CN107557293A

CN107557293A - 电磁强化厌氧消化产气系统及其调控方法

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Publication number: CN107557293A
Application number: CN201710926296.3A
Authority: CN
Inventors: 赵波; 王洪彬; 杨洋; 杨善让; 曹生现; 王恭; 刘志超; 沙浩
Original assignee: Northeast Dianli University
Current assignee: Northeast Electric Power University
Priority date: 2017-10-07
Filing date: 2017-10-07
Publication date: 2018-01-09

Abstract

一种电磁强化厌氧消化产沼气系统，其特点是：包括水加热器通过高温水泵与主反应罐中的第一换热器连通，第一换热器与温度调节器连通，温度调节器通过中温水泵与水解酸化罐连通，有机废物与预处理池连通，预处理池通过料液泵与水解酸化罐连通，水解酸化罐通过料液泵与主反应罐连通；预处理池、水解酸化罐、主反应罐与沼渣连通；水解酸化罐通过气体升压泵与气体分离器连通，主反应罐通过气体升压泵与气体分离器连通，气体分离器与储气罐连通，储气罐与沼气运输车连通，气体分离器与CO₂布气装置连通；缓冲液罐通过第一蠕动泵与水解酸化罐连通，缓冲液罐通过第二蠕动泵与主反应罐连通；磁场调节器分别与第一磁场发生装置、第二磁场发生装置连通。

Description

电磁强化厌氧消化产气系统及其调控方法

技术领域

本发明涉及可再生能源及节能减排技术领域，是一种电磁强化厌氧消化产气系统及其调控方法。

背景技术

随着环境问题和资源短缺问题日渐成为限制国家发展的重要因素，世界上很多国家都在减少化石燃料的消耗，逐步开展可再生能源领域的研究。可再生能源的利用是当今社会一个重要难题，其成本比化石燃料更昂贵，厌氧消化技术是可再生能源利用的一种具有成本效益的方法。

我国各种可再生能源储备丰富，生物质能是诸多可再生能源的重要组成部分。使用生物质能的最好方法之一是进行厌氧消化，利用粪便、农业废弃物和秸秆的发酵，既方便又没有污染，有机废物以厌氧消化的方式加以利用，为农民提供日常生活用电和供热，并且厌氧消化技术可以促进风能、太阳能以及生物能的有效利用，可促进能源清洁、环境增值，可大幅降低大气中温室气体的浓度。但传统的厌氧消化工艺有产气速率过低，原料收集代价高，受季节温度及反应器的pH变化影响较大，难于连续稳定产气，受各种因素影响波动较大等问题。

发明内容

本发明的目的是，针对厌氧消化原料不易收集，产气速率低，温度波动大等问题，提供一种电磁强化厌氧消化产沼气的系统及其调控方法，可利用磁场发生装置，pH调节装置，可重复加热水实现厌氧消化过程的连续，平稳，高效产气且有机质充分分解利用。

实现本发明目的所采用的技术方案：一种电磁强化厌氧消化产沼气系统，其特征在于：它包括水加热器16输出端通过高温水泵13与主反应罐中的第一换热器23的高温侧连通，第一换热器23的低温侧与温度调节器26连通，温度调节器26通过中温水泵9与水解酸化罐6中的第二换热器25的高温侧连通，第二换热器25的低温侧排出低温水7；有机废物1与预处理池2的输入端连通，预处理池2的第一输出端通过料液泵3与水解酸化罐6的第一输入端连通，水解酸化罐6的第一输出端通过料液泵8与主反应罐11的第一输入端连通；预处理池2的第二输出端、水解酸化罐6第二输出端、主反应罐11的第一输出端与沼渣12连通；水解酸化罐6的第三输出端通过气体升压泵28与气体分离器29的输入端连通，主反应罐11的第二输出端通过气体升压泵27与气体分离器29的输入端连通，气体分离器29的第一输出端与储气罐14输入端连通，储气罐14的输出端与沼气运输车17连通，气体分离器29的第二输出端与CO₂布气装置30的输入端连通；缓冲液罐4的输出端通过第一蠕动泵5与水解酸化罐6的第二输入端连通，缓冲液罐4的输出端通过第二蠕动泵10与主反应罐11的第二输入端连通；磁场调节器19的第一输入端与第一磁场发生装置20，磁场调节器19的第二输入端与第二磁场发生装置22连通；第一搅拌器21、第二温度传感器34、第二pH传感器35、第二ORP传感器36均置于水解酸化罐6中，第二搅拌器24、第一温度传感器31、第一pH传感器32、第一ORP传感器33均置于主反应罐11中。

