專利名稱：中低溫多能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及沼氣發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及沼氣發(fā)電的太陽能及風(fēng)能聯(lián)合加熱設(shè)備。
背景技術(shù)：
燃煤電廠污染物對環(huán)境的破壞，使得可再生能源日益受到普遍關(guān)注。沼氣是一 種新型可再生能源，主要由甲烷和二氧化碳組成，通常情況下兩者的含量分別為55% 70%、25% 40%。利用沼氣發(fā)電可以大大地減少污染物排放量，同時由于沼氣的生產(chǎn)利 用有效地降低了有機廢棄物自然堆放過程中釋放的CH4溫室氣體排放量，利于緩和溫室效 應(yīng)。每減少1噸CH4排放量，相當(dāng)于減少25噸C02的排放。我國為保障能源和電力的可持續(xù)供給，國家對生物質(zhì)能的發(fā)展給予了高度重視。 《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》和《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》確定到2010年，全國生 物質(zhì)發(fā)電裝機容量達到550萬千瓦，沼氣年利用量達到190億立方米。到2020年，生物質(zhì) 發(fā)電總裝機容量達到3000萬千瓦，生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達到5000萬噸，沼氣年利 用量達到440億立方米。規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場、工業(yè)有機廢水處理和城市污水處理廠建設(shè)沼 氣工程，配套安裝沼氣發(fā)電設(shè)施，在2010年和2020年分別達到100萬千瓦和300萬千瓦。 沼氣建設(shè)規(guī)模不斷擴大，進入了快速發(fā)展的新階段。另一方面，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力緊缺狀況日趨嚴重，嚴重影響畜禽養(yǎng)殖的正 常生產(chǎn)。同時由于目前集約化養(yǎng)殖步伐加快，現(xiàn)代化養(yǎng)殖技術(shù)的利用，污水和糞便的清理采 用機械化，由于停電造成清理不及時，導(dǎo)致養(yǎng)殖場污水四溢，蚊蠅孳生，嚴重影響?zhàn)B殖場的 防疫和安全生產(chǎn)。傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)直接燃燒沼氣，消耗大量優(yōu)質(zhì)能源，降低系統(tǒng)效率，通過沼氣 發(fā)電，可解決養(yǎng)殖場的日常用電，減少電網(wǎng)供電壓力，確保集約化畜禽養(yǎng)殖場正常生產(chǎn)，多 余電力可用于農(nóng)產(chǎn)品深加工。沼氣發(fā)電在消耗沼氣的同時，提高了能量的品位，能源利用效 率和使用范圍，解決了大中型沼氣工程產(chǎn)氣和沼氣消納之間的矛盾，確保沼氣工程的效益 和可持續(xù)發(fā)展。然而，在我國中低溫地區(qū)，大中型沼氣工程依然存在低溫條件下沼氣發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn) 氣率低，低溫條件下沼氣發(fā)酵系統(tǒng)供熱能量來源單一，沼氣發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性差，沼氣發(fā)電成 套設(shè)備的集成能力和運行水平有待提高等諸多問題。傳統(tǒng)的風(fēng)能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)以及太 陽能互補發(fā)酵系統(tǒng)采用風(fēng)能、太陽能互補的方法為沼氣發(fā)酵系統(tǒng)增溫提供能量，但太陽輻 射強度波動大，晝夜溫差大，太陽能獨立供熱的方法難以滿足沼氣發(fā)酵的溫度要求；而風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)由于受到氣候的影響，風(fēng)力發(fā)電存在較大的不穩(wěn)定性和波動性，使得風(fēng)能互補沼 氣發(fā)電系統(tǒng)的正常運行受到嚴重制約，如何保證沼氣發(fā)酵系統(tǒng)全年穩(wěn)定、高效運行成為沼 氣大規(guī)模推廣急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種中低溫多能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)。
該系統(tǒng)包括主管道、前處理單元、厭氧消化單元、沼氣凈化存儲單元、沼氣發(fā)電單 元、沼渣后處理單元以及風(fēng)力發(fā)電加熱系統(tǒng)；所述前處理單元包括格柵、調(diào)節(jié)池及日光溫室，其中格柵和調(diào)節(jié)池位于日光溫室 內(nèi)，格柵位于調(diào)節(jié)池前部；所述厭氧消化單元包括一級厭氧反應(yīng)器、二級厭氧反應(yīng)器及污水泵；所述沼氣凈化存儲單元包括第一導(dǎo)氣管、脫硫塔、冷凝器及儲氣罐；所述沼氣發(fā)電單元包括阻火器及沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組；所述沼渣后處理單元包括閥門、沼渣濃縮裝置及排渣管；所述風(fēng)力發(fā)電加熱系統(tǒng)包括低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組及電加熱器，低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機 