專利名稱：生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)廢料綜合利用技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)廢料的利用有很多具體的應(yīng)用方面，總的可歸納為生物質(zhì)廢料的能源化利用和資源化利用。其中生物質(zhì)廢料的能源化利用為國內(nèi)外研究的主流，而生物質(zhì)廢料的資源化利用還沒有形成規(guī)模。
(一)生物質(zhì)廢料的能源化利用在生物質(zhì)能源化利用方面，將生物質(zhì)廢料經(jīng)過厭氧發(fā)酵獲得沼氣，然后將沼氣轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜔崮艿恼託獍l(fā)電技術(shù)已成為代表性的研究方向。沼氣發(fā)電的技術(shù)大致可分為兩大類一種是通過氣體燃燒發(fā)電機(jī)來獲得電能，另一種是利用燃料電池來獲得電能和熱能。
日本明電舍公司在2001年采用微型渦輪發(fā)電機(jī)，生產(chǎn)出了30KW的小型沼氣發(fā)電機(jī)。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)的資助下，丸紅公司2002年在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的資助下，利用開發(fā)了沼氣引擎(730KW)。在日本京都洛南凈化中心，剛剛落成的由兩臺煤氣引擎(495KWx2)構(gòu)成的990KW的發(fā)電系統(tǒng)，日產(chǎn)沼氣800立方米，這些都屬第一類型的。
從2003年起，在日本NEDO的支持下，荏原制作所利用質(zhì)子交換膜燃料電池，2003年成功地使用沼氣經(jīng)過精制，水蒸氣改質(zhì)后進(jìn)行發(fā)電。容量為190KW，發(fā)電效率為33％，綜合熱效率達(dá)76％。瑞典科學(xué)家Hedstrm等人也成功開發(fā)出了以沼氣為燃料的通過水蒸氣改質(zhì)，發(fā)電容量4KW，熱容量6.5KW的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)。
同樣在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)的資助下(2003-2005)，丸紅公司和麒麟啤酒公司合作研制了利用沼氣為燃料的熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)(250KW)使電力消耗下降4％，蒸汽消費(fèi)減少1％。廢熱回收蒸汽175kg/h。沒有NOx、SOx、煤塵等有害物質(zhì)排出、CO2排放量下降2％。綜合熱效率達(dá)到72％以上(發(fā)電效率47％以上、廢熱回收效率25％以上)。與福岡市下水道局的利用沼氣為燃料的熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)(250KW)也在進(jìn)行過程中。
德國FEL公司也已初步研制開發(fā)出了沼氣燃料電池的生產(chǎn)技術(shù)，但目前的燃料電池成本很高，3KW的沼氣燃料電池的研制成本達(dá)約45萬歐元。為此，他們開始進(jìn)行沼氣燃料電池的進(jìn)一步研制開發(fā)，通過沼氣的純化、發(fā)電、整流、充電等一系列工藝技術(shù)路線來完成燃料電池的研制。
美國科學(xué)家設(shè)計出以甲烷等碳?xì)浠衔餅槿剂系母邷匦滦碗姵?，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池?？蒲腥藛T曾嘗試用便宜的碳?xì)浠衔餅槿剂?，但化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的殘渣很容易積聚在鎳制的電池正極上，導(dǎo)致斷路。
我國開展沼氣發(fā)電領(lǐng)域的研究始于八十年代初，1998年全國沼氣發(fā)電量為1,055,160kWh。在此期間，先后有一些科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行過沼氣發(fā)動機(jī)的改裝和提高熱效率方面的研究工作。我國的沼氣發(fā)動機(jī)主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。目前，對“沼氣一柴油”雙燃料發(fā)動機(jī)的研究開發(fā)工作較多。如中國農(nóng)機(jī)研究院與四川綿陽新華內(nèi)燃機(jī)廠共同研制開發(fā)的S195-1型雙燃料發(fā)動機(jī)，上海新中動力機(jī)廠研制的20/27G雙燃料機(jī)等。濰坊柴油機(jī)廠研制出功率為120kW的6160A-3型全燒式沼氣發(fā)動機(jī)，貴州柴油機(jī)廠和四川農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所共同開發(fā)出60kW的6135AD(Q)型全燒沼氣發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組。此外，還有重慶、上海、南通等一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行過這方面的研究、研制工作?？梢哉f，目前我國在沼氣發(fā)電方面的研究工作主要集中在內(nèi)燃機(jī)系列，還沒有將燃料電池技術(shù)結(jié)合到沼氣技術(shù)上。
