CN101063080A - 生物质能－沼气发酵－太阳能集成利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质能－沼气发酵－太阳能集成利用系统，由生物质气化单元、沼气厌氧发酵单元、中央集成控制单元、太阳能光热单元、生物质燃气供热单元、生物质燃气和沼气自动混合单元、燃气输配和燃气用户单元组成，中央控制单元与其余单元分别连接，生物质气化单元分别生物质燃气供热单元及生物质燃气和沼气自动混合单元相连，沼气厌氧发酵单元与生物质燃气和沼气自动混合单元相连，生物质燃气和沼气自动混合单元与燃气输配和燃气用户单元相连，太阳能光热单元和生物质燃气供热单元分别与沼气厌氧发酵单元相连。本发明既可化污染为沼气资源，又提升秸秆气化、燃气净化水平；又利用秸秆燃气和太阳能光热技术为沼气发酵系统进行加热。

Description

生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统

技术领域

本发明涉及一种可再生能源综合利用系统，具体地说是一种生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统。

背景技术

我们知道，目前我国农村地区生物质能源利用有两种形式，一种是基于秸秆、可燃垃圾等低水分生物质的燃料制备，主要用于农村地区居民炊事集中供气或小型发电；另一种是利用粪便、可腐垃圾等高水分生物质进行碳氢能源转化产生沼气，也主要用于农村居民炊事供气。但这两种利用形式均有一定局限性，不能完全解决村庄能源供给与环境污染问题。

生物质气化系统具有产气量大、启动灵活产气迅速的优点，但生物质燃气热值中氮气占50％左右，热值相对较低。而沼气热值相对较高，且沼气清洁度较高，属于高品质燃料，但沼气发酵系统产气比较均匀，产气负荷调节滞后，灵活性较差，不能满足短时间内高负荷用气的需要。沼气系统最大的缺陷是冬季运行稳定性差的问题，冬季产气率相当低，有的甚至无法正常运行，导致系统冬季利用效率低，造成资源的浪费。

目前综合利用村庄秸秆、粪便、垃圾各种来源的生物质分类后转化为能源的项目未见报道。另外，目前国内外的生物质气化技术和沼气发酵技术都是各自独立的生物质能利用方式，并未实现两种技术的有机结合，克服沼气发酵冬季稳定运行和秸秆燃气热值低的缺陷，未能实现生物质资源利用方式的最优配置和资源的高效综合利用。而研究基于生物质气化、沼气发酵与太阳能三能合一高效利用的新农村能源供应系统的更是处于完全空白状态。从国际联机检索的结果来看，未见基于村庄秸秆、粪便、垃圾各种来源的生物质分类气化与厌氧发酵技术有机结合的供能系统的设计与应用，以及以生物质气和太阳能为热源的沼气冬季稳定运行技术的专利报道。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，既可实现村镇人畜粪便和生活污水的集中处理，化污染为沼气资源，又提升秸秆气化、燃气净化水平，解决现有秸秆气化存在的焦油含量高、热值低和气化效率低的难题；又利用秸秆燃气和太阳能光热技术为沼气发酵系统进行加热，解决了沼气寒冷季节产气稳定性差的问题，确保了两种生物质利用技术的有机结合和相互补充，拓展生物质能的应用领域。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，由生物质气化单元、沼气厌氧发酵单元、中央集成控制单元、太阳能光热单元、生物质燃气供热单元、生物质燃气和沼气自动混合单元、燃气输配和燃气用户单元组成，中央控制单元与其余单元分别连接，生物质气化单元分别生物质燃气供热单元及生物质燃气和沼气自动混合单元相连，沼气厌氧发酵单元与生物质燃气和沼气自动混合单元相连，生物质燃气和沼气自动混合单元与燃气输配和燃气用户单元相连，太阳能光热单元和生物质燃气供热单元分别与沼气厌氧发酵单元相连。

所述的生物质气化单元由加料器、气化反应炉、燃气净化器、电控装置和风机组成，加料器、气化反应炉、燃气净化器和风机相串联，电控装置与其它部分通过线路连接。

所述的气化反应炉由上、下炉体两部分组成，上炉体上分别设有加料口、观察门和自动风门，上炉体内设有锥形体，锥形体与炉体外壁之间设有空腔，空腔下部设有与炉体内相通的进气管；下炉体的高径比为1.5，上部为反应区，炉体周圈设有炉墙保温层和水套，中部设有炉排机构和出气管，出气管上设有温度传感器；下部为灰室，并设有出灰门。

