CN101348766A - 太阳能加热的回热型高效沼气生成系统 - Google Patents

太阳能加热的回热型高效沼气生成系统 Download PDF

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Abstract

太阳能加热的回热型高效沼气生成系统，其特点是包括有太阳能集热箱1，太阳能集热箱1通过第一阀门4－0与储热水箱2相连通，储热水箱2上设有第一温度传感器3－0，储热水箱2通过第一电磁阀1－1与高温发酵装置3相连通，高温厌氧发酵器3与中温厌氧发酵器4相连，中温厌氧发酵器4与常温恒温厌氧发酵器5相连，高温厌氧发酵器3、中温厌氧发酵器4和常温恒温厌氧发酵器5上设有沼气采样计、温度传感器压力传感器；高温厌氧发酵器3、中温厌氧发酵器4和常温恒温厌氧发酵器5通过阀门和换热器与与水泵7相连，水泵7与太阳能集热箱1相连。本系统有效地利用太阳能和系统的余热加热冷媒，实现了能量的综合利用，高效产沼气。

Description

太阳能加热的回热型高效沼气生成系统
技术领域
本发明涉及太阳热能与生物质能等可再生能源利用技术领域，特别是涉及一种太阳能加热的回热型高效沼气生成系统。
背景技术
沼气是一种优质、高效、绿色、环保的燃料，替代传统能源的前景非常广阔。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作为内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。
然而，目前我国农村一般采用的沼气系统多为常温自然发酵，厌氧发酵系统内温度受时间、季节、气候变化影响比较大，沼气产气量很不稳定。大部分农村厌氧发酵系统冬、春两季无法使用。这些问题严重影响了沼气技术的利用和推广。
研究发现生物质在10～60℃的范围内均可厌氧发酵生产沼气。一般温度愈高，微生物活动愈旺盛，产气量愈高。低于10℃或高于60℃都严重抑制微生物生存、繁殖，影响产气，而在37℃和53℃附近生物质厌氧发酵各存在一个产沼气高峰点。另外，我国冬夏两季太阳能集热器经济性集热温度分别在60℃左右和90℃左右，这两个产气高峰对应的温度为太阳能集热器作为生物质厌氧发酵加热装置成为可能。因此，太阳能低温热利用系统和沼气生产系统可以有机地集成为新型太阳能加热的沼气生产系统。
关于太阳能加热的恒温沼气生产装置或系统，国内提出了许多相关的发明专利。
中国发明专利“生物质能-沼气发酵-太阳能集成利用系统”(专利号：200710014670)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。
中国发明专利“大中型太阳能诏气发酵罐”(申请号200610047456.9；公开号CN 1908151A)设计了一种大中型太阳能沼气发酵罐设备，它利用太阳能房为罐体储热保温并在罐体内装置热水加热器，实现中温发酵工艺。
中国实用新型专利“沼气池太阳能恒温发酵装置”(申请号：200620020785)设计了一种沼气池太阳能恒温发酵装置在沼气发酵池、发酵池进、出料口内安装相互连通的散热管，散热管两端分别与进、出液分水器接通，阳光调温器的进、出液口分别与进液输导管和进液分水器连接，进液输导管与太阳能采光集热器上出液口连接，出液输导管两端分别连接在出液分水器和太阳能采光集热器下进液口上，循环泵固配在出液输导管上。
中国发明专利“以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法及设备”(申请号200610039743)涉及一种以人粪沼气与太阳能作为热电联产系统能源的方法及设备，本发明方法，以太阳集热器获得100℃以上的热水，通过换热管加热人粪沼气发生器，使人粪沼气发生器内的发酵温度保持在55℃-60℃，获得沼气发生率为2.5-3.5m3/(m3天)的高产量沼气，沼气为区域热电联产供应的能源。本发明装置它包括有太阳能采集装置、沼气反应装置、蒸汽发电装置。实现了人粪发酵产生沼气必须通过高温的要求，同时也保证了给发酵池提供能量的需要，本发明人粪的沼气产量约为0.43m3/kg，畜类粪便的沼气产量在0.12-0.35m3/kg。高温(45～55℃)沼气发酵池(消化器)的沼气产气率是低温(＜35℃)沼气池的2.5-3倍。
中国实用新型专利“太阳能中高温沼气池”(专利号200520096355；授权公告号C N 200946148)公开了一种太阳能中高温沼气池，它是由保温发酵罐、太阳能集热器、进出料管、四通三相分离器及支架等组成。所述的保温发酵罐上装四通三相分离器，四通三相分离器的下管为升流管，上管为导气管，两侧分别为回流管和出料管(溢流管)，导气管接贮气装置，进料管通发酵池底部。所述的太阳能集热器为多根集热管并联组成接发酵罐底部，发酵罐底部备有排沉渣口，装置配支架满装料于太阳充足处，密闭情况下发酵产生沼气。沼气穿过升流管时形成自动内循环，在内循环的过程中实现自动进料自动出料，同时将集热器吸收的太阳热能传给料液，温度控制不超过55℃。
