CN111334422A - 沼气发酵罐伴热增温恒温装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沼气发酵罐伴热增温恒温装置及其使用方法，沼气发酵罐伴热增温恒温装置包括发酵罐，发酵罐上设置有进料管、沼气管和溢流出料管，其特征在于：发酵罐外壁设置有保温层，发酵罐内底部设置有多根加热管，在加热管内嵌入铠装式设置有发热元件，加热管外壁与发酵罐内壁构成厌氧发酵区，加热管内壁与发热元件接触。通过本发明将有效提高发酵罐内的温度均匀程度，增加罐内扰动，使发酵物料混合的更加均匀，从而提高发酵效率。

Description

沼气发酵罐伴热增温恒温装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种维持发酵稳定的电伴热增温恒温装置及其使用方法，属于农村沼气集中供气工程技术领域。

背景技术

农村沼气具有可再生能源生产和环境改善有机的双重功效，中国的乡村聚落形态将逐步正在由分散居住小规模散村向人口聚集的集村方向发展，农民的生产生活方式逐渐从农业社会生活转向城镇化社会生活发展。因此，发展沼气集中供气适应了中国乡村聚落形态发展的需要，更有利于改善农村人居环境，高效开发利用可再生能源。小型沼气工程（约30 m³-300m³），可适应了农村操作运行维护管理低下的现状，低成本、低能源投入处理农业废弃物，提供稳定的清洁能源，使综合效益得到有效的体现。

温度是沼气高效发酵的关键因素。一方面，发酵液温度低于15℃，沼气微生物活性低，造成产气效率极低；另一方面，中国气候差异悬殊、发酵罐外部热工条件不一，造成环境温度差异巨大，同时温度随季节变化较大。因此，采取增温和保温措施已成为沼气工程长年稳定、高效运行的必要条件。

由于我国农村小型沼气工程的维护水平较低，电加热成为了稳定高效生产沼气的首选方案。通常发酵温度设置在23℃-27℃，增温需求通常在冬季，加之，由于电加热的可及性较好，通常选择电源作为优选热元，实现周年沼气的稳定生产。现有电加热装置一般是发热元件直接安装在发酵罐内，如专利《一种具有辅助加热装置的沼气池》（ZL201710318258.X）所示，公开日为，存在诸多不足，第一、换热元件直接固定在发酵罐内，维护管理与可更换性较差；第二、发热元件和发酵液直接接触，容易造成发热元件腐蚀，且随着施用时间增加，发热元件上沉积大量污垢，严重影响发酵效率；第三、电加热元件直接传热给发酵液，容易造成发酵元件周边的甲烷菌因发酵温度过高而失去活性。

因此，亟待发明一种罐外发热后均匀传热给发酵区的厌氧发酵罐电伴热增温恒温装置和方法，以实现在便捷温度、能耗较小、运行成本较低的情况下，达到罐内上、中、下部增温均匀的最优方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种沼气发酵罐伴热增温恒温装置及其使用方法。通过本发明将有效提高发酵罐内的温度均匀程度，增加罐内扰动，使发酵物料混合的更加均匀，从而提高发酵效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种沼气发酵罐伴热增温恒温装置，包括发酵罐，发酵罐上设置有进料管、沼气管和溢流出料管，其特征在于：发酵罐外壁设置有保温层，发酵罐内底部设置有多根加热管，在加热管内嵌入铠装式设置有发热元件，加热管外壁与发酵罐内壁构成厌氧发酵区，加热管内壁与发热元件接触。

所述发热元件固定设置在传热支架上，传热支架中间为圆环，四周为均匀设置的翅肋，发热元件固定在圆环中，每根翅肋端面与加热管内壁接触。

所述保温层外设置有保护层，保护层为橡塑海绵塑料。

所述发热元件为电发热元件，电发热元件通过接电线与外部电源连接。

所述加热管两端贯通发酵罐且与发酵罐体外壁齐平，贯通处密封配合，加热管两端出口处设置有柔性填充材料，接电线一端连接电发热元件，另一端穿过柔性填充材料与外部电源连接。