所述第一磁场发生装置20和第二磁场发生装置22由磁场调节器19进行磁场强度、磁场频率、磁场波形的调节，可以产生脉冲磁场、静磁场、脉动磁场或交变磁场。

所述的CO₂布气装置30包括CO₂进气口38、CO₂布气管道39、CO₂出气孔40，CO₂出气孔40均匀分布设置在CO₂布气管道39上，CO₂进气口38设置在整个CO₂布气装置30的中心，CO₂布气管道39通过45°弯头连通，CO₂进气口38的直径与气体分离器29的管径匹配，CO₂布气管道39的内径为15-20mm， CO₂出气孔40的直径为1-2mm，CO₂出气孔40之间间距为20-25mm。

其调控方法为：通过实时监测温度、pH值、ORP、液位高度、反应器气体压力、磁场参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行，系统监测温度由所述第一温度传感器31和第二温度传感器34进行测量，并把信号传送给工控机18，确保厌氧消化系统的温度维持稳定；pH调节由所述第一蠕动泵5和第二蠕动泵10由工控机18通过第一pH传感器32和第一pH传感器35的测量信号信号进行转速控制；ORP由第一ORP传感器33和第二ORP传感器36进行测量并把信号传送给工控机18，确保主反应罐的厌氧环境。

本发明的电磁强化厌氧消化产沼气系统优点体现在：一是本发明采用工控机通过蠕动泵控制缓冲液进入系统的水解酸化罐和主反应罐中，进行实时在线调节厌氧消化过程pH的变化，使pH维持在稳定的范围内，为厌氧微生物提供最佳的生长环境；二是本发明系统的水解酸化罐和主反应罐采用采用尚有一定温度的热水为加热水，通过换热器按照所需热源温度的高低顺序进入主反应罐和水解酸化罐，提高其水解酸化和厌氧消化的温度，进而提高水解酸化和厌氧消化速率，提高厌氧微生物酶的活性，实现中、高温厌氧消化过程，提高产气率；三是磁场发生装置通过磁场调节器产生磁场，改变系统水解酸化罐和主反应罐内水质的硬度、pH值、电导率等，提高厌氧微生物生物膜的通透性，增加水的渗透压，促进营养物质的吸收加速厌氧微生物的生长繁殖，加速厌氧微生物体内的生化反应，强化有机质的传质，提高有机质的降解率，使资源利用更加充分，增加产气量和效率；四是CO₂布气装置使从气体分离器分离出来的CO₂均匀细密的分布在主反应罐中，减少CO₂的排放量，CO₂通入主反应罐还可以作为厌氧反应的中间代谢物，加速厌氧反应的速率，增加厌氧反应的产气量和提高气体中甲烷的浓度；五是本发明在电磁强化厌氧消化产沼气系统中进行运行调节，通过实时监测温度、pH值、ORP、液位高度、反应器气体压力、磁场参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行；六是本发明系统结构简单、合理、造价低廉、无特殊要求设备、具有模块化、可实施性好，更重要的是提高了可再生能源的利用效率，使沼气产生量更加平稳、连续、保持较高产气率和产气量，实现了可再生能源高效、经济、节能、环保的效果且显著。

