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CN101974411A - 一种有机生活垃圾制氢装置 - Google Patents

一种有机生活垃圾制氢装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物制氢装置，具体涉及一种有机生活垃圾制氢装置，其特征在于：整个有机生活垃圾制氢装置主要由垃圾粉碎机(2)、流体泵(6)、发酵制氢反应器(3)和光合制氢反应器组依次连接组成；其中所述的光合制氢反应器组由两台以上的光合制氢反应器(4)并联组成；所述的发酵制氢反应器(3)和每一光合制氢反应器(4)的反应液入口管(14)都设在反应筒(7)的顶部，且进入反应筒(7)内后都一直延伸至导流筒(15)内；所述的发酵制氢反应器(3)和每一光合制氢反应器(4)的反应液出口(10)的标高均高于导流筒(15)的上端面。本发明制氢装置既可增大光源与反应液的接触面，又可加速反应液在反应器内循环流动，制氢率显著提高。

Description

一种有机生活垃圾制氢装置
技术领域
本发明涉及微生物学装置，具体涉及一种生物制氢装置。
背景技术
日常生活中，餐饮业和家庭都会有大量的厨余和剩饭菜，通常这些有机生活垃圾都是与普通垃圾一起填埋，既污染环境，也耗费社会资源。生物制氢技术为解决有机生活垃圾的处理问题提供了新途径，既可减轻污染环境压力，也可解决能源紧缺问题。
目前，生物制氢的方法主要有光解水制氢、发酵制氢和光合制氢。其中，光解水制氢是微藻及蓝细菌以太阳能为能源，以水为原料，通过光合作用及其特有的产氢酶系，将水分解为氢气和氧气；发酵制氢是异养型厌氧细菌利用碳水化合物等有机物，通过发酵作用产生氢气；光合制氢是光合细菌利用有机物通过光发酵作用产生氢气。专利号为00231651.X的中国专利公开了一种“生物发酵制氢装置”，该装置利用发酵制氢的方法，使含有糖类、蛋白质等有机物的粮食及废水通过发酵液的作用产生氢气。专利号为200410060366.4的中国发明专利中公开了一种“太阳能光合生物制氢装置”，该装置是利用光合制氢的方法，使光合细菌在太阳光照条件下分解禽兽粪便等有机物以产生氢气。发酵制氢技术具有产氢速率高、对条件要求低和可利用的有机物范围广的优点，但是对于发酵分解后的小分子有机酸、醇类物质，发酵细菌无法将其进一步分解进而产生氢。在光合制氢技术中，光合细菌利用光能，催化有机物厌氧酵解产生的小分子有机酸、醇类物质为底物的正向自由能反应进而产氢。因此，将发酵制氢和光合制氢两种制氢方法结合在一起，相互利用，相互补充，形成发酵和光合耦合制氢技术可以大大提高氢气的产量和能源的转化率。专利号为200610049909.1的中国专利公开了一种“生物质及固体有机废弃物发酵和光合耦合产氢装置”，该装置包括水解和酸化反应器、有机酸发酵产氢反应器和光合产氢反应器，其中有机酸发酵产氢反应器和光合产氢反应器内均设有填料床，生物质和有机固体废弃物首先在水解和酸化反应器中水解酸化成有机酸液，通过物料泵由水解和酸化反应器的底部输出，并由有机酸发酵产氢反应器的底部输入到有机酸发酵产氢反应器中，在其所携带的产氢菌株的代谢作用下，产生氢气以及乙醇、乙酸等小分子有机酸，再通过物料泵由光合产氢反应器的底部输送到光合产氢反应器中，在光照条件下，光合细菌将上述的小分子有机酸降解并产生氢气。该专利方案在的氢气产量、能源转化率和基质利用率方面都获得突破性的提高，但该技术方案存在以下的不足：有机酸液在机酸发酵产氢反应器和光合产氢反应器内单向流动，导致有机酸液和菌株接触不充分，为了使有机酸液和菌株反应更充分，需要增加一物料泵来实现有机酸液的外循环。
