TWM577017U - Biomass energy generation system - Google Patents

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TWM577017U TW108200036U TW108200036U TWM577017U TW M577017 U TWM577017 U TW M577017U TW 108200036 U TW108200036 U TW 108200036U TW 108200036 U TW108200036 U TW 108200036U TW M577017 U TWM577017 U TW M577017U
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biomass
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陳上元
賴奇厚
藍柏凱
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逢甲大學
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本創作提出一種生質能源發電系統主要包含：一廢料排放設備，用以排放一廢料，且該廢料的PH值介於6-8之間；一燃料氣體生產系統，與該廢料排放設備連接，該燃料氣體生產系統產生一燃料氣體，包含：一廢料分離裝置；一厭氧醱酵裝置，與該廢料分離裝置連接；一氣體淨化裝置，與該厭氧醱酵裝置連接；以及一氣體儲存裝置，與該氣體淨化裝置連接。一氣體發電裝置，與該燃料氣體生產系統連接；一電力儲存裝置，與該氣體發電裝置連接；一電力控制裝置，與該電力儲存裝置和該氣體發電裝置連接；以及一負載系統，與該電力控制裝置連接。

Description

生質能源發電系統
本創作係關於一種生質能源發電系統，尤指一種可將生質物料轉化形成電力，以提供負載系統使用的生質能源發電系統。
20 世紀初，開發的行為在於追求能源高度的可用性與消費性，發明各式耗能的「主動式」設備與家電。20 世紀末則因為地球生態環境過度的破壞，節能的「被動式」設計再度為環保人士所重視。21 世紀初，面對「被動節能」的永續原則與「主動耗能」的舒適需求，新典範則是智慧地使用能源。區域、住所應該結合新的作法，以改善建築環境。
畜牧業與農業是目前最不可或缺的產業，長久以來都佔有很重要的地位。舉以豬舍為例，目前在全台養頭數目約有550萬頭，而豬糞尿水加上清洗豬舍所產生的廢水，每日所產生的廢水量高達 20 多萬公噸，如此龐大數量的豬糞尿廢水，若直接排入溝渠或河川等水體，將直接衝擊水中的生物，破壞生態環境。
因此，本創作提出一種生質能源發電系統，藉由替代性能源的開發結合發電機與運算控至，驅動「主動」的建築元件，以改善「被動」建築不足的效能與環境污染上的問題。
有鑑於此，本創作之目的在於提出一種可透過生質物料轉化成電力，以供負載系統使用的生質能源發電系統，來達到節能減碳及能源自主的目標。
本創作之生質能源發電系統主要包含：至少一廢料排放設備，用以排放一廢料，且該廢料的PH值介於6-8之間；一燃料氣體生產系統，與該廢料排放設備連接，該燃料氣體生產系統產生一燃料氣體，包含：一廢料分離裝置；一厭氧醱酵裝置，與該廢料分離裝置連接；一氣體淨化裝置，與該厭氧醱酵裝置連接；以及一氣體儲存裝置，與該氣體淨化裝置連接。一氣體發電裝置，與該燃料氣體生產系統連接；一電力儲存裝置，與該氣體發電裝置連接；一電力控制裝置，與該電力儲存裝置和該氣體發電裝置連接；以及一負載系統，與該電力控制裝置連接。
以上對本創作的簡述，目的在於對本創作之數種面向和技術特徵作一基本說明。創作簡述並非對本創作的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本創作的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本創作的範圍，僅為以簡明的方式呈現本創作的數種概念而已。
為能瞭解本創作的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
