CN102766570A - 水压浮罩式沼气池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水压浮罩式沼气池，由罩盖、罩壁、导气管构成的罩体，罩在容器内底上，罩壁与容器壁之间具有距离夹层，设有把料液引入罩内的装置，设有控制贮气间罩盖内平面与液面之间高度大于0的装置，设有使罩体自由上下沉浮定位装置，设有排泄渣液装置，进料口高过零压液面，罩壁高度至少等于罩盖内垂直向上横截受力面积乘贮气间最大输出沼气压力除以液面横截罩壁平均面积乘液体密度所得数值。用浮力学原理，以结构简单，解决了现有技术沼气池造价高，不能自动排渣自动稳压、贮气量少等技术难题。使人类低成本大量处理秸秆、生活垃圾等废物的同时又获取到可再生能源——沼气。

Description

水压浮罩式沼气池
技术领域
本发明涉及应用浮力学原理建造制取沼气的厌氧消化装置。
背景技术
现有技术中沼气池型式较多，我国重点发展“常规水压型”、“强回流”等国家标准规定的池型，并给予财政资助。据报道，因为水压式沼气池技术成熟有以下优点：
(1)池体结构受力性能良好，而且充分利用土壤的承载能力，所以省工省料，成本比较低。
(2)适于装填多种发酵原料，特别是大量的作物秸秆，对农村积肥十分有利。
(3)为便于经常进料，厕所、猪圈可以建在沼气池上面，粪便随时都能打扫进池。
(4)沼气池周围都与土壤接触，对池体保温有一定的作用。
水压式沼气池也存在一些缺点，主要是：
(1)由于气压反复变化，而且一般在4～16千帕压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。
(2)由于没有搅拌装置，池内浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率(即每立方米池容积一昼夜的产气量)偏低，一般产气率每天仅为0.15米3/米3左右。
(3)由于活动盖直径不能加大，对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说，排渣比较困难。需采用出料机械。
强回流沼气池就是通过一种动力使沼气池的料液从出口回流到进口再返回发酵间的一种沼气池。与直筒式沼气池相比，能防止上层结壳和提高产气率，出料相对容易。
以上都是“水泥沼气池”，以区别于用其它材料为主建造的沼气池。
现有技术的沼气池建池技术比较复杂，要求质量高，有比较精确几何尺寸数据。据实地考察和调研，现时沼气工程人员基本上不承建12m3容积以下的沼气池，因为即使用户情愿一次性投资大些，也抵偿不了建池工期长，造成工价低效益低这个现实问题，都是承建50m3容积以上的养猪户沼气池，就是说现有技术建池成本高。一般不敢用秸秆和杂草做原料，因为它容易堵塞进出口，出料比较困难，致使原料来源受到限制。贮气间容量小，如产气量大过用气量出现一方面把贮不下的气释放掉另一方面又不够气用的茅盾，要想多贮气就需另建贮气柜。不自动排渣自动稳压，容易出现“病态池”而报废。
沼气池自动排渣应该定义为：沼气池具有不借助外力利用自身压力使渣液自动离开发酵间，以不影响沼气池工作为准。
沼气池自动稳压应该定义为：能够使建造的沼气池输出沼气压力自动稳定在最大设计输出沼气压力之内。
为解决沼气池自动排渣自动稳压难题：
专利号200620200984.9自动排渣沼气池，揭示是通过排渣间和储渣间、分渣器滤去料液中的渣。要清除以秸秆和杂草主要原料池渣也比较难。
专利号201020193507.6储气水压式自动排渣沼气池，提示是使用电机排渣器达到排渣目的。由于借助外力，不应纳入具有自动排渣功能。都有“水泥沼气池”一样的缺点。
为解决自动稳压和贮气问题，现有技术的浮罩式沼气池，它由水压式沼气池和贮气浮罩二部分开建造组成，不是水压浮罩。
专利号200720147452一种组合分离浮罩式沼气池，揭示是在一个容器发酵间上罩有一个具有分体拱形浮罩的沼气池，需另配储气柜。
它们都有水压式沼气池的缺点，都需另配储气柜，造价较高。
据报导，1955年新的沼气发酵工艺流程——高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量(即产气率)在中温下由每天1立方米容积产生0.7～1.5立方米沼气，提高到4～8立方米沼气，滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。但该技术到现在都未能推广。
