CN102070289B

CN102070289B - 一种太阳能辅助加热式沼气生产装置

Info

Publication number: CN102070289B
Application number: CN2010105819410A
Authority: CN
Inventors: 胡建军; 周雪花; 焦有宙; 王毅
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: CN102070289A

Abstract

本发明公开了一种太阳能辅助加热式沼气生产装置，包括生物质沼气发酵系统，其包括厌氧反应箱和厌氧反应箱上部的贮气罐，贮气罐上设有出气口，贮气罐底部设有与厌氧反应箱连通的通气孔，厌氧反应箱上设有进料口与出料口及进料口阀门与出料口阀门，进料口阀门与厌氧反应箱之间设有进料泵，所述生物质沼气发酵系统相连设有辅助加热系统，其包括换热器与集热器，换热器设置在厌氧反应箱底部；厌氧反应箱内侧中部设有至少一块折流板和至少一块换热器，换热器将厌氧反应箱分隔成多个隔室。经过多块换热器和折流板使料液上下迂回折流，延长了料液在厌氧反应箱内的运动流程，避免短路、死角、结壳等现象，保证了污泥滞留时间，提高了发酵效率。

Description

一种太阳能辅助加热式沼气生产装置

技术领域

本发明属于生物质沼气发酵技术领域，特别涉及一种太阳能辅助加热式沼气生产装置。

背景技术

当前，全球经济和社会的发展多以能源为动力，经济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消耗的增加，使我们面临着两个突出问题：一方面，矿物能源资源随着开采使用日益耗尽；另一方面，大量使用矿物能源引起了日益严重的环境问题。因此，人类正面临着巨大的能源与环境的双重压力。

如果没有新的能源来取代化石常规能源在能源结构中的主导地位，在21世纪必将发生严重的、灾难性的能源和环境危机。因而，可再生能源是首选的替代能源之一。由于生物质能是可再生能源的重要组成部分，且是唯一可以储存和运输的可再生能源，所以发展生物质能成为当今的热点。

在众多生物质能开发和利用技术中，利用畜禽粪便和秸秆生产沼气具有清洁、高效、低成本的特点，在国内外得到广泛应用。特别是在我国，沼气产业实现了农业生产和农民生活的循环发展,极大地节约了农村能源。发展农村沼气产业，是解决我国农村能源问题和建设节约型新农村的有效途径。

目前，我国农村已有的户用（家庭用）沼气池为1300多万口，年产沼气约33亿立方米，其中大中型沼气工程2200多处，年产沼气约12亿立方米，可向18万户居民集中供应管道沼气；生活污水净化沼气池发展迅速，全国建池8万多处，可处理280万人的生活污水。与国外相比，我国在处理固体有机物方面的厌氧技术还有较大差距，主要表现在以下几个方面：①厌氧发酵产气率低，系统运行和管理自动化水平不高；②厌氧发酵和综合利用配套技术和设备不够成熟；③厌氧发酵技术产业化发展速度缓慢，不便于大规模市场推进。特别是在北方寒冷地区，沼气生产和利用受到很大的限制。因此，发展自动化程度高、运行稳定、产气效率高、适合于寒冷冬季的沼气技术及设备势在必行。

在各种沼气生产设备中，厌氧折流式反应器具有很大的界面分离细菌和气体，活性污泥要经过多次折流后才能流出，因而滞留污泥量大，能够连续产氢、有效解决料液堵塞和分层现象，成为目前沼气发酵设备的发展方向。而传统的厌氧折流式反应器由于没有保温措施，使设备不能满足冬季产沼的要求，即便是夏季也只能达到中温发酵；另外，在污泥回流中没有合理匹配阀门，使污泥不能在反应器和回流管中封闭循环流动，造成污泥损失和产气效率不高等问题，限制了生物质沼气发酵的进一步应用与发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种运行稳定、产气效率高、能够实现冬季中温发酵和夏季高温发酵的太阳能辅助加热式沼气生产装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种太阳能辅助加热式沼气生产装置，包括生物质沼气发酵系统，生物质沼气发酵系统包括厌氧反应箱和厌氧反应箱上部的贮气罐，贮气罐上设有出气口，贮气罐底部设有与厌氧反应箱连通的通气孔，厌氧反应箱上设有进料口与出料口及进料口阀门与出料口阀门，进料口阀门与厌氧反应箱之间设有进料泵，所述生物质沼气发酵系统相连设有辅助加热系统，辅助加热系统包括换热器、与换热器相连的集热器，厌氧反应箱内侧中部设有至少一块折流板、底部设有至少一块换热器，换热器将厌氧反应箱分隔成多个隔室，进料碰撞到折流板后向下流动，通过折流板下部后，在换热器的阻挡作用下改变方向向上流动。

