CN101434901A - 中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统，包括太阳能集热系统、厌氧发酵罐恒温加热系统和原料加热系统，太阳能集热系统包括太阳能集热器组、储热水箱、三通转换阀、循环水泵、检测控制系统和连接管道，储热水箱由隔板分成上下连通的两部分，进行分别储热和供热；厌氧发酵罐恒温加热系统，包括厌氧发酵罐，置于厌氧发酵罐内的恒温加热器，第一调温水箱，第一补热换热器；原料加热系统，包括第二调温水箱、第二补热换热器、原料加热器、沼液废热回收换热器；各管道上的三通转换阀，循环水泵，电磁阀，补热换热器均由检测控制系统进行自动控制。本发明具有储热方式合理、能源利用率高、可优先和充分利用太阳能的有益效果。

Description

中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统
技术领域
本发明涉及沼气生产技术领域，特别涉及一种中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统。
背景技术
沼气生产一般都是利用厌氧发酵微生物来产气的，厌氧发酵微生物只有在一定的温度条件下才能生长繁殖，进行正常的代谢活动。在发酵过程中，温度对发酵原料的消化速度和产气率具有重要的影响。按厌氧发酵温度来分，有三种类型：高温发酵(50℃～65℃)、中温发酵(20℃～45℃)和常温发酵(发酵温度随季节温度的变化而变化)，到了4℃以下时发酵罐就不再产沼气。在4℃-72℃范围内，温度越高消化速度和产气率越大，但不是线性关系。厌氧消化的一个高峰在35℃左右，另一个更高的高峰在54℃左右。
与常温发酵相比，中温发酵和高温发酵具有很好的稳定性和高效性。然而，在冬季为维持料液中温发酵和高温发酵，必需消耗大量的能源对发酵罐进行增温。太阳能作为一种清洁能源，具有普遍、环保、取之不尽等优点，在中高温运行的大中型厌氧发酵罐增温上得到了较多的应用。
中高温发酵罐发酵温度的波动会给料液发酵带来重要影响，对温度的稳定性要求极为严格。在恒温发酵时，一小时内温度上下波动不宜超过2℃～3℃。短时间内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动幅度过大时，甚至停止产气。因此，在厌氧发酵装置中，必须装配自动加热恒温系统，以满足料液发酵的需要。
大中型厌氧发酵罐的太阳能辅助恒温加热系统，一般由太阳能集热器、储热水箱和罐发酵增温循环回路组成。系统采用储热水箱水封闭循环方式间接加热发酵罐，储热水箱内的循环用水的温度是均匀一致的。当太阳辐射强度很大时，储热水箱的水温可能远高于增温所需的设计温度。在这种情况下，为保证发酵罐内料液温度恒定，必需对储热水箱的水降温，浪费了大量已收集的太阳能。当太阳能照射量不足而使储热水箱的水温低于增温所需的设计温度时，先把储热水箱的水增温到设计温度，再给发酵罐加热。在这种情况下，大量的其他辅助能源被用于加热储热水箱的水而被浪费，也没有做到优先和充分利用已收集的太阳能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种储热方式合理、能源利用率高、可优先和充分利用太阳能的中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统，其特征在于：包括太阳能集热系统、厌氧发酵罐恒温加热系统和原料加热系统，太阳能集热系统包括太阳能集热器组1、储热水箱8、三通转换阀、循环水泵、检测控制系统和连接管道，储热水箱8由隔板分成上下连通的两部分，太阳能集热器组1的输出端通过第一集热循环管J1连通第五三通转换阀14，第五三通转换阀14分别通过第五集热循环管J5和第六集热循环管J6连通储热水箱8上部第一进水口8c和下部第二进水口8d，储热水箱8上部第一出水口8a和下部第二出水口8b分别通过第三集热循环管J3和第四集热循环管J4连通第一三通转换阀10，第一三通转换阀10通