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CN1084058C - 高效能量转换和有机废物的处理 - Google Patents

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Abstract

将有机物转变为电能的方法，包括收集一定量有机物、由其产生生物可燃气和使可燃气经过能量转换器的步骤。可燃气通过厌氧过滤器生成，电能由生物可燃气通过能量转换器例如高效固体氧化燃料电池来变换。为进一步增加该系统效率，用菌致分解器处理有机物的固体或泥状成分，产生更多的生物可燃气。本发明的一个实施例，用太阳能维持菌致分解器的所需温度，进一步提高效率的方法包括使有机物的液体及泥状成分再循环。在有机物中可提取的潜在生物可燃气被充分利用后，剩下的液体成分可排出或用于灌溉，固体成分适合作肥料。

Description

高效能量转换和有机废物的处理
本发明主要涉及电化学燃料电池，特别是涉及利用有机物，诸如动物排泄物来产生电能的技术领域。
有机废物的每年累积量十分巨大。例如，仅在台湾猪粪便的年累积量估计可超过1千万吨。除了出于环境需要对它们进行处理之外，人们已经意识到这类废物可能变成有价值的能源。
许多有机废物含有各种各样的物质，这些物质经过适当的处理后，便能被转变为甲烷或沼气(CH4)。生成甲烷的传统生物处理过程，例如厌氧发酵(也称为菌致分解)，就是将有机物质在适当的温度、环境压力和几乎中性pH值的条件下转变为甲烷和二氧化碳。典型的厌氧发酵是在没有诸如氧、硝酸盐、硫酸盐等外生的电子受体参加的情况下，通过一系列细菌或微生物相互作用完成的。传统的厌氧发酵经常用于废水处理。
甲烷微生物(即甲烷生成细菌)在生成甲烷的分解过程中的作用已经为人们所研究。然而，因为甲烷微生物所分解的基质的数量有限，要通过菌致分解使复杂的有机基分解为甲烷，还需要另外的有机物，因此一个典型的菌致分解器一般装有发酵细菌，乙酰原菌(Acetogenic bacteria)和甲烷微生物的混合物。
发酵菌将水解的聚合物(溶解的糖、缩氨酸和长链脂肪酸)转变为有机酸和酒精半成物。这些半成物通过乙酰原菌的作用被转化为氢、二氧化碳和乙酸，此后再由甲烷菌将氢、二氧化碳和乙酸转化为甲烷。其中，酸和酒精半成物转化为甲烷的时间长于氢和二氧化碳转化为甲烷的时间。
目前，用有机废物的甲烷生产潜力仅一小部分被利用作为能源，此外，用已知方法生产甲烷之后，残留有机物成为仅经部分处理的混合物，其化学性质上不稳定，生物性质上不安全，这种混合物通常被用作为一种不合适的肥料。
因此，本发明的目的是提供一种比现有方法更有效的，将有机物诸如动物排泄物转变为电能的方法。本发明的另一个目的是提供一种能在转换过程中产生更少污染的方法。
本发明给出了一种将诸如动物粪便等有机物转化为电能的方法，从而达到了诸发明目的。本方法包括由一定量的有机物产生诸如甲烷的生物可燃气的步骤，及将它们转化，用于发电的步骤，这种转化可通过燃烧或燃料电池方法来实现。
在一个实施例中，本发明的一个特色就是用一厌氧过滤器从有机物中生成甲烷。产生的甲烷通过一个装置，例如高效固体氧化燃料电池，再产生电能。使用厌氧细菌过滤器和固体氧化燃料电池的特殊优越性将在下面给出详细的介绍。
为了有利于甲烷的产生，本发明的一个实施例包括将采集的有机物分成液体和固体部分的步骤。分开的液体部分流经厌氧性的过滤器可以产生生物可燃气。为增加效率，固体部分被进一步经菌致分解器处理，该分解器不仅能使固体有机物产生更多生物可燃气，而且能将固体又进一步分成液体和一种混合物。二次产生的液体又经过厌氧性过滤器产生更多的生物可燃气，而固体混合物适用于保持土壤肥沃。
