CN102559774B - 利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法，由空气能热泵产出热水，循环水送至沼气池内配有机械除垢装置的换热器中，使沼气池内发酵沼液温度稳定在最适宜厌氧发酵的温度范围内，实现强化稳定沼气的产量；其机械除垢装置由可沿换热管表面移动的多个除垢环组件及驱动除垢环组件移动的动力传递机构组成。使用本发明的方法和装置，不仅沼气池中的沼液温度可不随外部环境变化、并维持在适合的温度范围内，同时实现沼气的稳产、高产和低能耗、低排放，还循环使用热媒水，解决了热管结垢问题，节能环保，调控方便，提高了加热效率，延长了系统的使用寿命。

Description

利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法及装置。
背景技术
能源是世界各国经济发展的战略资源。有关资料预测，全球石油剩余可采储量加上储量增长潜量为2297亿吨，可用39年，加上待发现资源量共3574亿吨，可用53年；全球天然气剩余可采储量加上储量增长潜量为2225亿吨，可用47年，加上待发现资源量共33696亿吨，可用63年。当前中国能源形势同样严峻：资源贫乏、结构失衡、需求剧增、缺口很大、能效不高和减排困难，成了制约国民经济快速发展的瓶颈。据统计，我国煤炭储量居世界第三位，但在探明的煤炭储量中D级储量占70～80％，再减去近期内尚难以利用的储量，目前能利用的精查储量不过300多亿吨，若按2005年的19亿吨标煤开采量计，只够开采16年；若以人均占有量来计算则只接近世界平均水平。有人预测：2000-2020年间化石能源消费的年均增长率将是4.3％～4.6％，年需求量将上升到30～32亿吨标煤。有报道近年我国原油表观消费量为1.91亿吨，对外依存度达55.2％。可见，全球化石资源渐趋枯竭。研发替代能源尤为迫切。
沼气是一种优质生物质能源，不仅原料来源丰富、价格低廉，而且具有燃烧热效率高、成本低、绿色、低排放、可再生、抗爆性能好的特点。沼气一般含60％左右的甲烷和40％左右的二氧化碳、硫化氢和水等少量杂质气体；因此，在净化沼气同时收集利用二氧化碳不仅可以提高沼气中甲烷纯度及热值，同时可提纯富集二氧化碳供工业使用，这对节约能源、改善生态环境具有重要意义。一调查资料表明，一台25MW装机容量的生物质发电厂年消耗20万吨秸秆，可替代8.7万吨标煤的燃煤，减排18万吨CO2；我国每年约有7亿多万吨农作物秸秆，其中有1亿多吨被烧掉，若将其利用，可建500个25MW的小型电站，相当于一个“三峡”，年替代4350万吨标煤和减排9000万吨CO2。现在美欧和巴西等国的生物燃料成本一般已降到相当于每桶50～70美元石油价格的水平，生物质发电、颗粒燃料、工业沼气等在美欧等商业化运行已十多年。
沼气池内沼液的发酵温度是影响沼气产量和产气率的关键因素。实验证明：厌氧发酵的最适合温度是在中温(28℃～38℃)或高温(46℃～60℃)阶段，不同发酵物质的最适宜的发酵温度有所不同。故沼气的产量会随着季节和温度的变化有较大变化。同时，若沼气池内发酵沼液的温度变化超过3℃，沼气产量也会有明显的变化。因此，非常有必要寻求一种维持沼气池内温度稳定在最适宜厌氧发酵温度范围内的方法，以达到强化稳定沼气产量的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可解决因外界环境温度变化导致产气不稳定问题、实现高效、连续生产的利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法及装置。
本发明以如下技术方案解决上述技术问题：
本发明用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法，由空气能热泵产出50～70℃的热水，通过水循环系统，送至沼气池内配有机械除垢装置的换热器中，通过换热器给沼气池内的沼液加热，使沼气池内发酵沼液温度稳定在最适宜厌氧发酵的温度范围内，实现强化稳定沼气的产量。
沼气池中安装有温度传感器，由温度控制器调控沼液温度，以确保沼气池发酵层内部温度变化范围维持在3℃以内。
所述的水循环系统使用的是去离子水。
水循环管道均做保温处理。
换热器由两根热媒汇流总管、两根支管和若干根与热媒汇流总管垂直的换热管组成。
机械除垢装置由可沿换热管表面移动的多个除垢环组件及驱动除垢环组件移动的动力传递机构组成；其中：机械除垢装置的多个除垢环组件，上部的环状部分分别套在各根相互平行的换热管上并可沿换热管的外表面接触摩擦平移，各除垢环组件的顶部与一连杆固定连接，下端与链条铰接并可由链条带动平移；除垢环组件的动力传递机构为电机传动，还有一个由三个链轮及链条组成的链轮组，两个从动链轮的轮轴分别与两根热媒汇流总管固定连接。
各除垢环组件的下部可依托固定的导轨稳定地移动。
各除垢环组件下部依托的固定导轨为工字钢。
链条和链轮均为不锈钢材质制作。
使用本发明的方法和装置，适用温度范围在-10℃-40℃，全天候使用，不受季节和外部条件的影响。沼气池中的沼液温度可以维持在一个适合的温度的范围内，同时实现了沼气的稳产、高产、低能耗、温室气体低排放，减少了热污染，而且实现了热媒水的循环使用，解决了与发酵液接触的换热管结垢问题，适合规模连续性生产，系统结构简单、连续稳定、操作方便、节能环保、调控方便，加热效率高，使用寿命长，运行安全、费用低，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法流程图。
图2为本发明利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法所用机械除垢装置的结构示意图。本图为图1的机械除垢装置的左视图。
图中：
1-沼气池  2-换热器 3-温度传感器 4-温度控制器  5-电机   6-减速器
7-传动轴  8-链轮   9-链条       10-换热总管   11-导轨  12-除垢环组件  13-换热管
具体实施方式
空气源热泵是通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖或供应热水，系统集热效率甚高，工质的冷凝温度可达75℃，确保产出60℃的热水。
本发明的工艺流程是：
由空气能热泵产出约60℃的热水，通过水循环系统将热量送至沼气池内的换热器中，换热器带有一套机械除垢装置，通过换热器的换热管给沼气池发酵层加热，使沼气池发酵层的温度维持在最适宜厌氧发酵的范围内，从而达到强化稳定沼气产量的目的。
沼气池中安装有温度传感器，并通过温度控制器调控沼液的温度，以确保沼气池发酵层的温度变化维持在3℃的范围内，以保持产气量的稳定。
整个水循环系统可以使用去离子水。水的循环管道均做保温处理。
换热器由两根热媒汇流总管、两根支管和若干根与热媒汇流总管垂直的换热管组成。
由于换热管安装在沼气池的发酵液中，在发酵生产沼气的过程中，会同时出现很多微生物细菌的厌氧活动，微生物吸附物便结垢于换热管之上，严重影响换热管的换热效果，因此本发明设计了一种机械除垢装置应用于沼气池中除去换热管上的结垢，以保证换热管的换热效果。
机械除垢装置由可沿换热管表面移动的多个除垢环组件及驱动除垢环组件移动的动力传递机构组成；其中：机械除垢装置的多个除垢环组件，上部的环状部分分别套在各根相互平行的换热管上并可沿换热管的外表面接触摩擦平移，各除垢环组件的顶部与一连杆固定连接，下端与链条铰接，并由链条带动平移；除垢环组件的动力传递机构为电机传动，还有一个由主动链轮、两个从动链轮及链条组成链轮组，两个从动链轮的轮轴分别与两根热媒汇流总管固定连接。
各除垢环组件的下部可依托固定的导轨稳定地移动。
链条和链轮均为不锈钢材质制作。
通过设置机械除垢装置的自动控制系统，设定相隔一定时间，自动启动机械除垢装置进行除垢，除去沉积在换热管表面上的积垢，确保换热管具有良好的传热效率。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例：
沼气池容积500m3；空气能热泵型号规格：西班牙-爱握乐A·OL-KFXRS52II。
机械除垢装置电机采用功率2KW、电压380V、6极的防爆电机，减速比为32的减速器，材质Q235、Dg50的传动轴，孔板式标准的链轮，夹布塑胶链条、钢制除垢环组件、导轨用工字梁制。
在本实施例中，将从空气能热泵系统出来的温度为60℃左右的去离子热水，通过管径为Dg50的PPR管道进入热水换热循环系统，热水流量为70L/min，压强为0.16MPa，送至沼气池中的热媒汇流总管。热媒汇流总管管径为Φ59×4.5mm、长度2m，材质为PPR管，5根支换热管的管径Dg25、长4米、厚2mm的冷拔不锈钢钢管；去离子热水通过换热器与沼液进行换热，使沼气池发酵沼液的温度得以提高，发酵沼液温度被温度控制器控制稳定在最适宜厌氧发酵的温度中温(28℃～38℃)发酵温度范围内；经过换热器出来的水温在35℃左右，再循环进入空气能热泵系统重新被加热。热水循环往复地给沼气池加热。同时，通过温度传感器和温度控制装置控制热水循环流量和压强，自动调节空气能热泵系统的供热强度和热水流量，确保沼气池发酵沼液温度波动在3℃范围内，以保持沼气池产量的稳定。在换热过程中，为确保换热器有良好的传热效率，使用了定期启动的机械除垢装置，即时除去沉积在换热管上生物吸附物的积垢。试验证明：使用本发明的机械除垢装置对换热管除垢，比未使用本发明的机械除垢装置除垢，换热效率提高了38.7％，同时，本发明在中国南方使用，和以前没使用本发明的空气能热泵强化稳定沼气产量的方法和装置前相比，沼气产量平均提高了40.7％。

