CN102191168A - 风力搅拌兼致热式厌氧发酵罐 - Google Patents

风力搅拌兼致热式厌氧发酵罐 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力搅拌兼致热式厌氧发酵罐，本发酵罐安装了风能利用和控制系统，可以利用风力作为能量来源对发酵罐内的料液进行搅拌和加热。在发酵罐的顶端装有叶轮，叶轮将风力转化为机械能，驱动液压泵运转产生高压油液，将机械能转化为压力能，液压马达驱动搅拌装置对发酵液进行搅拌。在液压致热装置中，高压油液通过阻尼孔时，油液分子相互碰撞、摩擦，使油液的动能变成热能，导致油温上升。通过换热装置将油液的热量传递给发酵液，从而达到发酵所需要的温度。在能量产出高于能量负荷时，通过液压蓄能装置将能量储存起来，需要时使用，从而实现系统的稳定和持续供能。在风能不足时，采用常规能源进行补充。

Description

风力搅拌兼致热式厌氧发酵罐
技术领域
本发明涉及一种风力搅拌兼致热的厌氧发酵罐。
背景技术
随着人们对环保和生物质能源的日益重视，有机废弃物的厌氧处理工程得到了快速的发展。为保证厌氧发酵过程的高效运行，需要对厌氧发酵体系进行搅拌和加温，尤其是在北方高寒地区建设大型厌氧处理工程，低温是最主要的技术难题，必须采取适当的加热保温措施，对沼气发酵料液的温度进行严格控制。国内的工程大都采用电力搅拌和燃煤锅炉加温的方式，这既降低工程的能源效率，又增大了沼气生产成本。因此，充分利用可再生能源解决厌氧处理工程的搅拌和加温问题具有重要的意义。
近几年，有一些新建厌氧处理工程采用太阳能加热，但是在寒冷的冬季，太阳能效率很低，起到的作用很有限。相反，冬季风力强劲，风力资源丰富，这时从风力获得的热能利用率越充分，利用风能为厌氧处理工程供能更具有可行性。风能资源丰富，而且利用简单，但是利用风力为厌氧处理工程供能最大的问题在于风力的不稳定性和不易储存，难以实现与厌氧工程能量需求的有效匹配，因为厌氧处理过程恰恰需要稳定的搅拌速度和稳定的温度。因此，解决风能利用的不稳定性是风能高效利用的关键。
发明内容
本发明就是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种风力搅拌兼致热式厌氧发酵罐，在发酵罐中安装风能转换系统和液压控制系统，利用风能对发酵罐进行搅拌和加热，有效的改善了风能利用的不稳定性，解决了厌氧处理工程冬季由于发酵温度低导致运行效率低的问题，一次性投资长期收益，无污染 。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，它包括发酵罐罐体以及设置于发酵罐罐体顶部的传动轴，其特征是在发酵罐上方设置有驱动传动轴的风力机，还设置有与传动轴联动的液压泵，与液压泵连通的液压系统，由液压系统中的液压马达驱动的搅拌装置。
在液压泵出口连通的液压管路致热回路上设置圆形阻尼孔，孔径4-12mm，并在阻尼孔前的液压管路上设置定量减压阀和电磁制动阀。在液压管路的液压油箱内和发酵罐罐体外设置换热装置，并相互联通。液压油从狭小的阻尼孔高速喷出，与孔板出口处的低速油相冲击，由于分子间互相冲击、摩擦而加速分子运动，使油液的动能变成热能，导致油温上升。这样反复循环，使油温越来越高。通过换热装置将油的热量传递给发酵液。
在液压管路致热回路中的阻尼孔前设置定量减压阀。
在液压管路搅拌回路中的液压马达前设置定量减压阀。
在定量减压阀前安装电磁制动阀。
在液压系统液压蓄能回路中设置有液压蓄能器。液压蓄能器由相互间隔的皮囊与壳体两个部分组成，囊内装氮气，囊外的壳体与液压管路连通。当液压油进入蓄能器时，皮囊就受压变形，气体体积随之缩小，液压油储存，反之系统工作需要增加液压油，则气体膨胀将液压油排出，使系统能量得到补偿。所述液压蓄能器用于调节风能产出和使用之间的不平衡，从而实现能量的稳定有效供应。当载荷需要的能量小于风能可以转化的能量时，液压泵输出的一部分高压油通过溢流阀进入蓄能器，多余的能量以液压能的形式储存在液压蓄能器中；当风能不足时，启动蓄能回路为系统供能。
发酵罐还设置有驱动搅拌装置的电机和辅助加热装置等。在风力不足，无法保证系统正常运行的情况下，采用常规能源，如电、煤等对发酵罐进行搅拌和加热。
本发明的有益效果是在发酵罐上安装风能利用和液压控制系统，利用风能对发酵罐进行搅拌和加热。在发酵罐顶端安装风力系统，将风能转化为机械能，并通过液压系统将风力机的机械能转化为液压能，液压马达驱动搅拌装置对发酵罐进行搅拌。同时，液压致热装置将液压能转化为热能，为发酵罐进行加温保温。多余的能量以液压能的形式存储在液压储能系统中，在风能不足时使用。如果风能持续不足，蓄能器中没有能量储备，使用电力、煤等常规能源为厌氧发酵罐搅拌和加温保温。液压马达带动搅拌装置对发酵罐内的料液进行搅拌。在液压搅拌回路中的液压马达前设置定量减压阀，通过定量减压阀调节液压，控制液压马达转速在合适范围内。在减压阀前安装电磁制动阀，定时打开和关闭电磁制动阀适应发酵过程中的间歇搅拌方式。
