生物质热电联产的微藻养殖系统的制作方法

本实用新型涉及养殖及资源综合利用技术领域，具体涉及生物质热电联产的微藻养殖系统。

背景技术：

近年来，可生产生物柴油的微藻养殖以及可生产沼气的沼气厌氧发酵工程得到了国家的大力支持，发展迅猛。微藻生存繁殖能力极强，能够从废水中吸收各种无机营养和简单有机物。以有机废水作为廉价的培养基规模化养殖经济微藻、能源微藻是国内外研究的热点。而畜禽养殖过程产生大量的有机废水，目前主要是利用其制备沼气，特别是在北方寒冷地区需要配备燃烧沼气的锅炉，利用沼气燃烧后的热量为沼气池和养殖池加热。但现有技术中，沼气工程和微藻养殖过程中，仍存在一些亟待解决的问题：（1）沼气燃烧后的废气富含二氧化碳和一定的热量，对其不能进行利用而随意排放，不但造成热量的损失，还增加了大气的温室效应；（2）微藻养殖设备以及沼气工程设备的供电主要有两种方式，一种是长距离的集中式发电，但这种方式难以为交通不便的偏远地区供电，从而极大限制了微藻养殖和沼气工程场地的选择；另一种是利用沼气进行发电，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；（3）沼气发酵后的剩余物主要是沼液，其富含氮素等营养物质，但这部分沼液往往得不到及时有效的利用，造成资源的浪费，还对沼气工程周边的环境造成污染。因此，现有的微藻养殖缺乏综合处理，整体运行成本高，未能得到产业化应用。

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微藻养殖系统，该系统利用畜禽养殖废弃物就地实现热能和电能的高效转化，并利用热能和电能实现微藻养殖以及为系统自身供电供热，整个系统结构紧凑、运行成本低。

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微藻养殖系统，包括畜禽养殖废弃物热电站、沼液沼渣处理装置、密闭透光式微藻养殖池、微藻培养液收集罐和微藻收集装置，所述微藻养殖池设置有CO₂溶气装置和搅拌器；

所述畜禽养殖废弃物热电站包括控制装置以及依次连接的用于沼气发酵的CSTR发酵罐、用于从沼气中分离出甲烷的甲烷提取装置、用于将甲烷合成甲醇的甲醇合成装置、甲醇水制氢重整器和燃料电池，所述甲醇水制氢重整器设置有供甲醇水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：由所述甲醇合成装置制备的甲醇与水混合后，通过与控制器连接的第一输送泵输送至所述甲醇水制氢重整器内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得氢气和高温余气，所述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系统中的所有用电设备供电；所述高温余气收集至高温余气收集装置为沼气发酵、甲醇合成反应以及微藻养殖池提供所需的热能；

所述CSTR发酵罐的沼液沼渣出口通过所述沼液沼渣处理装置与所述微藻培养液收集罐的进液口连接，所述微藻培养液收集罐的出液口与所述微藻养殖池的进液口连通，所述微藻养殖池的出液口依次与所述微藻收集装置和所述沼液沼渣处理装置连接。

其中，所述微藻养殖池设置有加热盘管，所述加热盘管通过第一加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第一加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述微藻养殖池内设置有与控制器连接的温度传感器。

其中，所述沼液沼渣处理装置包括缓冲池、固液分离器、沼液池、沼渣池和膜过滤器，所述CSTR发酵罐的沼液沼渣出口依次与所述缓冲池和固液分离器的进料口连接，所述固液分离器的沼液出口依次与所述沼液池和膜过滤器连接，所述膜过滤器的出液口与所述微藻培养液收集罐的进液口连接，所述固液分离器的沼渣出口与所述沼渣池连通。

其中，所述微藻培养液收集罐与所述微藻养殖池的连接管路上设置有第二输送泵和液体流量控制阀，所述液体流量阀和所述第二输送泵分别与控制器电连接。

其中，所述微藻收集装置包括用于将微藻分离的气浮分离器以及微藻干燥室，所述微藻养殖池的出料口与所述气浮分离器的进料口连通，所述气浮分离器的出液口与所述沼液池的进液口连通；所述微藻干燥室通过第四加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第四加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述微藻干燥室内设置有与控制器连接的温度传感器。