专利号为95213562.0的中国专利公开了一种用于污水处理的内循环生物流化床，该生物流化床的床体为一下端封闭的直筒，床体内自下而上依次同轴设置两端敞口的提升管、导流管和隔离管，其中，导流管上端为直径小于提升管直径的敞口，下端为直径大于提升管直径的敞口，中部为位于提升管上端口处的锥形过渡部分；床体的下端设有曝气头以及入水口，上端设有出水口。待处理的废水从床体下端的入水口进入反应器内，压缩空气通过床体下端的曝气头对废水进行曝气充氧，废水在提升管内向上流动，在提升管的上端口处一部分废水在导流管中间锥形过渡部分的阻挡下，弯折向下流动，使得废水在床体内形成循环流动。当将这种生物流化床应用于生物制氢时，由于反应液在反应器内能形成循环流动，提高了反应液与菌株接触的机率，使得反应液与菌株接触更充分，有利于提高产氢率。但是这种生物流化床结构必须有辅助气源，且这个气源必须能提供足够大的压力才能推动液体克服重力形成循环流动，消耗的辅助能量较多。
发明内容
鉴于现有技术存在上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种产氢率高且无需辅助能源的有机生活垃圾制氢装置。
本发明解决上述问题的技术方案为：
一种有机生活垃圾制氢装置，它包括垃圾粉碎机、流体泵、发酵制氢反应器和光合制氢反应器，其中所述的发酵制氢反应器和光合制氢反应器的反应筒内均同轴设有起内循环作用的导流筒，光合制氢反应器内所设的导流筒的筒壁内设有光源；其特征在于：
整个有机生活垃圾制氢装置主要由垃圾粉碎机、流体泵、发酵制氢反应器和光合制氢反应器组依次连接组成；其中所述的光合制氢反应器组由两台以上的光合制氢反应器并联组成；
所述的发酵制氢反应器和每一光合制氢反应器的反应液入口管都设在反应筒的顶部，且进入反应筒内后都一直延伸至导流筒内；所述的发酵制氢反应器和每一光合制氢反应器的反应液出口的标高均高于导流筒的上端面。
本发明所述的有机生活垃圾制氢装置，它还包括光催化反应器，该光催化反应器的结构与所述的光合制氢反应器的结构相同；整个制氢装置中的每一光合制氢反应器的反应液出口都串联连接一台所述的光催化反应器。本发明所述的制氢装置增设所述光催化反应器的目的在于，将在光合制氢反应器中反应完毕的废液再通入光催化反应器进行光水解反应，以消除废液中的部分污染物质满足达标排放要求，同时也可获得一些氢气。
本发明所述的有机生活垃圾制氢装置，其中所述的光合制氢反应器光源的波长通常为400-950nm，所述的光催化制氢反应器光源的波长通常为250-400nm，它们可以是常见的日光灯光源，也可以是公知的LED光源或弥散光纤光源。为了提高产气率，所述的光源最好能照射到所述导流筒内外的反应液。实现此目的的方案有以下几种选择：1、当所述的光源为日光灯光源或弥散光纤光源时，所述导流筒的筒壁为透明的夹层结构，日光灯光源或弥散光纤光源设置在透明的夹层结构内，其中所述弥散光纤光源的方案可参照申请号为200910213692.7的发明专利申请所述方案实施；当所述的光源为LED光源时，所述的导流筒的内壁和外壁上紧密嵌设有LED，且每一LED的头部都露出导流筒的筒壁，这样既可直接照射导流筒内外的反应液，又可利用反应液给LED降温，保证LED长期稳定工作。
本发明所述的有机生活垃圾制氢装置，其中所述的反应液入口管伸进导流筒内的长度为导流筒长度的1/5～1/3，以避免刚进入导流筒内的反应液直接从导流筒的上端翻入反应筒内而影响循环效果。
本发明与现有技术相比有如下的有益效果：