所述控制系统主要由计算机、 数据采集卡、 控制电路、液压控制阀和步进电机等组成。数据采集卡采集来自系统的控制参数，包括风速、发酵液的温度，油液压力等。计算机对当前的风力状况和发热器的运行状况进行分析，确定液压流向、辅助能源的开度，然后通过数据采集卡对控制电路输出控制指令，由执行机构完成控制动作。当风力不足，液压低于工作液压时，打开液压蓄能回路，为系统提供液压能，驱动发酵罐搅拌；当风力不足，且蓄能器中无足够蓄能时，采用电机驱动发酵罐搅拌。在阻尼孔前设置定量减压阀，保持进入阻尼孔的液压在一定范围，从而保证进出口的压差和热能的转化效率。当风力不足，液压低于工作液压时，打开液压蓄能回路，为系统提供液压能，驱动致热装置对发酵罐进行加热，以弥补液压能的不足；当载荷需要较多的热能而风能不足以将发酵液加热到发酵设定最低温度时，打开辅助加热系统，使用常规能源，如电、煤等为发酵罐加热。当载荷需要较少的热能，发酵液温度高于发酵设定最高温度时，通过电磁制动阀关闭致热装置，发酵液温度低于最适发酵温度时打开电磁制动阀。在液压管路蓄能回路中的蓄能器前设置先导型溢流阀，当系统液压大于先导型溢流阀设定的压力时，高压油液进入蓄能器以液压能的形式储存起来；当系统液压小于工作所需最低压力时，液压管路蓄能回路中的电磁单向阀打开，释放蓄能器中的液压能。当系统压力大于溢流阀所设定的压力时，油液溢流进入油箱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用风能对厌氧处理工程进行搅拌和加热，可以提供冬季所需能耗的50%以上，在产生新能源的同时，节约了常规能源的消耗，同时提高了厌氧处理工程的技术和经济可行性。风能利用采用了液压系统，获得较为稳定的搅拌转速和热源，较好的解决了风能的不稳定性。将风能直接用于搅拌和致热与将风力用于发电相比，还提高了风能的能量利用效率，风能利用效率达到40％以上，而发电的效率只有15％－30％，而且系统与风能的匹配性能好，对风况变化的适应性更强，开发潜力很大。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明换热装置结构示意图；图3是本发明工作原理示意图。图中：1-叶轮；2-液压泵；3-尾翼；4-电机；5-液压马达；6-致热装置；7-液压油箱（内置换热装置）；8-热交换泵；9-观察窗；10-液压蓄能器；11-沼气出口；12-齿轮箱；13-搅拌桨；14-出料管；15-取样管；16-罐体；17-进料管；18-排泥管；19-进水管；20-出水管；21-换热管；22-支架；23，27，29-溢流阀；24-先导型溢流阀；25-电磁单向阀； 26，28-电磁制动阀；30-阻尼孔； 31-辅助加热装置； 32-过滤器；33-温度计；34-压力计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构、特征和具体实施方式详述如下：
如图1所示，一种风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，它包括发酵罐罐体16以及设置于发酵罐罐体顶部的传动轴，在发酵罐罐体16上方设置有驱动传动轴的风力机，还设置有与传动轴联动的液压泵2，与液压泵2连通的液压系统，由液压系统中的液压马达5驱动搅拌桨13对发酵罐内料液进行搅拌。
在液压泵2出口连通的液压管路致热回路上的致热器6内设置圆形阻尼孔30，孔径4-12mm，在液压管路的液压油箱内和发酵罐罐体外设置换热装置，并相互联通。在致热装置6内，液压油从狭小的阻尼孔30高速喷出，与孔板出口处的低速油相冲击，由于分子间互相冲击、摩擦而加速分子运动，使油液的动能变成热能，导致油温上升。这样反复循环，使油温越来越高。通过换热装置将油的热量传递给发酵液。在阻尼孔30前的液压管路致热回路上设置定量减压阀29和电磁制动阀28。在液压马达5前的液压管路搅拌回路上设置定量减压阀27和电磁制动阀26。在液压管路蓄能回路中设置液压蓄能器10以及电磁单向阀25。液压蓄能器10由相互间隔的皮囊与壳体两个部分组成，囊内装氮气，囊外的壳体与液压管路连通。
所述发酵罐包括罐体16，搅拌桨13，进料管17，出料管14，排泥管18，沼气出口11，保温系统等。该发酵罐在罐体内安装了搅拌桨13，使发酵过程中发酵原料和微生物处于完全混合状态，适用于含有大量悬浮固体原料的处理。该发酵罐一般采用恒温连续投料运行，原料由进料管17进入发酵罐，在搅拌桨的作用下与发酵罐内的发酵液混合发酵，产生的沼气通过沼气出口11进入贮气系统，经过消化的料液通过出料管14排除，发酵罐底部积累的污泥通过排泥管18定期排出，一般每隔3～5天排放一次，每次排放量应视污泥在发酵罐内积累高度而定。