其中，所述CSTR发酵罐的罐体设置有用于通入加热介质的夹层，所述夹层通过第二加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第二加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述CSTR发酵罐内设置有与控制器连接的温度传感器。

其中，所述甲醇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输送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。

其中，所述输送管道和循环管路均设置有与控制器连接的气体流量控制阀；所述甲醇合成塔设置有与所述高温余气收集装置连接的第三加热管路，所述第三加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述甲醇合成塔内设置有与控制器连接的温度传感器和压力传感器。

其中，还包括冷凝器，所述高温余气收集装置与所述冷凝器的进气口连接，所述冷凝器的出气口通过输送管路与所述CO₂溶气装置连接，所述冷凝器的出液口与所述甲醇水溶液存储器连接；所述输送管路设置有与控制器连接的气体流量控制阀。

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电加热器和输送泵供电。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：（1）本实用新型的畜禽养殖废弃物热电站利用畜禽养殖废弃物，通过畜禽养殖废弃物-沼气-甲醇-电能/热能实现电能、热能的高效转化和利用，该畜禽养殖废弃物热电站产生的电能直接为所有设备供电，实现自给自足，无需外来供电，而且该电能为直流电，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，不受交通、场地的限制，该畜禽养殖废弃物热电站更加适合水产养殖业；（2）利用畜禽养殖废弃物热电站在甲醇水重整制氢反应所产生大量高品质的热能（高温余气的温度高达300~600℃），这部分热能得到充分的利用，直接为沼气发酵、甲醇合成反应以及微藻养殖池提供所需的热能提供所需的热能；（3）沼气发酵后的沼液沼渣中含有丰富的氮、磷等营养物质，经过沼液沼渣处理装置回收处理后获得微藻培养液输送至微藻养殖池，用于培养微藻，同时微藻养殖池经过微藻收集装置收集微藻后的废液再经过沼液沼渣处理装置处理后回用于微藻养殖池。由此，本实用新型可以根据畜禽养殖废弃物热电站所需畜禽养殖废弃物的用量、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，从而将畜禽养殖废弃物的处理、供电、供热、微藻养殖关联，形成自动化控制、节能、环保、可循环的连续式生产系统，使生物质能源得到综合利用，具有设备结构紧凑、运行成本低的优点，其具有广阔的产业化应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的生物质热电联产的微藻养殖系统的结构示意图。

图2为本实用新型的生物质热电联产的微藻养殖系统的甲醇合成装置的结构示意图。

附图标记：

密闭透光式微藻养殖池1；

畜禽养殖废弃物热电站2、控制装置21、CSTR发酵罐22、甲烷提取装置23；

甲醇合成装置24、压缩机241、甲醇合成塔242、气液分离器243、甲醇水溶液存储器244；

甲醇水制氢重整器25、燃料电池26、电加热器27、换热器28、第一输送泵29；

微藻培养液收集罐3、微藻收集装置4、气浮分离器41、微藻干燥室42、高温余气收集装置5；

沼液沼渣处理装置6、缓冲池61、固液分离器62、沼液池63、沼渣池64、膜过滤器65；

冷凝器7、第二输送泵8；

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、调节阀50、气体流量控制阀60、液体流量控制阀70、第四加热管路80。

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。

生物质热电联产的微藻养殖系统，如图1所示，包括畜禽养殖废弃物热电站2、沼液沼渣处理装置6、密闭透光式微藻养殖池1、微藻培养液收集罐3和微藻收集装置4，微藻养殖池1设置有CO₂溶气装置和搅拌器。畜禽养殖废弃物热电站2包括控制装置21以及依次连接的CSTR发酵罐22、用于将沼气分离出甲烷的甲烷提取装置23、用于将甲烷合成甲醇的甲醇合成装置24、甲醇水制氢重整器25和燃料电池28，甲醇水制氢重整器25设置有供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器27，控制装置21包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口。其中：

