基本信息
- 項目名稱：
- 生態(tài)能源動力系統(tǒng)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 生物再生能源的試驗研究是發(fā)明設計一種雙層分室結構的生物能源發(fā)生器，利用農業(yè)生態(tài)資源的廢物，通過智能系統(tǒng)控制微生物群在厭氧狀態(tài)、適宜溫度等環(huán)境條件下的發(fā)酵作用，產(chǎn)生一種生物氣體能源。經(jīng)試驗證明，應用生物能源系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體能源甲烷含量比傳統(tǒng)方式提高12.3％，氣體燃燒熱值提高19.7MJ/m3，是一種再生的生物能源。
- 詳細介紹：
- 生物再生能源系統(tǒng)是利用農業(yè)生態(tài)資源的多種廢物按一定含量科學配制生態(tài)能源混合料，在分體式生物反應器內，通過智能系統(tǒng)控制微生物群在厭氧狀態(tài)和一定環(huán)境下的快速發(fā)酵作用，產(chǎn)生一種生物氣體能源。該混合氣體主要成分是甲烷、其余為二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫，其中甲烷含量達65%--82%。該氣體混合燃燒時，熱值達48.7MJ/m3，呈藍色火焰，溫度高達1400℃，將氣體能源輸送到研究設計的功率為1000W的發(fā)電機，每0.5立方米的生物能源可發(fā)電4.5千瓦時，每次相當于3.8公升汽油的能量，是一種再生的生物能源。 生物再生能源系統(tǒng)由生物能源發(fā)生系統(tǒng)、生物能源動力轉化系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等部分組成。 一）、生物能源發(fā)生系統(tǒng) 氣體能源發(fā)生系統(tǒng)包括能源發(fā)生器、能源混合料、微生物發(fā)酵劑和智能控制器等部分。生物能源氣體是在能源發(fā)生器內，先添加一定量的混合料，通過控制厭氧狀態(tài)和使能源發(fā)生器內保持相對的環(huán)境條件，利用微生物種群的混合發(fā)酵技術產(chǎn)生的，具有產(chǎn)氣速度快、產(chǎn)氣量高、使用方便、再生環(huán)保、變廢為寶等特點。 1、 生物能源發(fā)生器 為了便于按裝與控制，能源發(fā)生器采用雙層分室結構，改變了傳統(tǒng)單體發(fā)酵罐反應難控制，保溫效果差的弊端，能源發(fā)生器分為能源發(fā)酵室和氣體能源儲備室兩部分。結構如圖所示 1）能源發(fā)酵室 能源發(fā)酵室為一橡膠材料的囊狀物，具有耐壓性強，使用方便等特點，主要作用是混合料添加后，為微生物提供適宜的發(fā)酵場所，能源發(fā)酵室一端連接進料器和微生物發(fā)酵劑投放器，另一端連接自動控制的排料口。 2）氣體能源儲備室 氣體能源儲備室又分低壓能源室和中壓能源室，低壓能源室與能源發(fā)酵室直接相通，能源發(fā)酵室內產(chǎn)生的氣體能源可直接通到低壓能源室中，當?shù)蛪耗茉词覂冗_到一定壓力時，通過壓力傳感器啟動壓力泵將氣體能源儲存在中壓能源室，因此，中壓能源室可為發(fā)電機提供持續(xù)的氣體能源，保障為動力系統(tǒng)的提供充足的能源。 2、能源混合料的配比試驗 能源混合料的質量高低，直接關系到能源氣體的產(chǎn)量。試驗表明：微生物群對能源混合料要求必需有多種成分的營養(yǎng)，我們充分利用農業(yè)生態(tài)資源中的有機廢物、畜禽排泄物、植物粉等為原料，再添加微量的高營養(yǎng)元素和微生物活化劑，按一定比例配制成能源混合料。通過多次的發(fā)酵試驗，利用幾種單一原料按一定比例的配合，配制的能源混合料，可大大提高能源氣體的產(chǎn)量。 