一种用于沼气生产与发电系统的能量利用装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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.热泵热水器本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志武，
申请(专利权)人：蔡志武，
类型：发明
国别省市：