畜禽养殖场收集的畜禽养殖废弃物（主要包括粪便和污水）统一输送至CSTR发酵罐22进行沼气发酵，CSTR发酵罐22产生的沼气先经过甲烷提取装置23提取出甲烷，然后获得的甲烷再进入甲醇合成装置24合成甲醇，该甲醇和水的混合液又作为甲醇水重整制氢反应的原料，输送至甲醇水制氢重整器25，在高温和催化剂的条件下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分离出氢气和高温余气，该氢气输送至燃料电池26产生电能，该电能通过电力输出端口为第一输送泵29、电加热器27以及系统内的所有用电设备供电，第一输送泵29与控制器电连接，便于自动化控制。该畜禽养殖废弃物热电站2利用畜禽养殖废弃物实现了畜禽养殖废弃物-沼气-甲醇-电能的高效转化和利用，自给自足，无需外来供电，而且该畜禽养殖废弃物热电站2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。同时，由甲醇水制氢重整器25的分离室分离出的高温余气的温度高达300~600℃，将该高温余气收集至高温余气收集装置5，这部分高品质的热能直接为畜禽养殖废弃物热电站2中沼气发酵、甲烷合成甲醇反应以及微藻养殖池1提供所需的热能，大大降低了系统自身加热所需的能耗，节能效果显著。

具体的，微藻养殖池1设置有加热盘管，加热盘管通过第一加热管路10与高温余气收集装置5连接，第一加热管路10设置有与控制器连接的调节阀50，微藻养殖池1内设置有与控制器连接的温度传感器。通过向加热盘管通入高温余气为微藻养殖池1加热，提供微藻养殖所需的温度，并通过调节阀50和温度传感器实现温度的自动控制。

本实施例中，CSTR发酵罐22经过沼气发酵后的沼液沼渣中含有丰富的氮、磷等营养物质，经过沼液沼渣处理装置6和回收处理后获得微藻培养液，可用于微藻的培养。沼液沼渣处理装置6利用畜禽养殖废弃物热电站2输出的电能和热能实现其工作。具体的，沼液沼渣处理装置6包括缓冲池61、固液分离器62、沼液池63、沼渣池64和膜过滤器65，粪便沼气发酵池22的出料口通过缓冲池61与固液分离器62连接，固液分离器62和污水沼气发酵池21的沼液出口均依次与沼液池63、膜过滤器65连接，固液分离器62的沼渣出口与沼渣池64连通。CSTR发酵罐22的沼液沼渣出口依次与缓冲池61和固液分离器62的进料口连接，固液分离器62的沼液出口依次与沼液池63和膜过滤器64连接，膜过滤器64的出液口与微藻培养液收集罐3的进液口连接，固液分离器62的沼渣出口与沼渣池64连通。其工作原理：CSTR发酵罐22经过沼气发酵后的沼液沼渣依次经过缓冲池61沉淀、固液分离器62对固液进行分离，所获得沼液存储于沼液池63，所获得的沼渣存储于沼渣池63，然后沼液池63的沼液经过膜过滤器65过滤后获得微藻培养液存储于微藻培养液收集罐3内，用于向微藻养殖池1输送微藻培养液。微藻培养液收集罐3与微藻养殖池1的连接管路上设置有第二输送泵8和液体流量控制阀70，液体流量阀和第二输送泵8分别与控制器电连接，可实现对微藻培养液流量的自动化控制。

本实施例中，微藻收集装置4包括用于将微藻分离的气浮分离器41以及微藻干燥室42，微藻养殖池1的出料口与气浮分离器41的进料口连通，气浮分离器41的出液口与沼液池63的进液口连通。工作时，微藻养殖池1培养好的含有微藻的培养液通过管路先输送至气浮分离器41将悬浮在培养液中的微藻分离，分离出的微藻在输送至微藻干燥室42烘干得到微藻，分离出的培养液再输送至沼液池63进行回收后，返回至微藻养殖池1循环使用，从而提高微藻养殖的处理效率和综合利用。具体的，微藻干燥室42通过第四加热管路80与高温余气收集装置5连接，第四加热管路80设置有与控制器连接的调节阀50，微藻干燥室42内设置有与控制器连接的温度传感器。利用畜禽养殖废弃物热电站2输出的热能（高温余气）为微藻干燥室42提供高温蒸汽对微藻进行烘干。

