專利名稱：一種村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置和使用方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物能源技術領域，具體涉及一種村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置。本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用上述氫烷燃氣發(fā)生裝置制備氫烷燃氣的方法。
背景技術：
隨著社會的發(fā)展及村民生活水平提高的同時，帶來了村鎮(zhèn)環(huán)境污染問題和資源浪費。據(jù)報道，我國是世界上農村有機廢棄物產出量最大的國家，每年大約有40多億t，其中畜禽糞便排放量26. I億t，農作物秸桿7. O億t，廢棄農膜等塑料2. 5萬t，蔬菜廢棄物1-1. 5億t。其中，我國村鎮(zhèn)生活源有機廢棄物、人畜糞便所占份額較大，造成村鎮(zhèn)垃圾隨意 傾倒、糞土亂堆、柴草亂垛等現(xiàn)象，嚴重影響村容村貌和危害居民身體健康。氫氣作為高效、清潔、可再生的能源，受到人們的日益關注。但是，理論上生物制氫過程能源利用率最高僅為35%，而氫氣-甲烷聯(lián)產耦合制氫技術能源利用率高達89%。此夕卜，氫烷燃氣是將氫氣和甲烷氣按照一定比例混合后制備的具有高附加值的新型燃氣，經(jīng)混配后的燃氣其燃燒性能、熱值等均有顯著提高，且燃燒后產生的硫化物、CO2等二次污染少，是理想的生物能源。由于村鎮(zhèn)廢棄物分散、混雜，現(xiàn)有處理設施存在預處理要求高、啟動緩慢、運行不穩(wěn)定、產氣率低、能耗大和占地面積大等問題，無法實現(xiàn)氫氣-甲烷聯(lián)產，以及混配利用的目的。因此，研發(fā)適合我國村鎮(zhèn)單戶使用的，具有“小型化、低成本、易操作”的氫烷燃氣發(fā)生裝置不僅是研究熱點，也是亟待解決的難點問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置。本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用上述氫烷燃氣發(fā)生裝置制備氫烷燃氣的方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置，主要包括垃圾破碎輸送裝置，通過絞龍與氫烷發(fā)生器的進料口相連；氫烷發(fā)生器內部為厭氧產氫室和厭氧產沼室組成的雙反應區(qū)結構，破碎后的垃圾在氫烷發(fā)生器內分別經(jīng)過厭氧產氫室和厭氧產沼室進行厭氧發(fā)酵；厭氧產氫室和厭氧產沼室之間設有厭氧產沼室單向可開啟閥門；氫烷發(fā)生器中心貫穿有納米陶瓷鍍膜滾軸，納米陶瓷鍍膜滾軸的出氣端分別連接氫氣純化器和甲烷純化器，對生物氣進行純化；純化后的氫氣和甲烷經(jīng)過氣體混合閥控制進行氫烷氣的混配后輸送至儲氫罐進行儲存和利用；氫烷發(fā)生器安裝在一底座上，該底座與氫烷發(fā)生器之間安裝有重力升降裝置；底座下部安裝有360度可旋轉萬向輪，便于裝置的移動和安放；底座兩側設有支架，分別用于固定絞龍和氫氣純化器、甲烷純化器。