国内外由于以上种种原因，沼气技术在世界上并未得到广泛推广应用。致使污水横流，严重污染环境，人们情愿花钱购高价液化气，情愿花钱建化粪池也不建沼气池，那些发酵原料成为了人们讨厌的垃圾。
现有常规技术的沼气池都是用一个装水容器做发酵间，在容器上造一个拱盖用于收集沼气的贮气间，外加水压间、进料管、出料管建成。除上述缺点外，还不具有自动排渣自动稳定气压功能，大型沼气池欲想贮多点气需另配贮气柜成本自然高。不自动排渣，除发酵原料要大进大出，影响产气量和用气外，还要人工冒险清除残渣，额外增加使用维护成本；不自动稳定气压，输出气压4～16千帕压力之间变化，除上述不利外，还意味着拱盖就要承受408-1632公斤/平方米的作用力，意味着这个作用力能推开1平方米面积上重达408-1632公斤的物体，要抵挡这个作用力现有技术不容易，是现有技术沼气池容易成为“病态池”原因。建池成本高、不具有自动排渣自动稳压、贮气量少已成为阻碍沼气产业发展的四大技术难题，也可见采用现有建池技术方法难以克服难题。
沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量，相当于5.7-6.5度电量。如按现有技术产气率每天仅为0.15米3/米3左右计算，1个池容8米3的沼气池年产气量达438米3相当于年发电2496-2847千瓦时的小发电站。除用于烧水、煮饭、照明外，还是一种很好的清洁汽车燃料。它只需作物秸秆、人畜禽粪便粪便等易降解有机物发酵原料及一次性低成本投资就能获取，可以说：取之不尽，用之不竭，是一条农作物粮食——人畜吃用——秸秆加人畜禽粪便粪——发酵获得沼气能源——渣液有机肥种养业——农作物，绿色环保可再生之路。沼气是大自然赐给人类很好的可再生能源，世上本无垃圾，只有放错地方的资源，将成为人类替代石油的主要能源来源。在能源紧缺的今天，如何解决现有技术难题，低成本获取沼气成为人类急需解决的问题。
发明内容
发明目的：一提供一种水压浮罩式沼气池，以克服现有建池技术存在的成本高、不能自动排渣自动稳压、贮气量少四大技术难题；二提供水压浮罩式沼气池增减最大输出沼气压力方法。
为达到发明目的，本发明取用以下技术方案：
水压浮罩式沼气池，包括罩、容器、贮气间、发酵间、水压间，料液、进料管、出料管、导气管，溢流口，由罩盖、罩壁、导气管构成的罩体，罩在容器内底上，罩壁与容器壁之间具有距离夹层，设有把料液引入罩内的装置，设有控制贮气间罩盖内平面与液面之间高度大于0的装置，设有使罩体自由上下沉浮定位装置，设有排泄渣液装置，进料口高过零压液面，罩壁高度至少等于罩盖内垂直向上横截受力面积乘贮气间最大输出沼气压力除以液面横截罩壁平均面积乘液体密度所得数值。
发酵间设有使料液曲线流动的装置。
使料液曲线流动的装置由一闭合环形隔离墙与至少一层开口环形导流墙构成。
把料液引入罩内的装置是U形通道。
经罩口下面把渣液排泄出去。
罩壁与料液之间设有隔离装置。
罩体设有横梁。
罩体由钢筋混凝土制造。
水压浮罩式沼气池增减最大输出沼气压力方法，在罩体原配重基础上通过对罩体添加重物或减小配重获取。
由于本发明水压浮罩式沼气池采用了2个容器，这罩其实也是一个容器，本发明把它当罩用并把发酵工作任务交给它，又采用了相关技术措施，为本发明带来多个实质特点和显著的技术效果：
1、结构简单，造价低，却具自动排渣自动稳定气压功能。因为可把人造或天然的水池、鱼塘、水塘、湖泊等水源地方当成容器，可不浇筑池底，无需另建贮气柜和水压间；12m3容积以下的小型沼气池可先用预制件方式建造出来再组装。能以单一方向使料液自动流入渣液自动流出；能以自动稳定气压方式输出沼气。
2、坚固耐用，安全，杜绝漏气成“病态池”。罩体可以不接触到有腐蚀性的发酵液；罩体随贮气量的多少自动上下沉浮及自动卸压不会超压；气密的钢筋混凝土造成的罩体比现时用素的混凝土与红砖结合建池有质量保证。
3、能防池内浮渣结壳、有足够的时间发酵。因为发酵间设有使料液曲线流动到排泄渣液装置的装置，料液就至少定向绕开口环形导流墙一周流动，流程长。在流动中发酵就是推陈出新，浮渣不会停滞不前。
4、可提高产气量。因为罩体自由上下沉浮始终把罩盖面向天空，罩盖可薄，这就有利于用太阳能加热池温加快发酵过程；曲线流动到排泄渣液装置的过程本身就是一个搅拌过程。
