一种控温好-厌氧耦合生物制氢装置和制氢方法

摘要

一种控温好-厌氧耦合生物制氢装置：一发酵罐，安装在底座上，该底座安装有360度可旋转万向轮和轮锁；发酵罐的罐体一侧设有进料口，另一侧设有出料口；发酵罐内部为好氧预处理室和发酵产氢室组成的双反应区结构，好氧预处理室和发酵产氢室中部设有单向可开启阀门；发酵罐的内壁安装有挡板；发酵罐的罐体为双层结构，分别为包覆好氧预处理室和包覆发酵产氢室的两个独立夹层，夹层中充填有换热液体；两个夹层均各设有进液阀和放液阀，并通过管道连接形成控温层；罐体中心贯穿有一纳米陶瓷膜滚轴，该纳米陶瓷膜滚轴的出气口连接气体收集装置。本发明还公开了利用上述制氢装置进行生物制氢的方法。

说明书

技术领域

本发明属于生物能源技术领域，具体涉及一种无动力控温好-厌氧耦合 生物制氢装置。

本发明还涉及利用上述制氢装置进行生物制氢的方法。

背景技术

全球不可再生能源的日益枯竭和环境污染问题，对人类的生存和可持 续发展构成了严重威胁，开发具有高附加值的清洁能源已成为研究热点。 氢气作为高效、清洁、可再生的能源，受到人们的日益关注。

随着社会主义新农村建设的推进，村民生活水平提高的同时，带来了 村镇环境污染问题和资源浪费。据报道，我国是世界上农村有机废弃物产 出量最大的国家，每年大约有40多亿t，其中畜禽粪便排放量26.1亿t， 农作物秸秆7.0亿t，废弃农膜等塑料2.5万t，蔬菜废弃物1-1.5亿t。其 中，我国村镇生活源有机废弃物、人粪便、以及村镇服务业带来的有机垃 圾量所占份额较大，造成村镇垃圾随意倾倒、粪土乱堆、柴草乱垛等现象， 严重影响村容村貌和危害居民身体健康。

固体废弃物处理的目标是无害化、减量化和资源化。多种制氢方法中， 生物制氢具有环境友好、底物范围广和工艺简单，能够产生具有高附加值 的生物气能源等多重优越性。但是，现有生物制氢反应器存在预处理要求 高、启动缓慢、运行不稳定、产气率低、能耗大和占地面积大等问题。因 此，研发适合我国经济发展状况和村镇有机废弃物特征，具有“小型化、 低成本、易操作”的厌氧反应装置不仅是研究热点，也是亟待解决的难点 问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控温好-厌氧分室耦合生物制氢装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述制氢装置进行生物制氢的 方法。

为实现上述目的，本发明提供的控温好-厌氧耦合生物制氢装置，主要 结构为：

一发酵罐，安装在底座上，该底座安装有360度可旋转万向轮和轮锁；

发酵罐的罐体一侧设有进料口，另一侧设有出料口；

发酵罐内部为好氧预处理室和发酵产氢室组成的双反应区结构，好氧 预处理室和发酵产氢室中部设有单向可开启阀门；发酵罐的内壁安装有挡 板；

发酵罐的罐体为双层结构，分别为包覆好氧预处理室和包覆发酵产氢 室的两个独立夹层，夹层中充填有换热液体；两个夹层均各设有进液阀和 放液阀，并通过管道连接形成控温层；

罐体中心贯穿有一纳米陶瓷膜滚轴，该纳米陶瓷膜滚轴的出气口连接 气体收集装置；

所述的制氢装置，其中，好氧预处理室和厌氧产氢室内部安装有温度、 pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定，并将数据 同步传输至控制面板进行显示；好氧预处理室和厌氧产氢室均设有采样口 和视窗，方便采样和观察发酵罐体内部情况。

所述的制氢装置，其中，底座的支架上安装有太阳能电池板和储能供 电装置，通过太阳能电池驱动发酵罐整体旋转实现物料搅拌，由变频器控 制电机并调整发酵罐的转速。

所述的制氢装置，其中，底座与好氧预处理室之间通过止动环安装有 可改变倾斜度的重力升降装置，好养预处理结束后，升高好氧预处理室一 端的重力升降装置使物料通过单向可开启阀门进入厌氧产氢室。