我國的燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀來看，大連化物所從1990年起，開展了質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)，熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)，固體氧化物型燃料電池(SOFC)和再生氫氧燃料電池(RFC)的研究。已研制成功100W200W，1000W和5000W PEMFC電池組，正在進(jìn)行30kW PEMFC，kW級MCFC，百瓦級SOFC與RFC的研制。承擔(dān)的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)電動汽車重大專項(xiàng)“燃料電池發(fā)動機(jī)”課題和“質(zhì)子交換膜燃料電池的模塊化設(shè)計與新型MEA的試驗(yàn)研究”課題通過了“863”計劃能源技術(shù)領(lǐng)域辦公室組織的現(xiàn)場驗(yàn)收。上海神力科技有限公司先后完成了包括國家九·五重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃、十·五“863”計劃重大專項(xiàng)、上海市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目等在內(nèi)的7項(xiàng)國家重點(diǎn)科研攻關(guān)任務(wù)，開發(fā)了5個系列的燃料電池產(chǎn)品，建立了全套的中小功率(0.1KW-30KW)與大功率(30KW-150KW)的質(zhì)子交換膜燃料電池及其動力系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動機(jī)集成制造技術(shù)及批量生產(chǎn)的能力與設(shè)施，具有大批量生產(chǎn)的能力。
綜上所述，在國際上利用沼氣的發(fā)電技術(shù)已從渦輪發(fā)電機(jī)過渡到燃料電池。采用高溫的固體氧化物燃料電池技術(shù)，或者是將沼氣改質(zhì)后采用質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)為當(dāng)前研究主流。高溫燃料電池的沼氣發(fā)電適用于大規(guī)模應(yīng)用如垃圾填埋場，可是很難做到小型化，維護(hù)保養(yǎng)較為困難，需長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。若要選擇常溫燃料電池，如質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，就必須對沼氣中主要成分甲烷進(jìn)行改質(zhì)，而改質(zhì)溫度通常也要在800℃。而且，甲烷改質(zhì)器不僅需要額外的能源而降低資源利用率，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制復(fù)雜，造成整個燃料電池體系的復(fù)雜化，而且電極材料為白金，應(yīng)用將受到資源的限制。雖然我國在PEMFC方面取得了很大的進(jìn)展，可是在沼氣燃料電池的研究與開發(fā)上，還屬未開發(fā)領(lǐng)域。尤其是利用陰離子交換膜燃料電池的技術(shù)，在世界上也屬有待于開發(fā)的領(lǐng)域。由于它不象質(zhì)子交換膜燃料電池那樣必須用貴金屬鉑為電極材料，可用非貴金屬材料如鎳基材料為電極材料，陰離子交換膜的成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于質(zhì)子交換膜，雙電極板的材料選擇性也很廣，因而，陰離子交換膜燃料電池比質(zhì)子交換膜燃料電池更具有應(yīng)用前景。
(二)生物質(zhì)廢料的資源化利用在生物質(zhì)廢料的資源化利用方面，到目前為止還沒有形成一定的研究方向，最大的用途之一是用作肥料。對于生物質(zhì)能源化同時所產(chǎn)生的沼液通常是用作肥料或飼料，但利用程度非常低。二氧化碳則是不加利用，作排空處理。本發(fā)明提出的生物質(zhì)廢料的高效利用，不僅是指在生物質(zhì)廢料能源化利用方面有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，也有生物質(zhì)廢料的高效資源化利用的含義。本發(fā)明的高效生物質(zhì)廢料資源化主要側(cè)重于通過對農(nóng)業(yè)技術(shù)的改進(jìn)，將生物質(zhì)廢料能源化后所產(chǎn)生的廢棄物(沼液，二氧化碳)進(jìn)行資源化處理，從而完成生物質(zhì)廢料的資源化利用。而這個過程主要借助無土栽培方式來實(shí)現(xiàn)。