为提高菌致分解器的工作效率，可将其放在暖房环境中，处于20-55℃的温升范围内，暖房最好是使用太阳能来维持上述要求的温升。人们已发现将分解器置于此温度范围可增加生物可燃气的产量。
本发明的再一个实施例包括这样的步骤即在产生气体之前，先增稠所采集的有机物，并将其分离成液体和泥状物两部分。在此实施例中，液体通过厌氧性过滤器产生生物可燃气，而泥状部分通过菌致分解器产生生物可燃气。经过菌致分解器之后，泥状部分再一次被固一液分离器处理，分离出来的固体被用作混合肥料，而分离出的液体被再一次送入循环系统。
本发明的另一个实施例包括：液体经过厌氧过滤后，再使其通过一个滴漏器和最终净化器，以得到一种废液，该废液具有适合的低生化耗氧量(BOD)和总悬浮体(TSS)。废液可以直接流入到河水中或用于灌溉，因为它们已符合污染控制的标准。经这些步骤处理后，从液体部分所得到的泥状成份被送到菌致分解器以产生更多的生物可燃气。
本发明的上述这些和其他一些优到点特通过说明书及附图变得更清楚。
图1是流程图，描述了按本发明技术方案将有机废物转变为电能的实施例的步骤。
图2A、2B和2C是适于与本发明方法同时使用的高效固体氧化燃料电池的多面视图。
图3是一个流程图，展示了按本发明技术方案将有机废物转化为电能的另一实施例的步骤。
总的来说，本发明是一种将有机物(如动物排泄物)转化为电能的方法。在现有工艺方法中，典型的做法是将有机物或连续或分批地送入到储存池中。从储存池，有机物被抽出或靠重力流出至将其液一固分离的分离器中。分离的液体部分被送入厌氧反应器，在那里沉淀储留约9-13天。小量的生物可燃气，如甲烷，在此反应器中产生，产生的可燃气被取出后或直接用作燃料或用于驱动内燃机发电机系统发电。这种系统的困难前面已经叙述过。
一旦有机物产生可燃气的能力消失，它们被从厌氧反应器中清除。按照已知的方法，固体成分通常将进行需氧合成以作为肥料。然而，如上所述，由于其化学不稳定性，这种物质不适于作为肥料。
图1所示的本发明系统显示出相当大的优越性。在此系统中，收集的有机物被送入一分离器中以分离液体和固体成份。液体成份被送入厌氧过滤器，通过生物处理技术产生生物可燃气，如甲烷。本发明中使用了厌氧过滤器而不是厌氧反应器，这带来液体滞留时间减短的许多益处。液体滞留时间是指有机物液体为产生最大量生物可燃气而必须在厌氧过滤器中停留的时间。在现存技术中使用厌氧反应器时，滞留时间可能长达13天，而厌氧过滤器在大约两天内就可耗尽液体的可燃气生产能力。与其它系统相比效率上得到了显著改善。流体滞留时间的显著减少主要是由于厌氧过滤器使用了塑料基质，厌氧细菌在其上比在厌氧反应器上能生成和保持高得多的数目。
为进一步提高效率，在图1所示系统中，有机物固体不像现有方法那样当作需氧混合肥料，而是被送入菌致分解器。该分解器可回收有机物内的大部分潜在甲烷。如果把分解器所处的温度控制在约20-55℃以内，效率还可以进一步提高，在约35℃时最好。在本发明所采用的一个特选实施例里，分解器放在太阳能暖房内以维持所需的高温。
在有机物固体成份内的可生甲烷被菌致分解器分解完以后，该固体被分离器进一步分离为混合肥料成份和液体(二次分离液)成份。二次分离液被添加到送入厌氧过滤器的有机物液体成份中。结果是，有机物中所有的甲烷生产能力都被利用了。部分二次分离液也可以再被送入到菌致分解器以改善分解器的混合效率，其结果也是改善生物可燃气的产生效率。
按照本发明的系统，除了将增产的生物可燃气用于燃烧(或直接燃烧或作为驱动内燃机的一种手段)，生物可燃气还可以通过燃料电池被转变为电能。燃料电池转换的优点是没有燃烧，从而带来减少污染，易于保存和低噪声的优点。