所述的燃气净化器主要由壳体和设于壳体内的喷淋室、气液室、降膜吸收室、脱湿室组成，气液室设于喷淋室的下部，降膜吸收室设于气液室和喷淋室的右侧，脱湿室设于降膜吸收室的右侧；壳体上部设有进气管，进气管与喷淋室内相通，喷淋室内设有喷淋装置；气液室内设有的锯齿状立板，位于气液室和降膜吸收室间的隔板下面，深入水下约100mm；降膜吸收室内设有叶轮和隔板，下部设有排污门；脱湿室上部设有出气口。

所述的沼气厌氧发酵单元主要由预处理设备、UASB反应器、净化装置依次串接组成，在预处理设备和UASB反应器均安装水位传感器和温度传感器，预处理设备包括集水池、隔栅和潜污泵，隔栅设置在集水池入口处，潜污泵设于集水池内，潜污泵的出水管连接到UASB反应器内，UASB反应器内产生的沼气经收集、净化装置脱水脱硫及去杂后输送至储气柜。

所述的UASB反应器由进水配水系统、反应区和三相分离器组成，所述的进水配水系统由一根主进水管和多根子配水管组成，主进水管伸到UASB反应器底部，然后由沿主进水管一周均匀分布的多根子配水管均匀分配料液，使微生物与原料充分接触，并有利于颗粒污泥的形成。反应区包括污泥床区和污泥悬浮区；三相分离器位于厌氧反应器中上部，与UASB反应器成55°浸没于浆面以下，它由气体收集器和折流挡板组成，整个折流挡板形成一个圆锥空间，顶部连接气体收集器，三相分离器的功能就是将沼气引入气体收集器，将处理出的水引入出水区，将固体颗粒导入反应区。在折流挡板和气体收集器之间还放置了一个防堵器，用以防止固体漂浮和冲出，使MRT比HRT大大增长，有利于沼气的产出。

所述的太阳能光热单元由太阳能集热器、储热水箱、循环管道和自动控制装置四部分组成，太阳能集热器通过循环管道、自动控制装置与储热水箱相连；太阳能集热器进、出口和储热水箱内均安装温度传感器。

所述的生物质燃气供热单元由燃气供热锅炉以及与其相连接的进气管道和输热管道组成。

所述的生物质燃气和沼气自动混合单元主要由沼气贮气柜、生物质燃气与沼气混合贮气柜、混合风机以及燃气容量监测系统组成，燃气容量监测系统分别与沼气贮气柜和生物质燃气与沼气混合贮气柜相连，在秸秆气至混合贮气柜前的管道中安装有秸秆气流量计及传感器，在沼气贮气柜内和混合气贮气柜内均安装液位传感器，在沼气贮气柜出口设置有流量计，混合风机设于混合燃气贮气柜和沼气贮气柜之间，贮气柜前后端分别设有水封器和阻火器。

所述的燃气输配和燃气用户单元包括附属设备、输气管网和户用燃气设备，附属设备安装与输气管网上，输气管网与户用燃气设备相连；所述的附属设备包括功能井和安装在其内的阀门器、集水器、放散器；阀门器包括闸阀、球阀和旋塞阀，集水器安装于具有一定坡度管道的较低处；户用燃气设备包括通过管道依次连接的煤气表、滤清器、阀门、混合燃气灶具。

所述的中央集成控制单元包括传感器、流量计和控制模块，传感器和流量计设置在前述各单元上，传感器和流量计数据通过局域网传递到远程计算机上，安装在远程计算机上的控制模块分析处理传递的数据，并做出相应的命令对设备进行控制。控制模块主要包括数据采集模块、数据中央处理模块、数据反馈输出模块。数据采集模块主要采集气化炉的产气量、温度等系统关键技术参数，将其转化为数字信号，输送至数据中央处理模块，并与预先设定参数进行对比，中央处理模块向数据反馈模块发出指令，数据反馈模块再将反馈的数字信号转化为模拟信号，输送到驱动机构，实现整个系统的自动化控制。

本发明既实现了村镇人畜粪便和生活污水的集中处理，化污染为沼气资源，又提升了秸秆气化、燃气净化水平，解决了现有秸秆气化存在的焦油含量高、热值低和气化效率低的难题，研制出适合秸秆气一沼气混合燃气的专用炊事和供暖系统，为建立独立分布式生物质供暖系统打下了基础。

