CN101704625A - 自动化太阳能沼气发酵方法及装置 - Google Patents

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吕跃双
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Abstract

一种自动化太阳能沼气发酵方法，属于环保化工领域。本发明针对现有沼气生产过程中存在的缺点，设计一种可达到在冬季北方自动进料、搅拌、排料、恒温、定量的自动化太阳能沼气发酵方法及装置。本发明步骤是：自动进料输送泵将集粪池中的粪便混合料送入水解酸化处理罐中的物料罐中进行水解酸化处理，经过水解酸化处理罐处理后的粪便混合料再通过自动送料泵送入厌氧消化罐中的物料罐中，太阳能集热器通过温控泵和太阳能热水循环系统将热水送入水解酸化处理罐和厌氧消化罐的集水夹层内，产生气体经脱硫、固液分离后注入贮气罐供用户使用。本发明建立在沼气进料、搅拌、排料、恒温、限量全部自动化程序控制，符合目前我国畜牧业养殖户发展现状。

Description

自动化太阳能沼气发酵方法及装置
技术领域：
本发明属于环保化工领域，特别是一种沼气的生产方法及装置。
背景技术：
目前我国北方农村推广“四位一体”沼气工程已有十多年的历史，在示范推广过程中暴露出来的主要问题是：受北方冬季严寒气候的影响很少产气或不产气，跑冒渗漏、冻裂报废的现象时有发生，另一方面不能自动进料、搅拌、排料，在推广应用中费工费事。虽然从2005年以后，我国北方发明了冬季能产气越冬的铁制罐体发酵工艺，但在应用中仍然没有实现真正意义上的自动进料、搅拌、排料。特别是没有实现真正意义的无害化处理零排放。
发明内容：
本发明针对现有沼气生产过程中存在的缺点，设计一种可达到在冬季北方自动进料、搅拌、排料、恒温、定量的自动化太阳能沼气发酵方法及装置。
本发明具体步骤是：
a、首先通过自动进料输送泵将集粪池中的粪便混合料送入水解酸化处理罐中的物料罐中进行水解酸化处理，以达到对粪便混合料的发酵；在集粪池中通过搅拌器进行搅拌；
b、经过水解酸化处理罐处理后的粪便混合料再通过自动送料泵送入厌氧消化罐中的物料罐中，并在厌氧消化罐内搅拌并发酵；
c、在水解酸化处理罐和厌氧消化罐上均安装有搅拌器；
d、太阳能集热器通过温控泵和太阳能热水循环系统将热水送入水解酸化处理罐和厌氧消化罐的集水夹层内，并且太阳能集热器通过温控泵和太阳能热水循环系统将热水也送入集烘池中；
e、在厌氧消化罐中生成的气体首先通过脱硫装置，将气体中的硫化氢以及二氧化硫去除，然后进入集水装置去除冷凝水，最后注入贮气罐供用户使用；
f、在厌氧消化罐内的物料罐内的产气后的废料，经液压自动控制排料开关排放到固液分离装置中进行固液分离，分离出的物料用于做生物肥；
g、水解酸化处理罐和厌氧消化罐的外壁上均安装有保温材料；
h、所有装置的控制工作均通过自动控制柜完成。
本发明安装在水解酸化罐和厌氧消化罐的物位自动控制装置用于控制水解酸化罐和厌氧消化罐的物料罐内的物料量。
本发明方法中所提到的水解酸化罐和厌氧消化罐，其结构是：水解酸化罐和厌氧消化罐内部的物料罐底端均为锥形，并且与水解酸化罐和厌氧消化罐外壁间形成一个“V”型集水夹层。
本发明方法中水解酸化罐和厌氧消化罐中所采用的搅拌器，其结构是：在水解酸化罐和厌氧消化罐上安装有搅拌器结构相同，油压缸安装在水解酸化罐或厌氧消化罐上，油压缸通过油压管道与泵站连接，在油压缸的伸入罐体内部端安装有山型搅拌器。
本发明建立在沼气进料、搅拌、排料、恒温、限量全部自动化程序控制，符合目前我国畜牧业养殖户发展现状，其具体的特点是：
1、铁制立式罐体，实现了上限自动控制进料，下限自动控制排料。
2、罐体实行国际领先保温，冬夏不受外界自然气温影响，不需要建温室大棚和用燃烧其它物质发酵增温，冬季以可控太阳能集热器增温。
