CN104845887A - 一种以单位能耗全年产气率优化保温增温系统的沼气发酵罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电加热保温增温沼气发酵罐,涉及一种沼气发酵、收集装置。本发明的目的是提供一种以单位能耗全年产气率最大化优化保温增温系统的沼气罐,这种沼气罐在寒冷季节仍能正常发酵，稳定的产生沼气,耗电量小且结构简单、成本低廉。本发明的技术方案是,在玻璃钢沼气罐的外部复合一层保温材料②，以降低沼液与外部环境的热交换，提升其保温性能。在罐体底部均匀盘布电发热丝⑨，通过PID（Proportion,Integration,Differentiation）温度控制器控制⑤，当探测器⑥探测到沼液温度低于设定温度则开启加热，否则停止。该沼气罐根据当地室外气象，运用能耗模拟以及全生命周期评价的方法优化保温层厚度和加热系统布置方式及功率，在保证罐体冬季正常产气的同时做到节材、节能和环保。

Description

一种以单位能耗全年产气率优化保温增温系统的沼气发酵罐

技术领域

本发明涉及一种沼气发酵、收集气体装置,目的是提供一种具有保温、增温功能的沼气增温保温系统。

背景技术

发酵液温度是影响沼气发酵产气量的主要因素之一，从工艺角度一般分为常温发酵、中温发酵（35～37℃）和高温发酵（50～60℃），当发酵温度低于10℃时沼液停止产气，而且沼液温度短时波动幅度过大也会导致产气率的下降。所以，提升及维持沼气发酵装置中沼液的发酵温度对于沼气的产气率具有重要意义。近年来我国重点发展了户用沼气和农村沼气，这类沼气一般修建于地下，利用大地蓄热温度波动比气温小的特点，发酵过程多数为自然常温发酵，在严寒地区、寒冷地区、冬冷夏热地区，由于其存在冬季气温低，昼夜温差大等问题，所以在冬季甚至过渡季节沼气发酵装置产气率低，甚至不产气。特别是近年来，随着新农村建设步伐加快，户式小沼不能适应集中居住需求，而“沼气工程”被是解决新农村用能的有效途径，提升农村资源循环利用、节能减排水平的重要手段。但罐体更大、至于地上的沼气发酵装置受外界温度影响更大，保温增温显得更为重要。

目前，我国相关的农村户用沼气增温节能技术发展相当缓慢,当前主要运用的增温手段主要有以下几种：1)塑料暖棚增温技术；2)燃池增温技术；3)“猪―沼―炕”增温技术；4)隔热材料保温法；5)沼气池表面覆盖柴草保温方法；6)挖环形沟保温法；7)秸秆废弃物的燃烧方法；8)塑料薄膜覆盖法；9)热水锅炉加热法。目前所使用的保温增温方法仍以燃烧以秸秆为主的生物质能为主,再加上一些保温材料以达到增温目的。这些方法热能转化率低,能源浪费量大，同时燃烧会造成大量的温室气体以及其他的有害气体的排放，对环境的污染也很大。基于此，沼气罐的保温增温方式施用不当不但不能提升沼气的产气率，还会使得沼气这样一种清洁的能源变成新的污染源。其他较新的技术如：太阳能集热沼气发酵罐及基于地源热泵的沼气发酵罐等，初始投资以及维护成本都很高，在边远分散的农村地区这些技术都难以推广普及。

由此可见，在一定的室外气象条件下，保温属于被动式技术，可以达到一定的增温效果；但当室外较寒冷时，必须采取主动的技术措施，才能达到预期的发酵温度。所以研发一种全年产气率高、能耗低、初投资及运行成本低廉的保温增温沼气发酵罐体具有很大的现实意义。

201210543906.9公开了一种新型的一种加热式地上沼气池，其特征在于：所述发酵罐的底座内设置有多根加热管，所述加热管的两端连接电源。这种沼气罐虽能有效提升罐体发酵温度，但是罐体外部没有保温层，增温能耗损失大、运行成本高。201020169775.9公开了一种保温加热型沼气装置，其沼气罐侧壁外层设保温层，保温层内侧设热水层；沼气罐一侧上方设热水出口，在地表下方的沼气罐一侧设热水进口，其不足之处在于结构非常复杂，热利用程度较低。

201120334659.2公开了一种绝热保温沼气发酵罐，其特征在于内罐和外罐固定在一起，在内罐和外罐之间形成隔热腔，在隔热腔中安装有保温层，在外罐和内罐的上部分别固定安装有与内罐内腔相通的上料装置、排气装置和溢流装置，在外罐和内罐的下部固定安装有与内罐内腔相通的卸料装置，搅拌装置通过安装架固定安装在外罐的上方，搅拌装置的下部位于内罐内腔中。该沼气罐设置有保温层但是罐体没有没加热装置，在极端寒冷的气候下没有热量补偿维持不了发酵温度。