1）、發(fā)酵原料的類型及特性 根據(jù)發(fā)酵原料的化學性質和來源，分以下幾類： A、富氮原料；富氮原料主要指畜禽排泄物，這類原料含有較多的低分子化合物，氮素的含量也較高，其碳：氮比一般都小于25：1，因此不需預處理，發(fā)酵周期短，分解和產(chǎn)氣速度也比較快，可通過一定的生物預處理技術，將該類原料加工成一定形狀，作為混合料的主要原料。 B、其他類型原料：有機廢物，包括各種廢渣廢水，如酒糟、制豆腐的廢水、生活污水和有機垃圾，各類秸稈、青草、雜草及水生植物等，其組織較軟，易被微生物分解利用。如，玉米酒精蒸餾廢水的COD濃度為40000mg/L。有些廢水肉眼看來好像不“濃”，但可溶性組分多，產(chǎn)生的能源氣體含量高。 2）、發(fā)酵混合料的配比試驗 生物能源動力系統(tǒng)適用于微生物群發(fā)酵的原料有很多種，可根據(jù)當?shù)貤l件因地選料。目前，實驗效果比較突出的有以下種類：畜禽排泄物、食品加工、淀粉加工的廢物（酒糟、制豆腐的廢渣水）等。運用計算機技術將以上原料按不同比例配制各種方劑，再添加5%的營養(yǎng)元素和微生物活化劑，設對照組，經(jīng)過對比試驗應用，選擇出生態(tài)能源產(chǎn)量高，產(chǎn)氣速度快的方劑。加工成一定形態(tài)，使用方便、效果顯著的能源混合料。試驗效果分析，同一接種量，不同能源混合料配方發(fā)酵產(chǎn)氣量不同。因此，要提高生態(tài)能源的產(chǎn)量，必須選用能源混合料。 3、微生物發(fā)酵劑 根據(jù)微生物的發(fā)酵功能，將參與能源氣體產(chǎn)生的主要微生物分為三類。 第一類叫發(fā)酵細菌。包括各種有機物分解菌，它們能分泌胞外酶，主要作用是將復雜的有機物分解成較為簡單的物質。例如多糖轉化為單糖，蛋白質轉化為肽或氨基酸，脂肪轉化為甘油和脂肪酸。 第二類叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌。主要作用是將前一類細菌分解的產(chǎn)物進一步分解成乙酸和二氧化碳。 第三類叫產(chǎn)甲烷菌。主要作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳生產(chǎn)甲烷氣。 在微生物發(fā)酵過程中，發(fā)酵菌、乙酸菌、甲烷菌三類微生物既相互協(xié)調，又相互制約，由多種微生物共同完成能源氣體的生成過程。因此，在微生物發(fā)酵中，加入足夠量的微生物作為接種物是極為重要的. 4、生物能源的發(fā)酵過程及產(chǎn)氣原理 生物能源的產(chǎn)生主要是由多種微生物在厭氧狀態(tài)下，通過分解有機物來完成的。在不同的發(fā)酵原料和不同條件下，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的能源產(chǎn)量有所不同。根據(jù)試驗效果分析，由于參與發(fā)酵的微生物種類繁多，這就決定了發(fā)酵過程的復雜性，其代謝產(chǎn)物除了能源氣外也是多種多樣的。根據(jù)三類微生物的不同作用，可以將能源發(fā)酵的生化過程分為四個階段， 1）水解階段: 將不溶解的有機化合物和聚合物通過生物酶法轉化為可溶解的有機物。由棱菌屬、擬桿菌屬等細菌將碳水化合物和蛋白質等大分子有機質降解為小分子有機化合物，如葡萄糖、氨基酸等。 2）發(fā)酵階段：將第一階段的有機物發(fā)酵為有機酸。由梭菌屬、擬桿菌屬及其他細菌（如乳酸菌類、丙酸桿菌屬）進一步將水解的產(chǎn)物降解為小分子的醇類、有機酸類、二氧化碳、氫氣、氨氣等。 3）產(chǎn)乙酸和產(chǎn)氫階段：把發(fā)酵作用所產(chǎn)生的小分子醇類和一些脂肪酸降解為乙酸、甲酸、二氧化碳和氫。人們對這類細菌了解尚少，甚至連種、屬都還沒有明確。但已肯定這類細菌所產(chǎn)生的氫對其自身進一步生長繁殖有抑制作用。因此，產(chǎn)乙酸和氫的細菌，必須與能利用氫的細菌，如產(chǎn)甲烷細菌和伍氏乙酸桿菌等共同生存。 