5、适用发酵原料广。因为进料、出料可以是管更可以是大口径通道，从进料口到出渣口沿途基本上没有大的死角，从进料口到出渣口产生的液体压力差具有推动料液定向流动把渣液排泄出来的功能。
6、有强大的贮气和稳压功能。到达最大设计输出沼气压力之时，整个罩内空间都可成为贮气间，并自动稳压在最大输出沼气压力值之内。当贮气间压力减少时，罩体又以下沉压气方式输出沼气压力，气压反复变化小。
7、建池技术相对简单。无论大小池型，如容器少量渗水不在考虑之列可不浇筑池底，它只需考虑有一个坚固耐用气密性好、有一定配重的罩体，几何尺寸数据比较宽松。无需另建贮气柜，使它更适用建大容量的沼气池。
8、有着绝佳的沼气细菌生长繁殖厌氧环境。现有技术水压间的料液并没有与空气隔绝，不利于沼气细菌生长繁殖，甚至死亡。本发明把罩体罩在闭合环形隔离墙与容器壁间构成的环形槽沟内，环形槽沟就可用没有腐蚀性如淡水等液体代替料液沉浮罩体，自由上下沉浮的罩体成了容器的水封活塞，料液进不了水压间，使发酵间完全隔绝了空气。使料液曲线流动的装置其实由闭合环形隔离墙与至少一层开口环形导流墙构成，所形成的槽沟表面可以造成粗糙面，就成为了大量沼气细菌生长繁殖的载体。料液曲线定向流动，意味着有多少新料进来就有多少旧料排出，新旧不混合，在流动过程中搅动，都有利于沼气细菌接触到新料营养物。
9、可以做到“圆、小、浅”。沼气池输出压力的大小主要由罩重及其罩盖内垂直向上横截受力面积和水封罩壁高度决定，如沼气池最大输出压力为9.8千帕，即1米水柱，只要罩壁高度大于1米就能水封9.8千帕以下沼气压力，这是浅；罩体最适合造成圆形，这是圆；无需另建贮气柜和水压间，这是小。
附图说明
附图为外置进料通道埋地式沼气池示意附图，1罩体，2贮气间，3导气管，4零压液面，5发酵间，6开口环形导流墙，7水压间，8进料通道，9出料通道，10溢流口，11定位装置，12容器，13排泄通道，14闭合环形隔离墙。
具体实施方式
水压浮罩式沼气池，包括罩、容器、贮气间、发酵间、水压间，料液、进料管、出料管、导气管，溢流口，由罩盖、罩壁、导气管构成的罩体，罩在容器内底上，罩壁与容器壁之间具有距离夹层，设有把料液引入罩内的装置，设有控制贮气间罩盖内平面与液面之间高度大于0的装置，设有使罩体自由上下沉浮定位装置，设有排泄渣液装置，进料口高过零压液面，罩壁高度至少等于罩盖内垂直向上横截受力面积乘贮气间最大输出沼气压力除以液面横截罩壁平均面积乘液体密度所得数值。
把料液引入罩内的装置。把料液引入罩内，可用直通道(管)，也可用U形通道，可外置或内置进入发酵间。外置就是在罩口下地里埋，内置就是穿罩体进入发酵间。用直管要确保罩体升到最高点时，进料管出口都保持淹没在料液中。
排泄渣液装置。如沼气池仅由罩体、U形进料通道、使罩体自由上下沉浮定位装置和鱼塘等容器组成，贮气间压力升高使罩体浮升离开容器底，罩口就成了排泄口，构成了最简单的沼气池，不需设专用的排泄装置。在设有使料液曲线流动装置的沼气池中，进料通道出口设在开口环形导流墙外，排泄通道进口设在最内层开口环形导流墙内(发酵间的中心)，排泄通道出口过所罩范围后如是无阻碍排泄的广义的容器，这排泄通道就是排泄装置。如埋地式沼气池，则需设如图所示出料通道9及溢流口。如池建在梯级地形上，排泄通道出口可用一个限压排泄阀门来排泄。
也可把进料通道出口设在发酵间的中心，在闭合环形隔离墙与开口环形导流墙间构成的槽沟设排泄装置，使料液与前述的方案反向流动。无论采用何种方式排泄，只要能把渣液排泄出去，不阻碍发酵工作的措施都是排泄装置，它们都经罩口下面才把渣液排泄出去。
罩壁与容器壁之间具有距离夹层，夹层灌液后，这距离夹层就自动成了水封贮气间的水压间，无需另建水压间，距离方面只要容器壁不阻碍罩体自由上下沉浮都可以。
罩壁与料液之间设有隔离装置。为防止料液腐蚀罩壁和防止料液通过水压间散发臭味，进一步隔绝空气密封发酵间，罩壁内发酵间上建一层高过液面，0压时可接触罩盖内底面的闭合环形隔离墙，形成罩体罩在闭合环形隔离墙与容器壁间构成的环形槽沟内，这环形槽沟就成了水压间，环形槽沟就可用没有腐蚀性如淡水等液体替代料液沉浮罩体。可见，由容器、闭合环形隔离墙和替代液就构成了具有防腐、防臭、气密功能隔离装置。
