生物质热电联产的生态养猪系统的制作方法

本实用新型涉及养殖及资源综合利用技术领域，具体涉及一种生物质热电联产的生态养猪系统。

背景技术：

环境污染和能源短缺是世界性的两大主题，开发绿色的环境治理及可再生能源生产的技术已迫在眉睫。据统计，我国规模化畜禽养殖每年产生的畜禽养殖废弃物(粪便)达到约38亿吨，若完全转化成沼气相当于1.62亿吨标准煤，而其中仅有约15％配备了沼气工程处理设备。畜禽粪便已成为农业面源污染的主要源头之一，大量的畜禽粪便未经处理，擅自排放，严重的污染了生活环境及地下水源，粪污、臭气的污染对农业、养殖业的健康可持续发展造成巨大威胁。然而，畜禽养殖废弃物既会成为污染源，也可能成为优质的生物质能。

现有技术中，生物质制沼气已普及多年。为了有效利用畜禽养殖中产生的畜禽粪便，一些地区开始利用畜禽粪便制造沼气。沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。但是，现有的养猪过程中处理粪便的方法，存在的主要问题是：(1)畜禽粪便没有充分利用好、转化好，畜禽粪便的处理方法单一，没有综合处理，处理效率低，而且设备占地面积大、运行、维护成本高，影响大规模推广使用；(2)利用畜禽粪便制备的沼气在储存运输和有效利用上一直困扰着人们。一方面，沼气含有硫化氢、一氧化碳等有毒气体，还含有多种杂气、臭气，易燃烧爆炸；另一方面，目前人们对沼气的利用主要是通过直接使其燃烧的方式获得能量，如利用沼气做饭、制暖、照明等，这种方式的能源利用率较低；此外，现有技术也有利用沼气进行发电，但现有的沼气发电系统是通过沼气燃烧的方式进行热能发电，即先从热能转化为机械能，再从机械能转化为电能，二次转化效率过低，故未能得到广泛应用。

因此，开发高效的养猪废弃物处理和资源化综合利用新技术势在必行。

技术实现要素：

针对现有技术存在上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种生物质热电联产的生态养猪系统，该养猪系统利用自身的养猪废弃物就地实现生物质与热能和电能的高效转化、循环利用以及自动化控制，而且沼气作为中间产物不需要存储、运输和燃烧，具有安全、节能和环保的优点。

为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

提供生物质热电联产的生态养猪系统，包括养猪房，养猪房内设置有供暖装置、制冷装置、冲洗装置、照明装置和粪便污水收集池，还包括粪便调配池、污水沉淀池、第一沼气发酵池、第二沼气发酵池、甲烷提取装置、甲醇溶液合成装置、沼液沼渣处理装置、甲醇水制氢重整器、燃料电池和控制装置，所述甲醇水制氢重整器包括重整室、分离室以及为重整室提供重整制氢反应所需温度的电加热器，所述控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：

粪便污水收集池收集的粪便输送至粪便调配池，养猪房内产生的污水通过管道输送至污水沉淀池，所述污水沉淀池的浓液出口与所述粪便调配池连通，所述污水沉淀池的清液出口与第一沼气发酵池连通，所述粪便调配池通过第一输送泵与所述第二沼气发酵池连通，所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池的沼气出口通过第一管道依次与甲烷提取装置、甲醇溶液合成装置连通，所述甲醇溶液合成装置的出液口通过第二输送泵与所述甲醇水制氢重整器连接；由所述甲醇溶液合成装置制备的甲醇水溶液在所述甲醇水制氢重整器内经发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室分离出氢气和高温余气，该氢气输送至燃料电池产生电能，该电能通过电力输出端口为所述第一输送泵、第二输送泵、制冷装置、冲洗装置、照明装置、电加热器以及其他用电设备供电；

由所述分离室分离出的高温余气的温度为300～600℃，所述高温余气收集至高温余气收集装置，所述高温余气收集装置通过第一加热管路与所述供暖装置连接，所述高温余气收集装置通过第二加热管路与所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池连接，所述第一加热管路和第二加热管路均设置有调节阀和第一温度传感器，所述调节阀、温度传感器、第一输送泵和第二输送泵分别与所述控制器电连接；

所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池的沼液沼渣出口与所述沼液沼渣处理装置连接，由所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池产生的沼液沼渣经过所述沼液沼渣处理装置处理后获得的清液通过清液总管与所述冲洗装置连接。