3、进料、搅拌、排料全部自动化程序控制。
4、水解、酸化、厌氧消化三阶段处理变为水解酸化和厌氧消化二阶段处理，避免了沼气三阶段处理所造成的“断档”弊病。
5、由于进、排、搅拌自动化控制，为养殖户粪便大量排泄做到日排多少，日处理多少，达到了真正意义的无害化处理，零排放。
6、在我国北方地区，无论冬夏都能做到高温发酵，常年高效产气，均衡产气。
7、可据养殖户和农村建设需要设计发酵罐体容积，同等产气的条件下，占地面积仅是现有建沼气池面积的十分之一。
8、本发明容积处理粪便能力与沼气池同体积容积相比，是沼气池的22.4倍；同体积容积的本发明产气量是现有沼气池的5倍以上，经济效益明显提高。
附图说明：
图1是本发明结构流程图；
图2是本发明搅拌器及安装在罐体上的结构示意图。
具体实施方式：
本发明具体步骤是：
a、首先通过自动进料输送泵3将集粪池1中的粪便混合料送入水解酸化处理罐4中的物料罐13中进行水解酸化处理，以达到对粪便混合料的发酵；在集粪池1中通过搅拌器2进行搅拌；
b、经过水解酸化处理罐4处理后的粪便混合料再通过自动送料泵10送入厌氧消化罐5中的物料罐13中，并在厌氧消化罐5内搅拌并发酵；
c、在水解酸化处理罐4和厌氧消化罐5上均安装有搅拌器6；
d、太阳能集热器19通过温控泵和太阳能热水循环系统7将热水送入水解酸化处理罐4和厌氧消化罐5的集水夹层8内，并且太阳能集热器19通过温控泵和太阳能热水循环系统7将热水也送入集烘池1中；
e、在厌氧消化罐5中生成的气体首先通过脱硫装置16，将气体中的硫化氢以及二氧化硫去除，然后进入集水装置14去除冷凝水，最后注入贮气罐15供用户使用；
f、在厌氧消化罐5内的物料罐13内的产气后的废料，经液压自动控制排料开关9排放到固液分离装置17中进行固液分离，分离出的物料用于做生物肥；
g、水解酸化处理罐4和厌氧消化罐5的外壁上均安装有保温材料；
h、所有装置的控制工作均通过自动控制柜18完成。
本发明安装在水解酸化罐4和厌氧消化罐5的物位自动控制装置11用于控制水解酸化罐4和厌氧消化罐5的物料罐19内的物料量。
本发明方法中所指的水解酸化罐和厌氧消化罐，其结构是：水解酸化罐4和厌氧消化罐5内部的物料罐19底端均为锥形，并且与水解酸化罐4和厌氧消化罐5外壁间形成一个“V”型集水夹层8。
本发明方法中水解酸化罐和厌氧消化罐让所使用的搅拌器，其结构是：在水解酸化罐4和厌氧消化罐5上安装有搅拌器6结构相同，其具体结构是：油压缸20安装在水解酸化罐4或厌氧消化罐5上，油压缸20通过油压管道21与泵站22连接，在油压缸20的伸入罐体内部端安装有山型搅拌器23。
以下是结合结构流程图进行更详细的叙述：
1、集粪池：由水泥钢筋捣固建成，外形正方形内圆锥体。外加保湿材料，以防冬季结冰。进入粪池的粪尿，按C/N比要求配料，浓度15～17％，调PH值达到6.8～7.4，并且采用自动搅拌器进行搅拌。
2、自动进料输送泵与粪池连接(压力30～50公斤，扬程20米，小时流量30～40m3，进口4寸，出口3寸，外尺350cm，厚度12cm)。通过它将粪池料送入水解酸化罐。
3、水解酸化罐：其主要包括进料口、进料泵、锥型罐体、搅拌器、“V”集水夹层、物位自动控制装置、液压自动控制开关等，“V”集水夹层通过循环水系统与太阳能热水集热器相通，其主要是大中型沼气不可缺少的发酵装置，所要达到的效果指标是：罐体温度45～55℃，浓度15～18％，PH值6.8～7.4，发酵性细菌(几百种)总量108～1010/ml，产氢产乙酸菌总量1012～1014个/ml，罐体内压力0.4～0.6帕，进料由物位自动控制系统(上、下限)控制，自动搅拌由定时自动油压密封搅拌器完成，增温恒温由太阳能集热器和循环水系统实现，自动排料由液压自动开关完成。