过第二集热循环管J2与太阳能集热器组1的输入端相连，第二集热循环管J2上设有第一循环水泵9；储热水箱8上部第三出水口8g和下部第四出水口8h分别通过第八循环管K8和第九循环管K9连通第三三通转换阀12，第八循环管K8和第九循环管K9同时还连通第四三通转换阀13；储热水箱8上部第三进水口8e和下部第四进水口8f分别通过第六循环管K6和第七循环管K7连通第二三通转换阀11；厌氧发酵罐恒温加热系统，包括厌氧发酵罐2，置于厌氧发酵罐2内的恒温加热器3，第一调温水箱17，第一补热换热器18，第三三通转换阀12通过第十循环管K10连通第一调温水箱17，第十循环管K10上设有第一电磁阀15；第一调温水箱17通过第一循环管K1连通恒温加热器3的输入端3a，恒温加热器3的输出端3b通过第二循环管K2连通第六三通转换阀7，第六三通转换阀7分别通过第三循环管K3和第四循环管K4连通第二三通转换阀11和第一调温水箱17，第一补热换热器18连接第一调温水箱17，为第一调温水箱17补热；原料加热系统，包括第二调温水箱19、第二补热换热器20、原料加热器5、沼液废热回收换热器4，第四三通转换阀13通过第十一循环管K11连通第二调温水箱19，第十一循环管K11上设置第二电磁阀22，第二调温水箱19通过第三循环水泵21连接到原料加热器5的输入端，原料加热器5的输出端连通第七三通转换阀6，第七三通转换阀6分别通过第五循环管K5和第十二循环管K12连通第二三通转换阀11和第二调温水箱19；第二补热换热器20连接第二调温水箱19，为第二调温水箱19补热；进料管24依次穿过沼液废热回收换热器4、原料加热器5连通厌氧发酵罐2的进料口；出料管23穿过沼液废热回收换热器4后连通厌氧发酵罐2的出料口；各三通转换阀，循环水泵，电磁阀，补热换热器均由检测控制系统进行自动控制。
所述补热换热器可以是燃气加热器，也可以是热泵。优选燃气加热器，这样可以优先使用厌氧发酵罐产生的沼气，有利于节省能源，降低成本。
本发明是这样运行的：太阳能集热系统，采用温差循环方式运行，将太阳能集热器组收集到的热量用热水方式储存在储热水箱中。储热水箱用隔板分成上下连通的两部份，太阳能集热器组首先给上半部分水加热，直到水温达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度以上，然后才给下半部分水加热。当下半部分水的水温也达到设计温度后，储热水箱上半部分和下半部分的水同步加热储能。根据以上三种不同情况，用以下三种回路实现集热。
当对储热水箱8上半部水加温时，采用第一回路进行太阳能集热：即太阳能集热器组1的输出端通过第一集热循环管J1、第五三通转换阀14、第五集热循环管J5与储热水箱8第一进水口8c相通，储热水箱8第一出水口8a经第三集热循环管J3、第一三通转换阀10、第二集热循环管J2与太阳能集热器组1的输入端相通，第二集循环管J2上的第一循环水泵9为管道中的水提供循环动力，集热水按上述回路进行流动。
当对储热水箱8下部水加温时，采用第二回路进行太阳能集热：即太阳能集热器组1的输出端通过第一集热循环管J1、第五三通转换阀14、第六集体＝热循环管J6与储热水箱8第二进水口8d相通，储热水箱2第二出水口8b经第四集热循环管J4、第一三通转换阀10、第一循环水泵9、第二集热循环管J2与太阳能集热器组1的输入端相通，集热水按上述回路进行流动。
当储热水箱8上部和下部的热水温度均已达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度时，采用第三回路进行太阳能集热：即太阳能集热器组1的输出端通过第一热循环管J1、第五三通转换阀14、第五热循环管J5与储热水箱8第一进水口8c相通，储热水箱8第二出水口8b经第四热循环管J4、第一三通转换阀10、第一循环水泵9、第二热循环管J2与太阳能集热器组1的输入端相通，集热水按上述回路进行流动。
通过如下运行方式，对厌氧发酵罐进行恒温加热：