所述的制氢装置，其中，发酵罐的一侧设有快开门结构的进料口，发 酵罐相对应有另一侧设有快速出料口。

所述的制氢装置，其中，包覆好氧预处理室或包覆厌氧产氢室的夹层 中设置有换热液体混合槽，进行换热液体的补充、流速控制和温度调节。

所述的制氢装置，其中，纳米陶瓷膜滚轴为不锈钢材质的中空网状滚 轴，外层镀有纳米陶瓷膜用于生物气的收集和曝气；滚轴中部隔断，好氧 预处理室一端与曝气装置连接，通过镀有纳米陶瓷膜的滚轴对好氧预处理 室进行微纳米曝气，使物料和菌体均匀充氧；厌氧产氢室一端与气体组分 分析系统和气体收集设备相连。

所述的制氢装置，其中，纳米陶瓷镀膜滚轴可通过反冲洗曝气以预防 发酵罐堵塞，同时可作为好氧预处理室的曝气系统，实现有机废弃物的好 -厌氧发酵耦合高效处理与资源化利用。

本发明提供的利用上述制氢装置进行生物制氢的方法：

将有机物破碎后装填入好氧预处理室于15-80℃进行腐解预处理，腐 解后将物料经单向可开启阀门转移至发酵产氢室并加入产氢菌剂，于 25-35℃进行发酵产氢；

制备得到的氢气通过纳米陶瓷膜滚轴收集到气体组分分析系统和气 体收集设备，对生物气品质进行实时监控，并可将检测数据同步传输至控 制系统。

所述的方法，其中，发酵产氢室的加热是利用好氧预处理室内的腐解 预处理过程中产生的热量加热控温系统中的换热液体，加热后的换热液体 进入包覆厌氧产氢室的夹层中对厌氧发酵过程进行加热控温；冷却后的换 热液体重新循环至包覆好氧预处理室的夹层，实现内部热量的循环利用。

本发明的优点在于：

(1)好-厌氧分室耦合设计：本发明罐体内部为双反应区结构，中部由 单向可开启隔板分为好氧预处理室和发酵产氢室，物料首先在好氧预处理 室进行好氧腐解再进入厌氧室进行发酵产氢，实现了厌氧反应器的快速启 动和稳定运行。

(2)无动力消耗控温设计：本发明设计了两个反应区，使废弃物预处 理和厌氧发酵产氢过程分室串联进行，并通过换热介质将两室热量进行交 换，实现无动力控温和能源循环利用，提高了难降解废弃物的处理能力， 减少装置占地面积，节约运行成本。非常合适村镇小规模废弃物的无害化 处理和高值化利用。

(3)太阳能供电设计：设置于底座和支架上的太阳能电池为反应器运 行提供动力，太阳能电池的安装位置既美观又能够有效接受光照。

(4)三棱柱形挡板设计：滚筒反应器内壁设有4-8组三棱柱形挡板，使 反应器内部无死角，避免发酵不均和杂菌生成，通过摔打和旋转作用实现 物料的充分混合，减少对菌丝体的破坏，保证发酵过程的微生物活性，有 效提高发酵产气量和能量转化效率。

(5)纳米陶瓷镀膜滚轴设计：滚筒中心贯穿的滚轴通过纳米陶瓷膜进 行微纳米曝气和生物气收集，实现了好氧和厌氧发酵交替进行。纳米陶瓷 镀膜特有的孔径特征和选择性过滤特性，保证了氢气的高效收集、热量扩 散和均匀曝气，且不易堵塞，无需清理。

(6)可移动和升降设计：装置底座下面安装有360度可旋转万向轮和 轮锁，便于装置的自有移动和安放，实现废弃物的就地及时处理。反应装 置预处理室端底座上安装有一个可升降设备，能够实现物料仓倾斜度的改 变，从而使预处理后的物料在重力作用下通过单向阀门进入厌氧发酵室产 氢。

(7)发酵罐结构简单，具有安装灵活和操作简单等特点；内部不存在机 械运动部件，增加了设备的整体可靠性。一罐多用，既可以用于生物制氢， 又可以用于好氧堆肥或厌氧产沼。

(8)本发明装置启动迅速、动力消耗少、产气量高，生物气的收集和 输送便捷，保证了厌氧发酵产氢过程的高效稳定运行。通过该发明方法的 应用，能够将可再生资源利用、污染治理和制氢联合进行，在有机废弃物 高值化利用的同时实现减排产能的目标。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的左侧视图。