在本发明的一个实施例中，使用了一个高效固体氧化燃料电池。这种电池是使用了固体氧化电解质的一种电化学转换器。它效率很高，其效率仅取决于自由能和电化学反应热函之间的关系。固体氧化燃料电池的一个例子在美国专利4614628(1986年9月30日，HSU等人)中有述，该专利的说明在此引用作为参考。
基本燃料电池如图2A，2B和2C所示，它由一个单独的电解质板1和一个单独的传导板2所组成。电解质板1由稳定的氧化锆ZrO2(Y2O3)制成，其上标号3的部分分别镀有洞状的氧化剂电极4和洞状燃料电极5。最好的氧化剂电极材料为钙钛矿，如LaMnO2(Sr)。最好的燃料电极材料是金属陶瓷，如ZrO2/Ni。传导板2由诸如铬镍铁合金的金属或诸如ZrO2/Ni的金属陶瓷所制做。传导板的作用是：作为相邻电解质板1之间的电子连接体；作为气体隔板以得到单极叠片；在电极表面4、5和1、2边缘之间作为热传导通路。
含甲烷量很大的生物可燃气能通过相对于层叠片的轴向通道17进入层叠电池单元，通道17与孔13相通。其反应产生物(主要是水和CO2)通过与孔14相连的通道18排出。进入的生物可燃气通过传导板2上表面上的内凹网状槽6分布在燃料电极表面5上，在突脊7上的凹口8提供连接通道17、18的通口，使它们分别通过孔13、14给电极5添加燃料。氧化剂通过与孔15相通的通道19被注入到层叠电池装置中，并且它们的反应产物由与孔16相通的通道20排出。氧化剂通过相邻电池单元的传导板2下表面上的凹槽网9分布于氧化剂电极表面4的上方。与8类似的凹口和与7类似的突脊提供了一个把通道17、18(与孔13、14相通)与氧化剂电板4相连接的接口。突脊7和10形成了传导板2上凹槽网6和9的侧壁，7和10同时又在层叠安装中与电解质板1接触。突脊7和10与相邻单元的孔状电极5和4紧密接触以实现安装中的电接触。传导板2外缘的突脊，沿螺栓孔12边缘的突脊，沿传导板2上表面边缘并围绕孔15和16的突脊，和传导板2下表面围绕孔13、14的突脊与表面涂层接触，表面涂层的结构与电极涂层相同。这些没有缺口的环形突脊与孔状涂层4和5压紧以形成气体密封。水冷拉杆(图中未示)被装在螺栓孔12中，用于组装。
本发明还可使用多种其它的技术来制做适于本发明使用的燃料电池。例如在授予HSU的美国专利文件4721556(1988年1月26日)和4853100(1989年8月1日)中，都公开了可用于本发明的固体氧化电化学燃料电池的变化形式，本发明使用上述文件作为参考文件。此外，其它形式的燃料电池如熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、固体聚合物燃料电池在特殊应用场合也可能适用于本发明。
图3为一流程图，展示了本发明的另一个将有机废物转变为电能的实施例。在此实施例中，通过将泥状有机物成份中的液体分离出去，而使其稠化。液体成份被送入厌氧过滤器以产生诸如甲烷的生物可燃气。如前所述，液体成份在过滤器中的流体滞留时间为大约两天。而有机物的泥状成份被送入一菌致分解器，此分解器也能生成有机物可燃气成份。从液体和固体产生的可燃气成份都被送入一个燃料电池，例如已描述过的固体氧化燃料电池，以便将可燃气转变为电能。
按此实施例，经过一次提取可燃气的泥状有机物成份从菌致分解器中取出后，再次进行液体和固体分离，分离出的混合固体成份适于作肥料，而液体成份被送回有机物储存池以供再次进行处理。
为提高效率，当有机物的液体成份通过厌氧过滤器后，又被送入滴漏器和最终净化器，以减少液体的污染成份。滴漏器和净化器可使用现有的装置。从最终净化器中提出的泥状物可再循环经过菌致分解器以进一步提取可燃气。经此过程分离出的液体可以排出或用于灌溉，或重新进入滴漏器和最终净化器以便进一步净化和优化工艺过程控制。
