专利名称：一种用于沼气生产与发电系统的能量利用装置和方法
一种用于沼气生产与发电系统的能量利用装置和方法 [技术领域]本发明涉及沼气生产与发电系统的能量利用装置和方法，具体涉及一种综合利用沼气发电机多种余热、空气源能量或污水源能量，提升并维持沼气生产最合宜厌氧消化温度的能量利用装置和方法。沼气生产是治理有机废弃物污染、转化有机废弃物为沼气等可利用物质的过程，其原理是利用厌氧细菌的分解作用，将有机物(碳水化合物、蛋白质和脂肪)经过厌氧消化反应转化为沼气。沼气发电是用沼气发电机把沼气能量转化为电能，具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源。沼气生产最合宜的温度为中温消化温度(35°C)或高温消化温度(55°C)，因此在一般情况下，特别是冬天，就需要对生产沼气的原料以及厌氧消化反应器进行加热。另一方面，沼气发电机的发电效率一般为30% 40%，其余60% 70%的沼气能量大都以热的形式损失掉了，其中沼气发动机排出的高温烟气和发动机缸套的高温冷却液带走的热量具有很好的利用价值。为了把处于环境温度下的有机污水废渣加热到最合宜的厌氧消化温度，并使污水废渣的厌氧消化反应保持在合宜温度，现有的技术是利用沼气发电机产生的高温烟气和高温冷却液的热量，通过间壁换热方式预热污水后进入厌氧消化反应器，或者直接对厌氧消化反应器进行加热；还有一些技术利用太阳能集热系统预热污水，或利用风能发电制热对厌氧消化反应器进行加热；也有直接从外界输入蒸汽来加热污水及厌氧消化反应器的物料。上述技术的缺陷在于未能充分利用沼气发电产生的各种余热以及环境热源，也没有系统地、梯度地利用各种余热，使有机污水废渣的厌氧消化反应达到最合宜的中温消化温度(35°C)或高温消化温度(55°C)，或者采用的预热、加热设备过于昂贵，或者消耗了宝贵的蒸汽资源。在现实生产中，大量厌氧消化反应器的沼气生产效率较低，厌氧消化反应器在春秋两季因供热不足导致沼气产量降低，甚至在冬季因环境温度太低导致沼气生产与发电整个系统停产，大量设备产能闲置；多数企业对于厌氧消化产生的沼气，仅部分沼气用于锅炉燃烧供热，大量沼气直接放空，造成了能源的极大浪费，并污染了大气环境。另外，厌氧消化反应器在启动时，由于启动期间沼气产量很低，反应器缺乏足够的热能供应，启动过程十分缓慢。为了解决现有技术中对沼气发电余热及环境热源未能得到充分利用的上述技术缺陷，本发明提供一种充分利用沼气发电的各种能量以及空气、污水中蕴藏的能量，以最低的能耗、最经济的设备投资，获得最大沼气产量以及最大净发电量的能量利用装置和方法。为实现上述目的，设计一种用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，包括沼气发电机、一级厌氧消化反应器和二级厌氧消化反应器，一级和二级厌氧消化反应器内均设有加热器，加热器内设有用于加热的热水管，沼气发电机包括高温烟气管和高温冷却液管，一级厌氧消化反应器上设有一级污水循环管，二级厌氧消化反应器上设有二级污水出口管，其特征在于还包括第一换热器、第二换热器、热泵热水器、烟气余热回收器和高温冷却液换热器，所述的沼气发电机高温冷却液管与所述的加热器的热水管通过高温冷却液换热器连接换热；所述的一级污水循环管上串联第一换热器和第二换热器，一级污水循环管与二级污水出口管通过第一换热器连接换热；所述的热泵热水器热水出水管先和沼气发电机的高温烟气管通过烟气余热回收器换热，再和所述的一级污水循环管通过第二换热器连接换热，最后回到热泵热水器形成循环。上述沼气生产与发电系统的能量利用装置还包括下述优化方案所述的热泵热水器优选为污水源热泵热水器或空气源热泵热水器。使用空气源热泵热水器时，沼气发电机的排风口优选正对空气源热泵热水器的进风口。沼气发电机排出的热风进入空气源热泵热水器的进风口，成为空气源热泵热水器从空气中吸收的温度较高部分的热量，同时解决了空气源热泵热水器中的蒸发器在冬天结霜而导致热水器能效比(COP)严重下降的问题。