附图中标记说明：

1单向阀门；2好氧预处理室；3厌氧产氢室；4控温层；5挡板；6 进料口；7太阳能电池；8发动机；9纳米陶瓷镀膜滚轴；10法兰；11装 置底座；12重力升降装置；13气体收集分析系统；14复合电极；15采样 口；16视窗；17进液阀；18放液阀；19出料口；20支架；21万向轮； 22.阀门；23气体流量计。

具体实施方式

本发明的制氢装置为两个反应区，使废弃物好氧腐解预处理和厌氧发 酵产氢串联进行并有机结合在同一反应装置内，采用纳米陶瓷镀膜进行气 体输送和运输。通过运行方式的控制和能源循环利用，实现反应器的无动 力控温和稳定运行，有效降低运行成本，处理难降解废物、大幅度提高生 物发酵产气量、产品质量和能源转化效率，实现了有机废弃物高值化利用， 达到减排产能的目的。

本发明的制氢装置布局紧凑合理，既可以处理难降解有机废弃物，保 证反应器快速启动、稳定运行，又占地面积小、生物气产量高、无动力消 耗即可实现温度控制的好-厌氧分室耦合生物制氢反应器。

本发明所述有机废弃物是指高纤维素废弃物(如水生植物、花卉、果 蔬垃圾、秸秆等)和有机质成分较高(如畜禽粪便、动物残体等)的难降 解废弃物。

具体地，本发明的无动力控温好-厌氧耦合生物制氢装置，其主要结构 包括：

本发明装置由发酵罐体、动力驱动装置、太阳能电池、纳米陶瓷膜滚 轴、气体收集输送组件和发酵运行控制组件等组成。发酵罐基本结构为一 个圆柱体，高径比为1∶0.5-1∶5。罐体为双层结构，外层罐体由不锈钢或碳 钢加工制造，内层为不锈钢材质，内壁安装有4-8组三棱柱型挡板，废弃 物在罐体旋转过程中经挡板摔打使物料与发酵菌体充分混合，并及时排除 多余热量。罐体内部为双反应区结构，中部由单向可开启阀门分为预处理 室和发酵产氢室，两室有效容积比为1∶1-1∶5。纳米陶瓷镀膜滚轴从罐体中 心贯穿，轴两端通过法兰固定于装置支架上。为方便进出料，罐体一侧设 计为快开门结构的进料口，另一侧设计为快速出料口。

所述的制氢装置，其中，罐体的双层结构控温层中充填有液体换热液 体，利用好养腐解预处理过程中产生的热量加热换热液体，升温后的换热 液体继续进入厌氧产氢室的控温层对厌氧发酵过程进行加热控温，最后冷 却后的换热液体再重新循环至预处理室控温层，实现体系内部热量的循环 利用。在无动力消耗条件下可使厌氧发酵室的温度保持在20-50℃，好氧 腐解预处理室温度控制在15-80℃。

所述的制氢装置，其中，无动力循环控温装置将两室串联连接，中间 设置换热液混合槽，进行换热液的补充、流速控制和温度调节。

所述的制氢装置，其中，好氧预处理室和厌氧产氢室内部安装有温度、 pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定，并将数据 同步传输至控制面板进行显示。各室罐体中部均设有采样口和视窗，方便 采样和观察发酵罐体内部情况。

所述的制氢装置，其中，纳米陶瓷镀膜滚轴为不锈钢材质的中空网状 滚轴，外层镀有纳米陶瓷膜用于生物气的收集和曝气。滚轴中部隔断，好 氧预处理室一端与曝气装置连接，通过镀有纳米陶瓷膜的滚轴对好氧预处 理室进行微纳米曝气，使物料和菌体均匀充氧；厌氧产氢室一端与气体组 分分析系统和气体收集设备相连，对生物气品质进行实时监控，并可将检 测数据同步传输至控制系统。

所述的制氢装置，其中，纳米陶瓷镀膜滚轴一方面可通过反冲洗曝气 预防反应器堵塞，另一方面可作为好氧预处理阶段的曝气系统，实现有机 废弃物的好-厌氧发酵耦合高效处理与资源化利用。

