基于厨余垃圾厌氧发酵沼气的电解水制氢能源化利用系统与方法

本发明属于垃圾处理，涉及一种基于厨余垃圾厌氧发酵沼气的电解水制氢能源化利用系统与方法。

背景技术：

1、厌氧发酵是厨余垃圾资源化利用的一种有效手段,但是厨余垃圾有机质含量高，碳氮比较大，在厌氧发酵过程中易水解产生大量挥发性脂肪酸，导致系统酸化，使甲烷的收率降低。而污泥、藻类有机质含量低，碳氮比较小，厌氧发酵水解速率慢。因此，将厨余垃圾、污泥和藻类共发酵能够平衡底物碳氮比，稀释抑制物浓度，提高发酵速率与甲烷产量。氢气作为典型的清洁能源，无污染，被广泛应用于能源领域。常见的制氢方法是水电解制氢，制氢稳定且纯度高，但是电力成本较高。因此，本发明将厨余垃圾协同污泥和藻类厌氧发酵产生的甲烷作为燃料，结合水电解制氢的技术工艺，为低成本制氢提供一种新方法。

2、发明专利cn 116121036 a公开了一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法，将厨余垃圾进行预处理、厌氧发酵、沼渣制活性炭、沼气提取甲烷等过程，通过对甲烷进行催化裂解制备氢气，基本实现了厨余垃圾的高值化利用。不足之处是甲烷的转换率较低，氢气产出效率不高。发明专利cn 216426759 u公开了一种厨余垃圾制氢系统，将厨余垃圾预处理后进行厌氧发酵，利用太阳能进行干式重整反应制氢，减少了温室气体的排放，以太阳能代替了传统能源，减少了能源的消耗。此系统侧重在太阳光充足的环境下运行，在阴雨天及夜间无法制备氢气，易受环境影响，制氢效果不稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种基于厨余垃圾厌氧发酵沼气的电解水制氢能源化利用系统与方法，实现了垃圾的资源化能源化再生利用，变废为宝，在减少了温室气体排放的同时，又实现了清洁能源的高效生产。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一提供了一种基于厨余垃圾厌氧发酵沼气的电解水制氢能源化利用系统，包括破碎装置、沉砂机、离心压滤机、三相分离装置、厌氧发酵罐、第一气体分离装置、燃气轮机、发电机和水电解槽，其中，所述破碎装置、沉砂机、离心压滤机、三相分离装置和厌氧发酵罐、第一气体分离装置与燃气轮机沿垃圾处理方向依次连接，所述燃气轮机还连接并驱动发电机发电，且所述发电机所产生的电量作为能源供所述水电解槽进行水解制氢。

4、进一步的，所述厌氧发酵罐还连接用于维持其罐内温度的太阳能辅热装置。

5、厌氧发酵过程包含四个阶段：水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷。厌氧菌将进入发酵罐的固态复杂有机物水解成简单有机物，经过发酵和氧化生成醇类和挥发性脂肪酸如乙酸、丙酸等物质，其中的中间产物在产氢产乙酸阶段被转换形成氢、乙酸和二氧化碳等，最后的产甲烷阶段是产甲烷菌在发挥作用：将氢、乙酸、co2等转化成甲烷。其中涉及到的化学反应主要有：

6、1、co2+4h2→ch4+2h2o

7、2、ch3cooh→ch4+co2。

8、另外，在发酵过程中加入催化剂可以有效加快发酵速率，并提高甲烷产气量。这里的催化剂可以是mgfe2o4nps。

9、更进一步的，所述太阳能辅热装置包括太阳能集热器、集热水箱、恒温水箱与锅炉，其中，所述恒温水箱、集热水箱与太阳能集热器依次串联，所述恒温水箱还连接所述锅炉与厌氧发酵罐，并用于给厌氧发酵罐供热。工作时，当恒温水箱中温度低于某一设定值时，则由锅炉单独供热给恒温水箱。

10、更优选的，所述太阳能集热器为真空管太阳能集热器，其包含作为换热介质的水，所述换热介质依次经过所述太阳能集热器、集热水箱、恒温水箱和所述厌氧发酵罐的两两之间循环流通。

11、整个太阳能辅热装置的工作流程如下：

12、太阳能集热器吸收太阳辐射，其中的换热介质水升温，当水温高于太阳能集热器设定临界温度t1时，太阳能集热器中的水进入集热水箱进行热量交换(默认换热介质水在两装置间换热时都经过换热循环泵)，热水在集热水箱中储存起来；当太阳辐射不足时，太阳能集热器的水温低于设定临界温度t1时，关闭换热循环泵停止太阳能集热器与集热水箱之间的换热过程；当恒温水箱水温低于设定温度t3，且集热水箱水温高于恒温水箱水温时，打开两者之间的循环泵进行两水箱之间的换热过程。若经过换热后，恒温水箱水温仍低于设定温度t3，则开启锅炉，恒温水箱接受来自锅炉的热量以维持温度在t3。

