利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置的製作方法

2023-04-26 10:50:16 3

專利名稱：利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用農作物秸稈生物質制氫及氫能發電的成套裝置。
背景技術：
包括石油、天然氣和煤在內的化石燃料仍然是當今能源結構的主體。而石油、天然氣等化石燃料是一類寶貴的不可再生資源，全球已探明的儲量按現消費水平僅可用50年左右；另一方面，化石能源的不合理利用已給環境帶來了嚴重的影響，造成大氣、水體和土壤被汙染。隨著經濟和社會的發展，人類對能源的需求不斷增加，能源的需求與供給之間的缺口將變得越來越大。為了保持國民經濟的可持續發展，開發可再生的能源體系是一種必然選擇。可再生能源包括太陽能、水能、風能、生物質能、氫能等。纖維素和澱粉類物質是自然界中極為豐富的可再生資源，全球光合作用產生的植物生物量每年高達1.14×1012T。我國的纖維原料也很豐富，僅秸稈和皮殼每年可達7×108T。這些原料大部分被燒掉，既破壞了生態平衡，又汙染環境，且能量利用率低，約為10％(陳洪章，李佐虎.纖維素原料微生物與生物量全利用[J].化工科技市場，2001，(5)17-20)。如將纖維素等降解為可有效利用的簡單的糖類物質，並進一步轉化為酒精、氫氣等能源物質，則對解決當今世界所面臨的糧食短缺、能源危機和環境汙染等問題有深遠的意義(Van Wyk J.P.H.andMohulatsi.M.Biodegradation of wastepaper by cellulase from Trichodermaviride[J].Bioresource Technology，2003，86(1)21-23)。
利用微生物制氫的研究起始於20世紀80年代。國內外對利用產氫微生物分解有機廢水制氫進行了較多的研究，但目前主要還停留在實驗室階段。對利用農作物秸稈等發酵制氫並發電等的研究未見報導。利用農作物秸稈等生物質發酵產氫實用化過程存在的問題主要表現在(1)農作物秸稈的糖化效率較低；(2)微生物產氫的效率較低；(3)制氫反應器過於複雜或對提高菌株放氫速率不夠理想；(4)制氫成本昂貴。國外報導高產氫微生物菌株的產氫活性可達26.9mmol H2/h·g cell(Kumar N，Das D，Continuous hydrogenproduction by immobilized Enterobacter cloacae IIT-BT 08 using lignocellulosic material as solidmatrices，Enzyme Microbial Technol，2001，29280-287)。國內報導微生物產氫的活性可達24.9mmol H2/h·g cell(林明，任南琪，王愛傑，等.高效產氫發酵細菌在不通氣相條件下產氫.中國沼氣，2002，20(2)3-7)。

發明內容
本發明旨在提供一種利用農作物秸稈等生物質的微生物分解及微生物制氫的應用，將農作物秸稈等生物質的微生物分解系統、高效微生物制氫系統、儲氫系統及氫能-電能轉化系統(氫燃料電池)等有機結合起來的成套裝置。
本發明至少設有生物質分解裝置，用於將農作物生物質分解為簡單的糖類等物質；生物發酵制氫反應裝置，用於對分解產物發酵產氫，生物制氫反應裝置的進口與生物質分解裝置的出口連接；反應液後處理裝置，用於對發酵反應後的廢液進行達標排放處理，反應液後處理裝置的進口接生物發酵制氫反應裝置的出口；水封裝置，水封裝置的進口接反應液後處理裝置的出口；氣體洗脫裝置，用於對發酵氣進行洗脫，除去二氧化碳等氣體組份，氣體洗脫裝置的進口接水封裝置的出口；氣體乾燥裝置，用於對經洗脫過的發酵氣進行乾燥處理，氣體乾燥裝置的進口接氣體洗脫裝置的出口；儲氫裝置，用於儲存經乾燥後得到的純氫；儲氫裝置的進口接氣體乾燥裝置的出口；氫能-電能轉化裝置或燃料電池，用於將氫能轉化為電能，氫能-電能轉化裝置的進口接儲氫裝置的出口，氫能-電能轉化裝置的輸出端外接用電電器或設備。