其中，所述甲烷提取装置包括依次连接的第一固液分离器、脱硫塔、二氧化碳吸收塔和氨气吸收塔，所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池的沼气出口分别与所述第一固液分离器的进气口连通，所述氨气吸收塔的出气口与所述甲醇溶液合成装置连通。

其中，所述甲醇溶液合成装置包括依次连接的压缩机、甲醇合成塔、气液分离器和甲醇水溶液存储器，由所述氨气吸收塔的出气口输出的甲烷气体以及氧气分别通过第二管道与压缩机的进气口连通，所述气液分离器的出液口与所述甲醇水溶液存储器 连接，所述气液分离器的出气口通过循环管路与压缩机的进气口连通；所述第一管道、第二管道和循环管路均设置有气体流量控制阀，所述气体流量控制阀与所述控制器电连接，所述压缩机由所述电力输出端口供电。

其中，所述甲醇合成塔设置有第三加热管路，所述第三加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第三加热管路上设置有调节阀，所述甲醇合成塔设置有第二温度传感器和压力传感器，所述调节阀、所述第二温度传感器和所述压力传感器分别与所述控制器电连接。

其中，所述沼液沼渣处理装置包括用于存储沼液和沼渣的缓冲池、用于分离沼液和沼渣的第二固液分离器、沼渣池、沼液池、膜过滤器，所述第二沼气发酵池产生的沼液沼渣依次与所述缓冲池、所述第二固液分离器连接，所述第二固液分离器的沼渣出口与所述沼渣池连接，所述第二固液分离器的沼液出口以及所述第一沼气发酵池的沼液出口依次与所述沼液池、所述膜过滤器连接，所述膜过滤器的清液出口通过清液总管与所述冲洗装置连接。

其中，所述冲洗装置包括冷水管路和热水管路，所述冷水管路和热水管路分别与所述清液总管连接，所述清液总管设置有换向阀；所述热水管路上设置有第一换热器，所述热水管路中的清液与所述高温余气收集装置中的高温余气通过所述第一换热器进行热交换，高温余气通向第一换热器的管路上设置有调节阀，所述热水管路还设置有液体流量控制阀和第三温度传感器，所述调节阀、液体流量控制阀和第三温度传感器分别与所述控制器电连接。

其中，所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池的池壁和或池底设置有用于通入加热介质的夹层，所述加热介质为高温余气，所述夹层的进气口通过所述第二加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第一沼气发酵池和第二沼气发酵池内设置有第四温度传感器，所述第四温度传感器与所述控制器电连接。

其中，所述甲醇水溶液存储器和所述甲醇水重整器之间输送管路上设置有第二换热器，低温的甲醇水溶液与分离室分离出的高温氢气经所述第二换热器进行热交换。

其中，所述甲醇水制氢重整器设置有启动装置，所述启动装置在甲醇水制氢重整器启动过程中，为所述第二输送泵和电加热器供电。

其中，所述启动装置为蓄电池。

本实用新型的有益效果：

发明的生物质热电联产的生态养猪系统，利用养猪过程产生的大量养猪废弃物，主 要包括粪便和污水(包括尿液和冲洗水)两部分，粪便和污水分别进行沼气发酵，二者产生的沼气先经过甲烷提取装置提取出甲烷，然后甲烷经甲醇溶液合成装置制备甲醇水溶液，该甲醇水溶液作为甲醇水重整制氢反应的原料，制得氢气和高温余气，其中的氢气再输送至燃料电池产生电能，该电能为整个系统的所有用电设备供电，其中的高温余气的温度高达300～600℃，这部分高品质的热能为系统中沼气发酵、甲醇合成反应、冲洗用水、供暖装置等提供加热所需的温度；沼气发酵后的沼液和沼渣再经过沼液沼渣处理装置处理后，得到回收再利用，从而形成一个循环的生物质热电联产的一体化养殖系统。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型就地实现养猪废弃物-沼气-甲醇-电能的高效转化和利用，转化的电能可以自给自足，无需外来供电，而且该系统输出的电能为直流电，无需转换即可直接供直流电器使用，相比目前的直流高压集中式发电的方式，具有随用随发、易于分布安装、成本低的特点，不受场地的限制，更加适合农村养殖业；