所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，垃圾破碎輸送裝置是由預混室和設置在預混室內的垃圾破碎器組成，預混室底部的出料口與絞龍連接。所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器為高徑比I : 0.5-1 5的臥式滾筒；厭氧產氫室和厭氧產沼室的體積比為I : 0.5-1 : 5。所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器的厭氧產氫室和厭氧產沼室內均安裝有溫度、PH值、溶解氧復合電極，對發(fā)酵過程中的指標進行實時測定。所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器內壁安裝有4-8組三棱柱型擋板，破碎后的垃圾在氫烷發(fā)生器內旋轉過程中經(jīng)擋板摔打使物料與發(fā)酵菌體充分混合，并使發(fā)酵溫度均勻。所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫氣純化器中安裝有氫氣膜分離組件，甲烷純化器中安裝有二氧化碳脫除組件，氫氣純化器和甲烷純化器中配有干燥劑，分別對氫氣和甲烷進行純化和干燥。 所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氣體混合閥上連接有氣體流量計以調節(jié)氫氣和甲烷的比例。所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，所述垃圾包括廚余垃圾、人畜糞便、秸桿及難降解的混雜垃圾。本發(fā)明提供的利用上述氫烷燃氣發(fā)生裝置制備氫烷燃氣的方法，破碎后的垃圾在氫燒發(fā)生器內的厭氧產氫室和產氫發(fā)酵菌劑混合進行厭氧產氫發(fā)酵；厭氧產氫室的物料進入?yún)捬醍a沼室，與產甲烷菌劑混進行厭氧產甲烷發(fā)酵；發(fā)酵產生的氫氣和甲烷氣經(jīng)納米陶瓷鍍膜滾軸出氣端分別連接氫氣純化器和甲烷純化器進行純化；純化后的氫氣和甲烷氣按體積比I : 5-1 100混配成氫烷燃氣。所述的方法，其中，純化后的氫氣和甲烷氣是通過氣體流量計調節(jié)和氣體混合閥控制混配。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)產氫-產甲烷分室耦合設計本發(fā)明氫烷發(fā)生器內部為雙反應區(qū)結構，中部由單向可開啟閥門分為厭氧產氫室和厭氧產沼室，物料首先在厭氧產氫室進行厭氧發(fā)酵產氫，代謝產生高濃度的揮發(fā)性有機酸和小分子醇類再進入?yún)捬醍a沼室作為底物發(fā)酵產甲烷，實現(xiàn)了同一反應器內氫氣和甲烷的聯(lián)產，及反應器快速啟動和穩(wěn)定運行。(2)三棱柱形擋板設計氫烷發(fā)生器內壁設有4-8組三棱柱形擋板，使反應器內部無死角，避免發(fā)酵不均和雜菌生成，通過摔打和旋轉作用實現(xiàn)物料的充分混合，減少對菌絲體的破壞，保證發(fā)酵過程的微生物活性，有效提高發(fā)酵產氣量和能量轉化效率。(3)納米陶瓷鍍膜滾筒軸設計滾筒中心貫穿的滾筒軸通過納米陶瓷膜進行生物氣收集，還可通過反沖洗曝氣預防滾軸堵塞。納米陶瓷鍍膜特有的孔徑特征和選擇性過濾特性，保證了氫氣的高效收集、熱量擴散和均勻曝氣，且不易堵塞，無需清理。(4)可移動和升降設計裝置底座下面安裝有360度可旋轉萬向輪和輪鎖，便于裝置的自由移動和安放，實現(xiàn)廢棄物的就地及時處理。反應裝置預處理室端底座上安裝有一個可升降設備，能夠實現(xiàn)物料倉傾斜度的改變，從而使預處理后的物料在重力作用下通過單向閥門進入?yún)捬醢l(fā)酵室產氫。
(5)本發(fā)明將機械預處理、生物處理、膜處理等技術有機結合、優(yōu)勢互補，組合裝置具有安裝靈活、占地面積小、運行費用低、產氣量大、可間歇運行等特點，生物氣的收集、純化和儲存方便，適于農村單戶生活垃圾的資源化利用。通過本發(fā)明的應用，能夠將可再生資源利用、污染治理和制氫聯(lián)合進行，在有機廢棄物高值化利用的同時實現(xiàn)減排產能的目標。