本发明的有益效果是：

1.实现了生物质气化技术、沼气厌氧发酵技术和太阳能光热技术有机结合，建立了基于生物质气化、沼气发酵与太阳能三能合一高效利用的新农村能源供应系统，产生的高品质混合燃气可完全替代常规能源实现农村地区的能源自供。

2.气化炉采用合理的流线形状、结构，防止气态氯的腐蚀、风门限流气化剂，梯度燃烧、气化，控制反应速度，抑制结渣；集喷淋、冲激、降膜吸收和脱湿功能于一体的闭路循环净化系统，净化效率高，用水量少，无二次污染。

3.以生物质燃气和太阳能为热源的沼气发酵加热系统实现了两种能量的高效配比与有效衔接，成功解决了沼气冬季运行稳定性差的问题，沼气冬季负荷达到夏季运行负荷的85％以上，池容产气率达0.9m³/m³。

4.生物质燃气锅炉为常压卧式燃气锅炉，其中燃烧器采用动力燃烧方式，燃气的适用范围大；点火装置采用延时互套管技术，具有延时吹扫、自动点火，防爆防熄火功能。

5.本项目中联合供气技术既提升了燃气热值，又利用秸秆燃气和太阳能光热技术为沼气发酵系统进行加热，解决了沼气寒冷季节产气稳定性差的问题；中央集中控制系统实现了整个气化站的自动控制与监测，将可再生能源的综合利用水平提升到崭新的高度，为我国可再生能源利用的产业化发展提供技术依据。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图；

图2是本发明的气化反应炉结构示意图；

图3是本发明的燃气净化器结构示意图；

图4是本发明的UASB反应器结构示意图；

图5是本发明的沼气发酵联合加热系统流程简图；

图6是本发明的太阳能强制循环系统示意图；

图7是本发明的太阳能集热器数量与能量份额关系曲线图；

其中1.加料口，2.观察门，3.自动风门，4.内锥体，5.炉墙保温层和水套，6.炉排机构，7.出气管，8.出灰门，9.上炉体，10.下炉体，11.壳体，12.喷淋室，13.气液室，14.降膜吸收室，15.脱湿室，16.进气管，17.喷淋装置，18.叶轮，20.排污门，21.出气口，22.主进水管，23.子配水管，24.UASB反应器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本系统由生物质气化单元、沼气厌氧发酵单元、中央集成控制单元、太阳能光热单元、以生物质燃气和太阳能为热源的沼气加热系单元、生物质燃气和沼气精确自动混合系单元、燃气输配和燃气用户单元组成。

生物质气化单元由加料器、气化反应炉、净化器、电控装置和风机组成。其气化的工艺流程为：由铡草机将所含水分低于20％的生物质原料，处理为20mm左右的长度，经加料器输送至气化反应炉内，经热解、氧化和还原反应，转换成为可燃气体。燃气被送入净化器，去除灰尘、焦油等并进行冷却后，经风机压送到输配系统。

本项目中生物质气化的原料为村庄废弃秸秆以及其它可燃生物质垃圾，原料的复杂性与多样性将对气化的稳定性产生一定的影响，而气化反应炉是将生物质原料进行热化学反应转换成高品位的可燃气体的关键设备，本项目采用固定床下吸式气化炉，其结构原理介绍如下。

如图2所示，气化炉由上、下炉体9、10两部分组成，上炉体9设有加料口1、观察门2和自动风门3，生物质原料由炉顶加料口1投入炉内，气化剂由自动风门3进入，上炉体9内腔的内锥体4与外壁构成空腔，利用干燥区提供的显热预热，提高气化剂的温度和炉内气化反应速度，预热的气化剂经空腔下部进气管导入炉内；下炉体10上部为反应区，周圈设有炉墙保温层和水套5，物料在下炉体10内进行热解气化反应，在热解气化过程中自然形成干燥区、热解区、氧化区和还原区；下炉体10中部设有炉排机构6、出气管7，下部为灰室，设有出灰门8，物料反应完全后产生的灰份通过炉排机构6的摆动进入炉体下部灰室，由出灰门8排出。在干燥区和氧化区设有温度显示仪表，可以通过控制部件控制气体的流量来控制各区的温度。