本創作是一種可應用於畜牧業或農業的發電系統，可將大量的生質物料（如動物排泄物、農作物殘渣及廚餘等）轉化為電力，同時結合其他的再生能源，以達到節能減碳以及能源自主的目標。
首先，請參考第一圖，其為本創作較佳實施例之生質能源發電系統示意圖。如第一圖所示，本創作之生質能源發電系統1主要包含：一廢料排放設備10，用以排放一廢料，且該廢料的PH值介於6-8之間；一燃料氣體生產系統20，與該廢料排放設備10連接，該燃料氣體生產系統20產生一燃料氣體；一氣體發電裝置30，與該燃料氣體生產系統20連接；一電力儲存裝置40，與該氣體發電裝置30連接；一電力控制裝置50，與該電力儲存裝置40和該氣體發電裝置30連接；以及一負載系統60，與該電力控制裝置50連接。
具體而言，該廢料排放設備10可以是畜牧業的豬場、雞舍或馬廄等的排放設備，也可以是農業的穀倉、稻場或溫室等，抑或是一般的工業工廠。因此，該廢料排放設備10所排放出的廢料可能是人工基質，如葡萄糖、木糖、蔗糖、麥芽糖、澱粉或其組合；或是生質物料，如動物排泄物、農作物殘渣、廢水、廚餘或其組合。值得注意的是，不論是人工基質或生質物料，該些廢料的PH值皆須控制在6-8之間，才可產生較多的生質（燃料）氣體（可同時參照第二圖），以利於後續電力的生產。
而與該廢料排放設備10連接的燃料氣體生產系統20則負責將前述之廢料轉化成燃料氣體，並將該燃料氣體傳送至氣體發電裝置30以產生電力。其中，該燃料氣體生產系統20包含：一廢料分離裝置22；一厭氧醱酵裝置24，與該廢料分離裝置22連接；一氣體淨化裝置26，與該厭氧醱酵裝置24連接；以及一氣體儲存裝置28，與該氣體淨化裝置26連接。
具體而言，該廢料分離裝置22更包含一固液分離器222，用以分離前述之廢料；以及一收集處理器224，與該固液分離器222連接，該收集處理器224可收集該固液分離器222分離後的固體。該些經收集後的固體廢料則會透過厭氧醱酵裝置26\4進行厭氧醱酵反應以產生一生質氣體；最後，再藉由氣體淨化裝置26將該生質氣體進行分離、純化以及脫硫等步驟，形成如氫氣（H 2）或甲烷（CH 4）等燃料氣體，並透過氣體儲存裝置28加以儲存。
而經由固液分離器222分離的液體則可透過與廢料分離裝置22（固液分離器222）連接的一濾沼槽223進行回收，並透過攪拌、過濾、濃縮以及分離等步驟製備有機複合液肥，可作為農作物及花卉等植物液肥使用。
該氧醱酵反應裝置24還可包含有一醣化反應槽及設置於其內部的攪拌裝置（圖未示）、一營養鹽反應槽及設置於其內部的攪拌裝置（圖未示）、一混和槽及設置於其內部的攪拌裝置（圖未示），以及一醱酵反應槽（圖未示）。其中，醣化反應槽與營養鹽反應槽連通混合槽，並可將前述之固體廢料與營養鹽注入混合槽中攪拌混合；而混合槽連通醱酵反應槽，該醱酵反應槽可透過厭氧醱酵反應產生生質氣體。
其中，醱酵反應槽主要是利用厭氧菌進行厭氧醱酵反應產生生質氣體，該醱酵反應槽可以是連續式攪拌反應器（Continuous-Stirred Tank Reactor, CSTR）、厭氧序批式反應器（Anaerobic Sequencing Batch Reactor, ASBR）、厭氧折流反應器（Anaerobic Baffled Bioreactor, ABR）、擔體誘發式顆粒污泥床（Carrier-Induced Granular Sludge Bed, CIGSB）、上流式厭氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket, UASB）、膨脹式顆粒污泥床（Expended Granular Sludge Bed, EGSB）或攪拌式顆粒污泥床（Agitated Granular Sludge Bed, AGSB）。
由廢料轉化為燃料氣體的過程中，轉化的方式、廢料中硫化氫的濃度以及環境地控制條件（如溫度、濕度或壓力）等，皆會影響燃料氣體的生產效率。以下將對本創作中，廢料轉化的具體步驟作進一步的說明。
