CN103304123A - 一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式 - Google Patents

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于志滨
梁玉文
曹毅
王明伟
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Abstract

本发明专利属于环保及节能技术领域，具体来说是涉及一种利用沼渣沼液余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式。在北方严寒地区，冬季气温很低，达到零下20～30℃，牲畜养殖场的牲畜粪便（沼气原料）的温度一般为2℃，这些粪便必须加热到35℃才能进入厌氧发酵罐发酵分解产生沼气，目前均系采用热水锅炉（或蒸汽锅炉）产生的热水（或蒸汽）进行加热，需要消耗大量的热能。本发明专利利用了沼气工厂排放的高温沼渣沼液与原料（牲畜粪便）之间存在温差，可以进行传热的原理，以厌氧发酵后排放的高温沼渣沼液为第一次加热热源加热低温的原料，本发明专利可将原料加热所需的热量减少45%左右，达到节省能源的目的，提高沼气工厂的经济效益。

Description

一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式
 
技术领域
本发明专利属于环保及节能技术领域，具体来说是涉及一种利用沼渣沼液余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式。     
背景技术
大型牲畜养殖场（养猪场、养牛场、养鸡场等）为了保护环境，充分利用能源，均建有沼气工厂，以牲畜粪便和污水为原料，经厌氧发酵生产沼气。沼气用来做为燃料或发电，产生的沼渣沼液可做为优质的有机肥而被利用。但是在北方严寒地区，冬季气温很低，达到零下20～30℃，牲畜养殖场的牲畜粪便（沼气原料）的温度一般为2℃，这些粪便必须加热到35℃才能进入厌氧发酵罐发酵分解产生沼气，目前均系采用热水锅炉（或蒸汽锅炉）产生的热水（或蒸汽）进行加热，需要消耗大量的热能，从而降低了沼气工厂的经济效益；同时从厌氧发酵罐中排出的沼渣沼液温度为35℃，以往都是直接排放到自然环境中冷却，加重了温室效应，污染了环境。本发明专利即是利用沼渣沼液的余热对低温原料进行加热，充分回收利用余热，达到节能降耗环保的目的。
发明内容
本发明专利的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用沼渣沼液余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，以厌氧发酵后排放的高温沼渣沼液为第一次加热热源加热低温的原料，达到节省能源的目的，提高沼气工厂的经济效益。
本技术方案的理论依据是，根据热力学第二定律，做为能量之一的热能，总是自发地从高温处向低温处传导。存在温差，就存在热能的传递。由于厌氧发酵罐排出的沼渣沼液的温度达到35℃，而冬季原料温度很低（2℃左右），必须经过加热，使温度达到35℃才能进入厌氧发酵罐发酵分解，产生沼气。利用高温的沼渣沼液（35℃）加热低温的原料（2℃），因为两者之间的温差，达到利用余热，实现节能降耗的目的。
本发明专利的目的可以通过以下技术方案来实现：
本技术方案是利用了沼气工厂排放的高温的沼渣沼液与原料（牲畜粪便）之间存在温差，可以进行传热的原理，用从厌氧发酵罐6排出的35℃的沼渣沼液做为热媒，供至一级原料加热器4，加热原料（牲畜粪便），使原料温度由2℃提高至17℃（而沼渣沼液温度由35℃降至20℃再排放）；得到初步加热的原料再用热水（或蒸汽）进一步加热至35℃，然后进入厌氧发酵罐6产生沼气，使沼渣沼液的余热得到充分利用，实现了节能降耗。
一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，其特征是该装置由原料调配池1、原料调配池搅拌机2、原料泵3、一级原料加热器4、二级原料加热器5、厌氧发酵罐6、厌氧罐加热器7、二次发酵罐及贮气柜8、沼渣沼液池9、沼渣沼液输送泵10、热水锅炉11、热水循环泵12、由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13、热水供水管线14、热水回水管线15、由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16、将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17、将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18、由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19、高温沼渣沼液输送管线20、降温后沼渣沼液排放管线21、二次发酵罐排放阀门22、原料进口23、二级原料加热器热水出口阀门24、二级原料加热器热水进口阀门25、厌氧发酵罐排放阀门26、厌氧罐搅拌机27组成。
其中各组成部分的位置关系如下：原料进口23在原料调配池1的上部，用来将原料送入原料调配池1；一级原料加热器4，采用悬挂方式安装在原料调配池1池壁上，是高温沼渣沼液加热器；二级原料加热器5，在原料调配池1内，是热水加热器；原料调配池搅拌机2，在原料调配池1内，起调配搅拌作用。
高温沼渣沼液输送管线20，系连接沼渣沼液池9和一级原料加热器4的输送管道，将35℃高温的沼渣沼液从沼渣沼液池9输送到一级原料加热器4；降温后沼渣沼液排放管线21，系连接一级原料加热器4和外界的输送管道，将经一级原料加热器4降温至20℃的沼渣沼液输送到系统外排放。
热水循环泵12，在连接热水锅炉11和二级原料加热器5及厌氧罐加热器7之间的热水供水管线14上；热水供水管线14，连接热水锅炉11和二级原料加热器5及厌氧罐加热器7；二级原料加热器热水进口阀门25，在热水供水管线14上；热水回水管线15，连接热水锅炉11和二级原料加热器5及厌氧罐加热器7；二级原料加热器热水出口阀门24，在热水回水管线15上。