所說的生物質分解裝置可設有農作物生物質預處理裝置、分解罐、攪拌裝置、溫控裝置、pH控制裝置、供氧裝置和分解液輸送裝置，攪拌裝置設於分解罐內，溫控裝置、pH控制裝置和供氧裝置與分解罐連接。
本發明利用分解微生物將各種農業秸杆(例如甘蔗秸杆、玉米秸杆、稻草、雜草等)和澱粉類物質分解為簡單的可被有效利用的糖類物質，然後利用高效產氫微生物發酵糖類物質產氫，發酵廢液通過後處理裝置達標排放，生物氫通過洗脫後儲存於儲氫系統，並通過燃料電池將氫能轉化為電能或直接供熱。本發明既可用於大規模生物質制氫和發電，也可用於分散的小規模生物質制氫發電(如農村農戶、西部偏遠地區居民、遠離大陸的海島居民等)。


圖1為本發明實施例的結構示意圖。
圖2為本發明實施例的生物質分解裝置結構示意圖。
圖3為本發明實施例的生物發酵制氫反應裝置結構示意圖。
圖4為本發明實施例的發酵制氫反應液後處理裝置結構示意圖。
圖5為本發明實施例的氣體洗脫裝置結構示意圖。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，本發明實施例包括農作物生物質分解裝置1、生物發酵制氫反應裝置2、反應液後處理裝置3、水封裝置4、氣體洗脫裝置5、氣體乾燥裝置6、儲氫裝置7、質子膜燃料電池8以及外接的電氣設備9。
如圖2所示，所說的生物質分解裝置可設有農作物生物質預處理裝置、分解罐、攪拌裝置、溫控裝置、pH控制裝置、供氧裝置和分解液輸送裝置，攪拌裝置設於分解罐內，溫控裝置、pH控制裝置和供氧裝置與分解罐連接。將經過粉碎和預處理的農業秸杆和澱粉類物質加入分解罐，在分解罐內與分解微生物混合。分解罐包括倒錐形罐體16、固液相分離筒13及頂蓋17三部分。固液相分離筒內為混合分解反應區25，經預處理的秸稈等生物質及分解微生物在攪拌裝置(包括攪拌電機19和攪拌葉片26)的作用下在混合反應區內充分混合，使秸稈等生物質中的纖維素、澱粉、果膠等成分被分解為簡單的糖類等物質。為防止分解系統攪拌時形成渦流，在固液相分離筒13的內壁上等距離設有數塊鋸形擋板22。分解罐內的溫度由測溫電極15測定，通過溫控裝置由電加熱棒28或控溫水浴管21為分解系統加溫或冷卻，電熱棒的多少和位置可根據分解罐的大小確定。水浴控溫系統和電熱棒加溫系統為兩套獨立的溫控系統，可單獨使用。水浴溫控進出水通過進出水管口12進出。分解罐內的酸鹼度由pH控制裝置調節，pH控制裝置由pH電極14和酸鹼加樣口18等部分組成。分解罐的供氧裝置由通氣管10、氣體分散頭11和溶氧控制系統等組成，經過濾的空氣由通氣管10進入，由排氣管20排出。分解系統產生的糖類物質溶解在溶液中，通過固液相分離筒與罐體之間的沉降區內沉降並經過濾裝置23後，經分解液輸送裝置(包括導出管24和加料泵27)輸送到制氫反應器中。分解反應罐的殘渣由排空管29排出。
如圖3所示，生物發酵制氫裝置主要由發酵罐體、攪拌裝置、溫控裝置(包括水浴溫控進出水管32、溫控探頭35、控溫水浴管36和加熱棒51等)和pH控制裝置(包括酸鹼加料口41和pH控制探頭48)等組成。發酵罐體包括倒錐體外殼33、密封蓋40及沉澱筒47等部分。外殼33由內外兩層組成，中間為隔熱層。沉澱筒47由外殼內壁下端內伸的數個支架支撐。沉澱筒內側為混合發酵區34，秸杆等分解產物和產氫微生物通過進料口31直接進入混合發酵區，在機械攪拌裝置(由電機30和攪拌葉片38組成)的作用下在混合發酵區內充分混合併發酵產氫，為防止混合發酵區內形成渦流並有利於發酵氣逸出液面，在沉澱筒的內壁上等距離設有數個(根據反應器的大小而定)鋸形擋板46。罐體內的發酵情況可由窺鏡37觀察。