当储热水箱8只有上部的热水温度达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度时，热水从储热水箱8第三出水口8g经第八循环管K8、第三三通转换阀12、第十循环管K10，依次通过电磁阀15、第一调温水箱17、第二循环水泵16、第一循环管K1进入恒温加热器3的输入端3a，恒温加热器3中的回水从输出端3b依次通过第二循环管K2、第六三通转换阀7、第三循环管K3、第五循环管K5，第二三通转换阀11，当厌氧恒温加热器3的输出端3b的水温低于储热水箱8下部第四出水口8h的水温，经第六循环管K6进入储热水箱8的第三进水口8e，反之则经第七循环管K7进入储热水箱8的第四进水口8f。
当储热水箱8下部的热水温度达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度时，热水从储热水箱8第四出水口8h经第九循环管K9、第三三通转换阀12、第十循环管K10依次通过第一电磁阀15、第一调温水箱17、第二循环水泵16、第一循环管K1进入恒温加热器3的输入端，恒温加热器3的回水从输出端依次通过第二循环管K2、第六三通转换阀7、第三循环管K3、第五循环管K5、第二三通转换阀11、第七循环管K7进入储热水箱8的第四进水口8f。
当储热水箱8输出的热水温度高于厌氧发酵罐恒温加热设计温度时，经恒温加热器3后的部分回水通过第六三通转换阀7、第四循环管K4进入到第一调温水箱17，进行调温。
当太阳能不足时，储热水箱中热水温度不能满足厌氧发酵罐恒温加热设计温度时，第一补热换热器18开启，热水从储热水箱8第三出水口8g经第八循环管K8、第三三通转换阀13、第十循环管K10、第一电磁阀15、第一调温水箱17和第一补热换热器18、第二循环水泵16、第一循环管K1进入恒温加热器3的输入端，恒温加热器3的回水从输出端依次通过第二循环管K2、第六三通转换阀7、第三循环管K3、第五循环管K5、第二三通转换阀11、第六循环管K6进入储热水箱8的第三进水口8e；第一补热换热器18优选燃气加热器，优先使用本系统产生的沼气作为燃料对第一调温水箱17进行补热。当恒温加热器3的输出端3b的回水温度高于储热水箱8的第三出水口8g的热水温度时，第一电磁阀15关闭，第六三通转换阀7连通第二循环管K2和第四循环管K4，形成第一调温水箱17、水泵16、循环管K1、恒温加热器3、循环管K2、循环管K4的回路，回水按此回路进行流通，同时第一补热换热器18继续对第一调温水箱17进行补热。
通过如下运行方式，对原料进行加热：
进原料的同时排放沼液，原料进入进料管24，先通过沼液废热回收换热器4吸收余热，再通过原料加热器5进入厌氧发酵罐2的进料口2a，当原料温度不能满足要求时，开启原料加热器5，通过下列回路对原料加热：当储热水箱8只有上部的热水温度达到原料加热设计温度时，热水从储热水箱8第三出水口8g经第八循环管K8、第四三通转换阀13、第十一循环管K11、第二电磁阀22、第二调温水箱19、第三循环水泵21进入到原料加热器5的输入端，原料加热器5回水从输出端依次通过第七三通转换阀6、第五循环管K5、第二三通转换阀11、第六循环管K6进入储热水箱8的第三进水口8e。当储热水箱8下部的热水温度达到原料加热设计温度时，热水从储热水箱8第四出水口8h经第九循环管K9、第四三通转换阀13、第十一循环管K11依次通过第二电磁阀22、调温水箱19、第三循环水泵21、进入原料加热器5的输入端，原料加热器5回水从输出端依次通过第七三通转换阀6、第五循环管K5、第二三通转换阀11、第七循环管K7进入储热水箱8的第四进水口8f。当储热水箱8输出的热水温度高于原料加热设计温度时，原料加热器5的部分回水通过第七三通转换阀6、第十二循环管K12回水到第二调温水箱19，进行调温。当储热水箱8的热水温度低于原料加热设计温度时，第二补热换热器20开启，热水从储热水箱8第三出水口8g经第八循环管K8、第四三通转换阀13、第十一循环管K11、第二电磁阀22、第二调温水箱19、第三循环水泵21进入到原料加热器5的输入端，原料加热器5回水从输出端依次通过第七三通转换阀6、第五循环管K5、第二三通转换阀11、第六循环管K6进入储热水箱8的第三进水口8e；第二补热换热器20优先用本系统产生的沼气作为能源补热，沼气不足时，用燃气、液化气等其他能源补热，第二补热换热器20也可以是热泵。当原料加热器5的输出端3b的回水温度高于储热水箱8的第三出水口8g的热水温度时，第二电磁阀22关闭，形成第二调温水箱19和第二补热换热器20、水泵21、原料加热器5、循环管K12、调温水箱19的回路，回水按此回路进行流通。