組通過導(dǎo)線與循環(huán)水箱中的電加熱器相連；循環(huán)水泵通過第三管道與循環(huán)水箱出水口和熱 管式太陽能熱水陣列入水口相連，熱管式太陽能熱水陣列出水口經(jīng)第四管道與循環(huán)水箱入 水口相連組成的太陽能加熱系統(tǒng)；所述調(diào)節(jié)池通過主管道經(jīng)由污水泵與一級厭氧反應(yīng)器相連；位于一級厭氧反應(yīng)器中的第二盤管式換熱器和位于二級厭氧反應(yīng)器中的第三盤 管式換熱器分別通過第二管道與主循環(huán)水泵出水口、循環(huán)水箱入水口相連組成循環(huán)水系 統(tǒng)，第一管道將調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置的第一盤管式換熱器與第二管道相連構(gòu)成循環(huán)水路；二級厭氧反應(yīng)器通過第一導(dǎo)氣管與脫硫塔相連，脫硫塔與冷凝器經(jīng)第二導(dǎo)氣管相 連，冷凝器與儲氣罐經(jīng)第三導(dǎo)氣管相連，儲氣罐中的氣體經(jīng)第四導(dǎo)氣管通過阻火器經(jīng)第五 導(dǎo)氣管進入沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組。所述厭氧消化單元中的污水泵采用具有雜草切割功能的潛污泵。在沼氣厭氧發(fā)酵罐進料前，畜禽糞便及污水通過格柵和收集管先進入調(diào)節(jié)池內(nèi)酸 化，并在需要污水增溫的季節(jié)，利用調(diào)節(jié)池中的第一盤管式換熱器提高污水溫度。該系統(tǒng)通過優(yōu)化配置沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，采用兩級CSTR沼氣發(fā)酵系統(tǒng)。采用兩級串聯(lián) 的CSTR沼氣發(fā)酵技術(shù)能增加有機物的降解率，增加沼氣的產(chǎn)氣率。發(fā)酵罐采用聚苯乙烯保 溫，并采用玻璃鋼對保溫層進行防水保護。 所述脫硫塔中采用氯化鐵或氧化鐵為脫硫劑的干法脫硫。所述沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組點火采用點火噴燃技術(shù)，在沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組前設(shè)置干式 阻火器。該系統(tǒng)采用低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，風(fēng)速可達4m/s，且在原料預(yù)處理時增加了日光 溫室，對進入反應(yīng)器的原料進行預(yù)先增溫，提高發(fā)酵原料的溫度，可根據(jù)氣溫波動靈活調(diào)節(jié) 太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機組的資源分配，達到資源的最優(yōu)配置。所述由一級和二級厭氧反應(yīng)器排除的沼渣沼液經(jīng)沼氣濃縮裝置濃縮分離后，部分 上清液經(jīng)曝氣系統(tǒng)處理后用作養(yǎng)殖場沖糞用水，沼渣和其余沼液直接用作生態(tài)農(nóng)場作物肥 料。該系統(tǒng)綜合生態(tài)農(nóng)場用能和養(yǎng)殖區(qū)糞污特征，綜合考慮自然條件、糞便資源配套 土地和能源需求等因素，采用“能源生態(tài)型”處理利用工藝將畜禽場處理污水經(jīng)厭氧處理后 不直接排入自然水體，而作為農(nóng)作物的有機肥料。本多能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)針對中低溫地區(qū)的自然條件特點，將太陽能、風(fēng)能和生 物質(zhì)能互補利用，通過單元優(yōu)化和系統(tǒng)集成，確保中低溫地區(qū)沼氣發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性和清潔性，實現(xiàn)了物質(zhì)和能量的高效清潔綜合利用。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明圖1為多能互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)總體配置結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標記1-格柵，2-調(diào)節(jié)池，3- 一級厭氧反應(yīng)器，4- 二級厭氧反應(yīng)器，5-第一導(dǎo)氣管，6_脫 硫塔，7-冷凝器，8-儲氣罐，9-阻火器，10-沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組，11-污水泵，12-閥門，13-沼 渣濃縮裝置，14-第一盤管式換熱器，15-第二盤管式換熱器，16-第三盤管式換熱器，17-低 風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組，18-導(dǎo)線，19-電加熱器，20-循環(huán)水箱，21-主循環(huán)水泵，22-循環(huán)水泵， 23-第三管道，24-熱管式太陽能熱水陣列，25-廠房，26-第一管道，27-第二管道，28-第四 管道，29-排渣管，30-主管道，31-日光溫室，32-第二導(dǎo)氣管，33-第三導(dǎo)氣管，34-第四導(dǎo) 氣管，35-第五導(dǎo)氣管。