(2)本实用新型利用沼气发酵产生的沼气作为中间产物制备甲醇，很好地解决了沼气存储和运输的问题，同时甲醇又作为甲醇水重整制氢反应的原料，反应过程本身产生大量高品质的热能，这部分热能得到充分的利用，直接供供暖装置、冲洗热水、沼气发酵加热所需的温度，大大降低了能耗，根据系统内养猪废弃物的产量、转化为甲醇的量、各加热模块所需的温度、各用电模块的功率以及甲醇水重整制氢反应中产生的热能以及燃料电池输出的电能进行能量恒算，从而将养猪废弃物与热能、电能关联，实现整个系统的智能化控制，使养猪废弃物这类生物质能源得到高效地转化和利用，形成生态养猪系统，其具有广阔的产业化应用前景；

(3)本实用新型不需要通过燃烧沼气发电，利用养猪废弃物制造甲醇，然后再通过甲醇水重整制氢来发电和供电，反应中只排放少量的二氧化碳，反应过程中自身产生的热能基本满足各加热模块所需的热能，沼气发酵产生的沼液和沼渣用于制备农业有机肥和中水回用，通过上述能源的转化和综合利用，本系统的节能和环保效果显著。

附图说明

图1为本实用新型的生物质热电联产的生态养猪系统的结构示意图。

图2为本实用新型的生物质热电联产的生态养猪系统的甲烷提取装置的结构示意图。

图3为本实用新型的生物质热电联产的生态养猪系统的甲醇溶液合成装置的结构示意图。

附图标记：

粪便调配池1、污水沉淀池2、第一沼气发酵池3、第二沼气发酵池4；

甲烷提取装置5、第一固液分离器51、脱硫塔52、二氧化碳吸收塔53、氨气吸收塔54；

甲醇溶液合成装置6、压缩机61、甲醇合成塔62、气液分离器63、甲醇水溶液存储器64；

沼液沼渣处理装置7、缓冲池71、第二固液分离器72、沼液池73、膜过滤器74、沼渣池75；

甲醇水制氢重整器8、重整室81、分离室82、电加热器83；

燃料电池9；

第一加热管路10、第二加热管路20、第三加热管路30、循环管路40、第一管道50、第二管道60、清液总管70；

第一输送泵11、第二输送泵12、高温余气收集装置13、第一换热器14、第二换热器15、调节阀16、换向阀17、气体流量控制阀18；

养猪房100、猪圈101、粪便污水收集池102、供暖装置200、通风装置300、鼓风机301、排风机302、冲洗装置400、冷水管路401、热水管路402。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本实用新型进行详细说明。

生物质热电联产的生态养猪系统，如图1所示，包括养猪房100，养猪房100内间隔设置有多个猪圈101，每个猪圈101内设置有粪便污水收集池102，养猪房100地下铺设有污水管道，粪便污水收集池102的排水口与污水管道连通；养猪房100内设置有供暖装置200、通风装置300、冲洗装置400、照明装置和制冷装置，在养猪房100外的附近区域分别设置粪便调配池1、污水沉淀池2、第一沼气发酵池3、第二沼气发酵池4、甲烷提取装置5、甲醇溶液合成装置6、沼液沼渣处理装置7、甲醇水制氢重整器8、燃料电池9和控制装置，甲醇水制氢重整器8包括重整室81、分离室82以及为重整室81提供重整制氢反应所需温度的电加热器83，控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：

粪便污水收集池102内主要含有粪便和污水(主要是尿液和冲洗水等)两部分，其中粪便统一收集后输送至粪便调配池1，尿液和冲洗水等污水通过管道输送至污水沉淀池2，污水沉淀池2的浓液出口与粪便调配池1连通，污水沉淀池2的清液出口与第一沼气发酵池3连通，粪便调配池1通过第一输送泵11与第二沼气发酵池4连通，第 一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4的沼液沼渣出口与沼液沼渣处理装置7连接，第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4的沼气出口通过第一管道50依次与甲烷提取装置5、甲醇溶液合成装置6连通，甲醇溶液合成装置6的出液口通过第二输送泵12与甲醇水制氢重整器8连接。该过程中经污水沉淀池2沉淀处理后的污水清液进入第一沼气发酵池3进行沼气发酵，而污水沉淀池2底部的浓液与粪便调配池1的粪便一同进入第二沼气发酵池4进行沼气发酵，由于粪便和污水的主要成分、含水量不同，将两者分开进行厌氧发酵，可以提高沼气的产率。第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4产生的沼气先经过甲烷提取装置5提取出甲烷，然后获得的甲烷再进入甲醇溶液合成装置6制备甲醇，第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4发酵后的沼液和沼渣再经过沼液沼渣处理装置7处理后，得到回收再利用。