根据生物质原料复杂多样的性能特点，为获取燃气热值高、焦油含量低和气化效率高的技术指标，本项目气化炉下炉体的高径比优化为1.5，使反应速度均匀、连续，不会造成空洞，气质稳定，运行可靠；提高了氧化还原区的温度，促进了焦油裂解，炉内反应完全，热值提高、焦油含量降低；为解决生物质原料的复杂与变化引起的燃烧不稳及热值波动的问题，气化剂经自动风门限流后进入炉内与原料在下炉体的氧化区和还原区梯度燃烧、气化，控制反应速度，根据原料的不同，自动调节进风量；为防止碱金属氯化物气态氯的重复释放与金属发生接触反应，在炉内选择了合理的流线形状、结构，并在炉内腔和管道内砌有一定的耐火材料，抑制由于气态氯的释放不断将金属Fe由管道表面内层向外层输送，降低金属的腐蚀。

气化反应炉内产出的燃气为粗燃气，温度高且含有大量焦油和灰分等，需要降温和净化，以保证燃气应用系统的高效、连续工作。目前应用较为普遍的净化装置主要分为干式除尘和湿式除尘两种，但功能相对单一、净化效果不理想。本净化装置集喷淋、冲激、降膜吸收和脱湿功能于一体，净化效率高，结构简单，灰分一次性无动力排出，用水量较少，属国内首创。本净化装置结构如图3所示，壳体11其内设置喷淋室12、气液室13、降膜吸收室14和脱湿室15。高温粗燃气由气化反应炉通过进气管16进入喷淋室12，经过喷淋装置17喷淋冷却后进入气液室13；燃气在气液室13内压力的作用下流入液体，通过气液室内设于隔板下面的锯齿状立板，产生水气混合冲激流，从而使气体破碎，与液体充分混合、接触，绝大部分灰尘被水捕获，焦油气遇水凝结并混于水中；经初步净化后的气体，再进入液体呈膜状流动的降膜吸收室14进一步净化。降膜吸收室14由两部分组成，首先带水的气流自下而上吹动叶轮18，叶轮18依靠离心作用将水分甩到室壁，使水分流回到气液室13，气液室13内水分是循环流动的，可将污浊的液体排除，叶轮18的作用可以防止气流大量带水，而后气流流经隔板表面，未除去的灰尘和焦油附着在上面，并汇集到降膜吸收室14下部排出；最后，洁净的湿气流向上流动经脱湿室15除掉水雾，经过脱湿的燃气由出气口21进入输配系统；净化器内的灰分、焦油由排污门20排出，污水由管道排入污水池。该系统是一闭路系统，经物理和生化处理后的污水可循环使用。根据净化气体的温度、成分和对排出气体的纯度要求，可以设置多级净化。该净化器是一个全封闭的集喷淋、冲激、降膜吸收、脱湿于一体的高效湿式净化装置，净化效率高，焦油含量＜20mg/m³，没有任何气体泄漏点，燃气含氧量低于1％，无安全隐患。

通过各种生物质原料的气化试验，气化系统运行可靠、效果良好，经山东省产品质量监督检验所检测，其主要技术指标与同类机组对比如下表所示：

主要指标	低热值kJ/m3	焦油含量mg/m3	产气量m/h	气化效率(％)
					JH型JG型XFF型JQ-C型	4729494950005200	5057＜10	400(-9％)160(-2.5％)200700(+1.4％)	79757278

由上表不难看出，本机组具有热值高，焦油、硫化氢和氧含量低，气体纯度高等特点，操作简单，不污染环境，成本低廉，是目前较理想的生物质气化机组。

厌氧发酵单元主要由预处理设备、UASB改进型反应器、净化系统组成。其系统工艺流程为：收集的污水自流进集水池，在集水池入口处设置格栅，去除水中的粗大污物。在集水池内安装潜污泵，将污水抽至UASB反应装置，畜禽粪便由装载机运送到进料斗内，由提升机构将粪便提升到UASB反应装置内。污水和畜禽粪便经搅拌装置充分搅拌后，进行厌氧消化反应。反应装置产生的沼气经收集、净化装置脱水脱硫及去杂后输送至储气柜。沼渣定期排放至平板滤池进行固液分离，固体部分经干化后生产有机肥，液体部分返回集水池，产生的上清液自动溢流进沼液储存池可以直接用于农田灌溉。