各三通转换阀，循环水泵，电磁阀，补热换热器均由检测控制系统进行自动控制，从而实现热水按照不同的回路自动流通。厌氧发酵罐恒温加热设计温度夏季可设置为54℃，冬季可设置为35℃。
本发明采用的储热水箱设计成上下连通的两部份，可分别储热，当太阳能辐射量较低时，太阳能集热器组收集的太阳能首先储存在水箱上半部，使这部分水温先达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度，从而可直接用于厌氧发酵罐加热。在上半部分水温达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度后，再把集热器组收集的能量储存在水箱下半部，当下半部分水温也达到厌氧发酵罐恒温加热设计温度后，储热水箱上半部和下半部同时储热。这种结构的储热水箱，可实现优先和充分利用收集的太阳能，节省其它辅助能源。
在太阳辐射量严重不足，储热水箱上半部的水温达不到厌氧发酵罐恒温加热设计温度时，需用其它辅助能源提高循环水的温度给厌氧发酵罐增温。本发明不需要对储热水箱内的水进行加温，只需要通过调温水箱对通过厌氧发酵罐的少部分水进行增温即可，因而可节省辅助能源和提高能源利用率。
综上所述，本发明具有储热方式合理、能源利用率高、可优先和充分利用太阳能的有益效果。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，沼气厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统，包括太阳能集热系统、厌氧发酵罐恒温加热系统和原料加热系统，太阳能集热系统包括太阳能集热器组1、储热水箱8、三通转换阀、循环水泵、检测控制系统和连接管道，储热水箱8由隔板分成上下连通的两部分，隔板上设置4个通孔，太阳能集热器组1的输出端通过第一集热循环管J1连通第五三通转换阀14，第五三通转换阀14分别通过第五集热循环管J5和第六集热循环管J6连通储热水箱8上部第一进水口8c和下部第二进水口8d，储热水箱8上部第一出水口8a和下部第二出水口8b分别通过第三集热循环管J3和第四集热循环管J4连通第一三通转换阀10，第一三通转换阀10通过第二集热循环管J2与太阳能集热器组1的输入端相连，第二集热循环管J2上设有第一循环水泵9；储热水箱8上部第三出水口8g和下部第四出水口8h分别通过第八循环管K8和第九循环管K9连通第三三通转换阀12，第八循环管K8和第九循环管K9同时还连通第四三通转换阀13；储热水箱8上部第三进水口8e和下部第四进水口8f分别通过第六循环管K6和第七循环管K7连通第二三通转换阀11；厌氧发酵罐恒温加热系统，包括厌氧发酵罐2，置于厌氧发酵罐2内的恒温加热器3，第一调温水箱17，第一补热换热器18，第三三通转换阀12通过第十循环管K10连通第一调温水箱17，第十循环管K10上设有第一电磁阀15；第一调温水箱17通过第一循环管K1连通恒温加热器3的输入端3a，恒温加热器3的输出端3b通过第二循环管K2连通第六三通转换阀7，第六三通转换阀7分别通过第三循环管K3和第四循环管K4连通第二三通转换阀11和第一调温水箱17，第一补热换热器18连接第一调温水箱17，为第一调温水箱17补热；原料加热系统，包括第二调温水箱19、第二补热换热器20、原料加热器5、沼液废热回收换热器4，第四三通转换阀13通过第十一循环管K11连通第二调温水箱19，第十一循环管K11上设置第二电磁阀22，第二调温水箱19通过第三循环水泵21连接到原料加热器5的输入端，原料加热器5的输出端连通第七三通转换阀6，第七三通转换阀6分别通过第五循环管K5和第十二循环管K12连通第二三通转换阀11和第二调温水箱19；第二补热换热器20连接第二调温水箱19，为第二调温水箱19补热；进料管24依次穿过沼液废热回收换热器4、原料加热器5连通厌氧发酵罐2的进料口；出料管23穿过沼液废热回收换热器4后连通厌氧发酵罐2的出料口；各三通转换阀，循环水泵，电磁阀，补热换热器均由检测控制系统进行自动控制。
