CN108559698A - 一种沼液余热回收、进料预热的系统及方法 - Google Patents

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霍燕
张屹
周学霞
李�根
张兆玲
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Abstract

本发明公开了一种沼液余热回收、进料预热的系统及方法，包括沼气发酵罐、回流管道、回流泵、进料管道、进料泵和掺混换热装置，其中，掺混换热装置包括涡流区和旋流区，涡流区和旋流区之间连接有变径管，所述变径管自涡流区至旋流区为突扩管；所述涡流区包括进料管和回流管，进料管与旋流区同轴设置，回流管相对于进料管的轴线倾斜插入进料管中；所述旋流区沿轴向设置有旋流叶片；回流管道的一端与沼气发酵罐的上端沼液区域连接，回流管道的另一端通过回流泵与掺混换热装置的回流管连接；进料管道的一端与料液源连接，进料管道的另一端通过进料泵与掺混换热装置的进料管连接；掺混换热装置的旋流区的出口与沼气发酵罐的底部连通。

Description

一种沼液余热回收、进料预热的系统及方法
技术领域
本发明属于沼气调压领域，尤其涉及一种沼液余热回收、进料预热的系统及方法。
背景技术
沼气的厌氧发酵，离不开一个适合甲烷细菌生长的稳定环境，这里包括严格的厌氧条件，适合的酸碱度和温度。酸碱度和厌氧条件很容易做到，但是要维持一个比较合适的温度环境，这就需要大量的能源消耗。能量消耗过大，导致系统在沼气产出方面不经济。然而传统的沼气发酵系统的出水(即沼液)温度比较高。虽然沼液蕴含的热量品位较低，但是数量是可观的，直接被排放至自然界中，造成了大量的热能浪费。尤其是在北方高寒地区，这些低品位热能，更显得弥足珍贵。
如图1所示，对于从底部进料的发酵系统来说，其内部自上而下呈现浓度逐渐加大的分层状态，最下层为污泥层，也是主要的甲烷细菌寄生区域，即沼气的主要产区。而此层由于对流及生原料的加入，使得此层温度为最低的区域，而最上层为即将排出的沼液区，反而此区域为温度最高区。沼气产区的低温不利于沼气的高效产出，而上层沼液区的高温又使得热量大量的浪费。现有技术中虽然已经有将沼液的热量回收后对进料进行加热的工艺，但是，一方面需要增加换热器，增大了资金的投入；另一方面，沼液的温度较低，回收热量后对进料进行加热时，由于温差较小，导致对进料的加热效果较差，进而对沼气的净产气率影响较小。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种沼液余热回收、进料预热的系统及方法。
为了解决以上问题，本发明的技术方案为：
一种沼液余热回收、进料预热的系统，包括沼气发酵罐、回流管道、回流泵、进料管道、进料泵和掺混换热装置，其中，
掺混换热装置包括涡流区和旋流区，涡流区和旋流区之间连接有变径管，所述变径管自涡流区至旋流区为突扩管；所述涡流区包括进料管和回流管，进料管与旋流区同轴设置，回流管相对于进料管的轴线倾斜插入进料管中；所述旋流区沿轴向设置有旋流叶片；
回流管道的一端与沼气发酵罐的上端沼液区域连接，回流管道的另一端通过回流泵与掺混换热装置的回流管连接；
进料管道的一端与料液源连接，进料管道的另一端通过进料泵与掺混换热装置的进料管连接；
掺混换热装置的旋流区的出口与沼气发酵罐的底部连通。
将较高温度的沼液回流，与进料均匀混合后重新流入沼气发酵罐中，可以实现进料的充分、均匀预热，可以显著提高沼气的净产气率，同时将沼液中的热量进行回收，减少了沼液中热量的浪费。
掺混换热装置设置有涡流区和旋流区，涡流区使得回流沼液和进料初步混匀，旋流区内设置有旋流叶片，旋流叶片通过改变混合液的流动方向，提高混合液的混匀程度。
涡流区和旋流区之间的突扩管使得混合液的流速迅速下降，延长了混合液在旋流区的停留时间，进而提高了混合液的混合均匀程度。
优选的，所述回流管插入进料管的最大距离a与进料管的直径b之间的关系为0＜a≤b/2。回流沼液自回流管流入涡流区，进料自进料管流入涡流区，当涡流区符合该要求时，回流沼液与进料更容易形成涡流，加入回流沼液与进料的混合。
优选的，所述回流管与进料管之间的夹角为30-90°，进一步优选为35-45°。
优选的，涡流区与旋流区之间的长度比为1:4-7。
优选的，涡流区与旋流区之间的直径比为1:1.5-2.5。
优选的，所述旋流叶片为螺旋状。
进一步优选的，所述旋流叶片的直径与旋流区直径的比为1:1.5-2.5。
优选的，掺混换热装置与沼气发酵罐之间的连接管路的出口延伸至沼气发酵罐的内部。
进一步优选的，所述连接管路的出口延伸至沼气发酵罐的中间位置。
优选的，所述沼气发酵罐的设定高度处设置有溢流管。通过溢流管可以将多余的沼液排出。
利用上述系统进行沼液余热回收、进料预热的方法，包括如下步骤：
沼气发酵罐上方的沼液回流至掺混换热装置，与进料相遇产生涡流，进行初步混合换热；然后混合液经减速后流至旋流区进一步混匀，混匀后的混合液流入沼气发酵罐的底部；
回流的沼液与进料的体积比为1-3:1。
本发明的有益效果为：
1)将较高温度的沼液回流，与进料均匀混合后重新流入沼气发酵罐中，可以实现进料的充分、均匀预热，可以显著提高沼气的净产气率，同时将沼液中的热量进行回收，减少了沼液中热量的浪费。
掺混换热装置设置有涡流区和旋流区，涡流区使得回流沼液和进料初步混匀，旋流区内设置有旋流叶片，旋流叶片通过改变混合液的流动方向，提高混合液的混匀程度。
涡流区和旋流区之间的突扩管使得混合液的流速迅速下降，延长了混合液在旋流区的停留时间，进而提高了混合液的混合均匀程度。
2)对外界的热损失更小。
