Abstract

本实用新型揭示了一种利用生物质发电的系统，所述系统包括：沼气制备子系统，用以以生物质为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使有机物发酵生成沼气；甲醇制备子系统，用以从生成的沼气中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇；氢气制备子系统，用以利用生成的甲醇和水混合制得氢气，或者直接通过生成的甲醇制得氢气；氢气发电子系统，用以利用制得的氢气发电。本实用新型提出的利用生物质发电的系统，通过生物质制备沼气、沼气提取出甲烷、甲烷氧化制备甲醇、甲醇制氢、氢气发电等流程，从而将生物质转化为电能，提高能量转化效率。

Description

利用生物质发电的系统

技术领域

本实用新型属于发电技术领域，涉及一种发电系统，尤其涉及一种利用生物质发电的系统。

背景技术

能源危机和生态危机一直困扰着世界各国政府，同样也困扰着中国政府，特别是中国是农业大国，几亿农民的增产增收也一直纠结着各级政府。多年来的探索虽有所成效，但一直没有重大突破。

应用能态科学与工程的思维和视角，通过对现存农业食品生产经济模式的分析，结合自然能源的特征，发现自然能源和食品生产具有非常相似的特征。可以得出结论：自然能源的生产基地在农村，完全可以在农村建立食品和自然能源联产的新农村经济模式，称之为能态农业经济或农村能态经济。

从技术层面看，几项主流自然能源发电技术已经成熟：10kw太阳能聚热斯特林发电机已实现商业化；风力发电机也已实现商业化；生物质制沼气已普及多年。所存在的问题是，这些可大量获取的自然能源的储存一直困扰着人类。

为了有效利用农村中大量存在的秸秆和畜禽排泄物，一些地区的农村开始利用秸秆和畜禽排泄物制造沼气。沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。沼气是一种混合气体，可以燃烧。沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体。

沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。其特性与天然气相似。空气中如含有8.6～20.8%（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。

沼气是一些有机物质，在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。它含有少量硫化氢，所以略带臭味。发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。

反应大致分两个阶段：（1）微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。（2）由甲烷菌种的作用，使一些简单的物质变成甲烷。要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。

沼气池必须符合多种条件。首先，沼气池要密闭。有机物质发酵成沼气，是多种厌氧菌活动的结果，因此要造成一个厌氧菌活动的缺氧环境。在建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水。其次，沼气池里要维持20～40℃，因为通常在这种温度下产气率最高。第三，沼气池要有充足的养分。微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分。在沼气池的发酵原料中，人畜粪便能提供氮元素，农作物的秸秆等纤维素能提供碳元素。第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵原料中含水80%左右，过多或过少都对产气不利。第五，沼气池的pH值一般控制在7～8.5。

人们对沼气的利用主要是通过使其燃烧的方式获得能量，能源的利用率较低。此外，利用沼气发电的技术也确有存在，但现有的发电系统是通过沼气燃烧的方式进行热能发电，能量转化效率较低，因此未能广泛应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种利用生物质发电的系统，可将生物质转化为电能，提高能量转化效率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种利用生物质发电的系统，所述系统包括：

沼气制备子系统，用以以生物质为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使有机物发酵生成沼气；沼气制备子系统包括生物质发酵容器、与生物质发酵容器连接的沼气输送管道；

甲醇制备子系统，与沼气输送管道的沼气出口连接，用以从生成的沼气中提取出甲烷，将甲烷氧化生成甲醇；所述甲醇制备子系统包括甲烷提取装置、甲烷氧化装置；所述甲烷提取装置与沼气输送管道的沼气出口连接，从生成的沼气中提取出甲烷；所述甲烷氧化装置与甲烷提取装置的出口连接，将甲烷氧化生成甲醇；

氢气制备子系统，与甲醇制备子系统的甲醇出口连接，用以利用生成的甲醇和水混合制得氢气，或者直接通过生成的甲醇制得氢气；

氢气发电子系统，与氢气制备子系统的氢气出口连接，用以利用制得的氢气发电。

作为本实用新型的一种优选方案，所述氢气发电子系统为氢气发电机。

作为本实用新型的一种优选方案，所述氢气制备子系统为甲醇裂解制氢机。

作为本实用新型的一种优选方案，所述甲醇制备子系统提取甲烷的过程包括如下步骤：

步骤S21、将沼气通过碱石灰洗涤，除去其中的硫化氢、二氧化碳；

步骤S22、将经过步骤S21之后的沼气通过浓硫酸，除去其中的氨气；

步骤S23、将经过步骤S23之后的沼气利用低温挥发法制得高纯度的甲烷。

作为本实用新型的一种优选方案，将甲烷和氧气按8~9:1~2的体积比混合，在150~220℃和80~125个大气压的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，反应式是：2CH₄＋O²=2CH₃OH。