所述风力机包括叶轮1，液压泵2，尾翼3，传动机构，制动装置等组成，叶轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为叶轮轴的机械能。叶轮轴经传动装置带动液压泵旋转，将机械能转变为液压能，驱动液压系统运行。制动装置用于在风力过大时对系统进行制动。
所述液压系统包括液压马达5，致热装置6，油箱7，液压蓄能器10，液压控制阀23，24，27，29，过滤器32等。（液压驱动液压马达5旋转，液压马达5带动搅拌桨13对发酵罐内料液进行搅拌。在致热装置6内，液压油从狭小的阻尼孔30高速喷出，与孔板出口处的低速油相冲击，由于分子间互相冲击、摩擦而加速分子运动，使油液的动能变成热能，导致油温上升。这样反复循环，使油温越来越高。
所述换热装置如图2所示，包括进水管19，换热管21，出水管20，通过换热装置将液压油的热量传递给发酵液。
发酵罐还设置有驱动搅拌装置的电机4和辅助加热装置31。在风力不足，无法保证系统正常运行的情况下，采用常规能源，如电、煤等对发酵罐进行搅拌和加热。
所述控制系统如图3所示，风力带动叶轮19转动，通过传动系统驱动液压泵2产生高压液流，通过定量减压阀27调节液流压力大小，控制液压马达，使搅拌桨13转速在合适范围内。发酵采用间歇搅拌方式，定时打开和关闭电磁制动阀26。当风力不足，液压低于工作液压时，打开液压管路蓄能回路上的电磁单向阀25，使用液压蓄能器10为系统提供液压能，驱动发酵罐搅拌；当风力不足，且蓄能器中无足够蓄能时，采用电机4驱动发酵罐搅拌。通过控制定量减压阀29来保持进入阻尼孔30的高压液流在一定范围，从而保证进出口的压差和热能的转化效率。当风力不足，液流低于工作液压时，打开液压管路蓄能回路上的电磁单向阀25，使用液压蓄能器10为系统提供液压能，驱动致热装置对发酵罐进行加热，以弥补液压能的不足；当载荷需要较多的热能而风能不足以将发酵液加热到发酵设定最低温度时，打开辅助加热装置31，使用常规能源，如电、煤等为发酵罐加热。当载荷需要较少的热能，发酵液温度高于发酵设定最高温度时，关闭电磁制动阀28，发酵液温度低于最适发酵温度时打开电磁制动阀28。当系统液压大于先导型溢流阀24设定的压力时，高压油液进入蓄能器以液压能的形式储存起来；当系统液压小于工作所需最低压力时，打开电磁单向阀25，释放蓄能器中的液压能；当系统压力大于溢流阀23所设定的压力时，油液溢流进入油箱7。

Claims (8)

1.一种风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，它包括发酵罐罐体以及设置于发酵罐罐体顶部的传动轴，其特征是在发酵罐上方设置有驱动传动轴的风力机，还设置有与传动轴联动的液压泵，与液压泵连通的液压系统，由液压系统中的液压马达驱动的搅拌装置。
2.根据权利要求1所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是在液压泵出口连通的液压管路致热回路上设置圆形阻尼孔，孔径为4-12mm，在液压管路的液压油箱内和发酵罐罐体外设置换热装置，并相互联通。
3.根据权利要求2所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是在液压管路致热回路中的阻尼孔前设置定量减压阀。
4.根据权利要求1所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是在液压管路搅拌回路中的液压马达前设置定量减压阀。
5.根据权利要求3或4所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是在定量减压阀前安装电磁制动阀。
6.根据权利要求1所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是在液压管路液压蓄能回路中设置有液压蓄能器。
7.根据权利要求6所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是蓄能器由相互间隔的皮囊与壳体两个部分组成，囊内装氮气，囊外的壳体液压管路连通。
8. 根据权利要求1所述的风力搅拌兼制热式厌氧发酵罐，其特征是还设置有驱动搅拌装置的电机。
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