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CN102839121B - 一种农村户用小型生物制氢装置 - Google Patents

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Abstract

一种村镇户用小型制氢装置：垃圾破碎装置，通过绞龙与产氢反应器的进料口相连；产氢反应器内部为好氧预处理室和厌氧发酵产氢室组成的双反应区结构，破碎后的垃圾分别进行好氧预处理和厌氧发酵产氢；好氧预处理室和厌氧发酵产氢室之间设有朝厌氧发酵产氢室单向可开启的阀门；产氢反应器中心贯穿有用于氢气收集和曝气的纳米陶瓷镀膜滚轴，纳米陶瓷镀膜滚轴的出气端连接氢气膜分离装置，对生物气中氢气进行净化和干燥；氢气膜分离装置连接分子筛储氢装置；产氢反应器安装在一底座上，该底座下部安装有360度可旋转万向轮，便于装置的移动和安放；底座两侧设有支架，分别用于固定绞龙和氢气膜分离装置。本发明还提供了利用上述装置制备氢气的方法。

Description

一种农村户用小型生物制氢装置
技术领域
本发明属于生物能源技术领域，具体涉及一种农村户用小型生物制氢装置。 
背景技术
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1亿-1.5亿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。 
氢气作为高效、清洁、可再生的能源，受到人们的日益关注。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，由于村镇废弃物分散、混杂，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、能耗高和占地面积大等问题。因此，研发适合我国村镇单户使用的，具有“小型化、低成本、易操作”的厌氧产氢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村镇户用小型制氢装置。 
本发明的又一目的在于提供一种利用上述制氢装置制备氢气的方法。 
为实现上述目的，本发明提供的村镇户用小型制氢装置，主要包括： 
垃圾破碎装置，通过绞龙与产氢反应器的进料口相连； 
产氢反应器的壳体为双层结构，产氢反应器内部为好氧预处理室和厌 氧发酵产氢室组成的双反应区结构，破碎后的垃圾分别进行好氧预处理和厌氧发酵产氢；好氧预处理室和厌氧发酵产氢室之间设有朝厌氧发酵产氢室单向可开启的阀门；
产氢反应器壳体的双层结构为与预处理室和发酵产氢室相对应的两个独立的夹层，夹层中充填有液体换热介质；两个夹层均各设有进液口和出液口，并通过管道进行连接； 
产氢反应器中心贯穿有用于氢气收集和曝气的纳米陶瓷镀膜滚轴，纳米陶瓷镀膜滚轴连接氢气膜分离装置，对生物气中的氢气进行净化和干燥；氢气膜分离装置连接分子筛储氢装置； 
产氢反应器安装在一底座上，该底座下部安装有360度可旋转万向轮，便于装置的移动和安放；底座两侧设有支架，分别用于固定绞龙和氢气膜分离装置。 
所述的制氢装置，其中，垃圾破碎装置包括垃圾破碎室和绞龙，绞龙的一端与产氢反应器的进料口相连，垃圾破碎室和绞龙共同固定于产氢反应器支架上。 
所述的制氢装置，其中，产氢反应器为高径比1∶0.5-1∶5的卧式滚筒；内部的好氧预处理室和厌氧发酵产氢室的体积比为1∶1-1∶5。 
所述的制氢装置，其中，产氢反应器内壁安装有4-6组三棱柱型挡板，破碎后的垃圾在产氢反应器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；产氢反应器的外壳为双层结构的控温层，该控温层中充填有液体换热介质，利用好氧预处理过程中产生的热量对厌氧产氢室进行控温，实现体系内部热量的循环利用。 
所述的制氢装置，其中，产氢反应器内部均安装有温度、pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定。 
所述的制氢装置，其中，氢气膜分离装置中安装有膜组件和干燥剂，对生物气中的氢气进行分离和干燥。 
所述的制氢装置，其中，分子筛储氢装置内部装填有杭锦2#土与赤泥经水化合成法制备的储氢分子筛；储氢分子筛的装填量为分子筛储氢装置有效容积的10-80％。 
本发明提供的利用上述制氢装置制备氢气的方法，破碎后的垃圾在产 氢反应器的好氧预处理室进行好氧预处理，产生的生物气通过设有朝厌氧发酵产氢室单向可开启的阀门进入厌氧发酵产氢室，并在厌氧发酵产氢室内加入产氢菌剂进行厌氧发酵产氢； 
产生的生物气由纳米陶瓷镀膜滚轴收集，经氢气膜分离装置对生物气中的氢气进行净化和干燥后进入分子筛储氢装置储存。 
所述的方法，其中，好氧预处理的温度为15-80℃；厌氧发酵产氢的温度为20-35℃。 
所述的方法，其中，厌氧产氢室的控温是利用好氧预处理过程中产生的热量对厌氧产氢室进行控温，实现体系内部热量的循环利用。 
本发明将机械预处理、生物处理、膜处理、物理化学吸附等技术有机结合、优势互补，组合装置具有安装灵活、占地面积小、运行费用低、产气量大、可间歇运行等特点，生物气的收集、净化和储存方便，适于农村单户生活垃圾的资源化利用。通过本发明的应用，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为本发明结构示意图； 
附图中的符号标记说明： 