本实施例中，畜禽养殖废弃物热电站2输出的热能供沼气发酵。具体的，CSTR发酵罐22设置有用于通入加热介质的夹层，夹层的进气口通过第二加热管路20与高温余气收集装置5连接。利用高温余气作为加热介质，对CSTR发酵罐22加热以提供厌氧发酵所需的温度。第二加热管路20设置有与控制器连接的调节阀50，CSTR发酵罐22内设置有与控制器连接的温度传感器，以便于对沼气发酵温度的自动检测和调控。

本实施例中，甲烷提取装置23包括依次连接的固液分离器、脱硫塔、二氧化碳吸收塔和氨气吸收塔，CSTR发酵罐22的沼气出口分别与固液分离器的进气口连通，氨气吸收塔的出气口与甲醇合成装置24连通。由于沼气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，先经过固液分离器除去固体杂质，然后依次经过脱硫塔除去硫化物、经过二氧化碳吸收塔除去二氧化碳、经过氨气吸收塔除去氨气后获得纯度较高的甲烷气体，再输送至甲醇合成装置24用于制备甲醇。

本实施例中，如图2所示，甲醇合成装置24包括依次连接的压缩机241、甲醇合成塔242、气液分离器243和甲醇水溶液存储器244，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输送管道与压缩机241的进气口连通，气液分离器243的出液口与甲醇水溶液存储器244连接，气液分离器243的出气口通过循环管路40与压缩机241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241加压后输送至甲醇合成塔242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242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243冷凝分离后获得的甲醇溶液存储于甲醇水溶液存储器244，分离后的剩余气体再通过循环管路40返回至压缩机241进气口，再进入甲醇合成塔242合成甲醇。输送管道和循环管路40均设置有与控制器连接的气体流量控制阀60，通过气体流量控制阀60实现各管路中气体流量的自动化控制，压缩机241由畜禽养殖废弃物热电站2输出的电能供电。进一步，畜禽养殖废弃物热电站2输出的热能供甲醇合成反应用：甲醇合成塔242设置有与高温余气收集装置5连接的第三加热管路30，第三加热管路30上设置有调节阀50，甲醇合成塔242内设置有与控制器连接的温度传感器和压力传感器，从而实现对甲醇合成塔242内反应温度和压力的自动化控制。

本实施例中，如图1和图2所示，还包括冷凝器7，高温余气收集装置5与冷凝器7的进气口连接，冷凝器7的出气口通过输送管路与CO₂溶气装置连接，冷凝器7的出液口与甲醇水溶液存储器连接；输送管路设置有与控制器连接的气体流量控制阀60和高压泵。由于高温余气的主要成分是CO₂以及未反应的甲醇蒸汽和水蒸汽，通过冷凝器7处理后使甲醇蒸汽和水蒸汽冷凝而除去，获得的CO₂输送至CO₂溶气装置，以向微藻养殖池1内通入一定量的CO₂，并通过高压泵和气体流量控制阀自动控制CO₂的溶气量。

本实施例中，甲醇水溶液存储器244和甲醇水制氢重整器25之间输送管路上设置有换热器28，低温的甲醇水溶液与分离室82分离出的高温氢气经换热器28进行热交换后，氢气降温后进入燃料电池26，甲醇水进一步被加热，然后输送至甲醇水制氢重整器25内蒸发气化。

本实施例中，甲醇水制氢重整器25设置有启动装置。首先，启动装置在甲醇水制氢重整器25启动过程中，为第一输送泵29和电加热器27供电，以使甲醇水重整制氢反应启动，获得氢气和高温余气，氢气进入燃料电池26，燃料电池26工作产生电能，由此畜禽养殖废弃物热电站2产生电能和热能，再为整个系统供电供热，从而形成循环系统。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25启动过程中，为燃料电池26输入氢气，使燃料电池26工作产生电能，进而为第一输送泵29及电加热器27供电。

本实用新型可以根据畜禽养殖废弃物热电站2所需畜禽养殖废弃物的用量、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，从而将畜禽养殖废弃物的处理、供电、供热、微藻的培养关联，形成自动化控制、节能、环保、可循环的连续式生产系统，使生物质能源得到综合利用，具有设备结构紧凑、运行成本低的优点，其具有广阔的产业化应用前景。

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。