CN105039604A - 利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法及控制系统 - Google Patents

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曲静霞
刘洪刚
邵正日
朱军
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邵丽杰
王晓明
张大雷
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Abstract

本发明属于可再生能源开发与环境保护技术领域，更具体地说，是涉及一种利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法及控制系统。物料通过第一进料装置进入搅拌升温调节罐，搅拌升温调节罐内的热电偶对罐内加热，并将温度信号发送给系统的PLC控制器，PLC控制器根据发送来的信号控制罐内温度符合设定值；搅拌升温调节罐处理后的物料，经三个出料阀门进入立式厌氧发酵罐，PLC控制器控制三个出料阀门轮流开启，且开通时间为2～5分钟。本发明通过PLC控制器实现高浓度原料在沼气系统内的发酵循环，达到发酵原料搅拌的目的，充分开发出发酵原料生产沼气的潜力，实现了高浓度原料沼气发酵系统的连续高效运行。

Description

利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法及控制系统
技术领域：
本发明属于可再生能源开发与环境保护技术领域，更具体地说，是涉及一种利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法及控制系统。
背景技术：
近年来，我国的沼气技术在能源与环境行业得到迅速发展并取得了一定的成果。沼气技术的应用已经从利用禽畜粪便作为单一发酵原料的模式，逐渐向采用工业源有机废弃物、生活有机废弃物等多原料利用的技术发展。在不同原料、地理环境等条件下，所采取的沼气工艺也各有不同。与常规条件5％-12％的低总固体(TS)浓度沼气发酵工艺不同，当需要发酵的原料总固体(TS)浓度达到20％甚至更高时，如果仍然采用湿法发酵工艺的话，将会耗费大量水分用于稀释物料浓度，随之而带来的发酵罐保温能耗高、排出的沼液量增加等都将对沼气工程的运行成本造成很大的压力。因此，高浓度原料的沼气发酵工艺已成为影响沼气技术应用和推广瓶颈问题。
目前欧美发达国家已经对沼气干发酵技术进行了一定研究和应用示范，取得了一些成果，相应产业也初具规模。然而，由于国外干发酵沼气工程采用的工艺十分复杂，如利用沼气进行气体搅拌的工艺、利用大型柱塞泵进行物料进料的技术等，使得工程的建设成本也相应提高。因此，直接将欧美先进技术照搬引进并不能够适用于我国本土化的应用环境。
沼气厌氧干发酵主要的应用难点，在于如何实现发酵物料在反应系统中流动混合，进而达到物料充分产气的目的。
发明内容：
本发明正是针对上述问题，提供了一种利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法及控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
1、物料通过第一进料装置进入搅拌升温调节罐，搅拌升温调节罐内的热电偶对罐内加热，并将温度信号发送给系统的PLC控制器，PLC控制器根据发送来的信号控制罐内温度符合设定值；
2、搅拌升温调节罐处理后的物料，经三个出料阀门进入立式厌氧发酵罐，PLC控制器控制三个出料阀门轮流开启，且开通时间为2～5分钟；
3、立式厌氧发酵罐上的差压料位计将罐内的物料高度信号发送给PLC控制器，PLC控制器根据实际高度与设定值之间的关系来调节进料量和出料量；
4、立式厌氧发酵罐底部送出的物料经出料分配装置分为沼渣、沼液，沼渣输送到沼渣出料装置，沼液回到搅拌升温调节罐。
5、立式厌氧发酵罐生产的沼气从罐顶送出，罐顶设置的气体成分在线检测仪将监测到的甲烷含量信号发送给PLC控制器，PLC控制器根据含量信号来控制进料和沼液回流的质量比，甲烷含量<45％时，增加回排料和回流的分配比。
步骤1中，搅拌升温调节罐内温度T≤45℃时，PLC控制器控制蒸汽阀门开启；罐内温度T＞45℃时，PLC控制器控制蒸汽阀门关闭。
步骤3中，立式厌氧发酵罐料位的测量值与设定值之差H≥100mm时，关闭第二进料装置，出料装置正常开启；当立式厌氧发酵罐料位的测量值与设定值之差H＜100mm时，关闭出料装置，第二进料装置开启。
步骤5中，进料和沼液回流的质量比为1:5-1:8。
一种利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，包括第一进料装置、搅拌升温调节罐、第二进料装置、立式厌氧发酵罐、出料螺旋输送装置、出料分配装置和出料装置，第一进料装置和第二进料装置分别位于搅拌升温调节罐的上下两端，第二进料装置通过立式厌氧发酵罐下方的三个进料阀门与立式厌氧发酵罐相连，立式厌氧发酵罐顶部为沼气出口；立式厌氧发酵罐通过下方的出料阀门与出料螺旋输送装置相连，出料螺旋输送装置通过出料分配装置分为两支，一支与出料装置相连，另一支与搅拌升温调节罐相连接，形成回路；
还包括PLC控制器，控制进料阀门、出料阀门、第二进料装置的开关。
搅拌升温调节罐的一端与蒸汽阀门相连，蒸汽阀门的开关由PLC控制器。
搅拌升温调节罐内设置了热电偶，热电偶将搅拌升温调节罐内的温度信号发送给PLC控制器。