所述加热管与发酵罐底部之间的距离至少为1m，相邻两加热管之间的间隔相同，且多根加热管位于同一水平面上。

所述加热管为不锈钢圆形管。

一种沼气发酵罐伴热增温恒温装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、沼气发酵物料由进料管进入发酵罐，由于加热管的热能作用，使得新进原料快速增温，并促进与发酵液的混合，发酵完成的剩余物通过溢流出料管流出发酵罐，实现发酵液的动态平衡；

b、发热元件工作方式：根据新物料的量和温度计算升温所需热量，再计算两次进料之间发酵罐的热量损失，根据发酵设定要求，确定加热时间；或者，在发酵罐内增加一个温度探头，用以检测罐体内温度，当罐体内的温度低于设定温度低限时，加热元件开启，当高于高限时，加热元件停止工作。

所述步骤b中，设定温度低限为23℃，高限为27℃。

采用本发明的优点在于：

1、通过对沼气罐中加热管不同排布方式的模拟，结合日常维修频率，可得出不同发酵罐尺寸的最优排布方式。

2、通过铠装结构的设计，较少的实现了电发热元件的快速、便捷更换，同时可以减少发酵元件的体积尺寸，减少发热元件的热滞后性；电发热元件产热通过加热管传递热量到发酵液，大大增加了换热面积，有效的降低了加热管与发酵液的温度差，有效降低了对发酵液菌种的伤害，同时防止发酵液与电发热元件接触，降低发热效率。

3、通过本发明，将有效提高发酵罐内的温度均匀程度，优化罐内扰动，使发酵物料混合的更加均匀，从而提高发酵效率。

因此，本发明克服了现有发酵罐加热装置中热量损耗大、增温管易结垢影响换热效率、增温不合理造成的发酵罐内热聚集等问题，促进发酵罐内的发酵液的有效扰动，罐内上、中、下部温度分布较为均匀且设备不易结垢，减少设备的投入与维修成本，操作维护简单，可靠性高，保证小型发酵装置的长期稳定运行，适应了我国沼气工程的广大需求。

附图说明

图1为本发明纵向剖面结构示意图；

图2为本发明横向剖面结构示意图；

图3为加热管内部结构示意图。

图中标记为：1：进料管；2：电发热元件；3：加热管；4：发酵罐；5：保温层；6：沼气管；7：保护层；8：溢流出料管；9：发酵液；10：柔性填充材料；11：接电线；12：传热支架。

具体实施方式

实施例1

本发明的目的是为了改进现有发酵装置热量损耗大、增温管易结垢影响换热效率等问题，且加热管不与发酵液直接接触的情况下，实现罐外增温，罐内上、中、下部增温均匀的最优排布方式。

该一种厌氧发酵罐电伴热增温恒温装置由发酵罐、电发热元件2、进料管1、加热管3、保温层5等组成。

本发明的原理是：加热管3由导热性好的不锈钢材料构成，内部固定于发酵罐4底部，发酵罐4外设置保温层5，以减少发酵罐4热流散失，保温层5外设置保护层7，避免维护结构破坏；电发热元件2内嵌于加热管3内，通过传热支架12实现与加热管3的连接与传热，传热支架12为活动件，材料为导热性能好的不锈钢，中间为圆环，四周为导热性能好的翅肋，便于更换、维修和拆装，同时避免电发热元件2与发酵液9直接接触产生腐蚀或造成换热效率降低；电发热元件2通过接电线11与外部电源连接，接电线11在进料管1两端通过柔性填充材料10实现与外部空气的绝热。

通过热工计算可以得出发酵罐4的热量散失，得出电发热元件2的发热功率（利用现有的热工计算公式计算发酵罐热散失和新进原料的增温能耗），计算电发热元件2的增温时间；电发热元件2产热一面加热加热管3内的空气再加热加热管3内壁，另一方面通过传热支架12的热传导，将热量传递到加热管3内壁，再通过加热管3把热量传递给发酵液9。由于加热管3与发酵液9的换热面积大大增加，使得发酵液9的温度梯度更小（电发热元件2的直径小，将其嵌于面积较大加热管3内，因此是得加热效果更均匀）；同时，现有电发热元件一般发热温度较高（大于200℃），通过传热支架12加热管3的热分配，较好的实现的均匀热分配，防止造成局部温升过高和杀死发酵菌群，更好的实现小型沼气工程冬季少量、便捷、高效补温的目的，更好的提高了沼气发酵的产能效益。