4、厌氧消化罐：其主要包括进料泵、锥型罐体、搅拌器、“V”集水夹层、物位自动控制装置、液压自动控制开关等，“V”集水夹层通过循环水系统与太阳能热水集热器相通，其是在中型沼气建设核心关键发酵装置。所达到的效果指标是：罐体温度45～55℃，浓度15～18％，PH值6.8～7.2(中性范围内)，因为该发酵工艺属于高温发酵范筹，因此，要以嗜热甲烷丝菌(24～26小时)和索氏甲烷丝菌为主(3.4～4天)它们总量要达到1010～1012个/ml左右，罐体内压力0.6～0.8帕，做到严格密封，创造厌氧条件。此罐自动进料，仍然由物位控制系统(上、下限)控制，自动搅拌由定时自动油压密封搅拌器完成。增温恒温帖太阳能集热器和循环系统实现。自动排料由液压自动开关实现。
5、定时自动油压密封搅拌器：水解酸化罐和厌氧消化罐中采用的搅拌装置均是此设备，该装置一般安装在罐体顶部并与罐体顶部密封连接，由油压泵推动油压缸内轴上下运动，起到不乱物料层搅拌，使其浮渣层、清液层和活性层充分接触，达到扩大菌类活动生存范围，起到均衡多产气的目的。
6、太阳能热水循环系统：是与太阳能集热器相连接，通过自动温度泵将太阳能集热器中的热水送入两个罐体底部集水盆“V”型装置为罐体增温。
7、集水盆“V”型装置：其是不同罐体容积内为罐体加热的核心设备，通过太阳能循环系统将热水积存于“盆”内，为罐体增温，恒温由太阳能自动循环控制。
8、液压自动控制开关：其是通过电磁阀控制开关，打开后将水、解酸化罐内物料通过自动送料泵送入消化处理罐。
9、自动送料泵：通过它起到将酸化消解罐内物料送入厌氧消化罐。
10、太阳能集热装置(器)：设置在两罐体阳面上方，由数个太阳集热管组成，按罐体需要加热水的体积(重量)设计安装，它与太阳能热水循环系统紧紧相连接。
11、自动排料开关是将厌氧消化处理完毕的沼渣沼液排出，其受到物位自动控制系统控制，能做到定量排料，水解酸化罐进料多少，其能排出多少。由厌氧消化罐产生的沼气含有数量不等的硫化氢以及二氧化硫影响沼气(甲烷)纯度，必须通过脱硫装置进行脱硫。(市场有小型装置出售，在大中型沼气建设中要另行设计脱硫塔)
12、集水装置：市场上均有出售，主要是除掉沼气中含有的冷凝水。
13、固液分离指的被排出的沼渣沼液，经安装的固液分离机将沼渣沼液分离开，为发展沼气循环经济提供原料。
14、自动控制柜是将集粪池中的粪到水解酸化罐和厌氧消化罐，实现天天进料，搅拌、排料全部自动化控制系统的总程，也就是将整个系统的控制功能都集中在自动控制柜中，方便进行全程控制。
15、锥型罐体的设计是出于热量传导向上向侧而很少向下的原理，又考虑锥型体重力集合原理，能使物料借助重力，向下尽快排料的想法设计的，特别是这样设计后，便于集水盆“V”型的形成，易于加工，节省原材料。
16、物位自动控制系统的设计，主要是考虑天天进料，天天定量排料，而且由于发酵原料(牛、猪、鸡粪)水解酸化和厌氧产沼气的时间长短不一，必须做到因品种的不同发酵时间不同，而又要达到天天定量进料，天天定量排料。
17、罐体保湿材料主要原料为聚氨脂。
18、产出的沼气纯度可达70％以上，实际是贮气罐中的沼气，它可水由铁质或玻璃钢或抗压能力强的红泥塑料制成制成罐体。一般是厌氧消化罐体积的一半即可。
实验：
一、试验研究主要内容
1、自动进料、搅拌、排料装置设备试验研究
2、太阳能集热器装置设备试验研究
3、发酵装置(罐体)冬季增温保温材料试验研究
4、天天进料、天天产气、天天排料定量时限，实现真正意义上的无害化处理排放试验研究。
二、试验材料、方法与采用的工艺路线
1、材料：养殖户牲畜粪尿，包括牛粪尿，猪粪尿和鸡粪按沼气发酵C/N比更要求的玉米秸秆，并以铁制罐体做发酵容积。
2、方法：依据养殖户不同牲畜品种和每日排泄粪尿总量设计水解酸化处理罐和厌氧消化处理铁制罐各3m3。并设计研究太阳能集热器供热面积以及热水循环方式。
