專利名稱：高效能量轉(zhuǎn)換和有機(jī)廢物的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及電化學(xué)燃料電池，特別是涉及利用有機(jī)物，諸如動物排泄物來產(chǎn)生電能的技術(shù)領(lǐng)域。
有機(jī)廢物的每年累積量十分巨大。例如，僅在臺灣豬糞便的年累積量估計(jì)可超過1千萬噸。除了出于環(huán)境需要對它們進(jìn)行處理之外，人們已經(jīng)意識到這類廢物可能變成有價值的能源。
許多有機(jī)廢物含有各種各樣的物質(zhì)，這些物質(zhì)經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗螅隳鼙晦D(zhuǎn)變?yōu)榧淄榛蛘託?CH4)。生成甲烷的傳統(tǒng)生物處理過程，例如厭氧發(fā)酵(也稱為菌致分解)，就是將有機(jī)物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臏囟取h(huán)境壓力和幾乎中性pH值的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄楹投趸?。典型的厭氧發(fā)酵是在沒有諸如氧、硝酸鹽、硫酸鹽等外生的電子受體參加的情況下，通過一系列細(xì)菌或微生物相互作用完成的。傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵經(jīng)常用于廢水處理。
甲烷微生物(即甲烷生成細(xì)菌)在生成甲烷的分解過程中的作用已經(jīng)為人們所研究。然而，因?yàn)榧淄槲⑸锼纸獾幕|(zhì)的數(shù)量有限，要通過菌致分解使復(fù)雜的有機(jī)基分解為甲烷，還需要另外的有機(jī)物，因此一個典型的菌致分解器一般裝有發(fā)酵細(xì)菌，乙酰原菌(Acetogenicbacteria)和甲烷微生物的混合物。
發(fā)酵菌將水解的聚合物(溶解的糖、縮氨酸和長鏈脂肪酸)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)酸和酒精半成物。這些半成物通過乙酰原菌的作用被轉(zhuǎn)化為氫、二氧化碳和乙酸，此后再由甲烷菌將氫、二氧化碳和乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷。其中，酸和酒精半成物轉(zhuǎn)化為甲烷的時間長于氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的時間。
目前，用有機(jī)廢物的甲烷生產(chǎn)潛力僅一小部分被利用作為能源，此外，用已知方法生產(chǎn)甲烷之后，殘留有機(jī)物成為僅經(jīng)部分處理的混合物，其化學(xué)性質(zhì)上不穩(wěn)定，生物性質(zhì)上不安全，這種混合物通常被用作為一種不合適的肥料。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種比現(xiàn)有方法更有效的，將有機(jī)物諸如動物排泄物轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆椒?。本發(fā)明的另一個目的是提供一種能在轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生更少污染的方法。
本發(fā)明給出了一種將諸如動物糞便等有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能的方法，從而達(dá)到了諸發(fā)明目的。本方法包括由一定量的有機(jī)物產(chǎn)生諸如甲烷的生物可燃?xì)獾牟襟E，及將它們轉(zhuǎn)化，用于發(fā)電的步驟，這種轉(zhuǎn)化可通過燃燒或燃料電池方法來實(shí)現(xiàn)。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的一個特色就是用一厭氧過濾器從有機(jī)物中生成甲烷。產(chǎn)生的甲烷通過一個裝置，例如高效固體氧化燃料電池，再產(chǎn)生電能。使用厭氧細(xì)菌過濾器和固體氧化燃料電池的特殊優(yōu)越性將在下面給出詳細(xì)的介紹。
為了有利于甲烷的產(chǎn)生，本發(fā)明的一個實(shí)施例包括將采集的有機(jī)物分成液體和固體部分的步驟。分開的液體部分流經(jīng)厭氧性的過濾器可以產(chǎn)生生物可燃?xì)?。為增加效率，固體部分被進(jìn)一步經(jīng)菌致分解器處理，該分解器不僅能使固體有機(jī)物產(chǎn)生更多生物可燃?xì)?，而且能將固體又進(jìn)一步分成液體和一種混合物。二次產(chǎn)生的液體又經(jīng)過厭氧性過濾器產(chǎn)生更多的生物可燃?xì)?，而固體混合物適用于保持土壤肥沃。