1破碎装置；2绞龙；3双室产氢反应器；4好氧预处理室；5厌氧发酵室；6复合电极；7纳米陶瓷镀膜滚轴；8氢气膜分离装置；9分子筛储氢装置；10支架；11底座；12万向轮；13单向阀门。 
具体实施方式
本发明提供了一种布局紧凑合理，既可以处理难降解有机废弃物，保证产氢反应器的快速启动、稳定运行，又占地面积小、生物气产量高，便于储存和利用的生物制氢组合装置，以用于农村单户生活垃圾处理和高值化利用。 
本发明所述村镇生活垃圾包括厨余垃圾、人畜粪便、秸秆及难降解的混杂垃圾。 
本发明提出的村镇户用小型生物制氢组合装置，其主要结构是： 
本发明装置由垃圾破碎输送装置、产氢反应器是由好氧预处理室和厌氧发酵产氢室组成的双反应区结构(以下简称双室产氢反应器)、氢气膜分离装置、分子筛储氢装置依次串联连接组成。垃圾破碎输送装置与双室产氢反应器通过绞龙相连，破碎后的垃圾在双室产氢反应器内分别经过好氧预处理室和厌氧发酵室后产生高氢含量生物气。双室产氢反应器的纳米陶瓷镀膜滚轴出气端连接氢气膜分离装置，进行生物气净化。膜分离装置连接分子筛储氢装置，用于富氢气体的储存和利用。 
所述的制氢装置，其中，垃圾破碎输送装置包括垃圾破碎室和绞龙，绞龙一端与双室产氢反应器进料口相连，共同固定于产氢反应器支架上，节省占地面积。 
所述的制氢装置，其中，双室产氢反应器为高径比1∶0.5-1∶5的卧式滚筒，内壁安装有4-6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，体积比为1∶1-1∶5。双室内部均安装有温度、pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定。纳米陶瓷镀膜的滚轴从滚筒中心贯穿，轴两端通过法兰固定于装置支架，用于氢气的收集和曝气。 
所述的制氢装置，其中，双室产氢反应器外部控温层中充填液体换热介质，利用好养预处理过程中产生的热量加热换热液，升温后的换热液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，氢气膜分离装置由氢气分离膜、干燥剂、装置外壳组成，用于生物气中氢气与其他组分的分离，兼具气体干燥的作用。厌氧产生的生物气经氢气分离膜提纯后，氢气纯度达到90％以上。 
所述的制氢装置，其中，分子筛储氢装置内部装填有储氢分子筛。储氢材料是由杭锦2#土与赤泥经水化合成法制备高吸附性能的分子筛储氢材料，装填量为储氢室容积的10-80％。 
所述的制氢装置，其中，氢气膜分离装置和分子筛储氢装置均安装于双室产氢反应器底座上，紧凑设计大大减少了组合装置的占地面积。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。 
村镇生活垃圾经破碎装置1粉碎后通过绞龙2输送至双室产氢反应器3，垃圾在双室产氢反应器3内分别经过好氧预处理室4和厌氧发酵室5后产生高氢含量生物气，好氧预处理室4和厌氧发酵室5中间设有朝向厌氧发酵室5单向可开启的单向阀门13。通过好氧预处理室4和厌氧发酵室5内的温度、pH值、溶解氧复合电极6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。生物气经纳米陶瓷镀膜滚轴7输送至氢气膜分离装置8进行净化和干燥，本发明的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。净化后的富氢气体通过分子筛储氢装置9进行储存和利用。 
整套组合装置均合理安放于产氢反应器支架10和底座11上，其中破碎设备安装于左侧底座上，绞龙固定于左侧支架上，氢气膜分离装置固定于右侧支架，分子筛储氢装置安装于右侧底座上。整套组合装置底座下安装有360度可旋转万向轮12，便于装置的自有移动和安放，实现废弃物的就地及时处理。 
一个具体实施例如下： 
村镇户用小型生物制氢组合装置总占地面积2.5m2，其中垃圾破碎机外形尺寸30cm×30cm，绞龙长为50cm；双室产氢反应器高径比为2∶1，外形尺寸2m×1m，总容积1.5m3，其中好氧预处理室有效容积0.5m3，厌氧产氢室有效容积1.0m3，容积比例为1∶2；氢气膜分离装置为柱状，外形尺寸20cm×10cm，悬挂于右侧支架上方，分子筛储氢装置位于右侧支架下方，外形尺寸20cm×10cm的圆柱体，内部填充杭锦2#土分子筛，填充量60％。将生活垃圾破碎后装填入好氧室进行腐解预处理，装填量为有效容积的50％。腐解7天后将物料经单向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。由于本发明的产氢反应器壳体为双层结构，该双层结构分成两个独立的夹层，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口和一出液口，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。本发明的控温系统是利用好氧预处理为放热反应，厌氧发酵为吸热反应的原理。用好氧预处理室产生的热量加热的液体换热介质流动到厌氧发酵室，对厌氧发酵室进行加热，使厌氧发酵室温度保持在20-35℃，厌氧发酵周期为4天，生物气中氢气含量高于60％，废弃物资源转化效率达到80％以上，垃圾无害化100％。反应过程中两室物料发酵信息通过数据传输系统同步至控面板进行显示，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，移动和安装方便，产氢速度快，厌氧室装料后12小时内即可产氢。 