所述换热器与集热器之间设有保温水箱，保温水箱上连接有水位控制系统和温度控制系统，保温水箱底部内外分别设有电加热器和排污阀，在连接保温水箱和换热器的管道上设有循环水泵，循环水泵和换热器之间设有热水进口阀门。

所述换热器底部设有回水管，回水管与集热器的进水管和出水管相连；在集热器进水口、出水口处和回水管上分别设有进水口电磁阀、出水口电磁阀和回水电磁阀；在出水口设有排气阀。

所述保温水箱上部设有补水口，补水口处设有补水阀门。

所述厌氧反应箱与其出料口阀门之间设有回流管，回流管另一端连通在进料口阀门与进料泵之间的管道上。

所述折流板下部为弯折部，弯折倾角为30°～75°。

所述厌氧反应箱内侧位于进料口和出料口上部分别设有向下倾斜的进料口隔板和出料口隔板，其倾斜角度均为30°～60°。

所述厌氧反应箱底部设有与隔室相对应的排污阀；贮气罐下面对应通气孔设有两相分离器，两相分离器下部开口对应下方的换热器。

所述换热器包括由平板连接的换热管和布设有多个过水孔的多孔筛板，多孔筛板将换热器腔体分隔成上部的集热水箱和下部的集冷水箱，换热管上部设有分水器、端部与过水孔相连通。

所述分水器内设有四个斜槽。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、在厌氧反应箱内侧中部设有至少一块折流板、底部设有至少一块换热器，换热器将厌氧反应箱分隔成多个隔室，换热器与集热器相连，料液和污泥混合后由进料口进入厌氧反应箱中，混合液碰撞到第一块折流板后向下流动，通过折流板下部后，在换热器的阻挡作用下改变方向向上流动，料液与换热器进行充分热交换后，产生的沼气通过通气孔进入贮气罐，当混合液经历最后一块换热器和折流板后，由出料口流出厌氧反应箱，经过多块换热器和折流板使料液上下迂回折流，延长了料液在厌氧反应箱内的运动流程，避免短路、死角、结壳等现象，保证了污泥滞留时间，提高了发酵效率；同时，充分利用太阳能加热，环保清洁，受环境温度变化影响小，使料液始终处于较高的温度，自动化程度高，能够实现在夏季保持高温发酵，冬季保持中温发酵；发酵过程中，换热器既为沼气发酵提供了加热热源，又起到折流板的作用。

2、厌氧反应箱内部采用折流板和换热器实现折流式厌氧发酵，可有效避免出现料液分层现象，使厌氧反应箱内的料液分布均一，促进料液与污泥微生物充分接触，具有传质效果好、发酵效率高的优点。

3、厌氧反应箱与其出料口阀门之间设有回流管，回流管另一端连通在进料口阀门与进料泵之间的管道上，通过污泥回流使用，可防止浮渣层的形成和结垢，使污泥和料液充分混合，使反应器内的pH值保持稳定，污泥微生物分布均匀，并且预热了进料温度，加快了发酵速度，有利于沼气的释放和热量的传播，进而提高了产气量。

4、换热器设置有分水器，分水器的四个斜槽使热水沿换热管内壁面作螺旋线状向下流动，增强了热水和换热管内壁面之间的换热效果。

5、保温水箱下部的电加热器可满足阴雨天及冬季低温时的使用要求，实现了生物质原料夏季高温发酵和冬季中温发酵，减少了环境温度对沼气发酵的影响。

6、热水从换热器上端的集热水箱进入，通过换热管换热后的冷水由下端的集冷水箱流出，最终汇总到集热器，由于料液始终与换热管内热水呈逆流方式（流动方向相反）运动，从而增强了换热效果。

7、本发明结构简单、设计合理、科学，操作方便，自动化程度高，运行稳定，原料适用性强，可用于畜禽粪便、农作物秸秆、工农业污水等物料的能源化利用；同时，通过太阳能光热利用避免了冬季低温对沼气发酵的影响，实现了生物质原料夏季高温发酵和冬季中温发酵，减少了环境温度对沼气发酵的影响，有效提高了发酵效率，保证了反应器稳定和高效地运行。

8、本发明的规模可根据实际需要放大或者缩小，易实现标准化和商品化，能够满足户用和规模化用能需求，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明辅助加热系统的结构示意图；