為提高菌致分解器的工作效率，可將其放在暖房環(huán)境中，處于20-55℃的溫升范圍內(nèi)，暖房最好是使用太陽能來維持上述要求的溫升。人們已發(fā)現(xiàn)將分解器置于此溫度范圍可增加生物可燃?xì)獾漠a(chǎn)量。
本發(fā)明的再一個實(shí)施例包括這樣的步驟即在產(chǎn)生氣體之前，先增稠所采集的有機(jī)物，并將其分離成液體和泥狀物兩部分。在此實(shí)施例中，液體通過厭氧性過濾器產(chǎn)生生物可燃?xì)猓酄畈糠滞ㄟ^菌致分解器產(chǎn)生生物可燃?xì)?。?jīng)過菌致分解器之后，泥狀部分再一次被固一液分離器處理，分離出來的固體被用作混合肥料，而分離出的液體被再一次送入循環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個實(shí)施例包括液體經(jīng)過厭氧過濾后，再使其通過一個滴漏篩和最終凈化器，以得到一種廢液，該廢液具有適合的低生化耗氧量(BOD)和總懸浮體(TSS)。廢液可以直接流入到河水中或用于灌溉，因?yàn)樗鼈円逊衔廴究刂频臉?biāo)準(zhǔn)。經(jīng)這些步驟處理后，從液體部分所得到的泥狀成份被送到菌致分解器以產(chǎn)生更多的生物可燃?xì)狻?br> 本發(fā)明的上述這些和其他一些優(yōu)到點(diǎn)特通過說明書及附圖變得更清楚。


圖1是流程圖，描述了按本發(fā)明技術(shù)方案將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膶?shí)施例的步驟。
圖2A、2B和2C是適于與本發(fā)明方法同時使用的高效固體氧化燃料電池的多面視圖。
圖3是一個流程圖，展示了按本發(fā)明技術(shù)方案將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為電能的另一實(shí)施例的步驟。
總的來說，本發(fā)明是一種將有機(jī)物(如動物排泄物)轉(zhuǎn)化為電能的方法。在現(xiàn)有工藝方法中，典型的做法是將有機(jī)物或連續(xù)或分批地送入到儲存池中。從儲存池，有機(jī)物被抽出或靠重力流出至將其液一固分離的分離器中。分離的液體部分被送入?yún)捬醴磻?yīng)器，在那里沉淀儲留約9-13天。小量的生物可燃?xì)猓缂淄?，在此反?yīng)器中產(chǎn)生，產(chǎn)生的可燃?xì)獗蝗〕龊蠡蛑苯佑米魅剂匣蛴糜隍?qū)動內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電。這種系統(tǒng)的困難前面已經(jīng)敘述過。
一旦有機(jī)物產(chǎn)生可燃?xì)獾哪芰ο?，它們被從厭氧反?yīng)器中清除。按照已知的方法，固體成分通常將進(jìn)行需氧合成以作為肥料。然而，如上所述，由于其化學(xué)不穩(wěn)定性，這種物質(zhì)不適于作為肥料。
圖1所示的本發(fā)明系統(tǒng)顯示出相當(dāng)大的優(yōu)越性。在此系統(tǒng)中，收集的有機(jī)物被送入一分離器中以分離液體和固體成份。液體成份被送入?yún)捬踹^濾器，通過生物處理技術(shù)產(chǎn)生生物可燃?xì)?，如甲烷。本發(fā)明中使用了厭氧過濾器而不是厭氧反應(yīng)器，這帶來液體滯留時間減短的許多益處。液體滯留時間是指有機(jī)物液體為產(chǎn)生最大量生物可燃?xì)舛仨氃趨捬踹^濾器中停留的時間。在現(xiàn)存技術(shù)中使用厭氧反應(yīng)器時，滯留時間可能長達(dá)13天，而厭氧過濾器在大約兩天內(nèi)就可耗盡液體的可燃?xì)馍a(chǎn)能力。與其它系統(tǒng)相比效率上得到了顯著改善。流體滯留時間的顯著減少主要是由于厭氧過濾器使用了塑料基質(zhì)，厭氧細(xì)菌在其上比在厭氧反應(yīng)器上能生成和保持高得多的數(shù)目。
為進(jìn)一步提高效率，在
圖1所示系統(tǒng)中，有機(jī)物固體不像現(xiàn)有方法那樣當(dāng)作需氧混合肥料，而是被送入菌致分解器。該分解器可回收有機(jī)物內(nèi)的大部分潛在甲烷。如果把分解器所處的溫度控制在約20-55℃以內(nèi)，效率還可以進(jìn)一步提高，在約35℃時最好。在本發(fā)明所采用的一個特選實(shí)施例里，分解器放在太陽能暖房內(nèi)以維持所需的高溫。