首先，經由廢料排放設備10所排放的廢料會經由添加有脫水乾燥劑的廢料分離裝置22，以降低廢料的含水率；同時並控制該廢料的PH值介於6-8之間，以提高後續單位氣體的燃燒熱值。再者，將該些經脫水後的廢料放置於厭氧醱酵反應裝置24中以產生生質氣體（沼氣）；其中，該厭氧醱酵反應裝置24的溫度應控制在40-70°C之間（較好的是50°C）、濕度控制在75-90%之間（較好的是80%），且醱酵的時間約為20-40日。而經由厭氧醱酵反應裝置24產生的生質氣體，會進入氣體淨化裝置26，並利用常溫的再生脫硫劑（如氧化鐵）去除生質氣體中的硫化氫（H 2S）氣體，以形成後續發電使用的燃料氣體。最後，再透過氣體儲存裝置28將該些燃料氣體壓縮儲存，且該氣體儲存裝置28還可包含一可控制壓力的閥門，調節從氣體儲存裝置28進入氣體發電裝置中燃料氣體的壓力，以維持氣體發電裝置30穩態運行。
而透過前述之燃料氣體所生產系統生產的燃料氣體（如氫氣或甲烷）會進入氣體發電裝置30中產生電力。其中，該氣體發電裝置30為燃料電池發電裝置。燃料電池發電裝置在產生電力的過程中，主要透過氧氣或其他氧化劑進行氧化還原反應，將燃料氣體中的化學能轉換成電能的發電裝置，燃料電池相較於於原電池，其優點在於透過穩定地供應氧和燃料氣體，可持續不間斷的提供穩定電力直至燃料耗盡。
另一方面，燃料電池發電後會產生水與熱，基於使用不同的燃料，有可能產生極少量二氧化碳和其他物質，對環境的污染低於原電池或化石燃料發電廠，其中，燃料電池發電裝置的能量效率通常介於40-60％之間；若將發電後所產生廢熱回收使用，其裝置的能量效率更可達85-90％。因此，本創作之氣體發電裝置30還可與一熱能回收裝置80連接，該熱能回收裝置80可回收氣體發電裝置30燃燒發電後所產生的熱能，以提高發電的能量效率。
氣體發電裝置30所產生的電力可直接經由電力控制裝置50的控制，分配到該至少一廢料排放設備10（亦可為本創作之負載系統60）中作使用；而多餘的電力則可透過電力儲存裝置40，且該電力儲存裝置40亦可作為該至少一廢料排放設備10的電力來源，藉此達到能源自主的目的。更進一步而言，該電力儲存裝置40還與至少一再生能源發電裝置70連接，並將該至少一再生能源發電裝置70所產生的電力儲存於電力儲存裝置40中。其中，該至少一再生能源發電裝置70可以是風力發電裝置、水力發電裝置、太陽能發電裝置或其組合。
而本創作之電力控制裝置50還可與一市電系統90並聯連接，以備於緊急情況發生或燃料氣體供應不足時，生質能源發電系統1可將負載系統60或至少一廢料排放設備10的供電來源自動切換至市電系統90，直至氣體發電裝置30的電力輸出正常為止，藉此提高本生質能源發電系統1電力傳輸的穩定度。
另外，請同時參考第三圖，其為本創作較佳實施例之生質能源發電系統的運作方法流程圖。如第三圖所示，本創作所提出之生質能源發電系統1的運作方法包含以下步驟：（A）至少一廢料排放設備10排放一廢料，且該廢料的PH值介於6-8之間；（B）一廢料分離裝置22分離該廢料而形成一固體廢料和一液體廢料；（C）一厭氧醱酵裝置24對該固體廢料進行厭氧醱酵反應以產生一生質氣體；（D）一氣體淨化裝置26對該厭氧醱酵反應所產生的該生質氣體進行分離及純化處理，以形成一燃料氣體；以及（E）一氣體發電裝置30透過該燃料氣體產生電力，並供給該電力至一負載系統60。
首先，在步驟（A）中，廢料排放設備10可以是畜牧業的豬場、雞舍或馬廄等的排放設備，也可以是農業的穀倉、稻場或溫室等，抑或是一般的工業工廠。因此，該廢料排放設備10所排放出的廢料可能是人工基質，如葡萄糖、木糖、蔗糖、麥芽糖、澱粉或其組合；或是生質物料，如動物排泄物、農作物殘渣、廢水、廚餘或其組合。
再者，在步驟（B）中，經廢料分離裝置22分離後所產生的固體廢料會被送至厭氧醱酵裝置24中以產生生質氣體；而液體廢料則可透過與廢料分離裝置連接的濾沼槽223進行攪拌、過濾、濃縮以及分離等步驟，以製備有機複合液肥。
接續，在步驟（C）中，厭氧醱酵裝置24會對該些固體廢料進行厭氧醱酵反應以產生生質氣體，在厭氧發酵的過程中環境的溫度、濕度和壓力，以及固體廢料的酸鹼值皆會影響生質氣體的產量，而本實施例之環境溫度控制在40-70°C、環境濕度控制在75-90%、固體廢料的酸鹼值控制在6-8，並經由一定的醱酵時間始可產出最大量的生質氣體。