附图说明

图1 电磁强化厌氧消化产沼气系统结构图；

图2 CO₂布气装置结构图。

图中：1-有机废物，2-预处理池，3-第一料液泵，4-缓冲液，5-第一蠕动泵，6水解酸化罐，7-低温水，8-料液泵，9-中温水泵，10-第二蠕动泵，11-主反应罐，12-沼渣，13-高温水泵，14-储气罐，15-沼气输送，16-加热器，17-低温水，18-工控机，19-磁场调节器，20-第一磁场发生装置，21-第一搅拌器，22-第二磁场发生装置，23-第一换热器，24-第二搅拌器，25-第二换热器，26-温度调节器，27-第一气体升压泵，28-第二气体升压泵，29-气体分离器，30-CO₂布气装置，31-第一温度传感器，32-第一pH传感器，33-第一ORP传感器，34-第二温度传感器，35-第二pH温度传感器，36-第二ORP传感器，37-数据采集卡，38-CO₂进气孔，39-CO₂布气管道，40-CO₂出气孔。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1，一种电磁强化厌氧消化产沼气系统包括水加热器16输出端通过高温水泵13与主反应罐中的第一换热器23的高温侧连通，第一换热器23的低温侧与温度调节器26连通，温度调节器26通过中温水泵9与水解酸化罐6中的第二换热器25的高温侧连通，第二换热器25的低温侧排出低温水7；有机废物1与预处理池2的输入端连通，预处理池2的第一输出端通过料液泵3与水解酸化罐6的第一输入端连通，水解酸化罐6的第一输出端通过料液泵8与主反应罐11的第一输入端连通；预处理池2的第二输出端、水解酸化罐6第二输出端、主反应罐11的第一输出端与沼渣12连通；水解酸化罐6的第三输出端通过气体升压泵28与气体分离器29的输入端连通，主反应罐11的的第二输出端通过气体升压泵27与气体分离器29的输入端连通，气体分离器29的第一输出端与储气罐14输入端连通，储气罐14的输出端与沼气运输车17连通，气体分离器29的第二输出端与CO₂布气装置30的输入端连通；缓冲液罐4的输出端通过第一蠕动泵5与水解酸化罐6的第二输入端连通，缓冲液罐4的输出端通过第二蠕动泵10与主反应罐11的第二输入端连通；磁场调节器19的第一输入端与第一磁场发生装置20，磁场调节器19的第二输入端与第二磁场发生装置22连通；第一搅拌器21、第二温度传感器34、第二pH传感器35、第二ORP传感器36均置于水解酸化罐6中，第二搅拌器24、第一温度传感器31、第一pH传感器32、第一ORP传感器33均置于主反应罐11中。所述第一蠕动泵5和第二蠕动泵10由工控机18通过第一pH传感器31和第二pH传感器35信号进行转速控制，包括单通道蠕动泵、双通道蠕动泵或多通道蠕动泵；所述第一磁场发生装置20和第二磁场发生装置22由磁场调节器19进行磁场强度、磁场频率、磁场波形的调节，可以产生脉冲磁场、静磁场、脉动磁场或交变磁场。

参照图2，所述的CO₂布气装置30包括CO₂进气口38、CO₂布气管道39、CO₂出气孔40，CO₂出气孔40均匀分布设置在CO₂布气管道39上，CO₂进气口38设置在整个CO₂布气装置30的中心，CO₂布气管道39通过45°弯头连通，CO₂进气口38的直径与气体分离器29的管径匹配，CO₂布气管道39的内径为15-20mm， CO₂出气孔40的直径为1-2mm，CO₂出气孔40之间间距为20-25mm。

实施例的一种电磁强化厌氧消化产沼气系统，具体工作过程为：水加热器16把水加热到主反应罐所需温度通过高温水泵13送入主反应罐中的第一换热器23的高温侧，提供高温发酵的热量，第一换热器23的低温侧的水送入温度调节器26中，进行温度调节，调节到水解酸化罐所需温度，温度调节器26通过中温水泵9送入水解酸化罐6中的第二换热器25的高温侧，提供中温发酵的热量，第二换热器25的低温侧排出低温水7；有机废物1进入预处理池2的输进行预处理，把有机废物进行降解成大分子物质，预处理池2中的预处理有机废物通过料液泵3送入水解酸化罐6进行水解酸化，水解酸化罐6降解的有机分子通过料液泵8送入主反应罐11进行厌氧发酵；预处理池2、水解酸化罐6、主反应罐11中未能分解利用的有机废物送到沼渣12中；水解酸化罐6产生的气体通过气体升压泵28送入气体分离器29，主反应罐11产生的气体通过气体升压泵27送入气体分离器29，气体分离器29分离出来的甲烷送入储气罐14进行储存，气体分离器29分离出来的CO₂送入CO₂布气装置30，在主反应罐中进行CO₂的利用；缓冲液罐4中的缓冲液根据水解酸化罐6的pH信号通过由工控机18控制的第一蠕动泵5送入水解酸化罐6，缓冲液罐4中的缓冲液根据主反应罐11的 pH信号通过由工控机18控制的第二蠕动泵10送入主反应罐11；磁场调节器19根据实际工况调节第一磁场发生装置20和第二磁场发生装置22的磁场，为水解酸化罐6和主反应罐11产生磁场环境。