在有機(jī)物固體成份內(nèi)的可生甲烷被菌致分解器分解完以后，該固體被分離器進(jìn)一步分離為混合肥料成份和液體(二次分離液)成份。二次分離液被添加到送入?yún)捬踹^濾器的有機(jī)物液體成份中。結(jié)果是，有機(jī)物中所有的甲烷生產(chǎn)能力都被利用了。部分二次分離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，其結(jié)果也是改善生物可燃?xì)獾漠a(chǎn)生效率。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，除了將增產(chǎn)的生物可燃?xì)庥糜谌紵?或直接燃燒或作為驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)的一種手段)，生物可燃?xì)膺€可以通過燃料電池被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。燃料電池轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是沒有燃燒，從而帶來減少污染，易于保存和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，使用了一個高效固體氧化燃料電池。這種電池是使用了固體氧化電解質(zhì)的一種電化學(xué)轉(zhuǎn)換器。它效率很高，其效率僅取決于自由能和電化學(xué)反應(yīng)熱函之間的關(guān)系。固體氧化燃料電池的一個例子在美國專利4614628(1986年9月30日，HSU等人)中有述，該專利的說明在此引用作為參考。
基本燃料電池如圖2A，2B和2C所示，它由一個單獨(dú)的電解質(zhì)板1和一個單獨(dú)的傳導(dǎo)板2所組成。電解質(zhì)板1由穩(wěn)定的氧化鋯ZrO2(Y2O3)制成，其上標(biāo)號3的部分分別鍍有洞狀的氧化劑電極4和洞狀燃料電極5。最好的氧化劑電極材料為鈣鈦礦，如LaMnO2(Sr)。最好的燃料電極材料是金屬陶瓷，如ZrO2/Ni。傳導(dǎo)板2由諸如鉻鎳鐵合金的金屬或諸如ZrO2/Ni的金屬陶瓷所制做。傳導(dǎo)板的作用是作為相鄰電解質(zhì)板1之間的電子連接體;作為氣體隔板以得到單極疊片;在電極表面4、5和1、2邊緣之間作為熱傳導(dǎo)通路。
含甲烷量很大的生物可燃?xì)饽芡ㄟ^相對于層疊片的軸向通道17進(jìn)入層疊電池單元，通道17與孔13相通。其反應(yīng)產(chǎn)生物(主要是水和CO2)通過與孔14相連的通道18排出。進(jìn)入的生物可燃?xì)馔ㄟ^傳導(dǎo)板2上表面上的內(nèi)凹網(wǎng)狀槽6分布在燃料電極表面5上，在突脊7上的凹口8提供連接通道17、18的通口，使它們分別通過孔13、14給電極5添加燃料。氧化劑通過與孔15相通的通道19被注入到層疊電池裝置中，并且它們的反應(yīng)產(chǎn)物由與孔16相通的通道20排出。氧化劑通過相鄰電池單元的傳導(dǎo)板2下表面上的凹槽網(wǎng)9分布于氧化劑電極表面4的上方。與8類似的凹口和與7類似的突脊提供了一個把通道17、18(與孔13、14相通)與氧化劑電板4相連接的接口。突脊7和10形成了傳導(dǎo)板2上凹槽網(wǎng)6和9的側(cè)壁，7和10同時又在層疊安裝中與電解質(zhì)板1接觸。突脊7和10與相鄰單元的孔狀電極5和4緊密接觸以實(shí)現(xiàn)安裝中的電接觸。傳導(dǎo)板2外緣的突脊，沿螺栓孔12邊緣的突脊，沿傳導(dǎo)板2上表面邊緣并圍繞孔15和16的突脊，和傳導(dǎo)板2下表面圍繞孔13、14的突脊與表面涂層接觸，表面涂層的結(jié)構(gòu)與電極涂層相同。這些沒有缺口的環(huán)形突脊與孔狀涂層4和5壓緊以形成氣體密封。水冷拉桿(圖中未示)被裝在螺栓孔12中，用于組裝。
本發(fā)明還可使用多種其它的技術(shù)來制造適于本發(fā)明使用的燃料電池。例如在授予HSU的美國專利文件4721556(1988年1月26日)和4853100(1989年8月1日)中，都公開了可用于本發(fā)明的固體氧化電化學(xué)燃料電池的變化形式，本發(fā)明使用上述文件作為參考文件。此外，其它形式的燃料電池如熔化碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、固體聚合物燃料電池在特殊應(yīng)用場合也可能適用于本發(fā)明。