而在步驟（D）中，須將前述之生質氣體輸送進入氣體淨化裝置26進行純化處理，其中生質氣體純化的方法主要可分為：乾式氧化法 （Physical Absorption）、液體吸收法（Liquid Absorption）以及生物脫硫法（Bio-desulfurization）。
前述之乾式氧化法包含：固體吸收法，使用顆粒狀的氧化鐵、石灰以批次方式處理吸收硫化氫；以及導入空氣與氧氣至生質氣體中，使得生質氣體中的硫化氫與氧氣結合形成水以及固態硫，以除去氣體中的硫化氫。前述之液體吸收法包含：物理高壓吸收法，將生質氣體與水壓縮（60-70kg/cm 2），使得二氧化碳與硫化氫溶於水中；物理低壓吸收法，將生質氣體與鹼性溶液（如氫氧化鈉）結合，吸收二氧化碳與硫化氫；以及化學吸收法，將氯化鐵（FeCl 3）直接添加至生質氣體以吸收硫化氫。而前述之生物脫硫法則包含：生物洗滌槽（Bioscrubber）、生物濾床（Biofilter）以及生物滴濾塔（Biotrickling）。
最後，在步驟（E）中，氣體發電裝置30透過該燃料氣體產生電力，並供給該電力至一負載系統60。其中，該氣體發電裝置30為燃料電池發電裝置；該負載系統60可以是外部負載，也可以是前述之廢料排放設備10，以達到綠化環境以及能源自主的目標。
惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即依本創作申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本創作涵蓋之範圍內。
1‧‧‧生質能源發電系統
10‧‧‧廢料排放設備
20‧‧‧燃料氣體生產系統
22‧‧‧廢料分離裝置
222‧‧‧固液分離器
223‧‧‧濾沼槽
224‧‧‧收集處理器
24‧‧‧厭氧醱酵裝置
26‧‧‧氣體淨化裝置
28‧‧‧氣體儲存裝置
30‧‧‧氣體發電裝置
40‧‧‧電力儲存裝置
50‧‧‧電力控制裝置
60‧‧‧負載系統
70‧‧‧再生能源發電裝置
80‧‧‧熱能回收裝置
90‧‧‧市電系統
A-E‧‧‧步驟
第一圖為本創作較佳實施例之生質能源發電系統示意圖。
第二圖為本創作較佳實施例之燃料氣體產率曲線圖。
第三圖為本創作較佳實施例之生質能源發電系統的運作方法流程圖。

Claims (9)

  1. 一種生質能源發電系統，包含： 一廢料排放設備，用以排放一廢料，且該廢料的PH值介於6-8之間； 一燃料氣體生產系統，與該廢料排放設備連接，該燃料氣體生產系統產生一燃料氣體，包含： 一廢料分離裝置； 一厭氧醱酵裝置，與該廢料分離裝置連接； 一氣體淨化裝置，與該厭氧醱酵裝置連接；以及 一氣體儲存裝置，與該氣體淨化裝置連接； 一氣體發電裝置，與該燃料氣體生產系統連接； 一電力儲存裝置，與該氣體發電裝置連接； 一電力控制裝置，與該電力儲存裝置和該氣體發電裝置連接；以及 一負載系統，與該電力控制裝置連接。
  2. 如請求項1所述之生質能源發電系統，其中該電力儲存裝置還與至少一再生能源發電裝置連接。
  3. 如請求項2所述之生質能源發電系統，其中該至少一再生能源發電裝置包含風力發電裝置、水力發電裝置、太陽能發電裝置或其組合。
  4. 如請求項1所述之生質能源發電系統，其中該廢料分離裝置包含： 一固液分離器，用以分離該廢料；以及 一收集處理器，與該固液分離器連接，該收集處理器收集該固液分離器分離後的固體。
  5. 如請求項4所述之生質能源發電系統，更包含一濾沼槽與該固液分離器連接，該濾沼槽收集該固液分離器分離後的液體。
  6. 如請求項1所述之生質能源發電系統，其中該氣體發電裝置為燃料電池發電裝置。
  7. 如請求項6所述之生質能源發電系統，更包含一熱能回收裝置與該氣體發電裝置連接，該熱能回收裝置回收該氣體發電裝置燃燒發電所產生的熱能。
  8. 如請求項1所述之生質能源發電系統，其中該燃料氣體為甲烷（CH 4）。
  9. 如請求項1所述之生質能源發電系統，其中該廢料為人工基質或生質物料。
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TWI690497B (zh) * 2019-01-02 2020-04-11 逢甲大學 生質能源發電系統及其運作方法

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