所述的热泵热水器用电优选为沼气发电机的自发电；在一级厌氧消化反应器启动时,采用电网供电。所述的一级污水循环管上还串联泵。本发明还包括一种上述沼气生产系统的启动方法，其特征在于该方法由以下步骤组成①开启一级污水循环管上的串联泵，使污水依次经过一级厌氧消化反应器、第一换热器和第二换热器并循环；②开启热泵热水器生产热水，所述的热水通过第二换热器对一级污水循环管中的污水进行加热，直至污水温度达到适宜厌氧消化反应的温度；③关闭一级污水循环管上的串联泵，停止步骤①的循环，并关闭热泵热水器；④污水与污泥在一级厌氧消化反应器内发生厌氧消化反应，一级厌氧消化反应器先启动，正常生产沼气；⑤用沼气发电机对产生的沼气进行发电,利用沼气发电机发电产生的余热加热二级厌氧消化反应器；⑥污水与污泥在二级厌氧消化反应器内发生厌氧消化反应，二级厌氧消化反应器启动，正常生产沼气。上述方法使沼气生产系统能够较快启动，解决了厌氧消化反应器在低温季节由于在启动期缺乏热能而难以启动的问题。本发明还包括一种上述沼气生产与发电系统的能量利用装置的操作方法，其特征在于加热器的热水管中的热水经过一级和二级厌氧消化反应器中的污水的换热后形成冷却水，所述的冷却水与冷却沼气发电机后产生的高温冷却液进行换热，并循环至加热器中继续对所述的一级和二级厌氧消化反应器中的污水进行加热。在低温季节，还可开启热泵热水器生产热水，所述的热水通过第二换热器对一级污水循环管中的污水进行加热。通过开启热泵热水器提供部分热能，满足厌氧消化反应所需较多的外加热能。本发明与已有技术相比具有以下优点
I.将有机污水废渣厌氧消化技术和沼气发电机余热综合利用技术相结合，对沼气发电过程中不同温度的余热分别进行梯级利用，并引入了热泵热水器利用低温环境热源的技术，为有机污水废渣高温或中温厌氧消化反应提供热能，使各种能量得到充分、合理的利用，节省了大量的蒸汽资源，提高了沼气发电系统热能回收利用效率，沼气发电机能量综合利用率超过85%。2.利用污水厌氧处理需要较高温度、好氧处理能在常温下进行的特点，使二级厌氧消化反应器的出水与有机污水源水通过换热器换热，有效地回收了二级厌氧消化反应器出水的热能。3.引入了热泵热水器，从空气或污水环境中采集能量，弥补仅利用沼气发电余热的热量缺口，使两级厌氧消化反应在一年四季都处于最适宜的温度下进行，消化反应器的沼气产量最大化，整个沼气生产与发电系统的发电量也达到最大。4.沼气发电机的排风口与空气源热泵热水器的进风口正对，或者采用冬季温度较高、热容较大的污水源，向热泵热水器的蒸发器提供热量，避免了热泵热水器中的蒸发器在冬天结霜而导致热水器能效比(COP)严重下降的问题。5. 一级厌氧消化反应器出水设置旁路循环，并用热泵热水器进行持续加热，使该反应器中的物料温度快速达到最适宜的消化反应温度，沼气产气过程能够较快启动，解决了厌氧消化反应器在低温季节的启动难题。6.热泵热水器设置旁路，在高温季节厌氧消化反应所需外加热量较少，依靠回收沼气发电机余热就能满足所需热量，可以不开热泵热水器来补充热量；在低温季节只要开启热泵热水器，就能满足厌氧消化反应所需较多的外加热量的要求。图I为实施例I的沼气生产与发电系统的能量利用装置的示意图；图中I. 一级厌氧消化反应器2. 二级厌氧消化反应器3.第一加热器4.第二加热器5.第一换热器6.