基本方案中的发酵制氢反应器和光合制氢反应器以及改进方案中的光催化反应器的反应液入口管均设在反应筒的上端，且伸进导流筒的内腔中，因此借助于液流泵的压力和反应液其本身的重力势能，便可推动导流筒内的反应液向下流动，加速反应液在反应器内循环流动，显著提高反应液与预置在反应筒底部的菌株的接触机率，而且不需要消耗辅助能源。此外，由于光合作用的效果与射入反应液内光的能量直接相关，因此，本发明所述的光合制氢反应器组两台以上的光合制氢反应器并联组成，可明显提高反应器的高度与直径的比例，增大光源与反应液的接触面，进一步提高制氢率。同理，本发明所述的每一光合制氢反应器的反应液出口都串联连接一台所述的光催化反应器的改进方案，也有利于提高光催化效果，提高排放的水质。
附图说明
图1为本发明所述有机生活垃圾制氢装置的一个具体实施例的立体图。
图2为本发明所述垃圾粉碎机的一个具体实施例的结构示意图。
图3和图4为本发明所述发酵制氢反应器的一个具体实施例的结构示意图，其中，图3为主视图，图4为图3的A-A剖视图，图中的箭头为反应液的流动方向。
图5为本发明所述光合制氢反应器的一个具体实施例的结构示意图，图中的箭头为反应液的流动方向。
图6为用于本发明所述光合制氢反应器和光催化制氢反应器中的导流筒的一个具体实施例的爆炸图。
图7为图6所示导流筒的局部纵向剖视图。
图8为本发明所述光催化制氢反应器的一个具体实施例的结构示意图，图中的箭头为反应液的流动方向。
图9为用于本发明所述光合制氢反应器和光催化制氢反应器中的导流筒的另一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，机柜1为一种高低柜式结构，所有工艺设备分别设在机柜1内部和顶面，其中，一台垃圾粉碎机2设在左边的高柜内，一台流体泵6设在右边的矮柜内，一台发酵制氢反应器3设在矮柜的顶面，四台光合制氢反应器4并联组成的光合制氢反应器组和四台光催化制氢反应器5自右向左依次设在高柜的顶面，所述的四台光催化制氢反应器5、四台光合制氢反应器4和一台发酵制氢反应器3三者的顶部形成自左向右升高的阶梯状。
参见图1，设在机柜1内部和顶面工艺设备的连接关系如下：垃圾粉碎机2投料口2-5由拐角处伸出柜顶，出料口2-6由管道与右边的流体泵6的进口连接，流体泵6的出口由穿出机柜1的管道与设在发酵制氢反应器3顶部的反应液进口管连接，设在发酵制氢反应器3顶部侧面的反应液出口由一五通管道分别与四台光合制氢反应器4的反应液进口管连接，四台光合制氢反应器4的反应液出口分别与设在四台光催化制氢反应器5顶部的反应液进口管连接，设在四台光催化制氢反应器5顶部侧面的反应液出口并联在一排污管上。
参见图2，图1所示的垃圾粉碎机2包括圆柱形罐体2-1，立式电机2-2设在罐体2-1顶部的中心，输出轴2-3伸进罐体2-1内，下端设有由输出轴2-3向四周辐射的碎削刀片2-4；垃圾粉碎机2投料管道2-5设在圆柱形罐体2-1顶部的边缘，出料口2-6设在圆柱形罐体2-1底部的中心。
参见图3和图4，图1所示的发酵制氢反应器3的反应筒7为一上端敞口下端封闭的圆柱筒，其上部的外侧设有环形槽8，该环形槽8的底部设有污泥出口9，侧壁上设有反应液出口10，上端设有筒盖11，筒盖11的顶部设有电加热管12、气体出口13以及位于中心处的反应液入口管14。所述的反应筒7内设有导流筒15，该导流筒15为一圆柱管，同轴安装于反应筒7内，由支撑杆16支撑在反应筒7的内壁的上部和下部。所述的导流筒15上端面的标高低于反应液出口10的标高，下端面与反应筒7的底面之间形成流动通道。所述的反应液入口管14由反应筒7的顶部延伸至导流筒15的内，伸入长度为导流筒15长度的1/4。
参见图5、图6和图7，图1所示的光合制氢反应器4的结构与上述发酵制氢反应器3的结构基本相同，其区别在于，导流筒15为用透明玻璃制成的双层结构，其内层筒壁15-1的中部设有环形凹槽，该环形凹槽上设有波长为500nm日光灯管17，其外层筒壁15-2由两个半圆柱筒通过螺钉连接组合而成；反应液入口管14由反应筒7的顶部延伸至导流筒15的内，伸入长度为导流筒15长度的1/3。