無土栽培技術(shù)通常指的是靠人工培養(yǎng)液，自然光或人工光進(jìn)行的栽培技術(shù)。1957年誕生于北歐丹麥?zhǔn)锥几绫竟薪紖^(qū)的斯滕森農(nóng)場，世界上第一家植物工廠生產(chǎn)的是一種生吃的葉菜，從播種到收獲平均只需6天時間。日本浜松光電公司的實(shí)驗(yàn)證明，若用2.5葉齡的秧苗采用激光栽培法3個月即可收獲。通常大田插秧所用秧苗的葉齡多為5-6，如果使用這種秧苗，水稻的生長期可縮短，可實(shí)現(xiàn)1年5熟耕作。美國新近在洛杉礬的圣波拉興建了一座“樹苗工廠”，該廠已開始從一個個的細(xì)胞培育出了一棵棵苗木，在飯盒那么大的容器里可容納50-100株。英國達(dá)雷卡德設(shè)施農(nóng)業(yè)工程公司，發(fā)明了一種工廠化栽培果樹的新方法。每根果樹枝可以用2-3茬，1年能收3-5次。目前已用蘋果、梨、桃的樹枝建立了實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線。荷蘭已建成1.1億平方米的玻璃溫室(約占全國土地面積的0.5％，占全世界玻璃溫室面積的1/4)專門用于種植蔬菜和鮮花。在巴西，皮奧威森創(chuàng)建了番茄工廠，他的研究試驗(yàn)證明，番茄60天后可產(chǎn)果，壽命達(dá)12個月，保存期是普通番茄的近2倍。印度近年來用無土栽培生產(chǎn)大麥青苗作飼料，他們把大麥一粒一粒的播在塑料盤中，安放于支架上，9天后青苗即可收割，其質(zhì)量好、成本低、周期短。
我國的無土栽培技術(shù)始于80年代，國家重大科技產(chǎn)業(yè)化工程——工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程，從1996年開始組織實(shí)施5年來，已建立了一批科技示范區(qū)、工程示范區(qū)和輻射示范區(qū)，無土栽培面積達(dá)48萬平方米，蔬菜產(chǎn)量比一般常規(guī)提高5倍以上。無論是經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會效益均為可觀。
目前國內(nèi)外還沒有出現(xiàn)本發(fā)明所提出的將生物質(zhì)廢料的能源化和資源化并舉的研究和技術(shù)，只有單獨(dú)的生物質(zhì)能源化或生物質(zhì)資源化的研究與技術(shù)，而且還不能做到無排放地處理生物質(zhì)廢料。例如，沼氣和燃料電池聯(lián)合的沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)，利用沼液的土壤栽培技術(shù)相結(jié)合的合成技術(shù)等等，也出現(xiàn)了利用沼液的無土栽培研究。將沼氣技術(shù)，燃料電池技術(shù)和無土栽培技術(shù)三者聯(lián)合起來形成綜合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢料的無排放處理，以及利用來自燃料電池的二氧化碳作為資源的技術(shù)尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明中生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)，包括發(fā)酵設(shè)備、燃料電池和無土栽培設(shè)施，其特征在于，所述發(fā)酵設(shè)備包括相連的注入槽和分級發(fā)酵池，分級發(fā)酵池的殘液排放口與無土栽培設(shè)施相連，分級發(fā)酵池的殘渣排放口與一造粒機(jī)相連；所述燃料電池是陰離子交換膜燃料電池，其負(fù)極端通過一脫硫裝置與分級發(fā)酵池的氫氣和甲烷排放口相連，其二氧化碳排放口與無土栽培設(shè)施相連；燃料電池與所述無土栽培設(shè)施相連為其提供照明電力。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述燃料電池具有熱交換管道，熱交換管道與一蓄熱水器連接，蓄熱水器的熱水出口連接至一水溫調(diào)解箱，水溫調(diào)節(jié)箱與分級發(fā)酵池相連。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述分級發(fā)酵池的結(jié)構(gòu)是分級發(fā)酵池中間設(shè)置中間隔板，上下分為產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室；產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室中分別設(shè)置過濾層將固相和液相發(fā)酵物隔開并分別與各自的沼液儲存容器相連。