发酵间设有使料液曲线流动的装置。在闭合环形隔离墙内再建一层以上N层开口环形导流墙，进料通道出口如设在闭合环形隔离墙与开口环形导流墙间环形槽沟内时，开口环形导流墙开口设在进料通道出口附近，并在开口与进料通道出口间设隔离墙使料液进来以单一方向从进料通道出口环流到开口进入开口环形导流墙内，到达排泄装置。也可把开口环形导流墙的开口设在进料通道出口另一端，离开进料通道出口的料液以并联流动方式流入开口环形导流墙内，搅动效果不如前者。闭合环形隔离墙成为了使料液曲线流动的装置构成部分。
进料口高过零压液面，包括高过水压间液面。渣液通过排泄通道可能直接被排入鱼塘等的水中，也可能再经阀门和溢流口排出体外，也只要进口高过出口，进出口才起连通管作用，进出口才有压力差，就能推动料液自动流入发酵间渣液自动流出发酵间，即自动排渣。
控制贮气间罩盖内平面与液面之间高度大于0的装置。可通过设置溢流口的高低控制，也可在贮气间设置由液位高关低开控制装置控制导气管导通的开关阀门控制，最好还是通过加大罩壁高度来控制。
使罩体自由上下沉浮定位装置。罩盖在上，罩壁在下，可谓头重脚轻。为确保罩体不侧翻泄气及刮撞容器壁等，一是把罩壁与容器壁或闭合环形隔离墙的距离造窄，使罩体成为容器的一个活塞，二可设滚动轮定位，三可用套管滑动定位。
罩壁高度至少等于罩盖内垂直向上横截受力面积乘贮气间最大输出沼气压力除以液面横截罩壁平均面积乘液体密度所得数值。这是它们之间用浮力学表述的数学关系。可用钢筋混凝土密度乘以罩的体积来大概确定罩体的重量，贮气间最大输出沼气压力由罩配重除罩盖内垂直向上横截受力面积确定。一般通过加重物来改变配重来获得所需的气压。能否把所需压力封存，就取决于罩壁的高度与液体的密度了，当然罩体的气密性要好。
罩体由钢筋混凝土制造。钢筋混凝土几乎是所有材料中性价比最高的，就是气密性差点，所以罩体要加入气密材料。气密材料有多种多样，有涂刷的，有与混凝土一起搅拌的。小型池以预制件方式建池是最好的，能降低成本。虽然罩体可用如钢板等材料制造，但从成本及耐用上不如前者。
罩体设有横梁。这样可把罩体造薄又有足够强度，又可降低成本。
显然，这里的容器是个广义的容器，可以地上建造，可以地下挖坑，可以是包括人造和天然的水池、鱼塘、湖、河等水源地方，它作用只是承受料液重量，容纳罩的安装，提供水压间沉浮罩体，提供排泄场所，无特别要求，无需考虑漏气，所以如在有足够水深的地方建池，可不用浇筑池底。

Claims (9)

1.水压浮罩式沼气池，包括罩、容器、贮气间、发酵间、水压间，料液、进料管、出料管、导气管，溢流口，其特征在于由罩盖、罩壁、导气管构成的罩体，罩在容器内底上，罩壁与容器壁之间具有距离夹层，设有把料液引入罩内的装置，设有控制贮气间罩盖内平面与液面之间高度大于0的装置，设有使罩体自由上下沉浮定位装置，设有排泄渣液装置，进料口高过零压液面，罩壁高度至少等于罩盖内垂直向上横截受力面积乘贮气间最大输出沼气压力除以液面横截罩壁平均面积乘液体密度所得数值。
2.根据权利要求1所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于发酵间设有使料液曲线流动的装置。
3.根据权利要求1、2所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于使料液曲线流动的装置由一闭合环形隔离墙与至少一层开口环形导流墙构成。
4.根据权利要求1、2、3所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于把料液引入罩内的装置是U形通道。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于经罩口下面把渣液排泄出去。
6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于罩壁与料液之间设有隔离装置。
7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于所述的罩体设有横梁。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7所述的水压浮罩式沼气池，其特征在于所述罩体由钢筋混凝土制造。
9.水压浮罩式沼气池增减最大输出沼气压力方法，在罩体原配重基础上通过对罩体添加重物或减小配重获取。 
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