CN100457886C - 厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温方法 - Google Patents

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Abstract

厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温方法，属于厌氧消化技术领域。常规厌氧消化的加热方法能耗高、经济性差。本发明装置特征在于包括有两大部分：温室(2)和其外设置的太阳能热水器(1)，消化反应器(3)放温室(2)内，温度传感器(5a)I放太阳能热水器(1)内，温度传感器(5b)II放消化反应器(3)内，温度传感器I、II分别连接控制器(4)，控制器(4)连接热水泵(10)，热水泵(10)连接太阳能热水器(1)以及放置在消化反应器(3)内的换热器(7)形成一个水的回路用于供给热量。本发明不使用其它任何外加热源的情况下，通过利用太阳能，保持厌氧消化反应器内温度在中温段和高温段附近运行。

Description

厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温方法
技术领域
本发明涉及一种利用温室-太阳能热水器组合增温方法，属于厌氧消化技术领域。
背景技术
厌氧消化技术把农作物秸秆、畜禽粪便、市政污泥等废弃物转化为可再生清洁能源—沼气，是实现有机废弃物无害化处理和能源化利用的有效途径之一。
温度是影响厌氧消化的最重要因素之一。厌氧消化有两个高效消化温度段，即中温消化段(30～35℃)和高温消化段(50～55℃)(张自杰主编.排水工程：下册[M]，4版.北京：中国建筑工业出版社，1997，357.)。在这两个温度段，厌氧消化可以获得最高的消化效率和产气量。因此，保持厌氧消化在此温度段对实现高效厌氧消化是至关重要的。目前，大多采用额外供给能量的方法，通过对厌氧消化反应器进行加热，以保证反应器在高效温度段下运行。常用的加热方法有锅炉蒸汽加热、电加热、燃烧天然气或沼气加热等(Hamed M.El-Mashad，Wilko K.P，Grietje Zeeman.van Loon.Design of ASolar Thermophilic Anaerobic Reactor for Small Farms[J].BiosystemsEngineering，2004，87(3)，79～87.)。这些方法虽然都有较好的效果，但是需要额外增加热量；有时(如在寒冷的冬季)加热增温消耗的热量甚至会超过产出的沼气含有的热量。从而导致运行成本的增加，甚至在经济上完全得不偿失。
现有的电加热装置一种典型形式：主要包括消化反应器3、控制器4、温度传感器5、电源13、电加热器14等。常规连接如下：消化反应器3在实验室内，储槽11连接进料泵8，进料泵8连接消化反应器3。气体扩散器6放置在消化反应器3中，气体扩散器6连接气泵9，气泵9通过管道连接到消化反应器3形成一个气体循环回路。气体扩散器6用于使得消化反应器3内的气体以及物料混合均匀。在消化反应器3中放置电加热器14，该电加热器外部连接电源13用于供给能量。温度传感器5放入消化反应器3内，并连接控制器4，控制器4连接电加热器14的电源13，电加热器14用于供给热量。
该电加热为传统能源的加热装置，同时还可以是锅炉蒸汽加热、燃烧天然气或沼气加热等。气泵的主要作用是为实现气动搅拌提供动力，同时还可以是机械搅拌，通过安装叶轮和电机实现。传统能源加热方式和搅拌方式可以根据现有技术调整。
发明内容
为了克服常规加热方法(锅炉蒸汽加热、电加热、燃烧天然气或沼气加热等)的能耗高、经济性差的缺点，本发明提出一个温室-太阳能热水器组合增温装置及方法，用于提高厌氧消化温度和消化效果率，节约因加热保温消耗的能源，从而提高厌氧消化的生产效率和经济性。在不使用其它任何外加热源的情况下，通过利用太阳能，保持厌氧消化反应器内温度在中温段和高温段附近运行。
发明包括两个利用太阳能的加热装置，一是温室，一是太阳能热水器。其技术核心是，通过利用玻璃温室和太阳能热水器各自不同的蓄能特性的结合，达到加热增温的目的。
本发明把厌氧消化反应器放置在一玻璃温室内，首先利用温室保温效果提高室内和反应器内物料的温度，同时，通过温室起到防止散热和隔热保温的作用。另外，在温室外设置一个太阳能热水器，利用太阳能加热太阳能热水器水箱内的水，并保留待用。在夜间和阴雨天，由于太阳光不足或完全没有阳光时，温室的作用会降低或完全丧失，当反应器内的物料温度降低到设定的温度时，此时，利用智能化温度控制方法，把蓄积在太阳能热水器内的热水泵入反应器内换热器内，以加热反应器内的物料，起到补充热量、增加和稳定温度的作用。
本发明提供了一种厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温装置，包括储槽11连接进料泵8，进料泵8连接消化反应器3；气体扩散器6放置在消化反应器3中，气体扩散器6连接气泵9，气泵9通过管道连接到消化反应器3形成一个气体循环回路；其特征在于，还包括有两大部分，一是温室2，在温室2外设置一个太阳能热水器1，消化反应器3放置在温室2内，温度传感器5aI放入太阳能热水器1内，温度传感器5b II放入消化反应器3内，温度传感器5a I和温度传感器5b II分别连接控制器4，控制器4连接热水泵10，热水泵10分别连接太阳能热水器1以及放置在消化反应器3内的换热器7形成一个水的回路用于供给热量；在消化反应器3中放置换热器7，该换热器连接热水泵10和太阳能热水器1形成一个热水循环回路。
换热器7连接太阳能热水器1用于供给能量，连接热水泵10用于提供循环动力。
本发明提供了一种厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)开始：接通热水泵10电源，控制器4的电源，调整控制器4程序开始运行；
2)温度传感器5a I和温度传感器5b II开始读数，将数据传送给并存储在控制器4，控制器4判断温室2内消化反应器3温度是否达到设定温度1，其中设定温度1夏季为50℃，春秋季35℃；