4）產(chǎn)甲烷階段：由產(chǎn)甲烷細菌將前三階段所產(chǎn)生的氫氣、二氧化碳以及甲酸、乙酸甲醇和甲胺類等轉化為甲烷。產(chǎn)甲烷細菌形態(tài)多樣，但生理特性卻大致相同，在缺氧條件下，均以甲烷為主要代謝產(chǎn)物。 5、環(huán)境條件對生物能源產(chǎn)生的影響 通過試驗表明，在生物能源產(chǎn)生過程中，微生物發(fā)酵是一個生物化學的綜合過程，若不具備相應的環(huán)境條件，將直接影響能源氣體的產(chǎn)量。 1）、厭氧條件：在生物能源發(fā)酵過程中，參與的微生物主要是產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌兩大類。產(chǎn)酸階段的產(chǎn)酸菌大多數(shù)是厭氧菌，還有一部分為好氧菌和兼性厭氧菌，而產(chǎn)氣階段的產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌，不需要氧，氧對產(chǎn)甲烷菌反而有毒害作用，因此，必須創(chuàng)造良好厭氧條件。 能源氣體的產(chǎn)生，需要的發(fā)酵微生物構成了一個復雜的生態(tài)系。當微生物發(fā)酵啟動或新料裝入發(fā)生器時，帶進了一部分氧，但由于在密封的發(fā)生器內，通過好氧菌和兼性厭氧菌的活動迅速消耗這部分氧，從而創(chuàng)造了良好的厭氧條件。 2）、溫度對生態(tài)能源產(chǎn)量的影響 在生物能源產(chǎn)生過程中，同一方劑混合料接種同劑量的微生物，在不同的溫度環(huán)境中，能源氣體的產(chǎn)量也不同，包括原料的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣速度。 根據(jù)試驗表明，發(fā)酵微生物最適生長溫度可劃分為中溫群(30～40℃)和高溫群(55～60℃)。低于4℃時，發(fā)酵微生物的代謝基本停止。 微生物發(fā)酵的適宜溫度為10-65℃，30~50℃是高溫厭氧菌活動區(qū)，產(chǎn)氣速度最快。 在溫度為10℃時，微生物盡管發(fā)酵了90小時，但其在產(chǎn)氣率只有30℃發(fā)酵小時天時的59%。溫度的突然變化會對產(chǎn)氣發(fā)生很大影響，因此，生態(tài)能源發(fā)生器必須具有一定的保溫效果，溫度是整個系統(tǒng)的重要監(jiān)控指標。 3）、壓力對能源產(chǎn)量的影響 生物能源混合料的厭氧生物降解，是一個復雜的生物化學過程，在厭氧微生物反應器中，微生物對發(fā)酵原料進行有機降解，最終生成能源氣體。在生物反應器中，存在著液相和氣相兩個室，由于液體靜壓力作用，甲烷氣向上浮升，從液相界面進入到氣相中，使生物反應器內的壓力不斷增高，生物反應器中氣體能源的增壓過程，實質上是發(fā)酵微生物旺盛繁殖及能源氣的富集增壓過程，微生物在厭氧發(fā)酵過程中，生物的代謝壓力是通過液體靜壓力實現(xiàn)的。假定產(chǎn)甲烷菌的生長代謝正常進行，生物代謝產(chǎn)生的代謝壓力將達到1MPa。實質上當壓力提高，溫度不變的情況下，液相中二氧化碳的溶解度也在相應加大，隨著溶解在發(fā)酵液中的二氧化碳濃度增大，發(fā)酵菌受到抑制，如再提高壓力，壓力將不再升高，全部壓力將加至到有機酸的累積中去，發(fā)酵液的酸度會逐漸變強。壓力與溫度同二氧化碳溶解度的厭氧發(fā)酵關系。 4）、PH值 在不同混合料，微生物群的最適生長的酸堿度有很大差異,但在微生物反應器中pH為7左右最適于產(chǎn)生能源氣體。 5）、產(chǎn)氣率的測試 單位質量原料的產(chǎn)氣量稱為原料產(chǎn)氣率，根據(jù)不同情況可分為理論產(chǎn)氣率、實驗室產(chǎn)氣率和實際產(chǎn)氣率。理論產(chǎn)氣率可用原料的化學成分計算，是不變的。實驗室產(chǎn)氣率可用具體實驗來測，它有一定變化。生產(chǎn)產(chǎn)氣率通常是根據(jù)大量實際情況來估計或進行實測。 