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述陰離子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)是陰離子交換膜燃料電池由氫氣和甲烷氣發(fā)生電化學(xué)氧化的負(fù)極，陰離子交換膜和空氣或氧氣發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)的正極所組成；連接產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室的進(jìn)氣管道接入陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極進(jìn)氣口，連接無土栽培設(shè)施相連的排氣管道接到陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極排氣口；陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極端設(shè)有燃料進(jìn)氣口和二氧化碳及水蒸氣的排氣口，正極端設(shè)有空氣或氧氣的進(jìn)氣口和尾氣排放口。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能方面，本發(fā)明首次采用了有機(jī)物酶解液化產(chǎn)物調(diào)控、產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌富集、產(chǎn)氫剩余基質(zhì)調(diào)控和產(chǎn)甲烷菌篩選的系統(tǒng)，使生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)化沼氣的品位(燃燒值)得以提升，形成通過生物質(zhì)廢料厭氧發(fā)酵來獲得甲烷和氫的混合氣的創(chuàng)新有機(jī)物廢棄物沼氣化技術(shù)。在燃料電池方面，雖然國內(nèi)外也有一些單位在研究陰離子交換膜燃料電池的，但利用沼氣的陰離子交換膜燃料電池還未見報道。本發(fā)明利用陰離子交換膜燃料電池的材料選擇性廣，又可在常溫常壓下工作的特點(diǎn)，將大幅度地減少燃料電池制造成本及運(yùn)行成本，有利于燃料電池技術(shù)的普及。在生物質(zhì)廢料資源化方面，本發(fā)明提出的同時利用二氧化碳和沼液促進(jìn)作物生長的方法也是一種創(chuàng)新技術(shù)。
在該生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉春蜔o公害作物的過程中，前級過程中所產(chǎn)生的廢棄物作為后級過程的原料，構(gòu)成了無廢棄物，高效率利用資源的資源循環(huán)能源體系，以達(dá)到消除環(huán)境污染的同時獲取能量，在減少溫室氣體排放的同時，高效生產(chǎn)無公害農(nóng)作物，節(jié)省寶貴的可耕地資源。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)流程示意圖；圖2為實(shí)施例中分級發(fā)酵流程圖；圖3為實(shí)施例中陰離子交換膜燃料電池系統(tǒng)流程圖；圖4為實(shí)施例中脫硫裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實(shí)施例中無土栽培設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例中生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)，包括發(fā)酵設(shè)備、燃料電池1和無土栽培設(shè)施2，所述發(fā)酵設(shè)備包括相連的注入槽3和分級發(fā)酵池4，分級發(fā)酵池4的殘液排放口與無土栽培設(shè)施2相連，分級發(fā)酵池4的殘渣排放口與一造粒機(jī)5相連；所述燃料電池1是陰離子交換膜燃料電池，其負(fù)極端通過一脫硫裝置6與分級發(fā)酵池4的氫氣和甲烷排放口相連，其二氧化碳排放口與無土栽培設(shè)施2相連；燃料電池1與所述無土栽培設(shè)施2相連為其提供照明電力。
燃料電池2具有熱交換管道，熱交換管道與一蓄熱水器7連接，蓄熱水器7的熱水出口連接至一水溫調(diào)解箱8，水溫調(diào)節(jié)箱8與分級發(fā)酵池4相連。
分級發(fā)酵池4的結(jié)構(gòu)是分級發(fā)酵池中間設(shè)置中間隔板，上下分為產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室；產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室中分別設(shè)置過濾層將固相和液相發(fā)酵物隔開并分別與各自的沼液儲存容器相連。