3)几乎不占用其他空间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为沼气池中温度和污泥原料分布图；
图2为本发明的沼气余热回收及进料预热系统的整体结构示意图；
图3为本发明的掺混换热装置的结构示意图；
图4为掺混换热装置的旋流区的截面图。
其中，1、沼气发酵罐，2、溢流堰，3、回流管道，4、回流泵，5、进料泵，6、进料管道，7、掺混换热装置，8、出料管，9、突缩管，10、旋流叶片，11、混流管，12、突扩管，13、回流管，14、进料管，15、涡流区，16、旋流区。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图2所示，一种沼液余热回收、进料预热的系统，包括沼气发酵罐1、回流管道3、回流泵4、进料管道6、进料泵5和掺混换热装置7，其中，
如图3和图4所示，掺混换热装置7包括涡流区15和旋流区16，涡流区15和旋流区16之间连接有变径管，所述变径管自涡流区至旋流区为突扩管12；所述涡流区15包括进料管14和回流管13，进料管14与旋流区16同轴设置，回流管13相对于进料管14的轴线倾斜插入进料管14中；所述旋流区16沿轴向设置有旋流叶片10；
回流管道3的一端与沼气发酵罐1的上端沼液区域连接，回流管道3的另一端通过回流泵4与掺混换热装置7的回流管13连接；进料管道6的一端与料液源连接，进料管道6的另一端通过进料泵5与掺混换热装置7的进料管14连接；掺混换热装置7的旋流区16的出口与沼气发酵罐1的底部连通。
所述回流管13插入进料管14的最大距离a与进料管14的直径b之间的关系为0＜a≤b/2。回流沼液自回流管13流入涡流区15，进料自进料管14流入涡流区15，当涡流区15符合该要求时，回流沼液与进料更容易形成涡流，加入回流沼液与进料的混合。
所述回流管13与进料管14之间的夹角为30-90°，进一步优选为35-45°。
涡流区15与旋流区16之间的长度比为1:4-7。涡流区15与旋流区16之间的直径比为1:1.5-2.5。
所述旋流叶片10为螺旋状。所述旋流叶片10的直径与旋流区直径的比为1:1.5-2.5。
掺混换热装置7与沼气发酵罐1之间的连接管路的出口延伸至沼气发酵罐1的内部，优选为延伸至沼气发酵罐1的中间位置。所述沼气发酵罐1的设定高度处设置有溢流管。
两种液体之间最佳的换热方式，就是掺混，比任何一种薄壁的传导换热，表面辐射或者对流换热都要高效直接，所以此发明的工作方法是通过回流管道3，回流泵4抽取沼气发酵罐1上层高温沼液回流至掺混换热装置7，与通过进料管道6和进料泵5抽取的沼气低温发酵原料进行掺混换热。当进料泵5停止工作时，回流泵4亦可工作，继续抽取罐内上层高温沼液，对罐内底部污泥区进行加热搅拌。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沼液余热回收、进料预热的系统，其特征在于：包括沼气发酵罐、回流管道、回流泵、进料管道、进料泵和掺混换热装置，其中，
掺混换热装置包括涡流区和旋流区，涡流区和旋流区之间连接有变径管，所述变径管自涡流区至旋流区为突扩管；所述涡流区包括进料管和回流管，进料管与旋流区同轴设置，回流管相对于进料管的轴线倾斜插入进料管中；所述旋流区沿轴向设置有旋流叶片；
回流管道的一端与沼气发酵罐的上端沼液区域连接，回流管道的另一端通过回流泵与掺混换热装置的回流管连接；
进料管道的一端与料液源连接，进料管道的另一端通过进料泵与掺混换热装置的进料管连接；
掺混换热装置的旋流区的出口与沼气发酵罐的底部连通。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述回流管插入进料管的最大距离a与进料管的直径b之间的关系为0＜a≤b/2。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述回流管与进料管之间的夹角为30-90°，进一步优选为35-45°。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：涡流区与旋流区之间的长度比为1:4-7。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：涡流区与旋流区之间的直径比为1:1.5-2.5。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述旋流叶片为螺旋状；
优选的，所述旋流叶片的直径与旋流区直径的比为1:1.5-2.5。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：掺混换热装置与沼气发酵罐之间的连接管路的出口延伸至沼气发酵罐的内部。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述连接管路的出口延伸至沼气发酵罐的中间位置。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述沼气发酵罐的设定高度处设置有溢流管。
10.利用权利要求1-9任一所述系统进行沼液余热回收、进料预热的方法，其特征在于：包括如下步骤：
沼气发酵罐上方的沼液回流至掺混换热装置，与进料相遇产生涡流，进行初步混合换热；然后混合液经减速后流至旋流区进一步混匀，混匀后的混合液流入沼气发酵罐的底部；
回流的沼液与进料的体积比为1-3:1。
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