混合反應區34與沉澱區49的底部相連通，反應液在沉澱區內繼續發酵，在沉澱區內反應液保持相對靜止，微生物和顆粒狀物質不斷沉降並進入混合反應區。混合反應區和沉澱區產生的發酵氣體在沉澱筒的上端匯合。為防止氣體外逸，頂蓋與罐體通過密封圈44密封，並通過緊固螺絲43固定。同時頂蓋的內壁與罐體的內壁相貼，並延伸至反應液的液面下，形成水封39效果，氫氣由導管42排出。發酵反應液經過沉澱區的沉降作用後由排料口45排出。發酵反應的殘渣由排空管53排出。通過蒸汽導管52輸送蒸汽可對罐體進行滅菌處理。在罐體下側設置有沉澱回流管50，回流管50與反應液後處理裝置的回流泵相連接，反應液後處理裝置中的細胞類沉澱物經此管可重新進入制氫發酵罐，參與制氫發酵。生物發酵制氫反應裝置可單個或多個串並聯使用。
如圖4所示，反應液後處理裝置包括筒體55、進樣管56、頂蓋57、導氣管58、過濾泵59、排液口60、過濾層61、排空管63和回流泵54等。生物發酵制氫反應裝置中的發酵反應液通過進樣管56進入到筒體的底部，通過沉降區62的沉降作用，顆粒狀物質(如菌體細胞和其它固體狀物質)沉降在筒體的底部，通過回流泵54及回流管50輸回至制氫反應罐中，或通過排空管排放。沉降區上部分為澄清的處理液，經過過濾層61的過濾後將處理液中微生物截留，再通過過濾泵59的過濾後由排液口60進行環保排放。過濾泵59可採用多種過濾材質如膜過濾材料等。
如圖5所示，氣體洗脫裝置主要由洗脫塔筒體64、活動介質承載板65、內導氣管66、頂蓋68、淋噴頭70、填充介質71、鹼液輸送管72、分流開關73、鹼輸液泵74等組成。由發酵制氫裝置和反應液後處理裝置產生的發酵氣經內導氣管67和氣體分散頭75進入洗脫塔的鹼液中洗脫，再由排氣管69排出。
參見圖1，發酵氣體經鹼洗脫塔5洗脫後由氫氣導管輸送至乾燥裝置6進行乾燥，乾燥裝置內儲有乾燥劑，可定期更換。乾燥後得到的純氫先由氫氣導管輸送至儲氫裝置7，儲氫裝置包括儲氫氣罐和儲氫材料(儲氫材料對氫氣具有高效吸附作用，包括金屬儲氫材料或納米碳儲氫材料等)。儲氫裝置通過氫氣導管與質子膜燃料電池8相連接，氫與氧(或空氣)在質子膜燃料電池8中發生反應，產生電能用於照明或帶動電器設備9。
權利要求
1.利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於至少設有生物質分解裝置，用於將農作物生物質分解為簡單的糖類等物質；生物發酵制氫反應裝置，用於對分解產物發酵產氫，生物制氫反應裝置的進口與生物質分解裝置的出口連接；反應液後處理裝置，用於對發酵反應後的廢液進行達標排放處理，反應液後處理裝置的進口接生物發酵制氫反應裝置的出口；水封裝置，水封裝置的進口接反應液後處理裝置的出口；氣體洗脫裝置，用於對發酵氣進行洗脫，除去二氧化碳等氣體組份，氣體洗脫裝置的進口接水封裝置的出口；氣體乾燥裝置，用於對經洗脫過的發酵氣進行乾燥處理，氣體乾燥裝置的進口接氣體洗脫裝置的出口；儲氫裝置，用於儲存經乾燥後得到的純氫；儲氫裝置的進口接氣體乾燥裝置的出口；氫能-電能轉化裝置或燃料電池，用於將氫能轉化為電能，氫能-電能轉化裝置的進口接儲氫裝置的出口，氫能-電能轉化裝置的輸出端外接用電電器或設備。
2.如權利要求1所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於所說的生物質分解裝置設有農作物生物質預處理裝置、分解罐、攪拌裝置、溫控裝置、pH控制裝置、供氧裝置和分解液輸送裝置，攪拌裝置設於分解罐內，溫控裝置、pH控制裝置和供氧裝置與分解罐連接；所說的分解罐包括倒錐形罐體(16)、固液相分離筒(13)及頂蓋(17)三部分，固液相分離筒內為混合分解反應區(25)，在固液相分離筒(13)的內壁上等距離設有數塊鋸形擋板(22)。
3.如權利要求2所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於所說的溫控裝置設有測溫電極(15)、加熱棒(28)和控溫水浴管(21)，測溫電極(15)、加熱棒(28)和控溫水浴管(21)設於分解罐內，水浴溫控進出水通過進出水管口(12)進出。