所述第一蠕动泵5和第二蠕动泵10由工控机18通过第一pH传感器31和第二pH传感器35信号进行转速控制，包括单通道蠕动泵、双通道蠕动泵或多通道蠕动泵，本发明所用蠕动泵、工控机、传感器等功能设备和器件均采用市售产品。

本发明的电磁强化厌氧消化产沼气系统，以水为加热工质，加热以有机废物为原料的厌氧消化系统来提高产气率，加热器与厌氧消化系统内的换热器依据所利用的水温度串联耦合成一个整体，实现热水热量的梯级利用，提高了水热量的利用率，提高了厌氧消化系统产气率。

本发明的电磁强化厌氧消化产沼气系统，采用磁场发生装置19，通过磁场调节器产生磁场，使厌氧消化反应系统置于磁场环境中，磁场下可以改变系统水解酸化罐和主反应罐内水质的硬度、pH值、电导率等，提高厌氧微生物生物膜的通透性，增加水的渗透压，促进营养物质的吸收加速厌氧微生物的生长繁殖，加速厌氧微生物体内的生化反应，强化有机质的传质，提高有机质的降解率，使资源利用更加充分，增加产气量和效率。

本发明的电磁强化厌氧消化产沼气系统，采用pH调节装置，利用工控机18根据厌氧反应系统的在线pH信号，通过控制第一蠕动泵5和第二蠕动泵10转速实时控制缓冲液进入系统的水解酸化罐6和主反应罐11中的流量，进行实时在线调节厌氧消化过程pH的变化，使pH值达到厌氧微生物最适值，提高厌氧微生物的活性和繁殖能力，提高产气量，缩短反应周期。

本发明的CO₂布气装置30是CO₂循环利用装置，气体分离器29分离出的CO₂通过管道与CO₂布气装置30的CO₂进气孔38连通，通过分布在管道上的CO₂排气孔40使CO₂均匀细密的进入主反应罐11中，CO₂可以作为厌氧发酵的中间反应物参与厌氧发酵，提高厌氧发酵的产气量，提高有机废物的利用率，减少CO₂的排放量，减轻温室效。

本发明的电磁强化厌氧消化产沼气系统运行调控方法为：通过实时监测温度、pH值、ORP、液位高度、反应器气体压力、磁场参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行，为厌氧消化系统提供最佳的反应条件来提高厌氧反应过程的产气效率，系统监测温度由所述第一温度传感器31和第二温度传感器34进行测量，并把信号传送给工控机18，确保厌氧消化系统的温度维持稳定；pH调节由所述第一蠕动泵5和第二蠕动泵10由工控机18通过第一pH传感器32和第一pH传感器35的测量信号进行转速控制， ORP由第一ORP传感器33和第二ORP传感器36进行测量并把信号传送给工控机18，确保主反应罐11的厌氧环境。

运行调控方法可以克服如下缺点：①厌氧微生物无法在最佳的生态环境下繁殖、生长；②环境低温条件下厌氧消化系统无法正常运行，常温条件下厌氧消化系统产气速率低；③有机质质如秸秆等无有效利用途径，焚烧排放浓烟，大气污染严重。电磁强化厌氧消化产沼气系统，既能提供最佳的厌氧微生物生长环境，提高了能源利用率，又就地消纳了大量的有机质，减少了环境污染。