陰離子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)是陰離子交換膜燃料電池由氫氣和甲烷氣發(fā)生電化學(xué)氧化的負(fù)極，陰離子交換膜和空氣或氧氣發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)的正極所組成；連接產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室的進(jìn)氣管道接入陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極進(jìn)氣口，連接無土栽培設(shè)施2相連的排氣管道接到陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極排氣口；陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極端設(shè)有燃料進(jìn)氣口和二氧化碳及水蒸氣的排氣口，正極端設(shè)有空氣或氧氣的進(jìn)氣口和尾氣排放口。
為更好地理解本發(fā)明，下面對具體實(shí)施例中的系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行描述本發(fā)明包含以下三個過程生物質(zhì)廢料的能源化技術(shù)通過生物質(zhì)廢料的發(fā)酵處理而使生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為甲烷和氫氣的化學(xué)能，依靠新型厭氧微生物和生化反應(yīng)過程，提高甲烷和氫氣在沼氣中的含量(高燃燒值)。對沼氣進(jìn)行脫硫處理，進(jìn)行與燃料電池相配套的沼氣供氣系統(tǒng)的研究與開發(fā)，以達(dá)到最大限度地利用生物質(zhì)能，最大效率地將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
高效率能量轉(zhuǎn)換技術(shù)改變從生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎託?主成分為甲烷)，然后通過燃燒獲取熱能的傳統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換方式，采用由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎託?主成分為甲烷和氫氣)，再由燃料電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜔崮艿母咝誓芰哭D(zhuǎn)換方式的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)主要圍繞以甲烷-氫混合氣為燃料，低成本的離子交換膜燃料電池為中心，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能最大效率地轉(zhuǎn)化為電能和熱能。
生物質(zhì)廢料能源化后產(chǎn)物的資源化技術(shù)通過改進(jìn)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)技術(shù)，將生物質(zhì)廢料能源化后所產(chǎn)生的廢棄物資源化，對生物質(zhì)廢料能源化后產(chǎn)物如沼液，二氧化碳進(jìn)行利用，從而實(shí)現(xiàn)在生物質(zhì)廢料能源化時無廢棄物排出，同時又可獲得無公害的農(nóng)作物或高生物質(zhì)能植物。
本發(fā)明集成現(xiàn)代工業(yè)工程技術(shù)和農(nóng)業(yè)高新技術(shù)，創(chuàng)新生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)，燃料電池技術(shù)和農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)進(jìn)行改良和集成，形成一個新型的，涉及環(huán)境生態(tài)與能源系統(tǒng)技術(shù)的高效生物質(zhì)廢料綜合利用的基礎(chǔ)。建立一個以下所述的環(huán)保型綠色生態(tài)與能源系統(tǒng)模型以生物質(zhì)廢料如秸稈，牲畜糞便，有機(jī)生活垃圾等為原料，通過厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生含甲烷和氫的沼氣，沼氣脫硫后被引入新型開發(fā)的陰離子交換膜燃料電池進(jìn)行發(fā)電，該燃料電池在供電和供熱的同時將排出二氧化碳。然后把來自沼氣池的沼液和來自燃料電池的二氧化碳引入工廠式植物種植設(shè)施，利用新型開發(fā)的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)高效率地生產(chǎn)高生物質(zhì)能植物或無公害蔬菜，同時實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)在生物質(zhì)廢料處理過程中無排放的目標(biāo)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