圖I為本發(fā)明結構示意圖。附圖標記說明I預混器；2破碎裝置；3絞龍；4氫烷發(fā)生器；5厭氧產氫室；6厭氧產沼室；7復合電極；8納米陶瓷鍍膜滾軸；9氫氣純化器；10甲烷純化器；11氣體流量計；12混配閥；13儲氫罐；14支架；15底座；16重力升降裝置；17單向閥門；18萬向輪；19擋板。
具體實施方式
本發(fā)明提出的村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置，主要包括垃圾破碎輸送裝置、氫烷發(fā)生器、氫氣純化器、甲烷純化器、氫烷混合閥、氫烷儲氣罐等。垃圾破碎輸送裝置與氫烷發(fā)生器通過絞龍相連，破碎后的垃圾在氫烷發(fā)生器內分別經(jīng)過厭氧產氫室和厭氧產沼室進行厭氧發(fā)酵。氫烷發(fā)生器中心貫穿有納米陶瓷鍍膜滾軸用于氣體收集和運輸，滾軸兩端分別連接氫氣純化器和甲烷純化器，進行生物氣純化。純化后的氫氣和甲烷經(jīng)流量計和氣體混合閥控制進行氫烷氣的混配，混配后的氫烷氣輸送至高壓氣體儲罐進行儲存和利用。所述的氫烷發(fā)生裝置，其中，垃圾破碎輸送裝置包括垃圾破碎預混室和絞龍，破碎預混室內將垃圾破碎后與高效產氫菌混合后經(jīng)絞龍輸送至氫烷發(fā)生器。絞龍一端與氫烷發(fā)生器進料口相連，共同固定于產氫反應器支架上，節(jié)省占地面積。所述的氫烷發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器為高徑比I : 0.5-1 5的臥式滾筒，發(fā)生器內部為雙反應區(qū)結構，中部由單向可開啟閥門分為厭氧產氫室和厭氧產沼室，體積比為I : 0.5-1 : 5。雙室內部均安裝有溫度、pH值、溶解氧復合電極，對發(fā)酵過程中的指標進行實時測定。滾筒內壁安裝有4-8組三棱柱型擋板，廢棄物在罐體旋轉過程中經(jīng)擋板19摔打使物料與發(fā)酵菌體充分混合，并使發(fā)酵溫度均勻。所述的氫烷發(fā)生裝置，其中，氫氣純化器中安裝有氫氣分離膜，發(fā)酵生物氣經(jīng)膜分離提純氫氣，氫氣純度可達到90 %以上；甲烷純化器中安裝有甲烷氣分離膜，生物氣經(jīng)膜分離提純甲烷氣90%以上，純化器中還配有干燥劑，分別對的生物氣中氫氣和甲烷進行干燥。所述的氫烷發(fā)生裝置，其中，氣體純化器懸掛于氫烷發(fā)生器右側支架上，有效節(jié)省占地面積。所述的氫烷發(fā)生裝置，其中，氫烷氣混配系統(tǒng)包括氣體流量計和混配閥，純化和干燥后的氫氣和甲烷經(jīng)混配閥混合后輸送至高壓儲氫罐。氫烷燃氣中氫氣和甲烷比例為1:5-1: 100，并通過氣體流量計調節(jié)。所述的氫烷發(fā)生裝置，其中，氫烷氣混配系統(tǒng)與高壓氫烷儲罐連接，混配后的氫烷燃氣輸送至儲氣罐儲存，方便農戶使用。氫烷儲罐固定于氫烷發(fā)生器底座，便于運輸，節(jié)省占地面積。
本發(fā)明所述村鎮(zhèn)生活垃圾包括廚余垃圾、人畜糞便、秸桿及難降解的混雜垃圾。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做更詳細地說明。村鎮(zhèn)生活垃圾經(jīng)預混器I內安裝的破碎裝置2粉碎后，通過絞龍3輸送至氫烷發(fā)生器4，垃圾在氫烷發(fā)生器內首先經(jīng)過厭氧產氫室5發(fā)酵后，代謝產生高濃度的揮發(fā)性有機酸和小分子醇類，通過調整底座15的重力升降裝置16使代謝產物經(jīng)單向閥門17進入?yún)捬醍a沼室6后產生沼氣。