作为本实用新型的一种优选方案，所述氢气制备子系统的制氢过程包括如下步骤：

步骤S31、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

步骤S32、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；

步骤S33、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

步骤S34、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气。

一种利用上述系统的发电方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、沼气制备子系统以生物质为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使有机物发酵生成沼气；

步骤S2、甲醇制备子系统从生成的沼气中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇；

步骤S3、氢气制备子系统利用生成的甲醇和水混合制得氢气，或者直接通过生成的甲醇制得氢气；

步骤S4、氢气发电子系统利用制得的氢气发电。

作为本实用新型的一种优选方案，所述步骤S2中，将甲烷和氧气按8~9:1~2的体积比混合，在150~220℃和80~125个大气压的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，反应式是：2CH₄＋O²=2CH₃OH。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的利用生物质发电的系统，通过生物质制备沼气、沼气提取出甲烷、甲烷氧化制备甲醇、甲醇制氢、氢气发电等流程，从而将生物质转化为电能，提高能量转化效率。

本实用新型可以根据不同的地区和选址，就地自然能源条件会有所不同，因此采用的主流自然能源会有所不同。如可以重点发展太阳能聚热发电结合生物质生活垃圾，进行能源和有机肥联产，构成能态新农村建设模式，所建能态农舍不仅是农户生活的场所，还是太阳能收集生产甲醇的微型作坊，所用的甲醇生产工具是现代化的农用能态家用电器。实现能态化农舍，太阳能聚热发电和生物质生活垃圾能源和有机肥联产都是成熟技术，所要解决的是降低设备成本。而电解水制氢是成熟技术。

生物质能源和农家肥联产已经实现，所存在问题是沼气产生后没有进一步转化成液体甲醇，因此沼气存在使用和储运两大问题：使用直燃不仅浪费，还存在排放问题；沼气储运成本高并危险。当把沼气转化成液体甲醇，就可以方便地储运，大大降低能源使用成本。沼渣有机肥的处理产出，将带动有机农业的发展。

农用能源可以实现自给自足。农舍已成为使用自动化装置的微型可再生甲醇生产作坊。因此，农户所需要的能源已不需要外来供应，可以自给自足。电力可以通过家用能源甲醇水氢分布式能源站发电获得，并且发电效率高安全可靠，随用随发。农用机械和农用交通机动车辆全部使用甲醇水氢动力，所用的甲醇能源全部自生产，减少中间环节，减少农民负担。更重要的是农业可再生洁净能源的自给自足，为农业奠定良好的有机生态生产环境，这是实施能态农业经济最重要基础之一。

利用本实用新型可以实现有机农业生产。禁止使用化肥和农药，全面使用农家肥。沼渣固液分离，固体农家基肥返田，实现土地养护，促进来季好收成。液体稀释可直接用于农田施肥，增产增收。这是农业从依靠化肥掠夺型生产转化成施用全有机肥护养型经济、全面实现有机农业的基础保障之一。

有机农业区内接驳型交通运输网络。农产品分为无公害、绿色和有机三类，其中有机农产品是要求最高的产品，需要严格控制大气、水系和土壤等三方面不受污染。因此，在有机农业生产区必须严禁化石能源车辆进入，避免化石能源尾气排放对大气产生影响。由于动氢技术的成熟，在有机农业区块内全面实施甲醇水氢动力交通运输网是可行的。涉及外来化石燃料汽车和运输车辆，采用定点接驳，由境内甲醇水氢动力交通分输境内服务端。

全面实行零排放工业。在有机农业区任何排放都是不允许的，但是食能联产型经济、沼气能肥联产型经济、自然能源固碳排氧甲醇经济等都属于农工相结合的产业，在有机农业区不可能无工业，工业的存在就必须符合零排放要求，否则有机农业将成为空谈，能态农业将无从谈起。由于存在固碳排氧工业的平衡作用，碳捕捉不再是消耗成本的事，捕捉的碳将产生经济效益，纯氧来源是固碳排氧工业的副产物，因此对燃烧工业而言，在实现纯氧无氮燃烧过程中，不仅整体系统化的节能，还可以降低碳捕捉成本，实现经济性的零排放。良好的工艺设计还能达到节能和节约工业能源消耗生产成本的目的。