4.如權利要求2所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於所說的pH控制裝置由pH電極(14)和酸鹼加樣口(18)組成。
5.如權利要求2所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於所說的分解罐的供氧裝置由通氣管(10)、氣體分散頭(11)、排氣管(20)和溶氧控制系統組成，經過濾的空氣由通氣管(10)進入，由排氣管(20)排出。
6.如權利要求2所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於所說的生物發酵制氫裝置設有發酵罐體、攪拌裝置、溫控裝置和pH控制裝置，溫控裝置包括水浴溫控進出水管(32)、溫控探頭(35)、控溫水浴管(36)和加熱棒(51)，pH控制裝置包括酸鹼加料口(41)和pH控制裝置探頭(48)；生物發酵制氫反應裝置單個或多個串並聯使用。
7.如權利要求6所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於發酵罐體包括倒錐體外殼(33)、密封蓋(40)及沉澱筒(47)，外殼(33)由內外兩層組成，中間為隔熱層，沉澱筒(47)由外殼內壁下端內伸的支架支撐，沉澱筒內側為混合發酵區(34)，秸杆等分解產物和產氫微生物通過進料口(31)直接進入混合發酵區，在沉澱筒的內壁上等距離設有鋸形擋板(46)。
8.如權利要求1所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於反應液後處理裝置設有回流泵(54)、筒體(55)、進樣管(56)、頂蓋(57)、導氣管(58)、過濾泵(59)、排液口(60)、過濾層(61)和排空管(63)，生物發酵制氫反應裝置中的發酵反應液通過進樣管(56)進入到筒體的底部，通過沉降區(62)的沉降作用，顆粒狀物質沉降在筒體(55)的底部，通過回流泵(54)輸回至制氫反應罐中，或通過排空管(63)排放。
9.如權利要求1所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於氣體洗脫裝置設有洗脫塔筒體(64)、活動介質承載板(65)、內導氣管(66)、頂蓋(68)、排氣管(69)、淋噴頭(70)、填充介質(71)、鹼液輸送管(72)、分流開關(73)和鹼輸液泵(74)，由發酵制氫裝置和反應液後處理裝置產生的發酵氣經內導氣管(67)和氣體分散頭(75)進入洗脫塔的鹼液中洗脫，再由排氣管(69)排出。
10.如權利要求1所述的利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，其特徵在於發酵氣體經鹼洗脫塔(5)洗脫後由氫氣導管輸送至乾燥裝置(6)進行乾燥，乾燥裝置內儲有乾燥劑，乾燥裝置(6)由氫氣導管接儲氫裝置(7)。
全文摘要
利用農作物生物質制氫及氫能發電裝置，涉及一種利用農作物秸稈生物質制氫及氫能發電的成套裝置。提供一種利用農作物秸稈等生物質的微生物分解及微生物制氫的應用，將農作物秸稈等生物質的微生物分解、制氫、儲氫及氫能—電能轉化結合的裝置。設有生物質分解裝置、發酵制氫裝置、反應液後處理裝置、水封裝置、氣體洗脫裝置、氣體乾燥裝置、儲氫裝置、燃料電池。利用分解微生物將各種農業秸稈和澱粉類物質分解為糖類物質，利用微生物發酵糖類物質產氫，發酵廢液通過後處理排放，生物氫通過洗脫後儲存於儲氫系統，並通過燃料電池將氫能轉化為電能或直接供熱。可用於大規模生物質制氫和發電和分散的小規模生物質制氫發電。
文檔編號C12P3/00GK1560263SQ20041000573
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月16日 優先權日2004年2月16日
發明者龍敏南, 鄔小兵, 徐惠娟, 陳松巖 申請人:廈門大學