通過厭氧產氫室和厭氧產沼室內的溫度、pH值、溶解氧復合電極7對發(fā)酵過程中的指標進行實時測定，并將數(shù)據(jù)同步傳輸至控制面板進行顯示。生物氣經(jīng)納米陶瓷鍍膜滾軸8分別輸送至氫氣純化器9和甲烷純化器10進行純化和干燥。純化后的氫氣和甲烷氣通過氣體流量計11調節(jié)氣體比例，經(jīng)混配閥12進行混配，最后將氫烷氣輸送至儲氫罐13進行儲存和利用。小型氫烷燃氣組合裝置緊湊合理的安裝于產氫反應器支架14和底座15上。其中破碎設備安裝于左側底座上，絞龍固定于左側支架上，氣體純化器固定于右側支架，高壓儲 氫罐置于右側底座上。裝置底座與氫烷發(fā)生器之間安裝有重力升降裝置16，底座下部安裝有360度可旋轉萬向輪18，便于裝置的自有移動和安放，實現(xiàn)廢棄物的就地及時處理。一個具體實施例如下村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置總占地面積僅為2m2，其中垃圾破碎機外形尺寸25cmX 25cm,絞龍長為30cm ;氫燒發(fā)生器高徑比為2 : I,總容積Im3,氫燒發(fā)生器內壁設有4-8組三棱柱形擋板19，使反應器內部無死角，避免發(fā)酵不均和雜菌生成，通過摔打和旋轉作用實現(xiàn)物料的充分混合，減少對菌絲體的破壞，保證發(fā)酵過程的微生物活性，有效提高發(fā)酵產氣量和能量轉化效率。厭氧產氫室與厭氧產沼室容積比為I : I。氫氣純化器和甲烷純化器均為圓柱狀，外形尺寸20cmX IOcm，懸掛于右側支架上方，儲氣罐裝置位于右側支架下方，外形尺寸40cmX20cm的圓柱體。生活垃圾破碎后與高效產氫菌劑混合裝填入?yún)捬醍a氫室，垃圾裝填量為50%，菌劑接種量為O. 1%。厭氧發(fā)酵產氫4天后將物料經(jīng)單向閥門轉移至厭氧產沼室，接種高效產甲烷菌劑進行生物強化，厭氧產沼周期為4天，兩室發(fā)酵溫度均保持在25-35°C。厭氧產氫室產生生物氣中氫氣含量高于50%，厭氧產沼室產生生物氣中甲烷含量高于70%，垃圾資源轉化效率達到85%以上，垃圾無害化100%。純化后的氫氣和甲烷按I : 10流量進行混配，混配后的氫烷氣儲存于儲氣罐中便于使用。本發(fā)明裝置占地面積小，移動和安裝方便，裝料后12小時內即可產氣，垃圾資源轉化效率高達85%以上，垃圾無害化為100%。本發(fā)明的裝置布局緊湊合理，既可以在同一反應器內實現(xiàn)氫氣和甲烷氣聯(lián)產，占地面積小，又能夠保證反應器快速啟動、穩(wěn)定運行，適于村鎮(zhèn)單戶使用的小型氫烷燃氣發(fā)生
>J-U ρ α裝直。
權利要求
1.一種村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置，主要包括 垃圾破碎輸送裝置，通過絞龍與氫烷發(fā)生器的進料口相連； 氫烷發(fā)生器內部為厭氧產氫室和厭氧產沼室組成的雙反應區(qū)結構，破碎后的垃圾在氫烷發(fā)生器內分別經(jīng)過厭氧產氫室和厭氧產沼室進行厭氧發(fā)酵；厭氧產氫室和厭氧產沼室之間設有厭氧產沼室單向可開啟閥門； 氫烷發(fā)生器中心貫穿有納米陶瓷鍍膜滾軸，納米陶瓷鍍膜滾軸的出氣端分別連接氫氣純化器和甲烷純化器，對發(fā)酵產生的氫氣和甲烷氣進行純化； 純化后的氫氣和甲烷經(jīng)過氣體混合閥控制進行氫烷氣的混配后輸送至儲氫罐進行儲存和利用； 氫烷發(fā)生器安裝在一底座上，該底座與氫烷發(fā)生器之間安裝有重力升降裝置；底座下部安裝有360度可旋轉萬向輪，便于裝置的移動和安放；底座兩側設有支架，分別用于固定絞龍和氫氣純化器、甲烷純化器。