二）、生物能源動力系統(tǒng) 利用能源發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的生物氣體能源，通過壓縮泵儲存在中壓能源室內，將中壓室的氣體能源輸入到我們研究設計的生態(tài)能源發(fā)電機內，通過發(fā)電機將生物能源氣體轉變成電能，為生物能源動力車的運行提供源源不斷的動力。通過對生物能源動力車的尾氣檢測，達到歐4排放標準。 另外，通過應用試驗，以功率為1000W的生物能源發(fā)電機為例，每0.6立方米的能源氣可發(fā)電4.5千瓦時，每天所發(fā)電量完全足夠多個家庭照明、看電視、開電扇供應。 三）、智能控制系統(tǒng) 為了保障整個系統(tǒng)的正常運行，生物能源動力系統(tǒng)系統(tǒng)采用可編程控制器實行智能控制，該裝置通過溫度傳感器、氣體壓力傳感器、濃度傳感器等多種感應系統(tǒng)進行檢測，根據(jù)設定的數(shù)據(jù)進行相關處理，控制不同的系統(tǒng)運行，達到持續(xù)、高效產(chǎn)生氣體能源的效果。 控制一：原料投入控制器。進料濃度關系到微生物的發(fā)酵濃度，對不同能源混合料來說，所需的最佳濃度是不同的。以玉米淀粉廢物為原料的能源氣體發(fā)生器，一般不超過31%，但對可溶性COD濃度則無限制。在原料投入時，為了控制盡量減少氧氣的含量，采用螺旋封閉投料法，通過螺旋電機旋轉投料。 控制二：微生物投入控制器。正常沼氣發(fā)酵是由一定數(shù)量和種類的微生物來完成的。為了提高能源氣體的高效持續(xù)生產(chǎn)，發(fā)酵一段時間后，可根據(jù)發(fā)酵效果的需要增添微生物發(fā)酵劑。 控制三：溫度控制器。微生物發(fā)酵可在10~65℃范圍內進行。溫度的突然變化會對產(chǎn)氣發(fā)生很大影響，溫度是必需的監(jiān)控指標。溫度低于10℃，能源產(chǎn)生基本停止，需要溫度控制器對能源反應器進行溫度調節(jié)。 控制四：氣體排放控制器。在微生物發(fā)酵過程中，壓力對微生物發(fā)酵關系密切，可通過壓力控制器對能源反應發(fā)生器和能源儲備室的壓力進行智能調節(jié)。 控制五：出料控制器。能源反應發(fā)生器的混合料經(jīng)過一定時間后，能源產(chǎn)量開始降低，可根據(jù)微生物發(fā)酵的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量進行自動控制更換混合料。 控制六：定時攪拌控制器。能源氣體發(fā)生器的底部，裝有一個定時攪拌控制器，微生物發(fā)酵過程中，每隔一定時間控制器會自動翻轉，使原料和微生物增加接觸機會，促進微生物新陳代謝，提高氣體能源的產(chǎn)量。 控制七：能源氣體分離控制器。通過對能源氣體自動脫硫、氣水分離等作用，可在微生物發(fā)酵反應過程中自動除去二氧化硫和水蒸氣，最大限度地提高了甲烷的純度，使熱值增高，（約8000大卡/m3，純甲烷8600-9500大卡/m3）。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的和思路： 隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源消耗以每年20%以上的速度遞增，由于地下的石油、煤炭資源儲量有限，能源緊張在日益加劇。因此，開發(fā)利用新能源，綠色能源的開發(fā)利用越來越得到人們的重視和政府高度關注,成為當今世界開發(fā)的再生能源之一。 創(chuàng)新點： 生物再生能源系統(tǒng)是利用農業(yè)生態(tài)資源的多種廢物按一定含量科學配制生態(tài)能源混合料，在分體式生物反應器內，通過智能系統(tǒng)控制微生物群在厭氧狀態(tài)和一定環(huán)境下的快速發(fā)酵作用，產(chǎn)生一種生物氣體能源。該混合氣體主要成分是甲烷、其余為二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫，其中甲烷含量達65%--82%。該氣體混合燃燒時，熱值達48.7MJ/m3，呈藍色火焰，溫度高達1400℃，將氣體能源輸送到研究設計的功率為1000W的發(fā)電機，每0.5立方米的生物能源可發(fā)電4.5千瓦時，每次相當于3.8公升汽油的能量，是一種再生的生物能源。