立式厌氧发酵罐上设置了差压料位计，差压料位计将立式厌氧发酵罐内的物料高度信号发送给PLC控制器。
立式厌氧发酵罐顶部、沼气出口处设置了气体成分在线监测仪，气体成分在线监测仪将监测到的沼气中的甲烷含量信号发送给PLC控制器。
第一进料装置上设置有料斗。
本发明的有益效果：
本发明通过PLC控制器实现高浓度原料在沼气系统内的发酵循环，达到发酵原料搅拌的目的，充分开发出发酵原料生产沼气的潜力，实现了高浓度原料沼气发酵系统的连续高效运行。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图1中，1为第一进料装置，2为搅拌升温调节罐，3为第二进料装置，4为进料阀门(4a为第一进料阀门，4b为第二进料阀门，4c为第三进料阀门)，5为立式厌氧发酵罐，6为出料阀门，7为出料螺旋输送装置，8为出料分配装置，9为出料装置，10为热电偶，11为蒸汽阀门，12为差压料位计，13为气体成分在线监测仪。
具体实施方式：
实施例1：有机生活垃圾物料的干发酵系统控制
1、发酵系统的启动。首先利用第一进料装置将TS(固含量)为20％的有机生活垃圾输送到搅拌升温调节罐中，再开启第二进料装置，输送1/3立式厌氧发酵罐体积的垃圾物料，使甲烷菌大量生长。
2、发酵原料的混合升温。开启出料螺旋输送装置与出料分配装置，按照新进物料质量的7倍比例将发酵后的沼液回流输送到搅拌升温调节罐内，并与搅拌升温调节罐内原有的有机生活垃圾进行混合升温调节，罐内温度达到38℃，蒸汽阀门继续开启，搅拌升温调节罐升温；输送过程中发现搅拌升温调节罐内温度达到47℃，这时PLC系统自动关闭蒸汽阀门，使得搅拌升温调节罐内温度降到45℃。
3、多点分布式进料。通过第二进料装置将搅拌升温调节罐中经混合升温后的有机生活垃圾输送到立式厌氧发酵罐。PLC控制系统自动定时控制每个进料阀门的开、关，开通时间为3分钟，且三个阀门轮流切换开通。
4、高浓度有机原料的液位控制。有机生活垃圾输送过程中，立式厌氧发酵罐料位的测量值(实际高度)低于设定值90mm时，PLC控制系统自动控制出料装置关闭，第二进料装置继续开启；立式厌氧发酵罐料位的测量值高于设定值100mm时，PLC控制系统自动控制第二进料装置关闭，出料装置继续开启。
5、熟料的回流。通过调节出料阀门，将发酵后的沼液进行回流，与搅拌升温调节罐中的新添加的有机生活垃圾进行混合，形成厌氧发酵循环。PLC控制器的数据控制进料和沼液回流的质量比为1:7，气体成分在线监测仪测试的CH4含量等于40％，PLC控制系统自动增加回排料和回流的分配比例。
实施例2：高浓度市政污泥干发酵系统控制
1、发酵系统的启动。首先利用第一进料装置将TS为22％的高浓度市政污泥输送到搅拌升温调节罐中，再开启第二进料装置，输送1/3立式厌氧发酵罐体积的污泥，使甲烷菌大量生长。
2、发酵原料的混合升温。开启出料螺旋输送装置与出料分配装置，按照新进物料质量的6倍比例将发酵后的沼液回流输送到搅拌升温调节罐内，并与搅拌升温调节罐内原有的高浓度市政污泥进行混合升温调节，罐内温度达到38℃，蒸汽阀门继续开启，搅拌升温调节罐升温；输送过程中发现搅拌升温调节罐内温度达到47℃，这时PLC系统自动关闭蒸汽阀门，使得搅拌升温调节罐内温度降到45℃。
3、多点分布式进料。通过第二进料装置，将搅拌升温调节罐中经混合升温后的高浓度市政污泥输送到立式厌氧发酵罐。PLC控制系统自动定时控制每个进料阀门的开、关，开通时间为2.5分钟，且三个阀门轮流切换开通。
4、高浓度有机原料的液位控制。污泥输送过程中，立式厌氧发酵罐料位的测量值(实际高度)低于设定值85mm时，PLC控制系统自动控制出料装置关闭，第二进料装置继续开启；立式厌氧发酵罐料位的测量值高于设定值100mm时，PLC控制系统自动控制第二进料装置关闭，出料装置继续开启。
5、熟料的回流。通过调节出料阀门，将发酵后的沼液进行回流，与搅拌升温调节罐中的新添加的高浓度市政污泥进行混合，形成厌氧发酵循环。PLC控制器的数据控制进料和沼液回流的质量比为1:6，气体成分在线监测仪测试的CH4含量等于43％，PLC控制系统自动增加进料和沼液回流的质量比。
实施例3：猪粪和玉米秸秆干发酵系统控制
1、发酵系统的启动。首先利用第一进料装置将TS为18％的新鲜猪粪与玉米秸秆输送到搅拌升温调节罐中，再开启第二进料装置，输送1/4发酵罐体积的垃圾物料，使甲烷菌大量生长。
2、发酵原料的混合升温。开启出料螺旋输送装置与出料分配装置，按照新进物料质量的5倍比例将发酵后的沼液回流输送到搅拌升温调节罐内，并与搅拌升温调节罐内原有的新鲜猪粪与玉米秸秆进行混合升温调节，罐内温度达到38℃，蒸汽阀门继续开启，搅拌升温调节罐升温；输送过程中发现搅拌升温调节罐内温度达到47℃，这时PLC系统自动关闭蒸汽阀门，使得搅拌升温调节罐内温度降到45℃。
3、多点分布式进料。通过第二进料装置将搅拌升温调节罐中经混合升温后的新鲜猪粪和玉米秸秆输送到立式厌氧发酵罐。PLC控制系统自动定时控制每个进料阀门的开、关，开通时间为3分钟，且三个阀门轮流切换开通。
4、高浓度有机原料的液位控制。物料输送过程中，立式厌氧发酵罐料位的测量值(实际高度)低于设定值88mm时，PLC控制系统自动控制出料装置关闭，第二进料装置继续开启；立式厌氧发酵罐料位的测量值高于设定值100mm时，PLC控制系统自动控制第二进料装置关闭，出料装置继续开启。
5、熟料的回流。通过调节出料阀门，将发酵后的沼液进行回流，与搅拌升温调节罐中的新加入的猪粪和玉米秸秆进行混合，形成厌氧发酵循环。PLC控制器的数据控制进料和沼液回流的质量比为1:5，气体成分在线监测仪测试的CH4含量等于44％，PLC控制系统自动增加进料和沼液回流的质量比。