Claims (10)

1.一种村镇户用小型制氢装置，主要包括：
垃圾破碎装置，通过绞龙与产氢反应器的进料口相连；
产氢反应器的壳体为双层结构，产氢反应器内部为好氧预处理室和厌氧发酵产氢室组成的双反应区结构，破碎后的垃圾分别进行好氧预处理和厌氧发酵产氢；好氧预处理室和厌氧发酵产氢室之间设有朝厌氧发酵产氢室单向可开启的阀门；
产氢反应器壳体的双层结构为与预处理室和发酵产氢室相对应的两个独立的夹层，夹层中充填有液体换热介质；两个夹层均各设有进液口和出液口，并通过管道进行连接；
产氢反应器中心贯穿有用于氢气收集和曝气的纳米陶瓷镀膜滚轴，纳米陶瓷镀膜滚轴的出气端连接氢气膜分离装置，对生物气中的氢气进行净化和干燥；氢气膜分离装置连接分子筛储氢装置，分子筛储氢装置内部装填有杭锦2#土与赤泥经水化合成法制备的储氢分子筛；
产氢反应器安装在一底座上，该底座下部安装有360度可旋转万向轮，便于装置的移动和安放；底座两侧设有支架，分别用于固定绞龙和氢气膜分离装置。
2.根据权利要求1所述的制氢装置，其中，垃圾破碎装置包括垃圾破碎室和绞龙，绞龙的一端与产氢反应器的进料口相连，垃圾破碎室和绞龙共同固定于产氢反应器支架上。
3.根据权利要求1所述的制氢装置，其中，产氢反应器为高径比1:0.5-1:5的卧式滚筒；内部的好氧预处理室和厌氧发酵产氢室的体积比为1:1-1:5。
4.根据权利要求1所述的制氢装置，其中，产氢反应器内壁安装有4-6组三棱柱型挡板，破碎后的垃圾在产氢反应器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；产氢反应器的外壳为双层结构的控温层，该控温层中充填有液体换热介质，利用好氧预处理过程中产生的热量对厌氧产氢室进行控温，实现体系内部热量的循环利用。
5.根据权利要求1、3或4所述的制氢装置，其中，产氢反应器内部均安装有温度、pH值、溶解氧复合电极，对发酵过程中的指标进行实时测定。
6.根据权利要求1所述的制氢装置，其中，氢气膜分离装置中安装有膜组件和干燥剂，对生物气中的氢气进行分离和干燥。
7.根据权利要求1所述的制氢装置，其中，储氢分子筛的装填量为分子筛储氢装置有效容积的10-80%。
8.一种利用权利要求1所述制氢装置制备氢气的方法，破碎后的垃圾在产氢反应器的好氧预处理室进行好氧预处理，产生的生物气通过设有朝厌氧发酵产氢室单向可开启的阀门进入厌氧发酵产氢室，并在厌氧发酵产氢室内加入产氢菌剂进行厌氧发酵产氢；
产生的生物气由纳米陶瓷镀膜滚轴收集经氢气膜分离装置对生物气中的氢气进行净化和干燥后进入分子筛储氢装置储存，分子筛储氢装置内部装填有杭锦2#土与赤泥经水化合成法制备的储氢分子筛。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，好氧预处理的温度为15-80℃；厌氧发酵产氢的温度为20-35℃。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，厌氧产氢室的控温是利用好氧预处理过程中产生的热量对厌氧产氢室进行控温，实现体系内部热量的循环利用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anil K. Prabhu et al.Highly hydrogen selective ceramic membranes: application to the transformation of greenhouse gases.《Journal of Membrane Science》.2000,第176卷第233-248页.
Highly hydrogen selective ceramic membranes: application to the transformation of greenhouse gases;Anil K. Prabhu et al;《Journal of Membrane Science》;20000531;第176卷;第233-248页 *

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