由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13，连接原料调配池1和厌氧发酵罐6；其中原料泵3在由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13上，其作用是将原料由原料调配池1，经由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13，输送至厌氧发酵罐6。
厌氧罐加热器7和厌氧罐搅拌机27都在厌氧发酵罐6内；由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16，连接厌氧发酵罐6和二次发酵罐及贮气柜8，用于输送沼渣沼液；厌氧发酵罐排放阀门26，在由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16上；将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17，也连接厌氧发酵罐6和二次发酵罐及贮气柜8，但用途是输送沼气。
将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18，是将厌氧发酵罐6和二次发酵罐及贮气柜8中产生的沼气导出的管线；由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19，连接二次发酵罐及贮气柜8和沼渣沼液池9；其中二次发酵罐排放阀门22，在由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19上。
一种利用余热生产沼气的热能再利用装置的运行方式如下：
（一）首先开启二次发酵罐排放阀门22，将二次发酵罐及贮气柜8中35℃高温的沼渣沼液排放至沼渣沼液池9；当二次发酵罐及贮气柜8的液位达到合适的低位时，关闭二次发酵罐排放阀门22，停止排放。
（二）开启厌氧发酵罐排放阀26，将35℃高温的沼渣沼液排至二次发酵罐及贮气柜8，使二次发酵罐及贮气柜8的液位达到高位后，关闭厌氧发酵罐排放阀26。此时厌氧发酵罐6的液位处于低位状态。
(三)由养殖场场区排出的污水和牲畜粪便作为原料，通过原料进口23，进入原料调配池1，再加入适量污水或调配用水进行稀释。确认原料调配池1中原料液位处于高位状态，并开启原料调配池搅拌机2对原料调配搅拌。
（四）启动沼渣沼液泵10，将35℃高温的沼渣沼液供至安装在原料调配池1池壁上的一级原料加热器4，加热原料后，沼渣沼液的温度由35℃降至20℃，之后排放。在此过程中，可以通过调节沼渣沼液泵10的流量来确保使沼渣沼液的温度由35℃降至20℃。只有保持这个温降，才能达到余热利用的最大化。
（五）原料调配池1中的原料温度，通过一级原料加热器4加热后，由2℃升至17℃；然后开启二级原料加热器的热水进口阀门25和二级原料加热器热水出口阀门24，启动热水循环泵12，将热水锅炉11供出的95℃热水供至二级原料加热器5，对原料继续进行加热，使原料温度由17℃升至35℃。
（六）开启原料泵3，将温度达到35℃的原料供至厌氧发酵罐6进行发酵分解，产生沼气。厌氧发酵罐6产生的沼气，经由将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17，导入二次发酵罐及贮气柜8，然后与在二次发酵罐及贮气柜8中产生的沼气一起，经由将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18导出。
采用本发明专利可以取得以下有益效果：
可以节省大量热能，降低沼气工厂的运行成本，提高经济效益。以一个饲养10000头猪的大型养猪场为例说明本项发明专利的有益效果。
10000头猪每天产猪粪20吨，沼气工厂采用2台500m3厌氧发酵罐，厌氧发酵罐每天排出沼渣渣液（35℃）50m3，同时每天供至厌氧发酵罐的原料（猪粪、污水及水混合）也是50m3。原料温度为2℃。需加热至35℃后才能进入发酵罐。如果采用原有技术，需热水锅炉提供6.9MJ热量。采用本项技术，用沼渣沼液（35℃）的余热进行加热，使原料温度由2℃升至17℃，沼渣沼液温度由35℃降至20℃。利用余热热量为3.14MJ，热水锅炉只需提供将原料由17℃加热至35℃所需的热量，即只需提供3.76MJ的热量。本项技术可将原料加热所需的热量减少45%左右。
同时，以往从厌氧发酵罐中排出的沼渣沼液温度为35℃，都是直接排放到自然环境中冷却，加重了温室效应，污染了环境。本发明专利利用沼渣沼液的余热对低温原料（牲畜粪便）进行加热，充分回收利用余热，达到节能降耗环保的目的。
附图说明
图1是本发明专利的一种工作流程示意图。
图中所示：原料调配池1、原料调配池搅拌机2、原料泵3、一级原料加热器4、二级原料加热器5、厌氧发酵罐6、厌氧罐加热器7、二次发酵罐及贮气柜8、沼渣沼液池9、沼渣沼液输送泵10、热水锅炉11、热水循环泵12、由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13、热水供水管线14、热水回水管线15、由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16、将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17、将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18、由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19、高温沼渣沼液输送管线20、降温后沼渣沼液排放管线21、二次发酵罐排放阀门22、原料进口23、二级原料加热器热水出口阀门24、二级原料加热器热水进口阀门25、厌氧发酵罐排放阀门26、厌氧罐搅拌机27 。 
具体实施方式