图3为图2中换热器的结构示意图；

图4为图3中分水器的俯视图。

具体实施方式

如图1所示的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其包括生物质沼气发酵系统和辅助加热系统。生物质沼气发酵系统包括厌氧反应箱1和厌氧反应箱1上部的贮气罐4，用于贮存生产的沼气，厌氧反应箱1上设有进料口2与出料口3及进料口阀门21与出料口阀门31，进料口阀门21与厌氧反应箱1之间设有进料泵8，用于连续进料和污泥回收利用。在厌氧反应箱1与其出料口阀门31之间设有回流管11，回流管11上设有回流管阀门111，回流管11另一端连通在进料口阀门21与进料泵8之间的管道上。污泥经回流管11回流进入进料管，一方面与进料管内料液混合，起到预热料液的作用，另一方面为料液提供所需的发酵微生物，在进料泵8的作用下连续进料，达到污泥回收利用和封闭循环的目的。在厌氧反应箱1内侧位于进料口2和出料口3上部分别设有向下倾斜的进料口隔板22和出料口隔板32，其倾斜角度均为30°～60°，以增强料液的流动搅拌程度，本实施方式中倾斜角度选择45°。

在厌氧反应箱1内侧中部设有四块折流板10，其将厌氧反应箱1隔成多个封闭单元，折流板10下部为弯折部，弯折倾角为30°～75°，本实施方式中弯折倾角选择60°；在厌氧反应箱1内侧底部位于折流板10之间设有换热器5，换热器5将厌氧反应箱1分隔成四个隔室50。对应厌氧反应箱1的四个隔室50，在厌氧反应箱底部向下设有四个排污阀7，用于排放沼液和沼渣。

厌氧反应箱1上部的贮气罐4上设有出气口9和压力表12，压力表12用于监测沼气量的多少，贮气罐4底部设有与厌氧反应箱1连通的通气孔41，通气孔41便于沼气向上流动进入贮气罐4；对应通气孔41向下设有两相分离器6，两相分离器6下部开口与下方的换热器5相对应，发酵产生的沼气中的液滴通过碰撞两相分离器6流回到料液，起到净化沼气作用。贮气罐4是底面为长方体、壁面为半球状的半球式贮气罐。通过压力表12监测贮气罐4内的压力，当压力不足时，启动进料泵8开始进料；当压力较高时，经出气口9向外排出沼气。

厌氧反应箱1由6mm厚的Q235钢板焊接而成，为避免厌氧反应箱1被料液腐蚀，在钢板内壁刷有环氧沥青漆。厌氧反应箱1外部设有保温结构，保温结构由内部绝热层和外部保护层构成，其中绝热层采用100mm厚的挤塑聚苯乙烯泡沫硬质板材，泡沫板材内部为独立的密闭式气泡结构，其是一种具有高抗压、不吸水、防潮、不透气、轻质、耐腐蚀、使用寿命长、导热系数低等优异性能的环保型保温材料；保护层为固定在绝热层外部的0.5mm厚的薄铁皮，用于保护绝热层材料，起到防火、防水、防潮和美观的作用。

回流管11外设由绝热层和保护层构成的保温结构，该保温结构与厌氧反应箱1外部的保温结构相同。

使用本发明的发酵过程为：先将料液和污泥以2:1的比例混合，在进料泵8的作用下由进料口21进入厌氧反应箱1中；混合液碰撞到第一块折流板10后向下流动，通过折流板10下部60°的弯折倾角后，在第一块换热器5的阻挡作用下改变方向向上流动；料液与换热器5进行充分热交换后，在两相分离器6的作用下进行气液分离，产生的沼气通过两相分离器6上方的通气孔41进入贮气罐4，沼气中夹带的液滴在两相分离器6的作用下流回到料液中与混合液一起进行下一个折流；当混合液经历最后一块换热器5和折流板10后，由出料口3流出厌氧反应箱1。厌氧反应箱1中多块换热器5和折流板10使料液上下迂回折流，延长了料液在厌氧反应箱1内的运动流程，避免短路、死角、结壳等现象，保证了污泥滞留时间，提高了发酵效率。

通过进料口阀门21、出料口阀门31和回流管阀门111开启和关闭的不同组合，达到进、出料液运行和污泥回流搅拌的目的，其具体工作原理为：当进料时，打开进料口阀门21，关闭出料口阀门31和回流管阀门111，启动进料泵8，料液通过进料口2和进料泵8流进厌氧反应箱1，在进料口隔板22的作用下，料液向下流动，然后依次通过折流板10和换热器5，经多次迂回流动至出料口3；当出料时，关闭进料口阀门21，打开出料口阀门31和回流管阀门111，启动进料泵8将料液排出，厌氧反应箱1底部不能排出的剩余料液可分别经每个隔室50底部的排污阀7排净；当沼气发酵正常进行时，关闭进料口阀门21和出料口阀门31，打开回流管阀门111，启动进料泵8，料液和污泥就会在厌氧反应箱1、回流管11中循环流动，实现不停搅拌和连续发酵的目的。