13、更具体的，其工作流程为：

14、(1)当太阳能集热器的水温与集热水箱温差大于8℃，进行太阳能集热器与集热水箱之间的热量交换；直至温差小于3℃时，停止换热。

15、(2)当恒温水箱水温低于设定温度t3，且集热水箱水温高于恒温水箱水温时，打开循环泵进行两水箱之间的换热过程。直至恒温水箱水温达到设定值t3，停止换热。若无法达到，锅炉工作将热量传递给恒温水箱，直至到达设定温度t3。

16、(3)当厌氧发酵罐内温度低于设定温度时，循环泵开启，恒温水箱与厌氧发酵罐进行换热过程，直至发酵罐温度达到合适温度时，停止换热。

17、进一步的，所述三相分离装置设置三个出料口，分别为固体出料口、废水出料口与油脂出料口，其中，所述固体出料口、废水出料口与厌氧发酵罐连接，所述油脂出料口则连接外部油脂再利用系统。

18、进一步的，所述第一气体分离装置用于将厌氧发酵罐产生的气体进行分离，得到的ch4送往所述燃气轮机，co2则送往二氧化碳储存罐，所述二氧化碳储存罐还通过管路连接所述燃气轮机的co2进气口。燃气轮机工作前，二氧化碳储气罐先输送足够的二氧化碳气体充满整个燃气轮机，将原先燃气轮机中存在的氮气等排除到装置外。

19、进一步的，所述燃气轮机的氧气进口还连接一空气分离装置，该空气分离装置产生的氧气被送入燃气轮机中。燃气轮机具体工作时，燃气轮机中的o2与co2经压缩增温后到达燃烧室与甲烷混合后进行富氧燃烧过程，co2再回到储气罐中被回收循环利用。同时高温燃气流入涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮与压气机叶轮旋转，余功作为燃气轮机的机械功输送至发电机中带动发电机发电。

20、进一步的，所述水电解槽产生的气体还连接第二气体分离装置，并经期分离后得到氧气和氢气，其中，氧气返回送往所述燃气轮机，氢气送往氢气储存罐。

21、进一步的，发电机产生的电能有三个用途：一部分(例如40％)用于水的电解制氢，一部分(例如20％)输送给用户，剩余部分(例如30％)用于供给空气分离装置的正常运作。

22、本发明的技术方案之二提供了一种基于厨余垃圾厌氧发酵沼气的电解水制氢能源化利用方法，其采用如上任一所述的电解水制氢能源化利用系统实施，该方法包括以下步骤：

23、(1)将厨余垃圾、污泥和藻类混合后，依次经过破碎机、沉砂机和离心压滤机进行破碎、沉淀和离心处理，排出杂质后将所得混合物送入三相分离装置中实现油脂、废水与固体有机物的分离，收集油脂进行后续资源化利用，固体有机物和废水则送往厌氧发酵罐；

24、(2)厌氧发酵罐发酵过程中加入有mgfe2o4nps催化剂，产生的厌氧发酵产物包括沼渣和沼气，其中，沼渣用于资源化再利用，沼气则经分离后得到ch4和co2，其中，ch4进入燃气轮机，co2进入二氧化碳储气罐中；

25、(3)ch4、o2、co2在燃气轮机中的燃烧室内发生混合燃烧反应，产生机械功传递至发电机并带动其发电；

26、(4)发电机产生的部分电能传递给水电解装置进行pem水电解制氢过程，水电解产物中的o2回送到燃气轮机中，h2则进入氢气储存罐中储存起来。

27、进一步的，步骤(1)中，厨余垃圾、污泥和藻类的质量比为1：(0.4-0.6)：(0.3-1.2)；

28、步骤(2)中，厌氧发酵过程中的温度为35±2℃，调节ph为7.0±0.1，搅拌速度为600±100rpm，时间为40天；

29、步骤(3)中，ch4、o2与co2掺混体积比为0.15：0.30：0.55；

30、步骤(4)中，水电解制氢过程的工作温度为80±10℃，施加的电极电压为1.6v，电流密度为1a·cm-2。

31、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

32、1)总体实现了以垃圾废料制成生物燃料、有机肥料、清洁能源以及电能的过程，可实现垃圾的处理与能源的再生利用，最大化实现了垃圾废料的资源化、能源化利用过程，可减少二氧化碳温室气体的排放，有利于环境的保护。

33、2)在三相分离装置的作用下，将经过破碎、沉砂及离心处理的垃圾混合物中的油脂单独分离开来，将油脂提取收集并加工生物柴油，实现生物燃料的再生利用。

34、3)在垃圾废料的厌氧发酵过程中加入mgfe2o4nps催化剂，促进了厌氧消化水解过程，提高了产甲烷效率，为燃气轮机富氧燃烧过程提供了更多的燃料；厌氧发酵过程由太阳能辅热装置供热，可实现稳定发酵。

35、4)甲烷在燃气轮机进行富氧燃烧过程(用co2取代n2)，避免了燃烧过程中产生有毒氮氧化物的可能性。来自厌氧发酵沼气与燃气轮机的co2被存储到co2储气罐中，没有直接排放到空气中，可实现co2的减排。燃气轮机工作带动发电机发电，产生的电能用于水电解制氢、用户正常用电、供给空气分离装置多个过程，实现能源的多元化综合利用。