第二换热器7.烟气余热回收器8.热泵热水器9.脱水塔10.脱硫塔11.沼气贮罐12.好氧生物反应器13.高温冷却液换热器14.沼气发电机15.污水源水泵16. 二级污水出口管17. —级污水循环管。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。本申请中的生产设备都是本领域的常用设备，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例I :本实施例改造的沼气生产与发电装置是常规的装置，污水依次经过一级和二级厌氧消化反应器进行厌氧消化反应，在反应器内产生沼气并从顶部出口送出，依次经过脱水塔、脱硫塔进行脱水和脱硫处理后，送入贮罐贮存，贮罐中的沼气被送至沼气发电机进行发电；二级厌氧消化反应器中的污水经过厌氧消化反应后，从其连接的二级污水出口管送至好氧生物反应器中继续处理。一般，在一级和二级厌氧消化反应器内均设有加热器，加热器内设有用于加热的热水管，沼气发电机包括高温烟气管和高温冷却液管，一级厌氧消化反应器上设有一级污水循环管，二级厌氧消化反应器上设有二级污水出口管。在上述装置的基础上，本实施例对其进行沼气发电余热的回收再利用，沼气发电机发电产生的余热主要有三部分高温烟气、高温冷却液、散热排风，发电机的排烟温度一般在400°C 500°C左右，占35%左右的沼气能量；冷却发动机缸套等部件的高温冷却液的温度在80°C 99°C，占15%左右的沼气能量；发电机低温冷却回路散热排风的温度在40°C 50°C，占10%左右的沼气能量。通过对沼气生产与发电的热量衡算可知，若把有机污水废渣加热到中温消化温度(35°C)厌氧消化，在春秋两季若能充分利用沼气发电机的余热仍略有缺口，在冬季明显不足；若把有机污水废渣加热到高温消化温度(55°C)厌氧消化，在夏季若能充分利用沼气发电机的余热仍略有缺口，在其它季节的热量缺口很大。为了节约宝贵的外加蒸汽能量，本发明采取的能量综合利用方法如下一是利用沼气发电机发电产生的高温冷却液，通过换热器加热循环热水，再用循环热水加热厌氧消化反应器中的物料；二是利用沼气发电散热排风形成的较高的空气热源，以及污水处理系统形成的污水热源，通过引入热泵热水器，消耗少量沼气发电自产的电能，从空气源或污水源中吸收大量 温热水把有机污水废渣原料加热到厌氧消化温度；三是按照能量梯级利用原则，首先利用二级厌氧消化反应器出水的余热预热有机污水废渣原料，然后再用高温热水把其加热到合宜的消化温度。基于上述原因，增加第一换热器、第二换热器、空气源热泵热水器、烟气余热回收器和高温冷却液换热器，所述的沼气发电机高温冷却液管与所述的加热器的热水管通过高温冷却液换热器连接换热，所述的一级污水循环管上先后串联污水源水泵、第一换热器、第
二换热器，一级污水循环管与二级污水出口管通过第一换热器连接换热，所述的空气源热泵热水器热水出水管先和沼气发电机的高温烟气管通过烟气余热回收器换热，再和所述的一级污水循环管通过第二换热器连接换热，最后回到空气源热泵热水器形成循环。沼气发电机所发的电能可供热泵热水器使用。沼气发电机的排风口优选正对空气源热泵热水器的进风口，沼气发电机排出的热风进入空气源热泵热水器的进风口，成为空气源热泵热水器从空气中吸收的温度较高部分的热量，同时解决了空气源热泵热水器中的蒸发器在冬天结霜而导致热水器能效比(COP)严重下降的问题。在启动一级厌氧消化反应器期间，关闭一级厌氧消化反应器进水管阀门、出水管阀门，打开一级厌氧消化反应器的一级污水循环管上的阀门，启动污水源水泵，使污水在一级厌氧消化反应器、第一换热器、第二换热器内循环。