上述由甲醇溶液合成装置6制备的甲醇和水溶液又作为制氢和发电的原料，在甲醇水制氢重整器8内经催化反应发生甲醇和水的重整制氢反应(甲醇水重整制氢反应为现有技术，本实施例中不再详细说明)，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室82分离出氢气和高温余气，该氢气输送至燃料电池9产生电能，该电能通过电力输出端口为第一输送泵11、第二输送泵12、制冷装置、冲洗装置400、照明装置、通风装置300、电加热器83以及系统中的其他用电设备供电，从而就地实现养猪废弃物-沼气-甲醇-电能的高效转化和利用，自给自足，无需外来供电。而且该系统输出的电能为直流电，直接供直流电器使用，也无需变压器模块及后续的整流模块等，相比目前的直流高压集中式发电的方式，具有随用随发、易于分布安装的特点，更加适合农村养殖业。第一输送泵11和第二输送泵12与控制器电连接，可自动化控制。

同时，由甲醇水制氢重整器8的分离室82分离出的高温余气的温度为300～600℃，高温余气收集至高温余气收集装置13，高温余气收集装置13通过第一加热管路10与供暖装置200连接，高温余气收集装置13通过第二加热管路20与第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4连接，高温余气产生的高品质热能又可以为沼气发酵以及供暖装置200提供加热所需的温度。由此充分利用了本系统在重整制氢反应产生的热能，大大降低了系统自身加热所需的能耗，具有节能的作用。第一加热管路10和第二加热管路20均设置有调节阀16和第一温度传感器，调节阀16和第一温度传感器分别与控制器电连接，本系统可实现对供暖装置200和沼气发酵池加热温度的自动化控制。进一步还可以根据根据系统内养猪废弃物的产量、转化为甲醇的量、各加热模块所需的温度、各用电模块的功率以及甲醇水重整制氢反应中产生的热能以及燃料电池输出的电能进行能 量恒算，从而将养猪废弃物与热能、电能关联，实现整个系统的智能化控制，使能源得到高效地转化和利用，形成生态一体化的养猪系统，其具有广阔的产业化应用前景。

具体的，第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4的池壁和或池底设置有用于通入加热介质的夹层，加热介质为高温余气，夹层的进气口通过第二加热管路20与高温余气收集装置13连接，利用高温余气对沼气发酵池加热提供厌氧发酵所需的温度。第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4内设置有第四温度传感器，第四温度传感器与控制器电连接，以便于对温度的检测和调控。

本实施例中，如图2所示，甲烷提取装置5包括依次连接的第一固液分离器51、脱硫塔52、二氧化碳吸收塔53和氨气吸收塔54，第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4的沼气出口分别与第一固液分离器51的进气口连通，氨气吸收塔54的出气口与甲醇溶液合成装置6连通。由于厌氧发酵产生的沼气为含有甲烷、硫化物和二氧化碳等的混合物，先经过第一固液分离器51除去固体杂质，然后依次经过脱硫塔52除去硫化物、经过二氧化碳吸收塔53除去二氧化碳、经过氨气吸收塔54除去氨气后获得纯度较高的甲烷气体，再输送至甲醇溶液合成装置6制备甲醇水溶液。

本实施例中，如图3所示，甲醇溶液合成装置6包括依次连接的压缩机61、甲醇合成塔62、气液分离器63和甲醇水溶液存储器64，由氨气吸收塔54的出气口输出的甲烷气体以及氧气分别通过第二管道60与压缩机61的进气口连通，气液分离器63的出液口与甲醇水溶液存储器64连接，气液分离器63的出气口通过循环管路40与压缩机61的进气口连通。上述过程中，甲烷气体和外供氧气(如氧气瓶提供氧气)经过压缩机61加压后输送至甲醇合成塔62内氧化反应生成甲醇，其中甲烷和氧气按8～9:1～2的体积比混合，在150～220℃和80～125个大气压的条件下，反应制得甲醇，反应式是：2CH₄+O₂＝2CH₃OH。甲醇合成塔62内生成的甲醇以及未反应的甲烷等剩余气体经过气液分离器63冷凝分离后获得的甲醇溶液存储于甲醇水溶液存储器64，分离后的剩余气体再通过循环管路40返回至压缩机61进气口，再进入甲醇合成塔62反应制甲醇。第一管道50、第二管道60和循环管路40均设置有气体流量控制阀18，气体流量控制阀18与控制器电连接，通过气体流量控制阀18实现各管路中气体流量的自动化控制，压缩机61由系统电力输出端口供电。