本项目中沼气厌氧发酵的主要原料为畜禽粪便、可腐垃圾、屠宰污水等高水分生物质，这些原料中COD、SOD以及其它成份指标成为厌氧发酵工艺选择的关键。上流式厌氧污泥床反应器主体是内装颗粒厌氧污泥的容器，在其上部设置专用的气、液、固分离系统，即三相分离器，它可使反应器中保持大量高活性及良好沉淀性能的厌氧微生物，从工艺上较一般厌氧装置的效率高，节省投资与占地面积，因此本项目中选用UASB生物处理工艺。

UASB为上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)，是厌氧发酵系统的主体构筑物。其主要原理是料浆与污水中的有机污染物在厌氧条件下经微生物降解，转化成甲烷、二氧化碳等气体。上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中集有大量高效颗粒化的厌氧污泥，可大大提高COD去除率，减少后续处理阶段的进水负荷，降低后续运行费用。如图4所示，UASB的主要由以下几个关键部分组成：

进水配水系统

进水配水系统由一根主进水管22和多根子配水管23组成，主进水管伸到UASB反应器24底部，然后由沿圆周均匀分布的多根子配水管23均匀分配料液，使微生物与原料充分接触，并有利于颗粒污泥的形成。进水配水系统主要将料浆尽可能均匀的分布在整个反应器中，并具有一定的水力搅拌功能，是反应器高效运行的关键之一。本项目中配水系统采用防堵设计，避免了料浆堵塞管道。

反应区

反应区包括污泥床区和污泥悬浮区，有机物在此区域被厌氧菌分解，使反应器的主要部位。

三相分离器

三相分离器位于厌氧反应器中上部，由沉淀区、回流缝和气封组成，与UASB反应器24成55°浸没于浆面以下，它由气体收集器和折流挡板组成，整个折流挡板形成一个圆锥空间，顶部连接气体收集器，三相分离器的功能就是将沼气引入气体收集器，将处理出的水引入出水区，将固体颗粒导入反应区。在折流挡板和气体收集器之间还放置了一个防堵器，用以防止固体漂浮和冲出，使MRT比HRT大大增长，有利于沼气的产出。其功能是把沼气、污泥和液体分开。污泥等悬浮物经沉淀区沉淀后又回流缝回流至反应区。

在本项目中，根据反应罐中的悬浮物浓度，确定了三相分离器27最佳的间隙和出水面的截面比，使进入沉淀区和保持在污泥相中的絮体的沉淀速度保持最佳。内部沉淀区占总体积的15～20％左右。另外根据所采用原料设计确定了三相分离器27的倾角为55°。确定了分离器下部气液界面的面积，沼气的释放速率确定为2m³/(m²·h)，将释放管的堵塞率降至较低水平。

如图6所示，太阳能光热单元主要由太阳能集热器、储热水箱、循环管道和自动控制四部分组成。太阳能集热器通过循环管道、自动控制装置与储热水箱相连；太阳能集热器进、出口和储热水箱内均安装温度传感器。本项目中选择的集热器具有耐冰冻、启动快、保温好、耐热冲击、运行可靠等优点，安装在气化车间的屋顶上。正常情况下，本系统采用多点定温控制上水与温差控制循环相结合的运行方式，系统水温追踪设定值，保证注入配浆池的水温符合设定要求。

沼气厌氧发酵系统在冬季进行加热主要是为了将调节池内的料浆加热到30℃，使其注入UASB反应器后进行中温发酵，同时补充由于反应器散热而损失的能量，保证发酵系统始终进行中温发酵，保持较高的产气率。其理论热需求量计算如下：

                 Q＝c_pmΔt

其中，Q——发酵系统热需求量；

c_p——每日注入料浆的定压质量比热容；

m——每日注入料浆的质量；

Δt——料浆的平均温升，冬季一般从0℃升高到35℃，其它季节一般从15～20℃升高到35℃。

实际热需求量计算如下：

                 Q′＝Q/η₁η₂

其中，Q′——实际热需求量；

η₁——锅炉与换热器的换热效率；

η₂——调节池内料浆与储热水箱中热水的换热效率。

由于储热水箱具有良好的保温性能，散热损失非常小，因此在将调节池内料浆加热到设定温度后，水箱内的水温一般仍保持在35～40℃。良好的蓄热效果大大降低了秸秆燃气锅炉加热所消耗的燃气量，缩短了将水箱循环水加热到75～80℃所需的加热时间。如图5所示。太阳能集热器的安装及倾角的确定