具體實施例方式實施例一本系統(tǒng)正常運行時的最低設(shè)計溫度為零下12°C，畜禽糞便(牛糞、豬糞、雞糞)及 污水經(jīng)格柵1、調(diào)節(jié)池2進行原料預(yù)處理，當(dāng)系統(tǒng)在低溫下運行時，為提高反應(yīng)器發(fā)酵效果， 需對發(fā)酵單元進行增溫和保溫措施，對發(fā)酵系統(tǒng)增溫主要通過對厭氧罐的增溫和發(fā)酵原料 進行增溫來實現(xiàn)，增溫?zé)嵩捶謩e來自以下三個方面-太陽能一方面通過在調(diào)節(jié)池2外面建設(shè)一個日光溫室31并采用太陽能加熱系 統(tǒng)中的熱水。在調(diào)節(jié)池2中設(shè)置第一盤管式換熱器14對調(diào)節(jié)池2中的原料進行加熱對進 入到反應(yīng)器的發(fā)酵液進行預(yù)先增溫；熱管式太陽能加熱系統(tǒng)利用熱管式太陽能加熱系統(tǒng) 加熱產(chǎn)生的熱水通過在一級厭氧反應(yīng)器3和二級厭氧反應(yīng)器4中分別設(shè)置第二盤管式換熱 器15和第三盤管式換熱器16對發(fā)酵罐進行增溫；-風(fēng)能利用風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能加熱循環(huán)水箱中的熱水，然后通過在一級厭 氧反應(yīng)器3和二級厭氧反應(yīng)器4中分別設(shè)置第二盤管式換熱器15和第三盤管式換熱器16 對發(fā)酵原料進行增溫，提高發(fā)酵原料的溫度。發(fā)酵單元采用整體保溫包括管道、閥門、厭 氧消化罐體采用聚苯乙烯材料作為保溫材料，用玻璃鋼對發(fā)酵罐保溫層進行防水保護。調(diào) 節(jié)池內(nèi)的混合液經(jīng)預(yù)處理后通過污水泵11泵入?yún)捬醴磻?yīng)器，本多能沼氣互補發(fā)電系統(tǒng)反 應(yīng)器采用兩級CSTR反應(yīng)器，發(fā)酵溫度選擇38°C，CSTR反應(yīng)器混合時間短，反應(yīng)器的傳熱和 傳質(zhì)效率高，流場均勻，能有效降低停留時間，提高產(chǎn)氣強度，增加有機物的降解率，增加產(chǎn) 氣率。反應(yīng)器下部排渣，沼渣進入沼氣濃縮裝置13;產(chǎn)生的沼氣由第一導(dǎo)氣管5進入脫硫 器6，采用氧化鐵為載體的干法脫硫，沼氣中硫化氫(H2S)氧化成硫氧化物后，余留在填料層 中，凈化后氣體從容器塔頂排出經(jīng)第二導(dǎo)氣管32進入冷凝器7經(jīng)脫水處理后經(jīng)第三導(dǎo)氣管33進入儲氣罐8。儲氣罐8中的沼氣通過第四導(dǎo)氣管34經(jīng)過阻火器9，通過第五導(dǎo)氣管35 進入沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組用于沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組10發(fā)電，發(fā)電余熱用于進料和發(fā)酵罐增溫； 發(fā)酵后產(chǎn)出的沼渣和沼液的混合物排入沼氣濃縮裝置13進行濃縮，部分沼液經(jīng)養(yǎng)殖場現(xiàn) 有曝氣處理后作為沖糞用水，其余沼渣沼液作為灌溉水直接用作農(nóng)場肥料。
發(fā)電余熱利用沼氣發(fā)電機組發(fā)電產(chǎn)生的發(fā)電余熱為調(diào)節(jié)池2或兩級厭氧反應(yīng)器 3、4增溫。所述沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組(10)選用功率70kW，低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組(17)選用功率50kW，熱管式太陽能熱水陣列(24)規(guī)模為200m2。實施例二當(dāng)系統(tǒng)在非增溫季節(jié)運行時，為保證發(fā)酵罐中發(fā)酵液的溫度，對發(fā)酵單元進行增 溫和保溫措施主要通過在調(diào)節(jié)池外建設(shè)日光溫室31提高進入反應(yīng)器中發(fā)酵原料的溫度就 能滿足溫度需求；經(jīng)預(yù)處理的原料進入一級厭氧反應(yīng)器3、二級厭氧反應(yīng)器4發(fā)酵后產(chǎn)生的 沼氣經(jīng)第一導(dǎo)氣管5進入脫硫器6，進行脫硫，從容器頂部排出的氣體經(jīng)第二導(dǎo)氣管32進入 冷凝器脫水處理后經(jīng)第三導(dǎo)氣管33進入儲氣罐8經(jīng)第四導(dǎo)氣管34、阻火器9和第五導(dǎo)氣管 35直接用于沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組10發(fā)電，而管式太陽能系統(tǒng)加熱產(chǎn)生的熱水則為廠房25提 供養(yǎng)殖噴淋，風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生的電能直接供生態(tài)農(nóng)場內(nèi)部使用。沼氣濃縮裝置中產(chǎn)生的 沼液部分經(jīng)養(yǎng)殖場曝氣后用于沖糞用水，其余沼渣沼液作為農(nóng)場肥料。
權(quán)利要求