Claims

1.一种电磁强化厌氧消化产气系统，其特征在于：它包括工质加热器（16）输出端通过高温工质泵（13）与主反应罐中的第一换热器（23）的高温侧连通，第一换热器（23）的低温侧与温度调节器（26）连通，温度调节器（26）通过中温工质泵（9）与水解酸化罐（6）中的第二换热器（25）的高温侧连通，第二换热器（25）的低温侧排出低温工质（7）；有机废物（1）与预处理池（2）的输入端连通，预处理池（2）的第一输出端通过料液泵（3）与水解酸化罐（6）的第一输入端连通，水解酸化罐（6）的第一输出端通过料液泵（8）与主反应罐（11）的第一输入端连通；预处理池（2）的第二输出端、水解酸化罐（6）第二输出端、主反应罐（11）的第一输出端与沼渣（12）连通；水解酸化罐（6）的第三输出端通过气体升压泵（28）与气体分离器（29）的输入端连通，主反应罐（11）的的第二输出端通过气体升压泵（27）与气体分离器（29）的输入端连通，气体分离器（29）的第一输出端与储气罐（14）输入端连通，储气罐（14）的输出端与沼气运输车（17）连通，气体分离器（29）的第二输出端与CO₂布气装置（30）的输入端连通；缓冲液罐（4）的输出端通过第一蠕动泵（5）与水解酸化罐（6）的第二输入端连通，缓冲液罐（4）的输出端通过第二蠕动泵（10）与主反应罐（11）的第二输入端连通；磁场调节器（19）的第一输入端与第一磁场发生装置（20）连通，磁场调节器（19）的第二输入端与第二磁场发生装置（22）连通；第一搅拌器（21）、第二温度传感器（34）、第二pH温度传感器（35）、第二ORP传感器（36）均置于水解酸化罐（6）中，第二搅拌器（24）、第一温度传感器（31）、第一pH传感器（32）、第一ORP传感器（33）均置于主反应罐（11）中。

2.根据权利要求1所述的一种电磁强化厌氧消化产沼气系统，其特征在于：所述第一磁场发生装置（20）和第二磁场发生装置（22）通过磁场调节器（19）进行磁场调节，磁场调节器（19）可以根据实际工况实时通过改变磁场的强度、磁场的波形、磁场的频率来改变第一磁场发生装置（20）和第二磁场发生装置（22）所产生的磁场，可以产生脉冲磁场、静磁场、脉动磁场或交变磁场，第一磁场发生装置（20）和第二磁场发生装置（22）所产生的磁场分别作用在水解酸化罐（6）和主反应罐（11）上，使水解酸化罐（6）和主反应罐（11）处于均匀的磁场环境中。

3.根据权利要求1所述的一种电磁强化厌氧消化产沼气系统，其特征在于：所述的CO₂布气装置（30）包括CO₂进气口（38）、CO₂布气管道（39）、CO₂出气孔（40），CO₂出气孔（40）均匀分布设置在CO₂布气管道（39）上，CO₂进气口（38）设置在整个CO₂布气装置（30）的中心，CO₂布气管道（39）通过45°弯头连通，CO₂进气口（38）的直径与气体分离器（29）的管径匹配，CO₂布气管道（39）的内径为15-20mm，CO₂出气孔（40）的直径为1-2mm，CO₂出气孔（40）之间间距为20-25mm。

4.根据权利要求1所述的一种电磁强化厌氧消化产气系统，其特征在于：调控方法通过实时监测温度、pH值、ORP、液位高度、反应器气体压力、磁场参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行，系统监测温度由所述第一温度传感器（31）和第二温度传感器（34）进行测量，并把信号传送给工控机（18），确保厌氧消化系统的温度维持稳定；pH调节由所述第一蠕动泵（5）和第二蠕动泵（10）由工控机（18）通过第一pH传感器（32）和第一pH传感器（35）的测量信号进行转速控制；ORP由第一ORP传感器（33）和第二ORP传感器（36）进行测量并把信号传送给工控机（18），确保主反应罐（11）的厌氧环境。