以日產(chǎn)29立方沼氣的畜禽糞便處理系統(tǒng)為例(1)系統(tǒng)組成系統(tǒng)由一次加料畜禽糞便5噸的分級發(fā)酵池4，日處理沼氣29立方的脫硫裝置6，2kW的陰離子交換膜燃料電池系統(tǒng)和日處理二氧化碳17.5立方的無土栽培設(shè)施2和一次處理1.71噸沼渣的造粒機(jī)5組成。通過來自燃料電池系統(tǒng)的熱水，將發(fā)酵池工作溫度控制在40-60℃，燃料電池的工作溫度控制在40-100℃。
在分級發(fā)酵池4中，通過生物質(zhì)廢料階段產(chǎn)氫和甲烷的工藝，先利用產(chǎn)氫菌，在產(chǎn)氫發(fā)酵室使生物質(zhì)廢料發(fā)酵產(chǎn)氫，抽取一部分氫后將發(fā)酵物注入產(chǎn)甲烷發(fā)酵室進(jìn)行后續(xù)發(fā)酵，利用產(chǎn)甲烷菌獲得甲烷，從而獲得氫和甲烷混合燃料氣。
(2)發(fā)酵過程通過厭氧微生物使生物質(zhì)廢料發(fā)酵，經(jīng)過以下3個基本過程，●通過纖維素分解菌、半纖維素分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌把不溶解的有機(jī)化合物和聚合物進(jìn)行水解，通過酶法轉(zhuǎn)化為可溶解的有機(jī)物。
●再將上一步轉(zhuǎn)化成的產(chǎn)物如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪類、醇等利用產(chǎn)酸菌如乙酸菌，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任南琪等人[任南琪，林明，馬汐平，王愛杰，李建政，太陽能學(xué)報，Vol.25，No.1(2003)80-84]報道的B49，H1，LM12等產(chǎn)氫菌)發(fā)酵為有機(jī)酸和氫氣。
●分離出氫氣后的有機(jī)酸基質(zhì)(包含纖維素分解菌、半纖維素分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌和乙酸菌等菌種)由產(chǎn)甲烷菌(如甲烷八疊球菌，甲烷毛菌，泛古細(xì)菌，腺古細(xì)菌，甲烷桿菌)代謝產(chǎn)生甲烷氣。
(3)發(fā)酵工藝通過生物質(zhì)液化調(diào)控，為產(chǎn)氫提供優(yōu)化的基質(zhì)條件；然后，通過發(fā)酵的物理環(huán)境調(diào)控(溫度、pH、H2分壓等)和優(yōu)勢菌種投加，形成富產(chǎn)氫氣的條件；同時，為提高生物系統(tǒng)總體的有機(jī)物氣化率，還可以通過調(diào)控產(chǎn)甲烷菌群的VFA依賴型和氫依賴型種群的比例，以調(diào)和產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫菌的生存環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)有機(jī)基質(zhì)的梯度、高效利用。
本實(shí)施例中，生物質(zhì)發(fā)酵的過程如下在一個容積為8立米的分段發(fā)酵池4中，由前級產(chǎn)氫發(fā)酵和后級產(chǎn)甲烷發(fā)酵兩部分組成，有關(guān)步驟如下1、投料畜禽糞便5噸和1噸的水和產(chǎn)酸菌及產(chǎn)氫菌的菌種(或者含產(chǎn)酸菌和產(chǎn)氫菌的沼液)，在前級產(chǎn)氫發(fā)酵部進(jìn)行發(fā)酵。
2、當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行2個月后(或者沼氣池產(chǎn)氣不足時)，取1噸沼液置于沼液儲存容器。其余的部分被送入后級產(chǎn)甲烷發(fā)酵部，加入產(chǎn)甲烷菌(或者含產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的沼液)。
3、在前級產(chǎn)氫發(fā)酵部，投入畜禽糞便5噸與儲存在沼液儲存容器中的沼液混合，繼續(xù)發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。在后級產(chǎn)甲烷發(fā)酵部的發(fā)酵過程中，產(chǎn)氫菌將會自然消滅，而靠產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行后續(xù)發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷。
4、當(dāng)后級產(chǎn)甲烷發(fā)酵的沼氣產(chǎn)氣率低于供氣需要時，取1噸沼液置于沼液儲存容器，其余沼液被送入無土栽培設(shè)施2，沼渣通過干燥可制成基質(zhì)材料。然后將前級產(chǎn)氫發(fā)酵部的發(fā)酵物送入后級產(chǎn)甲烷發(fā)酵部，再重復(fù)第三步驟。從而構(gòu)成連續(xù)生產(chǎn)含有氫-甲烷的沼氣。