上述专利各从不同角度提供了一种恒温沼气生产方法或系统装置，然而，还没有一种装置系统能够同时根据生物质厌氧恒温发酵在37℃和53℃附近存在一个产沼气高峰点的特征，将高温、中温、常温三级发酵集合为一体，综合利用太阳能，实现能量的综合梯级利用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷而提供一种太阳能加热的回热型高效沼气生成系统，从而有效克服了背景技术所述存在的一系列问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的太阳能加热的回热型高效沼气生成系统，其特点是包括有太阳能集热箱1，太阳能集热箱1通过第一阀门4-0与储热水箱2相连通，储热水箱2上设有第一温度传感器3-0，储热水箱2通过第一电磁阀1-1与高温发酵装置3相连通，高温厌氧发酵器3通过第二电磁阀1-2与中温厌氧发酵器4相连，中温厌氧发酵器4通过第三电磁阀1-3与常温恒温厌氧发酵器5相连，高温厌氧发酵器3还通过管道与中温厌氧发酵器4相连通，高温厌氧发酵器3上设有第二温度传感器3-1，中温厌氧发酵器4还通过管道与常温恒温厌氧发酵器5相连通，中温厌氧发酵器4上设有第三温度传感器3-2，常温恒温厌氧发酵器5与第五阀门4-4相连通，常温恒温厌氧发酵器5上设有、第四温度传感器3-3；高温厌氧发酵器3通过第四阀门4-3与第一换热器6-1相连，中温厌氧发酵器4通过第三阀门4-2与第二换热器6-2相连，常温恒温厌氧发酵器5通过第二阀门4-1与第三换热器6-3相连，第三换热器6-3与第二换热器6-2相连通，并通过第一换热器6-1与水泵7相连，水泵7与太阳能集热箱1相连。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：所述的太阳能加热的回热型高效沼气生成系统，其利用太阳能和系统的余热(出渣余热、沼气余热)给热媒补充热量，热媒依次进入高温、中温、常温三级恒温厌氧发酵罐，给厌氧发酵器补充热量，保证恒温厌氧发酵的顺利进行，实现了能源的高效梯级利用和厌氧发酵生物质的高效产沼气。
本系统采用太阳能作为主要热源，结合系统余热给恒温厌氧发酵罐加热。同时，利用生物质厌氧发酵在53℃和37℃附近存在两个产沼气高峰的特点，将高温恒温厌氧发酵器、中温厌氧发酵器和常温恒温厌氧发酵器串联，实现生物质高效厌氧发酵生产沼气。相对应的，高温发酵器温度控制在53℃，中温发酵器控制在37℃，常温发酵器控制在37℃以下的设定温度。三个发酵器按高、中、常温恒温排列。首先，热媒经太阳能加热装置加热后，依次进入三个发酵器，使三个发酵器恒定在各自的发酵温度，加热后流出的冷媒首先采用发酵器出渣的余热恢复部分热量，再流回太阳能加热装置继续加热循环使用。本系统有效地利用太阳能和系统的余热加热冷媒，实现了能量的综合利用，高效产沼气。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，所述的太阳能加热的回热型高效沼气生成系统，其特点是包括有太阳能集热箱1，太阳能集热箱1通过第一阀门4-0与储热水箱2相连通，储热水箱2上设有第一温度传感器3-0，储热水箱2通过第一电磁阀1-1与高温发酵装置3相连通，高温厌氧发酵器3通过第二电磁阀1-2与中温厌氧发酵器4相连，中温厌氧发酵器4通过第三电磁阀1-3与常温恒温厌氧发酵器5相连，高温厌氧发酵器3还通过管道与中温厌氧发酵器4相连通，高温厌氧发酵器3上设有第一沼气采样计2-1、第二温度传感器3-1和第一压力传感器5-1，中温厌氧发酵器4还通过管道与常温恒温厌氧发酵器5相连通，中温厌氧发酵器4上设有第二沼气采样计2-2、第三温度传感器3-2和第二压力传感器5-2，常温恒温厌氧发酵器5与第五阀门4-4相连通，常温恒温厌氧发酵器5上设有第三沼气采样计2-3、第四温度传感器3-3和第三压力传感器5-3；高温厌氧发酵器3通过第四阀门4-3与第一换热器6-1相连，中温厌氧发酵器4通过第三阀门4-2与第二换热器6-2相连，常温恒温厌氧发酵器5通过第二阀门4-1与第三换热器6-3相连，第三换热器6-3与第二换热器6-2相连通，并通过第一换热器6-1与水泵7相连，水泵7与太阳能集热箱1相连。
所述的第一压力传感器5-1设在高温厌氧发酵器3与中温厌氧发酵器4相连通的管道上；所述的第二压力传感器5-2设在中温厌氧发酵器4与常温恒温厌氧发酵器5相连通的管道上；所述的第三压力传感器5-3设在常温恒温厌氧发酵器5与第五阀门4-4相连通的管道上。高温厌氧发酵器3上的第二温度传感器3-1温控范围为53℃；所述的中温厌氧发酵器4上的第三温度传感器3-2温控范围为37℃；所述的常温恒温厌氧发酵器5上的第四温度传感器3-3温控范围为高温厌氧发酵器3、中温厌氧发酵器4和常温恒温厌氧发酵器5都设有进料口和出料口。太阳能集热箱1内设有热媒，其为水、空气或油等换热介质。
所述的太阳能加热的回热型高效沼气生成系统工作原理是：启动时，开启第一电磁阀1-1、第二电磁阀1-2、第三电磁阀1-3和第二阀门4-1，关闭第三阀门4-2和第四阀门4-3，从太阳能集热箱1获得热量后的热水依次进入高温厌氧发酵器3、中温厌氧发酵器4和常温厌氧发酵器5。第二温度传感器3-1、第三温度传感器3-2和第四温度传感器3-3分别监测高温厌氧发酵器3、中温厌氧发酵器4和常温厌氧发酵器5内的温度。当常温厌氧发酵器5中的温度达到设定温度时，关闭第三电磁阀1-3和第二阀门4-1同时开启第三阀门4-2；当常温厌氧发酵器5中的温度低于设定温度时，关闭第三阀门4-2同时开启第三电磁阀1-3和第二阀门4-1。通过切换阀门之间的开闭，从而控制常温厌氧发酵器5内的温度。相类似地，当中温厌氧发酵器4中的温度达到37℃时，关闭第二电磁阀1-2同时开启第四阀门4-3；当中温厌氧发酵器4中的温度低于37℃时，关闭第四阀门4-3同时开启第二电磁阀1-2。通过切换第四阀门4-3和第二电磁阀1-2的开闭，从而控制中温厌氧发酵器4在37℃运行。当高温厌氧发酵器3中的温度达到53℃时，关闭第一电磁阀1-1；当高温厌氧发酵器3中的温度低于53℃时，开启第一电磁阀1-1。通过第一电磁阀1-1的开闭，从而控制高温厌氧发酵器3在53℃运行。通过系统中阀门的关闭和开启，最终会实现高温厌氧发酵器3、中温厌氧发酵器4和常温厌氧发酵器5稳定运行。从发酵罐出来的热水变为冷水，冷水收集后，先利用厌氧发酵的出渣余热加热，再流回太阳能集热箱1内加热，循环使用。高温厌氧发酵器3产出沼气后，罐体压力增大，沼气自动进入中温厌氧发酵器4中，再在压力下进入常温厌氧发酵器5中，沼气从较高温度的沼气器进入下一级沼气器时对下一级发酵器起到一定的加热作用。发酵器内沼气压力采用压力传感器采集，当达到设定值时限压阀第五阀门4-4开启，收集沼气。