3)如果达到设定温度1，程序结束；如果否，再判断太阳能热水器1温度和温室2内消化反应器3温度的差值是否达到设定温度2，其中设定温度2不低于3℃，以同时保证换热器7有足够的热水并且不浪费能源；
4)如果温度的差值没有达到设定温度2，程序结束；如果达到设定温度2，热水泵10启动；
5)热水泵10启动后，判断消化反应器3的温度是否达到设定温度3；其中：设定温度3夏季为50-52℃，春秋季35-37℃；
6)如果消化反应器3的温度达到设定温度3，程序结束；如果否，再判断热水泵10工作时间是否达到设定时间1；其中：设定时间1的设定依据是向换热器7内泵满提供热量的热水所需的时间，取30-40秒；
7)在设定时间1以内，热水泵10一直工作，判断消化反应器3的温度是否达到设定温度3；如果是，程序结束；如果否，且热水泵10工作超过设定时间1，热水泵10暂时停止设定时间2，然后返回步骤2；其中：设定时间2的设定依据是使得换热器7中的热水和消化反应器3内的物料充分换热；取4-6分钟；设定时间2太短会造成能源浪费，太长不足以供热；
整个过程中温度传感器5a I、温度传感器5b II一直即时读数。
本发明的有益效果是：(1)在不使用其他任何外加热源的情况下，通过本技术方案的实施，可使厌氧消化反应温度在北京及其以南地区，在春、秋季保证中温消化段35±5℃，在夏季保持在高温消化段50±5℃。附近运行，与常规加热方法相比，可节约能耗，提高厌氧消化效率和经济性；(2)利用温室和热水器对太阳能蓄积特性的不同，通过智能化温度控制方法，可保证消化温度相对稳定性，有利于高效厌氧消化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是传统电加热装置示意图。
图2是本发明设备流程图。
图1、2中：1太阳能热水器；2温室；3消化反应器；4控制器；5a温度传感器I、5b温度传感器II；6气体扩散器；7换热器；8进料泵；9气泵；10热水泵；11储槽；12止回阀；13电源；14电加热器。
图3是本发明控制流程图。
图4实施例1中温温度时变化图
图5实施例2高温温度时变化图
图6实施例1中温温度日变化图
图7实施例2高温温度日变化图
具体实施方式
实例1：实例1为本发明实施方案实例之一，但本专利不仅限于此。
本发明采用的温室的总表面积10.414m2。太阳能热水器采用真空管热管热水器，有24根采光管，功率840W，储水箱160升。反应器为厌氧序批式反应器(ASBR)，由碳钢加工而成，运行工艺参数为：进水15min，反应20h，沉淀3.5h，出水15min；一个周期的运行时间为24h。用清水模拟厌氧消化物料。采用气动搅拌，每隔1h通过气泵把反应器顶部的气体抽到底部1次，气体通过安装在底部的气体扩散器扩散到水中形成气泡而起搅动作用。在反应器内、温室内外、太阳能热水器中、换热器进出水管路均装有温度传感器。所有温度传感器都与CR23X数据检测记录仪相连，各点采集的温度数据被传送到数据检测记录仪中，并通过其控制太阳能热水器中热水向反应器中换热管循环的起止时间、延续时间等。
将太阳能温室、太阳能热水器、稳定控制系统、厌氧消化反应器按照设备流程图(图1)布置。厌氧消化反应器中注入清水。春秋季采取中温厌氧消化模拟试验，温度设定35℃，按照控制流程图(图2)控制。按照ASBR 工艺运行，一个周期的运行时间为24h，并保证搅拌。实时监测并控制一天内昼夜温度变化时，厌氧消化反应器内温度变化情况，使之达到高效厌氧消化温度要求。实时监测并控制一段时期内不同天气条件下，厌氧消化反应器内温度变化情况，使之达到高效厌氧消化温度要求。
在典型一天内时变化中，厌氧消化反应器内时平均温度维持在32～37℃，平均35.27℃，增温效果良好。在气候条件较好时，控制温度完全达到了中温高效厌氧消化温度要求。在一段时期内日变化中，尽管由于气候原因环境温度出现了三次明显的波动，但是厌氧消化反应器内日平均温度保持在31～37℃，平均34.05℃。此系统对春秋季的气候变化具有较好的控制调节能力，在环境温度变化较大时仍能保持室内反应器温度稳定，完全达到中温高效厌氧消化温度要求。
实例2：实例2为本发明实施方案实例之一，但本专利不仅限于此。
夏季采取高温厌氧消化模拟试验，温度设定50℃，其它同实例1。
在典型一天内时变化中，厌氧消化反应器内时平均温度维持在33～36℃，平均35.27℃，增温效果良好。在气候条件较好时，控制温度完全达到了中温高效厌氧消化温度要求。在一段时期内日变化中，尽管由于气候原因环境温度出现了三次明显的波动，但是厌氧消化反应器内温度保持在31～36℃，平均34.05℃。此系统对春秋季的气候变化具有较好的控制调节能力，在环境温度变化较大时仍能保持室内反应器温度稳定，完全达到中温高效厌氧消化温度要求。
我国北方的广大地区昼夜温差较大，因此温度时变化规律能够描述一天内反应器内温度的具体变化情况。根据典型试验，得到太阳能温室内外反应器、温室内外、太阳能热水器内热水温度在24h内的变化，实施例1和2温度时变化分别如图4(春秋季中温，2005年10月25日，北京、晴、日平均温度15℃)、图5(夏季高温，2006年6月16日，北京、晴、日平均温度30℃)所示。
太阳能系统受气候条件影响较大。当晴天时，太阳高度角大、日照时间长、大气透明度好，太阳辐射量大，太阳能系统获得能量多，温度高；反之，阴天则低。因此温度日变化规律能够描述一段时期内反应器内温度的变化情况。根据试验，得到太阳能温室内外反应器、温室内外、太阳能热水器内热水温度在15d内的变化，实施例1和2温度日变化分别如图6(春秋季中温，2005年10-11月，北京)、图7(夏季高温，2006年6月，北京)所示。
由图4-7分析可知：在春秋季中温和夏季高温厌氧消化试验中，太阳能增温系统获得的能量充足，并得到充分利用。此系统对春秋季的气候变化具有较好的控制调节能力。在环境温度变化较大时仍能保持室内反应器温度稳定，其中春秋季中温厌氧消化试验在31~37℃，平均34℃，夏季高温厌氧消化试验在42~55℃，平均50℃，可达到高效厌氧消化温度要求。