(4)陰離子交換膜燃料電池以甲烷-氫混合氣為燃料，通過陰離子交換膜燃料電池進(jìn)行發(fā)電。該燃料電池的電池反應(yīng)由，電動勢為1.06V，和，電動勢為1.23V，兩部分組成。是由沼氣中甲烷，氫的分級陰極氧化反應(yīng)電極電位-0.658V電極電位-0.828V和空氣中氧的陽極還原反應(yīng)電極電位0.401V所組成，氫氧根離子為電荷移動體。甲烷的理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)92％，比PEMFC的83％高出近9個百分點(diǎn)。由于氫氧根離子在常溫下和質(zhì)子一樣，具有較高的離子傳導(dǎo)性，甲烷和氫分子在堿性介質(zhì)中的反應(yīng)活性要高于在酸性介質(zhì)中的反應(yīng)活性，電化學(xué)反應(yīng)的過電位也會降低，因而該燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池一樣能在常溫下工作，而不必對甲烷進(jìn)行改質(zhì)，從而能提高燃料電池系統(tǒng)的效率。由于該燃料電池采用氫氧根離子交換膜為電解質(zhì)，靠的是氫氧根與電解質(zhì)膜中的離子交換基形成弱結(jié)合，在電場的作用下發(fā)生遷移而完成離子傳導(dǎo)的，不存在游離堿，就可以避免形成碳酸鹽，也就沒有了采用堿液為電解質(zhì)的一般堿性燃料電池所帶有的電解質(zhì)和電極因碳酸鹽沉淀而導(dǎo)致的燃料電池的性能和壽命劣化問題。
陰離子交換膜燃料電池的催化劑可以是貴金屬也可以是非貴金屬催化劑。貴金屬有Pt，Pd，Au或貴金屬合金如Pt-Ni，Pd-Ni，Au-Ni等貴金屬和其他過鍍金屬或其他金屬的二元或多元合金，也可以通過機(jī)械合金或機(jī)械混合的方法，調(diào)制混合催化劑)。碳族元素與甲烷中的碳能形成弱共價鍵合，有利于甲烷分子的分解吸附，最有效的合金是Pt-Si，Pt-Ze，Pt-Sn及它們的多元合金。Ni-Si，Ni-Ze，Ni-Sn合金的效果也不錯，Si，Ze和Sn的添加量可從1wt％到30wt％，其中5wt％到15wt％效果最佳。用一部分Co取代Ni的也可以提高鎳基合金催化劑的電催化活性。
該陰離子交換膜燃料電池，采用季胺型陰離子交換膜為電解質(zhì)，其聚合主鏈可以是碳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，也可以是碳-氟鏈。其中碳-氟鏈為主鏈的季胺型陰離子交換膜具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。
本實(shí)施例中使用的2kW陰離子交換膜燃料電池由100個單電池串連而成，電壓40伏，電流50安倍，電極有效面積200平方厘米，單電池功率密度為0.1W/cm2。
含氫-甲烷的沼氣供氣流量應(yīng)在5～15L/min之間，最佳流量為10～12L/min。
供燃料電池發(fā)電的空氣是需要經(jīng)過加濕的，加濕溫度在40～100℃之間，最佳為65～75℃。
空氣的流量50～150L/min之間，最佳流量為100～120L/min。
燃料電池的工作溫度在室溫到100℃之間，最佳在55～75℃。
本實(shí)施例中脫硫裝置6中的脫硫電極為多孔Raney鎳催化劑，隔膜可以是防水微孔薄膜，也可以是陰離子交換膜?？諝怆姌O為Pt或Ag及鎳基空氣電極。三氯化鐵水溶液濃度在5wt％到30wt％之間。
脫硫過程如下1、沼氣中的硫化氫氣體溶解在三氯化鐵水溶液中；2、溶解的硫化氫與三價鐵離子發(fā)生氧化反應(yīng)形成硫磺和二價鐵離子；3、二價鐵離子與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成三價鐵離子和水；4、重復(fù)步驟1～3過程，完成沼氣的脫硫。
(5)二氧化碳和沼液處理采用無土栽培技術(shù)將來自陰離子燃料電池負(fù)極的二氧化碳及來自分級發(fā)酵池4的沼液，經(jīng)過成分調(diào)整后，導(dǎo)入無土栽培設(shè)施2，使用來自燃料電池1的電力進(jìn)行人工照明，通過光合作用，重新將這些廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)能，同時排放出富氧空氣。利用該發(fā)明可生產(chǎn)無公害蔬菜，花卉和藥材等等。沼液有明顯的壯苗，抗病，增產(chǎn)作用。沼液中含有豐富的氮，磷，鉀等多種營養(yǎng)元素和各類氨基酸，赤霉素，生長素等，具有多種活性，抗性營養(yǎng)物質(zhì)，沼液可有效調(diào)節(jié)作物代謝，增強(qiáng)光合作用，殺滅和抑制細(xì)菌，促進(jìn)作物抗病，壯苗，增產(chǎn)。CO2是光合作用的原料，CO2的濃度對光合作用影響強(qiáng)烈。超過補(bǔ)償點(diǎn)而遠(yuǎn)離飽和點(diǎn)時CO2濃度的增加，必定加快光合作用的強(qiáng)度，增加農(nóng)作物的光合產(chǎn)量，從而加快植物生長。以此方法可通過培養(yǎng)液的成分調(diào)整，栽培含有特殊成分的蔬菜，果品及藥材，花卉等。
如通過加入碘鹽，生產(chǎn)高碘蔬菜和果品。通過加入含鐵化合物，含鋅化合物生產(chǎn)富鐵和富鋅的蔬菜和果品。在藥材的培育過程中，通過加入附加成分，以增加藥材的使用價值。