附图说明

图1为本实用新型利用生物质发电的系统的组成示意图。

图2为本实用新型利用生物质发电的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本实用新型揭示了一种利用生物质发电的系统，所述系统包括：沼气制备子系统11、甲醇制备子系统12、氢气制备子系统13、氢气发电子系统14，沼气制备子系统11、甲醇制备子系统12、氢气制备子系统13、氢气发电子系统14依次连接。

沼气制备子系统11用以以生物质为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使生物质中的有机物发酵生成沼气。沼气制备子系统包括生物质发酵容器、与生物质发酵容器连接的沼气输送管道。沼气制备子系统11是目前的成熟技术，这里不做赘述。

甲醇制备子系统12与沼气制备子系统11的沼气出口连接，用以将生成的沼气加压后从其中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇。所述甲醇制备子系统包括甲烷提取装置、甲烷氧化装置，所述甲烷提取装置与沼气输送管道的沼气出口连接，从生成的沼气中提取出甲烷；所述甲烷氧化装置与甲烷提取装置的出口连接，将甲烷氧化生成甲醇。

本实施例中，所述甲醇制备子系统提取甲烷的过程包括如下步骤：步骤S21、将沼气通过碱石灰洗涤，除去其中的硫化氢、二氧化碳；步骤S22、将经过步骤S21之后的沼气通过浓硫酸，除去其中的氨气；步骤S23、将经过步骤S23之后的沼气利用低温挥发法制得高纯度的甲烷；将甲烷氧化生成甲醇的过程包括：将甲烷和氧气按8~9:1~2的体积比混合，在150~220℃（如100℃或110℃）和80~125个大气压（如100个大气压）的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，反应式是：2CH₄＋O₂=2CH₃OH。相应地，甲烷提取装置包括碱石灰洗涤容器、浓硫酸洗涤容器、高纯度甲烷的收集容器等，碱石灰洗涤容器与浓硫酸洗涤容器之间、浓硫酸洗涤容器与收集容器之间分别设有管道。

氢气制备子系统13与甲醇制备子系统12的甲醇出口连接，用以利用生成的甲醇和水混合，制得氢气。所述氢气制备子系统可以为甲醇裂解制氢机。所述氢气制备子系统的制氢过程包括如下步骤：步骤S31、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；步骤S32、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；步骤S33、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；步骤S34、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气。

氢气发电子系统14与氢气制备子系统13的氢气出口连接，用以利用制得的氢气发电。所述氢气发电子系统可以为氢气发电机。

以上介绍了本实用新型系统的组成，本实用新型在揭示上述系统的同时，还揭示一种利用上述系统的发电方法；请参阅图2，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】沼气制备子系统以生物质为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使生物质中的有机物发酵生成沼气。

【步骤S2】甲醇制备子系统从生成的沼气中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇。

所述甲醇制备子系统提取甲烷的过程包括如下步骤：

而后，将甲烷和氧气按8~9:1~2的体积比混合，在150~220℃和80~125个大气压的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，反应式是：2CH₄＋O²=2CH₃OH。

【步骤S3】氢气制备子系统利用生成的甲醇和水混合制得氢气，或者直接通过生成的甲醇制得氢气。

所述氢气制备子系统的制氢过程包括如下步骤：

【步骤S4】氢气发电子系统利用制得的氢气发电。

综上所述，本实用新型提出的利用生物质发电的系统及方法，通过生物质制备沼气、沼气提取出甲烷、甲烷氧化制备甲醇、甲醇制氢、氢气发电等流程，从而将生物质转化为电能，提高能量转化效率。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种利用生物质发电的系统，其特征在于，所述系统包括：

氢气制备子系统，与甲醇制备子系统的甲醇出口连接，用以制得氢气；

2.根据权利要求1所述的利用生物质发电的系统，其特征在于，所述系统包括：

所述氢气发电子系统为氢气发电机。

3.根据权利要求1所述的利用生物质发电的系统，其特征在于，所述系统包括：

所述氢气制备子系统为甲醇裂解制氢机。