3、采取的工艺路线。综合运用流体力学、热力学、自动控制和机械运转等原理，集成、配套、组装系统设计沼气发酵工艺运转生产过程。
四、试验过程
1、自动搅拌。第一次运用上下通天固定螺旋搅拌轴，试验表明，固液料阻力大，达不到搅拌效果，而且上下通天，很难固定、密封，罐体漏气，失去厌氧发酵意义。在试验中我们发现，物料在罐体内处于高温发酵状态下(6小时后)因固液比重不同，自然沉降和上浮而分成浮渣层、清液层、活性层和沉渣层。
在罐体内物料浓度达到15％时，每个层次大约占1/4左右。这就是沼气不搅拌，产气量减少30％左右的重要原因。第二次采用密封半轴带有三叶片刺式搅拌器，仍然存在阻力大憋病；最后采用液压式上下自动伸缩，和自制山型叶片式搅拌器进行搅拌，使发酵物料无法浮出液面以上，保持原始物料混合状态，这种搅拌方式可以激活活性层中微生物，扩大了微生物繁衍和活动的空间范围。使其沼气产量增加，达到最佳产气效果。
2、自动排料。其目的就是要实现进料限量，而排出的料也要定量，就是出多少进多少。开始设计三个同心锥形罐体，并在二个锥型罐体底部设排料口，按自由落体原理，在三个开口处设法兰盘，用通心轴连接并设横杆上下运动，以达到三个罐体限量逐渐排出物料，结果未达到目的。第二方案改成罐体底部开口，靠罐体内物料重力排料，结果打开排料口很快就将物料排净，由于普通开关人工限量控制难度大，无法实现自动限量控制排料。我们经过多次试验反复探索，设计了可控“物位自动液压开关，’，达到了自动限量排料的效果，实现了自动限量排料的目的。
3、太阳能集热增温。保持恒温及设备试验研究。这项试验要解决三个关键问题。
(1)太阳能集热管多大面积能保证罐体内增温且恒定。
(2)太阳能集热管里的水，通过增设什么样设备达到很快为罐体加热增温。
(3)如果阴天下雨、下雪，太阳能不能供热如何保证罐体恒温。
经过多次反复试验结果是：
一是：60个太阳能集热管集热面积7.Sm2，可为500kg水加热并保证罐体内恒温达到45℃以上。二是：太阳能集热管里的水，我们通过在罐体内设螺旋管，曲线型管(铁质)等设施，热水循环效果都达不到要求，而且加工费事。最后我们制定“集水盆”近似“V”型设备罐体底部加热。
这种太阳能加热系统在太阳能热水60-80℃的情况下，通过加热泵循环，每小时罐体内物料升温1-1.5℃。夏季室外温度在20℃左右时，罐内初始温度15-16℃左右时，需要25-30小时，就能使罐体内物料温度达到45℃以上。(在罐体设保温板的前提下，5天内温度下降1-1.5℃)。三是：为保证冬夏阴天下雨下雪罐体内恒温不受波动，我们在“V”型集水盆内增设了“自控加热”或“沼气燃气锅炉”予以增温保温。
4、发酵设备冬季增温保温材料及保温方式试验。
005100168268号专利，是以温室大棚和玉米秸秆，在地下窖内发酵实现冬季增温保温的。最大问题是在应用中群众感到费工费事，难以操作。我们完全拼弃了这种增温保温理念。我们通过泡沫、珍珠岩、草炭加珍珠岩试验均未获得理想效果。最后，我们选定国际领先的保温材料“聚胺脂”对罐体“发泡”保温，达到了预期效果。罐体内保持恒温45℃以上。一个月观测检温，结果表明：这样保温效果基本不受外界自然气候变化影响。确切观测数据说明：5天内外界温度无论差异多大，罐体内温度变化只有正负1-1.5℃的变化。
5、天天进料，产气，天天排料限量试验。其目的是要达到真正意义上的无害化处理零排放。试验的核心是摸清牲畜粪便，使不同品种(牛、猪、鸡以及混入部分秸秆)在恒定温度同一料液浓度条件下，产气天数(时限)。以下数据在国内各类刊物上标明的都是各类沼气池测得的数据：
表3-1.温度对产气速度的影响
沼气发酵温度/℃  10  15  20  25  30
沼气发酵时间/d  90  60  45  30  27