所述的制氢装置，其中，发酵装置底座和支架上安装有太阳能电池板 和储能供电装置。通过太阳能电池驱动罐体整体旋转实现物料搅拌，变频 器控制电机并调整发酵罐转速。

所述的制氢装置，其中，发酵装置底座与预处理室之间通过止动环安 装有可改变倾斜度的重力升降装置。当好养腐解预处理结束后，升高好氧 预处理室一端的重力升降装置使物料通过单向阀门进入厌氧发酵室进行 产氢。

进一步的，装置底座安装有360度可旋转万向轮和轮锁，便于装置的 自有移动和稳定安放，实现废弃物的就地及时处理。

下面结合附图和实施例对本发明做更详细地说明。

本发明罐体为双反应区结构，中部由单向可开启阀门1分为好氧预处 理室2和厌氧产氢室3，罐体外部为双层控温层4，控温层内填充换热液 体。罐内壁安装有4-8组三棱柱型挡板5，废弃物破碎后经进料口6装填 入底物预处理室2，由太阳能电池7驱动发动机8带动罐体旋转，废弃物 在罐体旋转过程中经挡板摔打使物料与发酵菌体充分混合，并及时排除多 余热量。纳米陶瓷镀膜滚轴9从罐体中心贯穿，轴两端通过法兰10固定 于装置支架20。装置底座安装有360度可旋转万向轮21，便于装置的自 有移动和稳定安放。好氧预处理室一端的纳米陶瓷镀膜滚轴与气泵连接， 通过好氧预处理室内的纳米陶瓷镀膜滚轴9对好氧预处理进行微纳米曝 气，使物料和菌体均匀充氧。

底物经好氧腐解预处理后，通过调整装置底座11的重力升降装置12 使物料从预处理室2经过单向可开启阀门1进入厌氧发酵室3产氢。厌氧 发酵室产生的生物气经纳米陶瓷镀膜滚轴进行收集，出气口通过阀门22 和气体流量计23连接至有气体收集和组分分析系统13，对生物气品质进 行实时监控，并可将检测数据同步传输至控制系统。通过好氧预处理室和 发酵产氢室内部复合电极14对发酵过程中的温度、pH值、溶解氧等指标 进行实时测定，并将数据同步传输至控制面板进行显示。好氧预处理室2 和厌氧发酵室3均设有采样口15和视窗16，方便采样和观察发酵罐体内 部情况。

厌氧产氢室运行的同时，好氧预处理室继续进行下一批次的好氧腐 解，好氧腐解过程中产生的热量通过罐体双层结构控温层4进行热量交换。 本发明的双层结构控温层4为两个独立的夹层，夹层中充填有液体换热介 质。两个夹层的其中一个是好氧预处理室的外壳，另一个夹层是发酵产氢 室的外壳。两个夹层各设有一进液阀和一放液阀，用管道将两个夹层连接 为一体，并通过一个泵使两个夹层内的液体换热介质进行流动，从而形成 控温系统。升温后的换热液体经进液阀17注入放液阀18流入厌氧产氢室 的控温层对厌氧发酵过程进行加热控温，最后冷却后的换热液再重新循环 至好氧预处理室控温层，实现体系内部热量的循环利用。厌氧发酵后的代 谢产物经出料口19排出，进行资源化利用。

一个具体实施例如下：

无动力控温好-厌氧耦合生物制氢装置的设计参数为罐体高径比为 2∶1，外形尺寸2m×1m，总容积1.5m³，其中预处理室有效容积0.5m³，厌 氧产氢室有效容积1.0m³。将秸秆和猪粪按5∶1质量比混合破碎后装填入 好氧室进行好氧腐解预处理，装填量为有效容积的50％。腐解10天后将 物料经单向可开启阀门转移至厌氧产氢室，通过取样口补加高效产氢菌剂 以强化产氢，同时启动无动力控温系统，使厌氧发酵室温度保持在 25-35℃，厌氧发酵周期为5天，生物气中氢气含量大于60％，废弃物资 源转化效率达到85％。反应过程中好氧预处理室和厌氧发酵室内物料发酵 情况通过数据传输系统同步至控面板进行显示，包括发酵温度、pH、氧气 和氢气含量等指标，便于运行控制，保证了反应装置的稳定运行。本发明 装置占地面积小，仅为2平米，并且移动和安装方便，产氢速度快，厌氧 室装料后24小时内即可产氢。