2.根據(jù)權利要求I所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，垃圾破碎輸送裝置是由預混室和設置在預混室內的垃圾破碎器組成，預混室底部的出料口與絞龍連接。
3.根據(jù)權利要求I所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器為高徑比I : O. 5-1 : 5的臥式滾筒；厭氧產氫室和厭氧產沼室的體積比為I : 0.5-1 : 5。
4.根據(jù)權利要求I或3所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器的厭氧產氫室和厭氧產沼室內均安裝有溫度、PH值、溶解氧復合電極，對發(fā)酵過程中的指標進行實時測定。
5.根據(jù)權利要求I或3所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫烷發(fā)生器內壁安裝有4-8組三棱柱型擋板，破碎后的垃圾在氫烷發(fā)生器內旋轉過程中經(jīng)擋板摔打使物料與發(fā)酵菌體充分混合，并使發(fā)酵溫度均勻。
6.根據(jù)權利要求I所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氫氣純化器中安裝有氫氣膜分離組件，甲烷純化器中安裝有二氧化碳脫除組件，氫氣純化器和甲烷純化器中配有干燥劑，分別對氫氣和甲烷進行純化和干燥。
7.根據(jù)權利要求I所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，氣體混合閥上連接有氣體流量計以調節(jié)氫氣和甲烷的比例。
8.根據(jù)權利要求I所述的氫烷燃氣發(fā)生裝置，其中，所述垃圾包括廚余垃圾、人畜糞便、秸桿及難降解的混雜垃圾。
9.一種利用權利要求I所述氫烷燃氣發(fā)生裝置制備氫烷燃氣的方法，破碎后的垃圾在氫燒發(fā)生器內的厭氧產氫室和產氫發(fā)酵菌劑混合進行厭氧產氫發(fā)酵； 厭氧產氫室的物料進入?yún)捬醍a沼室，與產甲烷菌劑混進行厭氧產甲烷發(fā)酵； 發(fā)酵產生的氫氣和甲烷氣經(jīng)納米陶瓷鍍膜滾軸分別連接氫氣純化器和甲烷純化器進行純化； 純化后的氫氣和甲燒氣按體積比I : 5-1 : 100混配成氫燒燃氣。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，純化后的氫氣和甲烷氣是通過氣體流量計調節(jié)和氣體混合閥控制混配。
全文摘要
一種村鎮(zhèn)戶用小型氫烷燃氣發(fā)生裝置垃圾破碎輸送裝置通過絞龍與氫烷發(fā)生器的進料口相連；破碎后的垃圾在氫烷發(fā)生器內進行厭氧發(fā)酵；厭氧產氫室和厭氧產沼室之間設有厭氧產沼室單向可開啟閥門；氫烷發(fā)生器中心貫穿的納米陶瓷鍍膜滾軸的出氣端分別連接氫氣純化器和甲烷純化器；純化后的氫氣和甲烷經(jīng)過氣體混合閥控制進行氫烷氣的混配后輸送至儲氫罐；氫烷發(fā)生器安裝在一底座上，該底座與氫烷發(fā)生器之間安裝有重力升降裝置；底座下部安裝有360度可旋轉萬向輪；底座兩側設有支架，分別用于固定絞龍和氫氣純化器、甲烷純化器。本發(fā)明還提供了利用上述氫烷燃氣發(fā)生裝置制備氫烷燃氣的方法。
文檔編號C12P3/00GK102876410SQ201210355518
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權日2012年9月21日
發(fā)明者席北斗, 賈璇, 祝超偉, 李鳴曉, 夏訓峰, 張列宇, 李曉光 申請人:中國環(huán)境科學研究院