甲醇合成塔62设置有第三加热管路30，第三加热管路30与高温余气收集装置13连接，即通过本系统自身产生的热能为甲醇合成塔62提供反应所需的温度，第三加热管路30上设置有调节阀16，甲醇合成塔62内设置有第二温度传感器和压力传感器， 该调节阀16、第二温度传感器和压力传感器分别与控制器电连接，从而实现对甲醇合成塔62内反应温度和压力的自动化控制。

本实施例中，第一沼气发酵池3和第二沼气发酵池4发酵后的沼液和沼渣再经过沼液沼渣处理装置7处理后，得到回收再利用。沼液沼渣处理装置7包括用于存储沼液和沼渣的缓冲池71、用于分离沼液和沼渣的第二固液分离器72、沼渣池75、沼液池73、膜过滤器74。第二沼气发酵池4产生的沼液沼渣依次与缓冲池71、第二固液分离器72连接，第二固液分离器72的沼渣出口与沼渣池75连接，第二固液分离器72的沼液出口以及第一沼气发酵池3的沼液出口依次与沼液池73、膜过滤器74连接，膜过滤器74的清液出口通过清液总管70与冲洗装置400连接。由于第一沼气发酵池3主要是对污水进行发酵，发酵后产物主要是沼液，将这部分沼液存储于沼液池73，而第二沼气发酵池4主要是粪便的厌氧发酵，发酵后产生大量沼渣和少量的沼液，需要先经过第二固液分离器72分离出沼渣存储于沼渣池75备用，分离出的沼液存储于沼液池73，然后沼液池73内的沼液再经过膜过滤器74过滤后获得的清液输送至冲洗装置400，可作为冲洗用水回用。膜过滤器74过滤后的浓液经浓缩后可直接作为液体浓缩肥用于农作物的种植。沼渣池75中的沼渣可以进一步用于制备农业有机肥使用。由此，本系统的沼液和沼渣也可以变废为宝，既避免了对沼气发酵废弃物的填埋或燃烧处理工序，降低环境污染，又可以降低农业化肥的使用量，有利于生态有机农业的发展。

冲洗装置400包括冷水管路401和热水管路402，冷水管路401和热水管路402分别与清液总管70连接，清液总管70设置有用于在冷水管路401和热水管路402之间进行切换的换向阀17，根据需要选择冲洗用的热水或冷水。热水管路402上设置有第一换热器14，热水管路402中的清液与高温余气收集装置13中的高温余气通过第一换热器14进行热交换，从而将热水管路402中的清液加热。高温余气通向第一换热器14的管路上设置有调节阀16和第三温度传感器，调节阀16和第三温度传感器分别与控制器电连接，以实现加热温度的自动化控制。

本实施例中，通风装置300包括鼓风机301和排风机302，养猪房100的四周墙体开设有进风口，养猪房100的顶部开设有排风口，进风口通过进风管与鼓风机301连接，排风口通过排风管与排风机302连接，鼓风机301和排风机302由由系统电力输出端口供电，鼓风机301和排风机302分别与控制器电连接，以实现自动化控制。

本实施例中，甲醇水溶液存储器64和甲醇水制氢重整器8之间输送管路上设置有第二换热器15，低温的甲醇水溶液与分离室82分离出的高温氢气经第二换热器15进 行热交换后，氢气降温后进入燃料电池9，甲醇水进一步被加热，然后输送至甲醇水制氢重整器8内蒸发气化。

本实施例中，甲醇水制氢重整器8设置有启动装置。首先，启动装置在甲醇水制氢重整器8启动过程中，为第二输送泵12和电加热器83供电，以使甲醇水重整制氢反应启动，获得的氢气进入燃料电池9，燃料电池9工作产生电能后，再为整个系统的设备供电，甲醇水重整制氢反应产生的高品质热能再为系统沼气发酵、甲醇合成反应、冲洗用水以及供暖装置200等提供热能，从而形成一个循环的生物质热电联产的一体化养殖系统。具体的，启动装置为蓄电池；或者为燃烧式启动装置，其通过燃烧甲醇为重整室81加热；或者为贮氢瓶，该贮氢瓶可在甲醇水制氢重整器8启动过程中，为燃料电池9输入氢气，使燃料电池9工作产生电能，进而为第二输送泵12及电加热器83供电。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。