Claims (1)

1.一种厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温方法，所述的厌氧消化温室-太阳能热水器组合增温装置包括储槽(11)连接进料泵(8)，进料泵(8)连接消化反应器(3)；气体扩散器(6)放置在消化反应器(3)中，气体扩散器(6)连接气泵(9)，气泵(9)通过管道连接到消化反应器(3)形成一个气体循环回路；其特征在于，还包括有两大部分，一是温室(2)，在温室(2)外设置一个太阳能热水器(1)，消化反应器(3)放置在温室(2)内，温度传感器I(5a)放入太阳能热水器(1)内，温度传感器II(5b)放入消化反应器(3)内，温度传感器I(5a)和温度传感器II(5b)分别连接控制器(4)，控制器(4)连接热水泵(10)，热水泵(10)分别连接太阳能热水器(1)以及放置在消化反应器(3)内的换热器(7)形成一个水的回路用于供给热量；在消化反应器(3)中放置换热器(7)，该换热器连接热水泵(10)和太阳能热水器(1)形成一个热水循环回路；其特征在于，包括以下步骤：
1)开始：接通热水泵(10)电源，控制器(4)的电源，调整控制器(4)程序开始运行；
2)温度传感器I(5a)和温度传感器II(5b)开始读数，将数据传送给并存储在控制器(4)，控制器(4)判断温室(2)内消化反应器(3)温度是否达到设定温度1，其中设定温度1夏季为50℃，春秋季35℃；
3)如果达到设定温度1，程序结束；如果否，再判断太阳能热水器(1)温度和温室(2)内消化反应器(3)温度的差值是否达到设定温度2，其中设定温度2不低于3℃；
4)如果温度的差值没有达到设定温度2，程序结束；如果达到设定温度2，热水泵(10)启动；
5)热水泵(10)启动后，判断消化反应器(3)的温度是否达到设定温度3；其中：设定温度3夏季为50-52℃，春秋季35-37℃；
6)如果消化反应器(3)的温度达到设定温度3，程序结束；如果否，再判断热水泵(10)工作时间是否达到设定时间1；其中设定时间1取30-40秒；
7)在设定时间1以内，热水泵(10)一直工作，判断消化反应器(3)的温度是否达到设定温度3；如果是，程序结束；如果否，且热水泵(10)工作超过设定时间1，热水泵(10)暂时停止设定时间2，然后返回步骤2)；其中：设定时间2取4-6分钟；
整个过程中温度传感器I(5a)、温度传感器II(5b)一直即时读数。
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