上述诸实施例的目的是给出本发明涉及的范围，而不是限定范围。应当理解，对于本领域的技术人员来说，在本发明的范围和构思范围内，本发明可以采用多种变化形式。本发明的保护范围不由说明书所限定，而是由下述权利要求书所限定。

Claims (20)

1.一种高效的将有机物转化为电能的方法，其中包括的步骤为：
收集一定量的有机物；
采用厌氧过滤器或菌致分解器从收集的有机物中生成一种生物可燃气成分；
采用燃烧装置或燃料电池将生成的可燃气转化为电能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中生成生物可燃气成分的步骤采用的是生物处理工艺。
3.根据权利要求1所述的方法，其中燃料电池可从下述种类的电池中选用：固体氧化燃料电池；熔融碳酸盐燃料电池；磷酸燃料电池，和固体聚合物燃料电池。
4.根据权利要求1所述的方法，其中进一步包括的步骤为：在生成生物可燃气成分之前，把收集的有机物分成固体成分和一次液体成分；从所述一次液体成分中生成一次生物可燃气成分。
5.根据权利要求4所述的方法，其中进一步包括的步骤为：从所述的固体成分中生成二次生物可燃气成分；将生成生物可燃气成分后的固体成分进一步分离为二次液体成分和混合物成分；在生成一次生物可燃气成分之前，将二次液体成分与一次液体成分混合。
6.根据权利要求5所述的方法，其中二次生物可燃气成分的生成步骤采用菌致分解器完成。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述的进一步液体、固体分离步骤采用菌致分解器完成。
8.根据权利要求6和7所述的方法，其中菌致分解器被维持在约20～55℃的温度范围中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述的温度范围由太阳能维持。
10.根据权利要求1所述的方法，其中进一步包括以下步骤：将收集的有机物稠化。
11.根据权利要求10所述的方法，其中进一步包括如下步骤：在所述稠化步骤后以及生成步骤之前，将有机物分离为一次液体成分和泥状成分，从所述一次液体成分中生成一次生物可燃气成分。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从泥状成分中生成二次生物可燃气成分，和将所得到的二次生物可燃气成分转变为电能的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述的二次生物可燃气成分是采用菌致分解器生成的。
14.根据权利要求12所述的方法，其中进一步包括下述步骤：在从泥状成分生成二次生物可燃气成分后，将该泥状成分分离为二次液体成分和混合物成分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中进一步包括：将二次液体加入所收集的有机物中的步骤。
16.根据权利要求11所述的方法，其中进一步包括：在生成生物可燃气成分之后，使一次液体成分经过滴漏器的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其中进一步包括的步骤为：在一次液体成分经过滴漏器后，进一步减少其中的生化耗氧量(BOD)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述的泥状成分通过使用最终净化器从一次液体成分中被分离出来。
19.根据权利要求18所述的方法，其中进一步包括：再次使一次液体成分经过滴漏器的步骤。
20.根据权利要求18所述的方法，其中进一步包括从所述的泥状成分中生成二次生物可燃气成分的步骤。
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