Claims (10)

1.一种利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法，其特征在于，具体为，
(1)物料通过第一进料装置进入搅拌升温调节罐，搅拌升温调节罐内的热电偶对罐内加热，并将温度信号发送给系统的PLC控制器，PLC控制器根据发送来的信号控制罐内温度符合设定值；
(2)搅拌升温调节罐处理后的物料，经三个出料阀门进入立式厌氧发酵罐，PLC控制器控制三个出料阀门轮流开启，且开通时间为2～5分钟；
(3)立式厌氧发酵罐上的差压料位计将罐内的物料高度信号发送给PLC控制器，PLC控制器根据实际高度与设定值之间的关系来调节进料量和出料量；
(4)立式厌氧发酵罐底部送出的物料经出料分配装置分为沼渣、沼液，沼渣输送到沼渣出料装置，沼液回到搅拌升温调节罐；
(5)立式厌氧发酵罐生产的沼气从罐顶送出，罐顶设置的气体成分在线检测仪将监测到的甲烷含量信号发送给PLC控制器，PLC控制器根据含量信号来控制进料和沼液回流的质量比，甲烷含量<45％时，增加回排料和回流的分配比。
2.根据权利要求1所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，搅拌升温调节罐内温度T≤45℃时，PLC控制器控制蒸汽阀门开启；罐内温度T＞45℃时，PLC控制器控制蒸汽阀门关闭。
3.根据权利要求1所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，立式厌氧发酵罐料位的测量值与设定值之差H≥100mm时，关闭第二进料装置，出料装置正常开启；当立式厌氧发酵罐料位的测量值与设定值之差H＜100mm时，关闭出料装置，第二进料装置开启。
4.根据权利要求1所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制方法，其特征在于，步骤(5)中，进料和沼液回流的质量比为1:5-1:8。
5.一种权利要求1所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，其特征在于，包括第一进料装置、搅拌升温调节罐、第二进料装置、立式厌氧发酵罐、出料螺旋输送装置、出料分配装置和出料装置，第一进料装置和第二进料装置分别位于搅拌升温调节罐的上下两端，第二进料装置通过立式厌氧发酵罐下方的三个进料阀门与立式厌氧发酵罐相连，立式厌氧发酵罐顶部为沼气出口；立式厌氧发酵罐通过下方的出料阀门与出料螺旋输送装置相连，出料螺旋输送装置通过出料分配装置分为两支，一支与出料装置相连，另一支与搅拌升温调节罐相连接，形成回路；
还包括PLC控制器，控制进料阀门、出料阀门、第二进料装置的开关。
6.根据权利要求5所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，其特征在于，搅拌升温调节罐的一端与蒸汽阀门相连，蒸汽阀门的开关由PLC控制器。
7.根据权利要求5所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，其特征在于，搅拌升温调节罐内设置了热电偶，热电偶将搅拌升温调节罐内的温度信号发送给PLC控制器。
8.根据权利要求5所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，其特征在于，立式厌氧发酵罐上设置了差压料位计，差压料位计将立式厌氧发酵罐内的物料高度信号发送给PLC控制器。
9.根据权利要求5所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，其特征在于，立式厌氧发酵罐顶部、沼气出口处设置了气体成分在线监测仪，气体成分在线监测仪将监测到的沼气中的甲烷含量信号发送给PLC控制器。
10.根据权利要求5所述的利用高浓度有机原料进行沼气发酵的控制系统，其特征在于，第一进料装置上设置有料斗。
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