圖3為一流程圖，展示了本發(fā)明的另一個將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膶?shí)施例。在此實(shí)施例中，通過將泥狀有機(jī)物成份中的液體分離出去，而使其稠化。液體成份被送入?yún)捬踹^濾器以產(chǎn)生諸如甲烷的生物可燃?xì)?。如前所述，液體成份在過濾器中的流體滯留時間為大約兩天。而有機(jī)物的泥狀成份被送入一菌致分解器，此分解器也能生成有機(jī)物可燃?xì)獬煞?。從液體和固體產(chǎn)生的可燃?xì)獬煞荻急凰腿胍粋€燃料電池，例如已描述過的固體氧化燃料電池，以便將可燃?xì)廪D(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> 按此實(shí)施例，經(jīng)過一次提取可燃?xì)獾哪酄钣袡C(jī)物成份從菌致分解器中取出后，再次進(jìn)行液體和固體分離，分離出的混合固體成份適于作肥料，而液體成份被送回有機(jī)物儲存池以供再次進(jìn)行處理。
為提高效率，當(dāng)有機(jī)物的液體成份通過厭氧過濾器后，又被送入滴漏器和最終凈化器，以減少液體的污染成份。滴漏器和凈化器可使用現(xiàn)有的裝置。從最終凈化器中提出的泥狀物可再循環(huán)經(jīng)過菌致分解器以進(jìn)一步提取可燃?xì)?。?jīng)此過程分離出的液體可以排出或用于灌溉，或重新進(jìn)入滴漏器和最終凈化器以便進(jìn)一步凈化和優(yōu)化工藝過程控制。
上述諸實(shí)施例的目的是給出本發(fā)明涉及的范圍，而不是限定范圍。應(yīng)當(dāng)理解，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在本發(fā)明的范圍和構(gòu)思范圍內(nèi)，本發(fā)明可以采用多種變化形式。本發(fā)明的保護(hù)范圍不由說明書所限定，而是由下述權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種高效的將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能的方法，它包括的步驟為收集一定量的有機(jī)物；從收集的有機(jī)物中提取一種生物可燃?xì)獬煞?；將提出的可燃?xì)廪D(zhuǎn)化為電能。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于提取生物可燃?xì)獠捎玫氖巧锾幚砉に嚒?br> 3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于生物處理工藝中采用了厭氧過濾器。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于生物可燃?xì)廪D(zhuǎn)化為電能的步驟是通過燃燒實(shí)現(xiàn)的。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于生物可燃?xì)廪D(zhuǎn)化為電能的步驟是由燃料電池實(shí)現(xiàn)的。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于燃料電池可從下述種類的電池中選用固體氧化燃料電池;溶化的碳酸鹽燃料電池;磷酸燃料電池，和固體聚合物燃料電池。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括的步驟為在生成生物可燃?xì)庵?，把收集的有機(jī)物分成固體成分和第一液體成分;從第一次分離出的液體中提出第一次生物可燃?xì)狻?br> 8.按權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括的步驟為從所述的固體成份中提取第二次生物可燃?xì)?將提取可燃?xì)夂蟮墓腆w成份進(jìn)一步分離為二次液體成份和混合物固體成份;在生成第一次生物可燃?xì)獬煞葜埃瑢⒍我后w成份與第一次液體成份混合。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于二次生物可燃?xì)獾奶崛∮删路纸馄魍瓿伞?br> 10.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的進(jìn)一步液體、固體分離步驟由菌致分解器完成。
11.按權(quán)利要求9和10所述的方法，其特征在于菌致分解器被維持在約20～55℃的溫度范圍中。
12.按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的溫度范圍由太陽能維持。
13.一種將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能的方法，它包括的步驟為收集一定量的有機(jī)物;將收集的有機(jī)物稠化;從稠化的有機(jī)物中提取生物可燃?xì)獬煞?將可燃?xì)獬煞蒉D(zhuǎn)化為電能。
14.按權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于生物可燃?xì)獬煞菔峭ㄟ^生物處理工藝獲得的。