利用該方法生產(chǎn)蔬菜果品藥材和花卉，可以不受氣候，季節(jié)的限制，可實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。其栽培方式可采用多層培植的方式，因而可節(jié)省大量的可耕地。而排放的富氧空氣接入燃料電池的空氣入口端，也可用于人工養(yǎng)魚等人工飼養(yǎng)設(shè)施，提高產(chǎn)量。
在該生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉春蜔o公害作物的過程中，前級過程中所產(chǎn)生的廢棄物作為后級過程的原料，構(gòu)成了無廢棄物，高效率利用資源的資源循環(huán)能源體系，以達(dá)到消除環(huán)境污染的同時獲取能量，在減少溫室氣體排放的同時，高效生產(chǎn)無公害農(nóng)作物，節(jié)省寶貴的可耕地資源。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)，包括發(fā)酵設(shè)備、燃料電池和無土栽培設(shè)施，其特征在于，所述發(fā)酵設(shè)備包括相連的注入槽和分級發(fā)酵池，分級發(fā)酵池的殘液排放口與無土栽培設(shè)施相連，分級發(fā)酵池的殘渣排放口與一造粒機(jī)相連；所述燃料電池是陰離子交換膜燃料電池，其負(fù)極端通過一脫硫裝置與分級發(fā)酵池的氫氣和甲烷排放口相連，其二氧化碳排放口與無土栽培設(shè)施相連；燃料電池與所述無土栽培設(shè)施相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池具有熱交換管道，熱交換管道與一蓄熱水器連接，蓄熱水器的熱水出口連接至一水溫調(diào)解箱，水溫調(diào)節(jié)箱與分級發(fā)酵池相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)，其特征在于，所述分級發(fā)酵池的結(jié)構(gòu)是分級發(fā)酵池中間設(shè)置中間隔板，上下分為產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室；產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室中分別設(shè)置過濾層將固相和液相發(fā)酵物隔開并分別與各自的沼液儲存容器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)，其特征在于，所述陰離子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)是陰離子交換膜燃料電池由氫氣和甲烷氣發(fā)生電化學(xué)氧化的負(fù)極，陰離子交換膜和空氣或氧氣發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)的正極所組成；連接產(chǎn)氫發(fā)酵室和產(chǎn)甲烷發(fā)酵室的進(jìn)氣管道接入陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極進(jìn)氣口，連接無土栽培設(shè)施相連的排氣管道接到陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極排氣口；陰離子交換膜燃料電池的負(fù)極端設(shè)有燃料進(jìn)氣口和二氧化碳及水蒸氣的排氣口，正極端設(shè)有空氣或氧氣的進(jìn)氣口和尾氣排放口。
全文摘要
本發(fā)明涉及生物質(zhì)廢料綜合利用技術(shù)，旨在提供一種生物質(zhì)資源化循環(huán)利用的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括發(fā)酵設(shè)備、燃料電池和無土栽培設(shè)施，所述發(fā)酵設(shè)備包括相連的注入槽和分級發(fā)酵池，分級發(fā)酵池的殘液排放口與無土栽培設(shè)施相連，分級發(fā)酵池的殘渣排放口與一造粒機(jī)相連；燃料電池負(fù)極端通過一脫硫裝置與分級發(fā)酵池的氫氣和甲烷排放口相連，其二氧化碳排放口與無土栽培設(shè)施相連；燃料電池與所述無土栽培設(shè)施相連。在該生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉春蜔o公害作物的過程中，前級過程中所產(chǎn)生的廢棄物作為后級過程的原料，構(gòu)成了無廢棄物，高效率利用資源的資源循環(huán)能源體系，以達(dá)到消除環(huán)境污染的同時獲取能量，在減少溫室氣體排放的同時，高效生產(chǎn)無公害農(nóng)作物，節(jié)省寶貴的可耕地資源。
文檔編號B09B3/00GK1861277SQ200610051890
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者李洲鵬, 劉賓虹, 朱京科 申請人:浙江大學(xué)