Claims (3)

1.一种利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法，由空气能热泵产出50～70℃的热水，通过水循环系统，送至沼气池内配有机械除垢装置的换热器中，通过换热器给沼气池内的沼液加热，其特征是沼气池中安装有温度传感器，由温度控制器调控沼液温度，使沼气池内发酵沼液温度稳定在最适宜厌氧发酵的温度范围内，并确保沼气池发酵层内部温度变化范围维持在3℃以内，实现强化稳定沼气的产量；
其中：
水循环系统使用的是去离子水；
水循环管道均做保温处理；
换热器由两根热媒汇流总管、两根支管和若干根与热媒汇流总管垂直的换热管组成；
所述机械除垢装置由沿换热管表面移动的多个除垢环组件及驱动除垢环组件移动的动力传递机构组成；其中：机械除垢装置的多个除垢环组件，上部的环状部分分别套在各根相互平行的换热管上并沿换热管的外表面接触摩擦平移，各除垢环组件的顶部与一连杆固定连接，下端与链条铰接并被链条带动平移；除垢环组件的动力传递机构为电机传动，还有一个由三个链轮及链条组成的链轮组，两个从动链轮的轮轴分别与两根热媒汇流总管固定连接。
2.如权利要求1所述的利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法，其特征是各除垢环组件的下部依托固定的导轨稳定地移动。
3.如权利要求2所述的利用空气能热泵强化稳定沼气产量的方法，其特征是固定导轨为工字钢；链条和链轮均为不锈钢材质制作。
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