参见图8和图9，图1所示的光催化制氢反应器5的结构也与上述发酵制氢反应器3的结构基本相同，其区别在于，导流筒15为一圆柱筒，该圆柱筒的内壁和外壁上紧密嵌设有波长为300nm的LED 18，每一LED 18的头部露出圆柱筒的筒壁；反应液入口管14由反应筒7的顶部延伸至导流筒15内，伸入长度为导流筒15长度的1/3。
下面结合附图对本发明的有机生活垃圾制氢装置的工作过程进行描述：参见图1，有机生活垃圾经过筛选后投入到垃圾粉碎机2中，加适量的水搅拌粉碎成流质状，在液流泵6的作用下，流质状垃圾液高速进入到发酵制氢反应器3中，一旦充满反应筒7从上端溢出时，此时新进入的反应液便推动导流筒15内的反应液向下流动，此时反应筒7底部的反应液则沿导流筒15外部上升；当液面上升到导流筒15的上端口时，有一部分反应液便进入导流筒15加入下一个循环，另一部分反应液则继续上升从反应筒7的上端溢出。随着反应液的不断补充，导流筒15内的反应液不断地向下流动，导流筒15外的反应液不断地向上流动，周而复始。在上述循环流动的过程中，反应液夹带着事先设置于反应筒7底部的厌氧生物载体18一起循环流动，并在电加热管12提供的适宜温度条件下通过发酵作用产生氢气。
从发酵制氢反应器3的反应液出口10流出的反应液由光合制氢反应器4的反应液入口管14进入反应筒7内，以在发酵制氢反应器3内相同的方式循环流动。在此循环流动过程中，反应液夹带着事先设置于反应筒7底部的光合细菌生物载体19一起循环流动，反应液中的有效成分与光合细菌在电加热管12提供的适宜温度和导流筒15内光源所产生的光照条件下进行光合作用并产生氢气。
从光合制氢反应器4的反应液出口10流出的反应液由光催化制氢反应器5的反应液入口管14进入光催化制氢反应器5的反应筒7内，以在发酵制氢反应器3内相同的方式循环流动。在此循环流动过程中，反应液中的有效成分与光催化剂载体20在电加热管12提供的适宜温度和导流筒15内光源所产生的光照条件下进行光催化作用并产生氢气。

Claims (4)

1.一种有机生活垃圾制氢装置，它包括垃圾粉碎机(2)、流体泵(6)、发酵制氢反应器(3)和光合制氢反应器(4)，其中所述的发酵制氢反应器(3)和光合制氢反应器(4)的反应筒(7)内均同轴设有起内循环作用的导流筒(15)，光合制氢反应器(4)内所设的导流筒(15)的筒壁内设有光源；其特征在于：
整个有机生活垃圾制氢装置主要由垃圾粉碎机(2)、流体泵(6)、发酵制氢反应器(3)和光合制氢反应器组依次连接组成；其中所述的光合制氢反应器组由两台以上的光合制氢反应器(4)并联组成；
所述的发酵制氢反应器(3)和每一光合制氢反应器(4)的反应液入口管(14)都设在反应筒(7)的顶部，且进入反应筒(7)内后都一直延伸至导流筒(15)内；所述的发酵制氢反应器(3)和每一光合制氢反应器(4)的反应液出口(10)的标高均高于导流筒(15)的上端面。
2.根据权利要求1所述的一种有机生活垃圾制氢装置，其特征在于，它还包括光催化反应器(5)，该光催化反应器(5)的结构与权利要求1所述的光合制氢反应器(4)的结构相同；每一光合制氢反应器(4)的反应液出口(10)串联连接一台所述的光催化反应器(5)。
3.根据权利要求1或2所述的一种有机生活垃圾制氢装置，其特征在于，所述的反应液入口管(14)伸进导流筒(15)内的长度为导流筒(15)长度的1/5～1/3。
4.根据权利要求3所述的一种有机生活垃圾制氢装置，其特征在于，所述的光源为LED光源，形成该光源的LED紧密嵌设在导流筒(15)内壁和外壁上，每一LED的头部露出导流筒的筒壁。
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