  有机物产气率(ml/g)  450   530   610   710   760
表3-2粪便发酵期限与温度的关系
  发酵温度/℃   8   10   15   20   27   32
  发酵期/d   120   90   60   45   30   20
而本发明经过38天试验结果如下表
粪便发酵期限与温度产气速度的关系(1m3发酵罐体)
Figure G2009102179231D0000121
注：上述三种粪按C/N比要求分别加入不同量玉米秸秆。
上述试验表明：本发明使各类粪便在恒定温度浓度下，产气时限大大缩短5-6倍多，而产气率与沼气池发酵相比提高了5倍多。这就为天天进料，天天产气，天天无害化处理提供了可靠的科学依据。
实验结果证明：
1、通过采用自制近似“V”型“集水盆”式设备，在罐体底部利用太阳能集热器的热水和温控自动循环系统进行加热。可使罐体内物料控制在45℃-65℃范围内，使微生物的繁衍和生长得到了快速的发展。缩短了滞留期，提高了发酵装置的工作效率。
2、用液压式上下自动伸缩，和自制山型叶片式搅拌器进行搅拌，使发酵物料无法浮出液面以上，保持原始物料混合状态，这种搅拌方式可以激活活性层中的微生物，扩大了微生物繁衍空间的范围，使其沼气产量增加，达到最佳产气效果。
3、针对我国北方地区冬季气候寒冷，沼气池少产气或不产气、冻裂报废的实际情况，我们采用了国际领先的保温材料“聚氨酷”对罐体发泡保温，得到了很好的预期效果。

Claims (4)

1.一种自动化太阳能沼气发酵方法，其特征在于：
a、首先通过自动进料输送泵(3)将集粪池(1)中的粪便混合料送入水解酸化处理罐(4)中的物料罐(13)中进行水解酸化处理，以达到对粪便混合料的发酵；在集粪池(1)中通过搅拌器(2)进行搅拌；
b、经过水解酸化处理罐(4)处理后的粪便混合料再通过自动送料泵(10)送入厌氧消化罐(5)中的物料罐(13)中，并在厌氧消化罐(5)内搅拌并发酵；
c、在水解酸化处理罐(4)和厌氧消化罐(5)上均安装有搅拌器(6)；
d、太阳能集热器(19)通过温控泵和太阳能热水循环系统(7)将热水送入水解酸化处理罐(4)和厌氧消化罐(5)的集水夹层(8)内，并且太阳能集热器(19)通过温控泵和太阳能热水循环系统(7)将热水也送入集烘池(1)中；
e、在厌氧消化罐(5)中生成的气体首先通过脱硫装置(16)，将气体中的硫化氢以及二氧化硫去除，然后进入集水装置(14)去除冷凝水，最后注入贮气罐(15)供用户使用；
f、在厌氧消化罐(5)内的物料罐(13)内的产气后的废料，经液压自动控制排料开关(9)排放到固液分离装置(17)中进行固液分离，分离出的物料用于做生物肥；
g、水解酸化处理罐(4)和厌氧消化罐(5)的外壁上均安装有保温材料；
h、所有装置的控制工作均通过自动控制柜(18)完成。
2.根据权利要求1所述的自动化太阳能沼气发酵方法，其特征在于：安装在水解酸化罐(4)和厌氧消化罐(5)的物位自动控制装置(11)用于控制水解酸化罐(4)和厌氧消化罐(5)的物料罐(19)内的物料量。
3.权利要求1所述的水解酸化罐和厌氧消化罐，其特征在于：水解酸化罐(4)和厌氧消化罐(5)内部的物料罐(19)底端均为锥形，并且与水解酸化罐(4)和厌氧消化罐(5)外壁间形成一个“V”型集水夹层(8)。
4.权利要求1所述的搅拌器，其特征在于：在水解酸化罐(4)和厌氧消化罐(5)上安装有搅拌器(6)结构相同，其具体结构是：油压缸(20)安装在水解酸化罐(4)或厌氧消化罐(5)上，油压缸(20)通过油压管道(21)与泵站(22)连接，在油压缸(20)的伸入罐体内部端安装有山型搅拌器(23)。
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