如图2所示，辅助加热系统包括前述均布于厌氧反应箱1内部的换热器5、集热器13、换热器5与集热器13之间设置的保温水箱20，在连接保温水箱20和换热器5的管道上设有循环水泵27，循环水泵27和换热器5之间的热水进口58处设有热水进口阀门57，换热器5下部的冷水出口510处设有冷水出口阀门59。换热器5均匀分布在料液里，一方面利用热水来为料液提供恒温热源，另一方面起到折流板作用。热水进口阀门57和冷水出口阀门59共同用于控制水流量和调节料液温度，当料液温度较低时，开大热水进口阀门57，增加热水供应量，关小冷水出口阀门59，减少冷水流出量；当料液温度较高时，关小热水进口阀门57，减少热水供应量，开大冷水出口阀门59，增大冷水流出量。在保温水箱20上连接有与其内部水位传感器和温度传感器相连的水位控制系统34和温度控制系统35，用于控制保温水箱20内部的水位高度和水温，通过温度控制系统35的温度智能控制变送仪设定加热温度，实行恒温加热控制，冬季设定为40℃，夏季设定为60℃。在保温水箱20底部内、外分别设有电加热器30和排污阀33、上部设有补水口24，补水口24处设有补水阀门26。补水口24的主要作用是当保温水箱20内的热水损失时，经补水口24进行补水。排污阀33用于排污和检修。

保温水箱20下部的电加热器30可满足阴雨天及冬季低温时的使用要求。另外，电加热器30带有自动控制开关，当冬季水温低于40℃、夏季水温低于60℃及阴雨天集热器13不能工作时，可自动启动电加热器30，当冬季水温高于40℃、夏季水温高于60℃时，电加热器30自动关闭。

从换热器5底部的冷水出口510延伸设有回水管39，回水管39与集热器13的进水管与出水管相连，在集热器13进水口14、出水口15处和回水管39上分别设有进水口电磁阀16、出水口电磁阀19和回水电磁阀18，在出水口15设有排气阀17，用于排出集热器13中的空气。

集热器13为真空管式太阳能集热器，其利用真空管吸收太阳能集热，最大限度的实现光热转换，使冷水吸热转化成热水，再经微循环把热水传送到保温水箱20内，以供利用。集热器13采用1500mm×47mm的AL-N/AL真空溅射选择性镀膜涂层的玻璃真空管，吸收率≥0.93，红外发射率ε≤0.6，真空度P≤5×10^ˉ3pa。保温水箱20及其附件材料选用厚度为0.8mm的SUS304不锈钢板；保温水箱20外部设有保温层，其采用50mm聚氨脂整体发泡成型，闭孔率高，散热损失小，保温时间长达72小时，即使在冬季也能起到良好的保温效果。集热器13的反光板采用弧面结构配合防风通道，反射效果好，具有抗风和防尘功效。

保温水箱20的内胆为SUS304-2B食品级不锈钢板、亚弧焊接，厚度为1.2mm，中层为50mm厚全聚氨酯发泡保温层，水箱外壁包装为不锈钢。

在辅助加热系统中共设置三个电磁阀，即进水口电磁阀16、出水口电磁阀19和回水电磁阀18，其工作原理为：当冬季保温水箱20中水温低于40℃或者夏季水温低于60℃时，进水口电磁阀16和出水口电磁阀19开启，回水电磁阀18关闭，热水在集热器13、保温水箱20和换热器5中通过循环水泵27进行封闭循环；当阴雨天或低温，集热器13不能正常工作时，进水口电磁阀16和出水口电磁阀19关闭，回水电磁阀18开启，电加热器30启动，进行辅助加热，以满足对热水温度的要求。

当上述辅助加热系统工作时，首先对温度控制系统35的温度智能控制变送仪设定加热温度：冬季设定为40℃，夏季设定为60℃；然后将真空管太阳能集热器13中加满水，利用太阳能将水加热后输送到保温水箱20，阴雨天启动电加热装置30加热。打开循环水泵27，使热水在换热器5及其附属管道中循环流动来加热料液，当保温水箱20中热水温度达到所设定的温度时，温度控制系统自动断开电源，循环水泵27停止工作，并关闭相应的电磁阀，系统停止加热。由于沼气连续发酵系统向外放热，当热水温度低于所设定的温度时，太阳能加热系统启动循环水泵27和开启相应的电磁阀，再次向料液加热，直至达到所要求的温度。通过太阳能加热和温度控制系统调控，使发酵系统中料液始终处于恒定的温度，以满足沼气高效发酵的需要。