    下面结合附图举例对本发明专利做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，其特征是该装置由原料调配池1、原料调配池搅拌机2、原料泵3、一级原料加热器4、二级原料加热器5、厌氧发酵罐6、厌氧罐加热器7、二次发酵罐及贮气柜8、沼渣沼液池9、沼渣沼液输送泵10、热水锅炉11、热水循环泵12、由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13、热水供水管线14、热水回水管线15、由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16、将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17、将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18、由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19、高温沼渣沼液输送管线20、降温后沼渣沼液排放管线21、二次发酵罐排放阀门22、原料进口23、二级原料加热器热水出口阀门24、二级原料加热器热水进口阀门25、厌氧发酵罐排放阀门26、厌氧罐搅拌机27组成。
 实施例2
如图1所示，一种利用余热生产沼气的热能再利用装置各组成部分的位置关系如下：原料进口23在原料调配池1的上部，用来将原料送入原料调配池1；一级原料加热器4，采用悬挂方式安装在原料调配池1池壁上，是高温沼渣沼液加热器；二级原料加热器5，在原料调配池1内，是热水加热器；原料调配池搅拌机2，在原料调配池1内，起调配搅拌作用。
高温沼渣沼液输送管线20，系连接沼渣沼液池9和一级原料加热器4的输送管道，将35℃高温的沼渣沼液从沼渣沼液池9输送到一级原料加热器4；降温后沼渣沼液排放管线21，系连接一级原料加热器4和外界的输送管道，将经一级原料加热器4降温至20℃的沼渣沼液输送到系统外排放。
热水循环泵12，在连接热水锅炉11和二级原料加热器5及厌氧罐加热器7之间的热水供水管线14上；热水供水管线14，连接热水锅炉11和二级原料加热器5及厌氧罐加热器7；二级原料加热器热水进口阀门25，在热水供水管线14上；热水回水管线15，连接热水锅炉11和二级原料加热器5及厌氧罐加热器7；二级原料加热器热水出口阀门24，在热水回水管线15上。
由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13，连接原料调配池1和厌氧发酵罐6；其中原料泵3在由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13上，其作用是将原料由原料调配池1，经由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线13，输送至厌氧发酵罐6。
厌氧罐加热器7和厌氧罐搅拌机27都在厌氧发酵罐6内；由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16，连接厌氧发酵罐6和二次发酵罐及贮气柜8，用于输送沼渣沼液；厌氧发酵罐排放阀门26，在由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线16上；将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17，也连接厌氧发酵罐6和二次发酵罐及贮气柜8，但用途是输送沼气。
将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18，是将厌氧发酵罐6和二次发酵罐及贮气柜8中产生的沼气导出的管线；由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19，连接二次发酵罐及贮气柜8和沼渣沼液池9；其中二次发酵罐排放阀门22，在由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线19上。
实施例3
如图1所示，一种利用余热生产沼气的热能再利用装置的运行方式如下：
（一）开启二次发酵罐排放阀门22，将二次发酵罐及贮气柜8中35℃高温的沼渣沼液排放至沼渣沼液池9。当二次发酵罐及贮气柜8的液位达到合适的低位时，关闭二次发酵罐排放阀门22，停止排放。
（二）开启厌氧发酵罐排放阀26，将35℃高温的沼渣沼液排至二次发酵罐及贮气柜8，使二次发酵罐及贮气柜8的液位达到高位后，关闭厌氧发酵罐排放阀26。此时厌氧发酵罐6的液位处于低位状态。
(三)原料通过原料进口23，进入原料调配池1，加入污水或调配用水进行稀释。确认原料调配池1中原料液位处于高位状态，并开启原料调配池搅拌机2对原料搅拌调配。
（四）启动沼渣沼液泵10，将35℃高温的沼渣沼液供至安装在原料调配池1池壁上的一级原料加热器4，加热原料后，沼渣沼液的温度由35℃降至20℃，之后排放。在此过程中，可以通过调节沼渣沼液泵10的流量来确保使沼渣沼液的温度由35℃降至20℃。只有保持这个温降，才能达到余热利用的最大化。
（五）原料调配池1中的原料温度通过一级原料加热器4加热后，由2℃升至17℃；然后开启二级原料加热器的热水进口阀门25和二级原料加热器热水出口阀门24，启动热水循环泵12，将热水锅炉11供出的95℃热水供至二级原料加热器5，对原料继续进行加热，使原料温度由17℃升至35℃。
（六）开启原料泵3，将温度达到35℃的原料供至厌氧发酵罐6进行发酵分解，产生沼气。厌氧发酵罐6产生的沼气，经由将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线17，导入二次发酵罐及贮气柜8，然后与在二次发酵罐及贮气柜8中产生的沼气一起，经由将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线18导出。
实施例4
如图1所示，为监测原料及沼渣沼液的温度变化和节能效果，在原料调配池1和厌氧发酵罐6内，及高温沼渣沼液输送管线20和降温后沼渣沼液排放管线21内均设有温度监测仪。
 实施例5
如图1所示，根据原料的多少和生产沼气的规模不同，厌氧发酵罐可以是厌氧发酵罐6一个，也可以是由多个厌氧发酵罐并联构成。