科學性、先進性
- 科學性 利用農業(yè)生態(tài)資源的多種廢物添加一定的微生物活化劑和營養(yǎng)素，配制適于提高生態(tài)能源的混合料，改變了使用單一原料產(chǎn)量少，產(chǎn)氣速度慢的傳統(tǒng)模式。研究設計一種雙層分室結構的生態(tài)能源發(fā)生器，一是解決使用單體發(fā)酵裝置保溫效果差，能源產(chǎn)生難控制的弊端，二是全球人們對能源發(fā)生器進行投料和排料。利用壓力、間諜等傳感器對提高能源產(chǎn)量的運行系統(tǒng)進行智能控制，并將產(chǎn)生的氣體能源進行中壓儲存和電能轉化貯存，保障生態(tài)能源動力系統(tǒng)風馳霆擊的持久性。 先進性 1、生態(tài)能源動力系統(tǒng)的能源產(chǎn)量高，比傳統(tǒng)模式提高能源產(chǎn)量12.3%能源燃燒值提高18.7MJ/m3 2、生態(tài)能源動力系統(tǒng)的能源利用率高，燃燒無污染，節(jié)能環(huán)保，對生態(tài)能源動力車的尾氣檢測，達到歐4排放標準。 3、生態(tài)能源動力系統(tǒng)設計合理，工藝先進，創(chuàng)新性新性強。經(jīng)過濰坊市科技情報所的信息檢索和專業(yè)技術咨詢，被專家譽為“世界上第一輛真正利用生物代謝為能源的動力車”。
獲獎情況及鑒定結果
- 該項目已申請濰坊市專家鑒定，計劃于2011年6月中旬進行專家鑒定。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 試驗效果符合節(jié)能、環(huán)保標準，聯(lián)系當?shù)卣茝V應用。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 生物再生能源系統(tǒng)是利用農業(yè)生態(tài)資源的多種廢物按一定含量科學配制生態(tài)能源混合料，在分體式生物反應器內，通過智能系統(tǒng)控制微生物群在厭氧狀態(tài)和一定環(huán)境下的快速發(fā)酵作用，產(chǎn)生一種生物氣體能源。該混合氣體主要成分是甲烷、其余為二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫，其中甲烷含量達65%--82%。該氣體混合燃燒時，熱值達48.7MJ/m3，呈藍色火焰，溫度高達1400℃，將氣體能源輸送到研究設計的功率為1000W的發(fā)電機，每0.5立方米的生物能源可發(fā)電4.5千瓦時，每次相當于3.8公升汽油的能量，是一種再生的生物能源，具有很高的推廣應用價值。
同類課題研究水平概述
- 經(jīng)濰坊市科技情報研究所的信息檢索和技術查新，利用生態(tài)再生能源進行動力系統(tǒng)研究的試驗，在國、內外尚無相同的專利及相關文獻。 它的主要創(chuàng)新點： 1、利用生態(tài)垃圾等多種廢物為原料，添加微量的微生物活化劑和營養(yǎng)素，科學配制成適于微生物發(fā)酵的生物能源混合料，改變單一原料產(chǎn)氣速度慢、能源產(chǎn)量少的傳統(tǒng)模式。 2、研究設計的雙層分體結構，選用PVC材料制作的生態(tài)能源反應器，一是解決傳統(tǒng)發(fā)酵裝置保溫效果差，能源反應難控制的弊端，二是方便了能源發(fā)生器投料和排料。 3、利用壓力、溫度等傳感器智能控制能源產(chǎn)量的運行系統(tǒng)，將產(chǎn)生的氣體能源進行合理的中壓儲存和電能轉化貯存，保障生物能源利用系統(tǒng)的運行持久性。 附：山東省科技信息檢索中心的查新報告