开启热泵热水器生产热水，通过循环热水在第二换热器内对一级厌氧消化反应器内的污水持续加热，使污水温度达到最适宜的厌氧消化反应温度。停止污水源水泵以及热泵热水器，污水与污泥在一级厌氧消化反应器内发生厌氧消化反应，一级厌氧消化反应器先启动，正常生产沼气。用沼气发电产生余热，利用沼气发电机的高温冷却液通过高温冷却液换热器与加热器热水管中的冷却水进行换热，加热二级厌氧消化反应器。污水与污泥在二级厌氧消化反应器内发生厌氧消化反应，二级厌氧消化反应器启动，正常生产沼气。上述方法使沼气产气过程能够较快启动，解决了厌氧消化反应器在低温季节由于在启动期缺乏热能而难以启动的问题。在高温季节，停开热泵热水器，加热器的热水管中的热水经过一级和二级厌氧消化反应器中的污水的换热后形成冷却水，所述的冷却水与冷却沼气发电机后产生的高温冷却液进行换热并循环至加热器中，继续对所述的一级和二级厌氧消化反应器中的污水进行加热；在低温季节，还可开启热泵热水器生产热水，所述的热水通过第二换热器对一级污水循环管中的污水进行加热。通过开启热泵热水器提供部分热能，满足厌氧消化反应所需较多的外加热能。本实施例对一家年出栏2万头猪的大型养猪场产生的未经固液分离的粪便污水进行厌氧消化生产沼气，并用沼气发电供养猪场及所处的农牧生态循环产业园使用。猪场污水量每天约200 m3，用格栅机除去污水中的大颗粒物质，再用匀浆机匀浆后，物料的含固量为10%、COD为80g/L，进入采用本发明的沼气生产与发电系统，见图I。本实施例中采用的一级厌氧消化反应器为升流式固体反应器(USR)，二级厌氧消化反应器为升流式厌氧污泥床反应器(UASB)，热泵热水器采用功率为50Kw、供热量达190Kw的空气源热泵热水器，按照沼气日产量配置900Kw的沼气发电机，沼气发电机的排风口与空气源热泵热水器的进风口正对。 用空气源热泵热水器循环加热USR反应器中的污水，用45天先启动USR反应器；USR反应器正常生产沼气后,该沼气进入沼气发电机发电,用发电机产生的高温冷却液加热循环热水，再用循环热水加热UASB反应器中的污水，用30天启动UASB反应器，其后UASB反应器正常生产沼气。在沼气正常生产过程中，含固量为10%、C0D为80 g/L的猪场污水源水在USR反应器中的水力停留时间为3天，在UASB反应器中的水力停留时间为12小时，两个反应器内厌氧消化温度均控制在55°C ±1°C范围内。经过USR反应器及UASB反应器对污水的两级厌氧消化，UASB反应器出水的COD总去除率达95%，两个反应器日产沼气7600立方米，日发电
I.52万度。烟气余热回收器回收烟气热量后，烟气温度降低到110 120°C，则沼气发电机烟气余热回收利用率为80%左右，而沼气发电机高温冷却液余热回收利用率为90%左右。对于本实施例中配置的空气源热泵热水器，夏季停开热泵热水器，春秋两季半开热泵热水器，冬季全开热泵热水器，以弥补污水源水加热到55°C的热量缺口，使USR反应器及UASB反应器全年的消化反应温度均达标而满负荷生产沼气。在沼气充足供应的条件下，沼气发电机也全年满负荷发电，年发电量达547. 2万度，实现了沼气生产与发电能量综合利用的最优化。
权利要求
1.一种用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，包括沼气发电机、一级厌氧消化反应器和二级厌氧消化反应器，一级和二级厌氧消化反应器内均设有加热器，加热器内设有用于加热的热水管，沼气发电机包括高温烟气管和高温冷却液管，一级厌氧消化反应器上设有一级污水循环管，二级厌氧消化反应器上设有二级污水出口管，其特征在于还包括第一换热器、第二换热器、热泵热水器、烟气余热回收器和高温冷却液换热器，所述的沼气发电机高温冷却液 管与所述的加热器的热水管通过高温冷却液换热器连接换热；所述的一级污水循环管上串联第一换热器和第二换热器，一级污水循环管与二级污水出口管通过第一换热器连接换热；所述的热泵热水器热水出水管先和沼气发电机的高温烟气管通过烟气余热回收器换热，再和所述的一级污水循环管通过第二换热器连接换热，最后回到热泵热水器形成循环。