本项目中太阳能光热系统采用强制循环系统，如图6所示，其任务是在深秋、冬季及早春季节收集太阳能，对厌氧发酵系统进行加热，除冬季外，本项目中太阳能光热系统在其它季节单独使用均可保证沼气发酵系统中温发酵的正常运行。根据天津蓟县邦均镇的气象特征，以及上述季节太阳能高度角的变化规律，经过计算，确定本项目中太阳能集热器的最佳安装倾角a＝54°53′，并根据此安装倾角，计算确定出合适的太阳能集热器安装位置。

太阳能集热器面积的确定

如图7所示，太阳能光热系统加热量应满足沼气发酵系统在非冬季运行的全部热需求量，并在冬天作为生物质燃气供热系统的辅助热源进行沼气发酵系统的供热。根据沼气发酵系统的热需求计算结果以及反应器内的能量平衡，非冬季沼气发酵系统每日的热需求Q约为Q＝430000kcal。根据热需求量、集热器受热面倾斜角、受热面方位角、太阳依存率、集热器污垢系数、水槽及管道热损失率等参数，经计算得出本项目所需真空太阳能集热器共为16块，总集热面积为107m²。

根据本项目中配浆池的水量需求，本项目中设计了一个有效容积为6m³的底面为1/4圆的储热水箱，规格为2m²×3m，安装在生物质燃气供热锅炉房内。保温层采用60mm的进口聚氨酯整体发泡，外壳采用.0.4mm的彩钢板拉铆工艺制作。

生物质能供热系统

本系统是由气化机组制取的生物质燃气，经过净化系统净化后直接送入供暖锅炉燃烧系统，高温燃气与二次空气在独创的秸秆气专用燃烧器中进行混合动力燃烧，产生的高温烟气与炉内介质进行换热，换热后的介质与太阳能加热后的水一起由水泵输送至调节池，通过盘管换热系统将低温料浆加热至中温发酵的最佳温度。燃气锅炉由燃烧器、换热设备、常压卧式燃气锅炉以及电控柜和安全附件组成，具有延时吹扫、自动点火，水位控制，温度控制装置等。系统产生的热水与太阳能光热系统产生的热水一起注入配浆池，将料浆温度调节到中温发酵的最佳温度。本燃气锅炉中的秸秆燃气燃烧器采用预混燃烧方式(又称动力燃烧)。采用这种燃烧器具有下列优点：可使用较低压力空气或热空气，在较高过剩空气系数下仍能确保火焰稳定，使火焰被吹熄的可能性降至最低；燃气的适用范围大，当燃气质量发生变化时，只需改变燃气与空气的比例。另外，该燃烧器带有完备的安全保护装置：

1、该燃烧器具有自动点火装置，为清除炉膛内的残余燃气，防止暴燃，设计了点火前延时吹扫，即在点火前先吹扫15秒，然后自动点火装置启动点火。

2、秸秆燃气在冷态点火启动时不易点火，所以设计了先点小火，然后以小火点大火的互套点火装置。

3、为保证安全，该燃烧器设计了熄火报警装置，水位及温度控制装置。

4、因为秸秆燃气会带有一定量的焦油，一般国外先进的燃烧器在进行改造时，都要选配较为先进的电磁阀，价格相当昂贵，本燃烧器可使焦油随气流进入炉膛内烧掉，成本造价较低。

经测定，本锅炉额定供热量达0.7MW，热转换装置热效率达85％以上，燃烧过程中不脱火、不回火，着火率100％，各项指标完全符合项目预期目标。

生物质燃气和沼气精确混合系统

本系统包括沼气贮气柜、生物质燃气与沼气混合贮气柜、混合风机、以及燃气容量监测系统等组成。正常运行过程中，中央控制系统会根据沼气贮气柜与混合燃气贮气柜的容量信号，按照设定的逻辑和程序启动燃气输送风机，实现两种气体的精确定比例混合，直到混合气量达到设定值。

混合燃气输配系统

气化机组产生的燃气与沼气发酵系统产生的沼气在混合储气柜中混合均匀后通过燃气输配系统送至用户。燃气输配系统包括沼气贮气柜、生物质燃气和沼气混合贮气柜、附属设备和地下(上)输气管网。