如图3所示，换热器5为板式热管换热器，便于热水温度均匀一致，其包括由平板56连接的换热管54和布设有多个过水孔511的多孔筛板52，换热管54呈单管并联，每根换热管54通过平板56连接，平板56焊接在每根换热管54的母线上，起到肋片作用；多孔筛板52将换热器5腔体分隔成上部的集热水箱51和下部的集冷水箱55，换热管54上部设有分水器53、端部与过水孔511相连通，多孔筛板52使热水均匀分配到每根换热管54中。

热水从换热器5上端的集热水箱51进入，通过换热管54换热后的冷水由下端的集冷水箱55流出，最终汇总到集热器13。由于料液始终与换热管54内热水呈逆流方式（流动方向相反）运动，从而增强了换热效果。

图4所示，分水器53内设有四个斜槽，使热水通过分水器53的斜槽沿换热管54的内管壁作螺旋线状向下流动，这样在换热管54的内壁就形成一层水膜，可提高热水与换热管54的换热系数，提高换热管54的换热效果，节约热水用量。

集热水箱51与集冷水箱55的内胆均为SUS304-2B食品级不锈钢板、亚弧焊接，厚度为1.2mm，中层为50mm厚全聚氨酯发泡保温层，外壁包装为不锈钢。多孔筛板52由6mm厚的Q235钢板焊接而成，钢板内壁刷有环氧沥青漆，可有效避免被料液腐蚀，延长使用寿命。换热管54是外径22mm、内径20mm、壁厚1 mm的耐腐蚀不锈钢管。平板56的材料选用5mm厚的Q235钢板，钢板两侧均刷有环氧沥青漆，避免被料液腐蚀，延长使用寿命。

Claims

1.一种太阳能辅助加热式沼气生产装置，包括生物质沼气发酵系统，生物质沼气发酵系统包括厌氧反应箱和厌氧反应箱上部的贮气罐，贮气罐上设有出气口，贮气罐底部设有与厌氧反应箱连通的通气孔，厌氧反应箱上设有进料口与出料口及进料口阀门与出料口阀门，进料口阀门与厌氧反应箱之间设有进料泵，其特征在于，所述生物质沼气发酵系统相连设有辅助加热系统，辅助加热系统包括换热器、与换热器相连的集热器，厌氧反应箱内侧中部设有至少一块折流板、底部设有至少一块换热器，换热器将厌氧反应箱分隔成多个隔室，进料碰撞到折流板后向下流动，通过折流板下部后，在换热器的阻挡作用下改变方向向上流动。

2.如权利要求1所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述换热器与集热器之间设有保温水箱，保温水箱上连接有水位控制系统和温度控制系统，保温水箱底部内外分别设有电加热器和排污阀，在连接保温水箱和换热器的管道上设有循环水泵，循环水泵和换热器之间设有热水进口阀门。

3.如权利要求2所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述换热器底部设有回水管，回水管与集热器的进水管和出水管相连；在集热器进水口、出水口处和回水管上分别设有进水口电磁阀、出水口电磁阀和回水电磁阀；在出水口设有排气阀。

4.如权利要求3所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述保温水箱上部设有补水口，补水口处设有补水阀门。

5.如权利要求1、2、3或4所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述厌氧反应箱与其出料口阀门之间设有回流管，回流管另一端连通在进料口阀门与进料泵之间的管道上。

6.如权利要求5所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述折流板下部为弯折部，弯折倾角为30°～75°。

7.如权利要求6所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述厌氧反应箱内侧位于进料口和出料口上部分别设有向下倾斜的进料口隔板和出料口隔板，其倾斜角度均为30°～60°。

8.如权利要求7所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述厌氧反应箱底部设有与隔室相对应的排污阀；贮气罐下面对应通气孔设有两相分离器，两相分离器下部开口对应下方的换热器。

9.如权利要求8所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述换热器包括由平板连接的换热管和布设有多个过水孔的多孔筛板，多孔筛板将换热器腔体分隔成上部的集热水箱和下部的集冷水箱，换热管上部设有分水器、端部与过水孔相连通。

10.如权利要求9所述的太阳能辅助加热式沼气生产装置，其特征在于，所述分水器内设有四个斜槽。