2.如权利要求I所述的用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，其特征在于所述的热泵热水器为污水源热泵热水器。
3.如权利要求I所述的用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，其特征在于所述的热泵热水器为空气源热泵热水器。
4.如权利要求3所述的用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，其特征在于所述的沼气发电机的排风口正对空气源热泵热水器的进风口。
5.如权利要求I所述的用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，其特征在于所述的热泵热水器由沼气发电机连接供电或与电网连接供电。
6.如权利要求I所述的用于沼气生产与发电系统的能量利用装置，其特征在于所述的一级污水循环管上还串联泵。
7.—种权利要求I所述的沼气生产系统的启动方法，其特征在于该方法由以下步骤组成 步骤一使污水依次经过一级厌氧消化反应器、第一换热器和第二换热器并循环； 步骤二 开启热泵热水器生产热水，所述的热水通过第二换热器对一级污水循环管中的污水进行加热，直至污水温度达到适宜厌氧消化反应的温度； 步骤三停止步骤一的循环，并关闭热泵热水器； 步骤四污水与污泥在一级厌氧消化反应器内发生厌氧消化反应，一级厌氧消化反应器先启动，正常生产沼气； 步骤五用沼气发电机对产生的沼气进行发电，利用沼气发电机发电产生的余热加热二级厌氧消化反应器； 步骤六污水与污泥在二级厌氧消化反应器内发生厌氧消化反应，二级厌氧消化反应器启动，正常生产沼气。
8.—种权利要求I所述的沼气生产与发电系统的能量利用装置的操作方法，其特征在于加热器的热水管中的热水经过一级和二级厌氧消化反应器中的污水的换热后形成冷却水，所述的冷却水与冷却沼气发电机后产生的高温冷却液进行换热，并循环至加热器中继续对所述的一级和二级厌氧消化反应器中的污水进行加热。
9.如权利要求8所述的沼气生产与发电系统的能量利用装置的操作方法，其特征在于开启热泵热水器生产热水，所述的热水通过第二换热器对一级污水循环管中的污水进行加热。
全文摘要
本发明涉及一种用于沼气生产与发电系统的能量利用装置和方法，沼气发电机通过高温冷却液换热器产生热水加热厌氧消化反应器，一级污水循环管上串联第一换热器和第二换热器，一级污水循环管与二级污水出口管通过第一换热器连接换热；热泵热水器热水出水管先和沼气发电机的高温烟气管通过烟气余热回收器换热，再和一级污水循环管通过第二换热器连接换热，最后回到热泵热水器形成循环。本发明将有机污水废渣厌氧消化技术和沼气发电机余热综合利用技术相结合，对沼气发电过程中不同温度的余热分别进行梯级利用，并引入了热泵热水器利用低温环境热源的技术，为有机污水废渣高温或中温厌氧消化反应提供热能，使各种能量得到充分、合理的利用。
文档编号C12M1/02GK102936566SQ20121046495
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者蔡志武 申请人:蔡志武