燃气输配系统的主要部件

贮气柜的作用是储存一定量的燃气，保持恒定的压力，以调整高峰时的用气和保证压力的稳定性。贮气柜有湿式、干式(或立式和卧式)多种形式，其前后端设有安全装置：水封器和阻火器。机组工作时，燃气通过水封器进入贮气柜；机组停止工作时，水封器阻止燃气回流。阻火器安装于贮气柜之后、输气管道之端，其作用是阻止管网回火时危及贮气柜。

输气管网

输气管网是将燃气供给用户的管道系统，据其位置不同，可分为主干管网、支干管网、用户引入管和室内管道等。干支管采用浅层直敷埋设在地下，其管道材质可采用钢管、铸铁管和塑料管。因塑料管具有耐腐蚀、质轻、流体流动阻力小、使用寿命长、施工简便、可盘卷、抗拉强度较高等优点，通常多采用塑料管。本系统干、支管均采用塑料管。

附属设备

为保证管网的安全运行，并考虑到检修、接线的需要，在管道的适当地点设置阀门器、集水器、放散器等必要的附属设备。此外，为在地下管网中安装这些设备，还要修建各类功能井。阀门器是用来启闭管道通路或调节管道内燃气流量的设备，所用的阀门有闸阀、球阀、旋塞阀等；集水器是用来排除燃气管道中冷凝的水蒸气和轻油分，防止堵塞管道的设备；放散器则用来排放管道内的混杂气体，以提高燃气纯度。管道敷设时应有一定坡度，集水器设在低处，以便将汇集的水分排出，以防堵塞管道。

户用燃气系统由煤气表、滤清器、阀门、混合燃气灶具依次连接组成。

中央集成控制系统

本项目包含生物质气化系统、沼气厌氧发酵系统、太阳能光热系统以及生物质燃气供热系统以及燃气混合输配系统等多个部分组成，系统比较复杂，因此，为及时监测各个系统的运行情况并对其进行有效的调控，本项目中设计开发了中央集成控制系统，实现了上述各个部分的监测与高效调控运行，确保了各系统的高效衔接与运行。

监测数据与传感器的配置

(1)生物质气化系统

生物质气化炉出口安装有温度传感器，秸秆气至混合贮气柜前管道中安装有秸秆气流量计及传感器，用于测量燃气混合时秸秆气的流量；

(2)沼气发酵系统

在酸化池、调节池、UASB反应器内均安装水位传感器和温度传感器，由中央集成控制系统自动调节控制液位；

(3)太阳能光热系统

太阳能集热器进、出口、储热水箱内均安装温度传感器。

(4)生物质气与沼气混合系统

在沼气贮气柜内和混合气贮气柜内均安装液位传感器，通过设定的程序反映出两个贮气柜中的燃气量。在沼气贮气柜出口设置流量计，用于在两种燃气混合时输出沼气的流量信号。

控制系统的设计

本项目采用中央控制器采集数据并对整个气化站的过程进行控制，数据通过局域网络上传至远程计算机，并通过由虚拟仪器构建的软件包进行数据处理和设备控制，当设备发生故障时将报警等。系统控制器具有以下优点：1)输入信号可以是开关信号也可以是模拟信号；2)输出端口负载能力强；3)连接线简单；4)通用性强，可靠性高，环境适应性好；5)操作容易，可维修性好。

设备控制与算法

(1)随机误差的消除

信号采集过程中温度传感器及流量传感器的测量数据中存在着由于环境因素导致的随机误差，可采用叠加平均法予以消除。计算公式为

${\stackrel{\‾}{x}}_i={\stackrel{\‾}{x}}_{i-1}+\frac{x_i-x_i-1}{i}$

式中i为当采样数，i＝2，3…。

(2)流量计算

累计总流量计算公式为∑Q_i＝∑Q_i-1+Q_i，其中：Q_i为当前流量，∑Q_i-1为前次的总流量。

Claims (10)

1.一种生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，主要由生物质气化单元、沼气厌氧发酵单元、燃气输配和燃气用户单元组成，其特征在于：还包括中央集成控制单元、太阳能光热单元、生物质燃气供热单元、生物质燃气和沼气自动混合单元，中央控制单元与其余单元分别连接，生物质气化单元分别生物质燃气供热单元及生物质燃气和沼气自动混合单元相连，沼气厌氧发酵单元与生物质燃气和沼气自动混合单元相连，生物质燃气和沼气自动混合单元与燃气输配和燃气用户单元相连，太阳能光热单元和生物质燃气供热单元分别与沼气厌氧发酵单元相连。