Claims (4)

1.一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，其特征是该装置由原料调配池（1）、原料调配池搅拌机（2）、原料泵（3）、一级原料加热器（4）、二级原料加热器（5）、厌氧发酵罐（6）、厌氧罐加热器（7）、二次发酵罐及贮气柜（8）、沼渣沼液池（9）、沼渣沼液输送泵（10）、热水锅炉（11）、热水循环泵（12）、由原料调配池输送至厌氧发酵罐的原料输送管线（13）、热水供水管线（14）、热水回水管线（15）、由厌氧发酵罐输送至二次发酵罐及贮气柜的沼渣沼液输送管线（16）、将厌氧发酵罐产生的沼气导入贮气柜的管线（17）、将二次发酵罐及贮气柜中的沼气导出的管线（18）、由二次发酵罐及贮气柜输送至沼渣沼液池的沼渣沼液输送管线（19）、高温沼渣沼液输送管线（20）、降温后沼渣沼液排放管线（21）、二次发酵罐排放阀门（22）、原料进口（23）、二级原料加热器热水出口阀门（24）、二级原料加热器热水进口阀门（25）、厌氧发酵罐排放阀门（26）、厌氧罐搅拌机（27）组成。
2.根据权利要求1所述的一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，其特征是以厌氧发酵罐（6）排出的35℃的沼渣沼液做为热媒，供至一级原料加热器（4），加热原料（牲畜粪便），使原料温度由2℃提高至17℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，其特征是得到初步加热提高至17℃的原料，再用热水或蒸汽进一步加热至35℃，然后进入厌氧发酵罐（6）生产沼气。
4.根据权利要求2所述的一种利用余热生产沼气的热能再利用装置及其运行方式，其特征是通过调节沼渣沼液泵10的流量来确保作为一级原料加热器（4）热媒的高温沼渣沼液的温度由35℃降至20℃。
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