实际上，地上沼气发酵罐的产气率与罐体发酵温度、室外气象条件、保温层厚度、增温系统功率及能耗等因素之间，存在非常复杂的耦合关系，上述现有专利技术并没有从全年或寿期角度去优化保温增温系统，因此都不能指出最佳保温层厚度及增温系统功率匹配。这是本发明有别于现有专利技术的独特之处。

发明内容

本发明的目的是以单位能耗全年产气率优化保温增温系统、提供一种能够保持或提升沼液发酵温度使其在冬季也可以稳定产气的沼气保温增温沼气发酵罐技术。

发明的基本思路是：在沼气罐体外部复合一层保温材料降低维持和提升发酵温度的能耗，采用PID（Proportion、Integration、Differentiation）温度控制器调节加热器的启停状态来动态维持罐体内的发酵温度。

发明的技术方案是：根据发酵温度和当地气象条件进行产气率计算及全年耗电量模拟，以单位能耗产气率最大优化保温层厚度；根据发酵温度、当地气象条及保温层厚度模拟的全年逐时加热功率，增温装置功率按最大值的3倍选取；增温装置的排布在罐体底部玻璃钢层内，并充分考虑有利于发酵罐温度场均匀，热损失最小；通过PID控制器动态连锁沼气发酵设定温度和加热系统，确保发酵温度使其不低于设定值和单位能耗全年产气率的最优化。

本发明的优点：该沼气罐综合考虑了沼气系统使用地区的气象条件综合、经济技术、能耗等因素的考虑确定保温层的厚度以及加热功率。兼顾考虑保温措施，运行成本和能耗，使用技术成本较低的市电直接电加热方式对沼液进行加热，同时采用PID温度控制器控制加热器，进一步降低了能耗。该系统使用主、被动技术相结合的方式对沼气罐进行保温增温真正实现了节能、节材、环保的绿色目标。

附图说明

图1、是本发明的系统结构示意图。

图2、是沼气罐产气率随环境气温的曲线图。

图3、是成都地区10月-3月保温增温能耗模拟计算图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

图1是本发明的系统结构示意图，图中仅给出了与本发明相关的部分。在玻璃钢沼气罐的外部复合一层保温材料②，以降低沼液与外部环境的热交换。在罐体底部均匀盘布电发热丝⑨，通过PID（Proportion, Integration, Differentiation）温度控制器⑨控制，当探测器⑥探测到沼液温度低于设定发酵温度则开启加热，否则停止。

图2所示为一罐体复合保温层但无加热的沼气罐在寒冷时节产气率受室外气温影响的曲线图。从图中可以看出，日产气量随着环境温度的逐步降低而降低，第1-15天，环境温度基本稳定在25 ℃左右，发酵罐的日产气量基本维持在15 m3·d-1以上，第16-70天，环境温度在20 ℃左右波动，发酵罐的日产气量维持在10 m3·d-1左右波动，第71-84天，环境温度下降倒在15 ℃以下，日产气量仍可以维持在8 m3·d-1以上，第85天环境温度降到12.45℃，日产气量为7m3·d-1。总的来说，虽然罐体复合了保温层，但是在没有加热的情况下，沼气发酵罐的产气率仍无法保证，所以说明在罐体复合了保温层之后进行加热是必须的。

图3是采用成都地区气象参数模拟计算的该型沼气罐保温增温系统在10月-次年3月寒冷季节的逐月能耗状况，以未做保温的沼气罐进行对比可以看出，该沼气系统的保温层起到了相当明显的降低能耗的作用。对罐体进行增温必然产生能耗，保温能够有效的降低能耗提升热效率，所以保温与增温两者对于提升寒冷时期沼气罐的产气率都不可或缺。

Claims (5)

1.一种以单位能耗全年产气率优化保温增温系统的沼气发酵罐，其特征在于：在圆柱形玻璃钢罐体①外部复合一层保温材料②，在罐体底部盘布电发热丝⑨接通市电，通过PID温度控制器⑤动态控制加热器，当罐内温度低于设定发酵温度时，加热器对沼液进行加热，当罐内沼液温度达到设定发酵温度时停止加热。

2.按照权利要求1所述的沼气罐，其特征在于：根据发酵温度和当地气象条件进行产气率计算及全年耗电量模拟，以单位能耗产气率最大优化的保温层厚度一般在6~15cm。

3.按照权利要求1所述的沼气罐，其特征在于：根据发酵温度、当地气象条及保温层厚度模拟的全年逐时加热功率，增温装置功率按最大值的3倍选取，一般单位罐容为15~30W/M3。

4.按照权利要求1所述的沼气罐，其特征在于：增温装置的排布在罐体底部玻璃钢层内，并充分考虑有利于发酵罐温度场均匀，热损失最小。

5.按照权利要求1所述的沼气罐，其特征在于通过PID控制器⑤动态连锁控制沼气发酵设定温度和加热系统，确保单位能耗全年产气率的最优化。