2.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的生物质气化单元由加料器、气化反应炉、燃气净化器、电控装置和风机组成，加料器、气化反应炉、燃气净化器和风机相串联，电控装置与前述各部分通过线路连接。

3.根据权利要求2所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的气化反应炉由上、下炉体两部分组成，上炉体上分别设有加料口、观察门和自动风门，上炉体内设有锥形体，锥形体与炉体外壁之间设有空腔，空腔下部设有与炉体内相通的进气管；下炉体的高径比为1.5，它的上部为反应区，炉体周圈设有炉墙保温层和水套，中部设有炉排机构和出气管，出气管上设有温度传感器；下部为灰室，并设有出灰门。

4.根据权利要求2所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的燃气净化器主要由壳体和设于壳体内的喷淋室、气液室、降膜吸收室、脱湿室组成，气液室设于喷淋室的下部，降膜吸收室设于气液室和喷淋室的右侧，脱湿室设于降膜吸收室的右侧；壳体上部设有进气管，进气管与喷淋室内相通，喷淋室内设有喷淋装置；气液室与降膜吸收室间的隔板下面设有深入水下的锯齿状立板；降膜吸收室内设有叶轮和隔板，下部设有排污门；脱湿室上部设有出气口。

5.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的沼气厌氧发酵单元主要由预处理设备、UASB反应器、净化装置依次串接组成，在预处理设备和UASB反应器均安装水位传感器和温度传感器，预处理设备包括集水池、隔栅和潜污泵，隔栅设置在集水池入口处，潜污泵设于集水池内，潜污泵的出水管连接到UASB反应器内，UASB反应器内产生的沼气经收集、净化装置脱水脱硫及去杂后输送至储气柜；所述的UASB反应器由进水配水系统、反应区和三相分离器组成，所述的进水配水系统由一根主进水管和多根子配水管组成，主进水管设于UASB反应器底部，沿主进水管一周均匀分布有多根子配水管；反应区包括污泥床区和污泥悬浮区；三相分离器位于UASB反应器中上部，与UASB反应器成55°浸没于浆面以下，它由气体收集器和折流挡板组成，整个折流挡板形成一个圆锥空间，顶部连接气体收集器，在折流挡板和气体收集器之间还设置有一个防堵器。

6.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的太阳能光热单元由太阳能集热器、储热水箱、循环管道和自动控制装置四部分组成，太阳能集热器通过循环管道、自动控制装置与储热水箱相连；太阳能集热器进、出口和储热水箱内均安装温度传感器。

7.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的生物质燃气供热单元由燃气供热锅炉以及与其相连接的进气管道和输热管道组成。

8.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的生物质燃气和沼气自动混合单元主要由沼气贮气柜、生物质燃气与沼气混合贮气柜、混合风机以及燃气容量监测系统组成，燃气容量监测系统分别与沼气贮气柜和生物质燃气与沼气混合贮气柜相连，在秸秆气至混合贮气柜前的管道中安装有秸秆气流量计及传感器，在沼气贮气柜内和混合气贮气柜内均安装液位传感器，在沼气贮气柜出口设置有流量计，混合风机设于混合燃气贮气柜与沼气贮气柜之间，贮气柜前后端分别设有水封器和阻火器。

9.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的燃气输配和燃气用户单元包括附属设备、输气管网和户用燃气设备，附属设备安装与输气管网上，输气管网与户用燃气设备相连；所述的附属设备包括功能井和安装在其内的阀门器、集水器、放散器；阀门器包括闸阀、球阀和旋塞阀，集水器安装于具有一定坡度管道的较低处；户用燃气设备包括通过管道依次连接的煤气表、滤清器、阀门、混合燃气灶具。

10.根据权利要求1所述的生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统，其特征在于：所述的中央集成控制单元包括传感器、流量计和控制模块，传感器和流量计设置在系统的各组成单元上，传感器和流量计数据通过局域网传递到远程计算机上，安装在远程计算机上的控制模块分析处理传递的数据，并做出相应的命令对设备进行控制；控制模块包括数据采集模块、数据中央处理模块、数据反馈输出模块，数据采集模块通过连线与传感器、流量计相连接，采集气化炉的产气量、温度系统关键技术参数，将其转化为数字信号，输送至数据中央处理模块，并与预先设定参数进行对比，中央处理模块向数据反馈模块发出指令，数据反馈模块再将反馈的数字信号转化为模拟信号，输送到驱动机构，实现整个系统的自动化控制。

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