Claims (4)

1、太阳能加热的回热型高效沼气生成系统，其特征是包括有太阳能集热箱(1)，太阳能集热箱(1)通过第一阀门(4-0)与储热水箱(2)相连通，储热水箱(2)上设有第一温度传感器(3-0)，储热水箱(2)通过第一电磁阀(1-1)与高温发酵装置(3)相连通，高温厌氧发酵器(3)通过第二电磁阀(1-2)与中温厌氧发酵器(4)相连，中温厌氧发酵器(4)通过第三电磁阀(1-3)与常温恒温厌氧发酵器(5)相连，高温厌氧发酵器(3)还通过管道与中温厌氧发酵器(4)相连通，高温厌氧发酵器(3)上设有第二温度传感器(3-1)，中温厌氧发酵器(4)还通过管道与常温恒温厌氧发酵器(5)相连通，中温厌氧发酵器(4)上设有第三温度传感器(3-2)，常温恒温厌氧发酵器(5)与第五阀门(4-4)相连通，常温恒温厌氧发酵器(5)上设有、第四温度传感器(3-3)；高温厌氧发酵器(3)通过第四阀门(4-3)与第一换热器(6-1)相连，中温厌氧发酵器(4)通过第三阀门(4-2)与第二换热器(6-2)相连，常温恒温厌氧发酵器(5)通过第二阀门(4-1)与第三换热器(6-3)相连，第三换热器(6-3)与第二换热器(6-2)相连通，并通过第一换热器(6-1)与水泵(7)相连，水泵(7)与太阳能集热箱(1)相连。
2、根据权利要求1所述的高效三级恒温沼气生产装置，其特征在于：所述的高温厌氧发酵器(3)上的第二温度传感器(3-1)温控范围为50～56℃；所述的中温厌氧发酵器(4)上的第三温度传感器(3-2)温控范围为32～42℃；所述的常温恒温厌氧发酵器(5)上的第四温度传感器(3-3)控制温度为低于37℃。
3、根据权利要求3所述的高效三级恒温沼气生产装置，其特征在于：所述的高温厌氧发酵器(3)、中温厌氧发酵器(4)和常温恒温厌氧发酵器(5)都设有进料口和出料口。
4、根据权利要求1所述的高效三级恒温沼气生产装置，其特征在于：所述的太阳能集热箱(1)内设有热媒，其为水、空气或油等换热介质。
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