15.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于生物處理工藝中采用了厭氧過濾器。
16.按權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于將可燃?xì)獬煞蒉D(zhuǎn)化為電能是通過燃燒過程實(shí)現(xiàn)的。
17.按權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于可燃?xì)廪D(zhuǎn)化為電能通過使用燃料電池來實(shí)現(xiàn)。
18.按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述的燃料電池從下列電池種類中選取固體氧化燃料電池，熔碳酸鹽燃料電池，磷酸燃料電池，固體聚合物燃料電池。
19.按權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在稠化有機(jī)物后，提取了燃?xì)獬煞葜?，將有機(jī)物分離為第一次液體成份和泥狀固體成份，從該一次液體成份中得到第一次生物可燃?xì)狻?br> 20.按權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括從泥狀固體中提取二次生物可燃?xì)?，和將所得到的二次生物可燃?xì)廪D(zhuǎn)變?yōu)殡姷牟襟E。
21.按權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述的第二次可燃?xì)獬煞菔遣捎镁路纸馄魃傻摹?br> 22.按權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟從泥狀固體成份抽取第二次可燃?xì)獬煞莺螅瑢⒛酄钗锓蛛x為二次液體成份和混合物成份。
23.按權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括將二次液體加入到所收集的有機(jī)物中去的步驟。
24.按權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述的菌致分解器被置于20-55℃的溫度范圍中。
25.按權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述的溫度由太陽能維持。
26.按權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括在抽取生物可燃?xì)庵?，使一次液體成份經(jīng)過滴漏的步驟。
27.按權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括的步驟為一次液體成份經(jīng)過滴漏器后，進(jìn)一步減少其中的生化耗氧量(BOD)。
28.按權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述的泥狀成份通過使用最終凈化器從一次液體成份中被分離出來。
29.按權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括再次使一次液的成份經(jīng)過滴漏器的步驟。
30.按權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括從所述的泥狀成份中提取二次生物可燃?xì)獬煞莸牟襟E。
全文摘要
將有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆椒?，包括收集一定量有機(jī)物、由其產(chǎn)生生物可燃?xì)夂褪箍扇細(xì)饨?jīng)過能量轉(zhuǎn)換器的步驟。可燃?xì)馔ㄟ^厭氧過濾器生成，電能由生物可燃?xì)馔ㄟ^能量轉(zhuǎn)換器例如高效固體氧化燃料電池來變換。為進(jìn)一步增加該系統(tǒng)效率，用菌致分解器處理有機(jī)物的固體或泥狀成分，產(chǎn)生更多的生物可燃?xì)?。本發(fā)明的一個實(shí)施例，用太陽能維持菌致分解器的所需溫度，進(jìn)一步提高效率的方法包括使有機(jī)物的液體及泥狀成分再循環(huán)。在有機(jī)物中可提取的潛在生物可燃?xì)獗怀浞掷煤?，剩下的液體成分可排出或用于灌溉，固體成分適合作肥料。
文檔編號C05F3/00GK1073048SQ9210367
公開日1993年6月9日 申請日期1992年4月16日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月17日
發(fā)明者M·S·徐, I·W·魏 申請人:茲特克公司