第一补热换热器和第二补热换热器均为燃气加热器，采用本系统产生的沼气对第一调温水箱和第二调温水箱进行补热。

Claims (2)

1、中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统，其特征在于：包括太阳能集热系统、厌氧发酵罐恒温加热系统和原料加热系统，太阳能集热系统包括太阳能集热器组(1)、储热水箱(8)、三通转换阀、循环水泵、检测控制系统和连接管道，储热水箱(8)由隔板分成上下连通的两部分，太阳能集热器组(1)的输出端通过第一集热循环管(J1)连通第五三通转换阀(14)，第五三通转换阀(14)分别通过第五集热循环管(J5)和第六集热循环管(J6)连通储热水箱(8)上部第一进水口(8c)和下部第二进水口(8d)，储热水箱(8)上部第一出水口(8a)和下部第二出水口(8b)分别通过第三集热循环管(J3)和第四集热循环管(J4)连通第一三通转换阀(10)，第一三通转换阀(10)通过第二集热循环管(J2)与太阳能集热器组(1)的输入端连通，第二集热循环管(J2)上设有第一循环水泵(9)；储热水箱(8)上部第三出水口(8g)和下部第四出水口(8h)分别通过第八循环管(K8)和第九循环管(K9)连通第三三通转换阀(12)，第八循环管(K8)和第九循环管(K9)同时还连通第四三通转换阀(13)；储热水箱(8)上部第三进水口(8e)和下部第四进水口(8f)分别通过第六循环管(K6)和第七循环管(K7)连通第二三通转换阀(11)；厌氧发酵罐恒温加热系统，包括厌氧发酵罐(2)，置于厌氧发酵罐(2)内的恒温加热器(3)，第一调温水箱(17)，第一补热换热器(18)，第三三通转换阀(12)通过第十循环管(K10)连通第一调温水箱(17)，第十循环管(K10)上设有第一电磁阀(15)；第一调温水箱(17)通过第一循环管(K1)连通恒温加热器(3)的输入端(3a)，恒温加热器(3)的输出端(3b)通过第二循环管(K2)连通第六三通转换阀(7)，第六三通转换阀(7)分别通过第三循环管(K3)和第四循环管(K4)连通第二三通转换阀(11)和第一调温水箱(17)，第一补热换热器(18)连接第一调温水箱(17)，为第一调温水箱(17)补热；原料加热系统，包括第二调温水箱(19)、第二补热换热器(20)、原料加热器(5)、沼液废热回收换热器(4)，第四三通转换阀(13)通过第十一循环管(K11)连通第二调温水箱(19)，第十一循环管(K11)上设置第二电磁阀(22)，第二调温水箱(19)通过第三循环水泵(21)连接到原料加热器(5)的输入端，原料加热器(5)的输出端连通第七三通转换阀(6)，第七三通转换阀(6)分别通过第五循环管(K5)和第十二循环管(K12)连通第二三通转换阀(11)和第二调温水箱(19)；第二补热换热器(20)连接第二调温水箱(19)，为第二调温水箱(19)补热；进料管(24)依次穿过沼液废热回收换热器(4)、原料加热器(5)连通厌氧发酵罐(2)的进料口；出料管(23)穿过沼液废热回收换热器(4)后连通厌氧发酵罐(2)的出料口；各三通转换阀，循环水泵，电磁阀，补热换热器均由检测控制系统进行自动控制。
2、根据权利要求1所述的中高温厌氧发酵罐的太阳能恒温辅助加热系统，其特征在于：所述补热换热器可以是燃气加热器，也可以是热泵。
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