一種中低溫多能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括主管道(30)、前處理單元、厭氧消化單元、沼氣凈化存儲單元、沼氣發(fā)電單元、沼渣后處理單元以及風(fēng)力發(fā)電加熱系統(tǒng)；所述前處理單元包括格柵(1)、調(diào)節(jié)池(2)及日光溫室(31)，其中格柵(1)和調(diào)節(jié)池(2)位于日光溫室(31)內(nèi)，格柵(1)位于調(diào)節(jié)池(2)前部；所述厭氧消化單元包括一級厭氧反應(yīng)器(3)、二級厭氧反應(yīng)器(4)及污水泵(11)；所述沼氣凈化存儲單元包括第一導(dǎo)氣管(5)、脫硫塔(6)、冷凝器(7)及儲氣罐(8)；所述沼氣發(fā)電單元包括阻火器(9)及沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組(10)；所述沼渣后處理單元包括閥門(12)、沼渣濃縮裝置(13)及排渣管(29)；所述風(fēng)力發(fā)電加熱系統(tǒng)包括低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組(17)及電加熱器(19)，低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組(17)通過導(dǎo)線(18)與循環(huán)水箱(20)中的電加熱器(19)相連；循環(huán)水泵(22)通過第三管道(23)與循環(huán)水箱(20)出水口和熱管式太陽能熱水陣列(24)入水口相連，熱管式太陽能熱水陣列(24)出水口經(jīng)第四管道(28)與循環(huán)水箱(20)入水口相連組成的太陽能加熱系統(tǒng)；所述調(diào)節(jié)池(2)通過主管道(30)經(jīng)由污水泵(11)與一級厭氧反應(yīng)器(3)相連；位于一級厭氧反應(yīng)器(3)中的第二盤管式換熱器(15)和位于二級厭氧反應(yīng)器(4)中的第三盤管式換熱器(16)分別通過第二管道(27)與主循環(huán)水泵(21)出水口、循環(huán)水箱(20)入水口相連組成循環(huán)水系統(tǒng)，第一管道(26)將調(diào)節(jié)池(2)內(nèi)設(shè)置的第一盤管式換熱器(14)與第二管道(27)相連構(gòu)成循環(huán)水路；二級厭氧反應(yīng)器(4)通過第一導(dǎo)氣管(5)與脫硫塔(6)相連，脫硫塔(6)與冷凝器(7)經(jīng)第二導(dǎo)氣管(32)相連，冷凝器(7)與儲氣罐(8)經(jīng)第三導(dǎo)氣管(33)相連，儲氣罐(8)中的氣體經(jīng)第四導(dǎo)氣管(34)通過阻火器(9)經(jīng)第五導(dǎo)氣管(35)進入沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述厭氧消化單元中的污水泵(11)采用具 有雜草切割功能的潛污泵。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，在沼氣厭氧發(fā)酵罐進料前，畜禽糞便及污水 通過格柵(1)和收集管先進入調(diào)節(jié)池(2)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)酵罐采用聚苯乙烯作為保溫材料，用玻璃 鋼對保溫層進行防水保護。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述脫硫塔(6)中采用氯化鐵或氧化鐵為脫 硫劑的干法脫硫。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組(10)點火采用點火 噴燃技術(shù)，在沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組前設(shè)置干式阻火器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組(17)采用低風(fēng)速 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，風(fēng)速可低于4m/s。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述由一級和二級厭氧反應(yīng)器排除的沼渣 沼液經(jīng)沼氣濃縮裝置(13)濃縮分離后，部分上清液經(jīng)曝氣系統(tǒng)處理后用作養(yǎng)殖場沖糞用 水，沼渣和其余沼液直接用作生態(tài)農(nóng)場作物肥料。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于沼氣發(fā)電領(lǐng)域的中低溫多能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于新型可再生能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，采用兩級CSTR發(fā)酵技術(shù)，通過與熱管式太陽能集熱單元、低風(fēng)速風(fēng)能利用單元和余熱利用單元的互補優(yōu)化集成，實現(xiàn)中低溫條件下沼氣發(fā)電系統(tǒng)全年穩(wěn)定高效進行，實現(xiàn)多能互補沼氣發(fā)電系統(tǒng)全工況能耗最低，全部使用可再生能源，系統(tǒng)無二次污染。
文檔編號C12M1/107GK101798953SQ20101012485
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者劉文毅, 楊世關(guān), 楊勇平, 王孝強, 董長青, 趙芳芳, 鄭宗明 申請人:華北電力大學(xué)