此外，沼气发酵物料由进料管1进入发酵罐4，由于加热管3的热能作用（均匀热胀冷缩），使得发酵液9的热扰动更为均匀，可更好的促进新进发酵物料与发酵液9的混合，发酵罐4通过溢流出料管8实现发酵罐4内的发酵液9动态平衡，并实现发酵剩余物的排出；电发热元件2的功率选择和开启方式，可根据沼气用能需求设置，计算进料物料量的升温热需求和发酵罐4在两次进料热散失，根据电发热元件2的运行功率，设定电发热元件2的工作时间，从而实现小型沼气工程发酵罐沼气管6的沼气出气量达到设定预期，实现高效、便捷的生产沼气。

通过对加热管不同的排布方式进行模拟，得出效果最优的分布方式，使罐体内部物料有效增温并产生扰动（由于加热器位于罐体下部，下部的发酵物料先被加热，由于物料受热膨胀，因此下部物料的密度大于上部物料的密度，下部物料会向上流动，上部物料会向下流动，因此产生扰动），更能加速物料反应；提高转化效率。

电发热元件2属于易损件，损坏后可直接掏出柔性填充材料10，进行更换，不需要清空发酵罐4再进行整体维护；同时，发酵罐4的发酵温度变化较大时，可以便捷的更换电发热元件2，以增大或降低发热功率，以实现不同热工条件需求；加热管3设计为圆形，有效的防止了发酵液9在物质在外壁沉积，可以较好保持传热效率，满足了农村小型沼气工程管理维护水平较低的长期现状。

实施例2

罐体由直径为5m、高为5m的内部罐体，罐体内部介质为水，罐体壁厚忽略不计，罐体外部厚度为1m的保温层和罐体内部DN50的加热管组成；最佳排布方式为加热管道水平布置于距罐底1m高度上，三根管道的间距为1.25m，管道的加热体积热释放率为4500W/m³。

实施例3

一种厌氧发酵罐伴热增温恒温装置，包括发酵罐4，发酵罐4上设置有进料管1、沼气管6和溢流出料管8，发酵罐4外壁设置有保温层5，发酵罐4内底部增设有多根不锈钢加热管3，再在加热管3内嵌入铠装式发热元件，不锈钢加热管3为圆形管，外壁与发酵罐4内壁构成厌氧发酵区；加热管3内壁与发热元件接触。

所述发热元件固定设置在传热支架12上，传热支架12中间为圆环，四周为均匀设置的翅肋，发热元件固定在圆环中，每根翅肋端面与加热管3内壁接触。

所述保温层5外设置有保护层7，保护层7可以是优先选用增选憎水性能好、便于安装的橡塑海绵塑料，以确保在农村安装水平不佳的情况下，能够具有较好的安装质量。

所述发热元件为电发热元件2，电发热元件2通过接电线11与外部电源连接，电发热元件2产生的热量先传递到加热管3上，再传递到发酵液9中；加热管3两端贯通发酵罐4且与发酵罐体外壁齐平，贯通处密封配合，加热管3两端出口处设置有柔性填充材料10，接电线11一端连接电发热元件2，另一端穿过柔性填充材料10与外部电源连接，实现电发热元件2与外界空气的热对流，提高传热效率。

所述加热管3与发酵罐4底部之间的距离至少为1m，相邻两加热管之间的间隔相同，且多根加热管位于同一水平面上。

所述加热方式为电发热元件在加热管内，实现电加热元件（易损件）的更换简单，同时设计加热管伸入发酵区，以便更好的实现均匀加热，减少发酵区的温度梯度。

一种厌氧发酵罐伴热增温恒温构造及方法，包括如下步骤：

a、沼气发酵物料由进料管进入发酵罐，由于加热管的热能作用，使得新进原料快速增温，并促进与发酵液的混合，发酵完成的剩余物通过溢流出料管流出发酵罐，实现发酵液的动态平衡；

b、发热元件工作方式有两种：第一、根据新物料的量和温度计算升温所需热量，再计算两次进料之间发酵罐的热量损失，根据发酵设定要求，确定加热时间；第二、在发酵罐内增加一个温度探头，用以检测罐体内温度，当罐体内的温度低于设定温度低限（23℃）时，加热元件开启，当高于高限（27℃）时，加热元件停止工作。结合农村维护水平较低的情况，建议采用第一种方案进行发酵罐加热。

Claims (9)

1.一种沼气发酵罐伴热增温恒温装置，包括发酵罐（4），发酵罐（4）上设置有进料管（1）、沼气管（6）和溢流出料管（8），其特征在于：发酵罐（4）外壁设置有保温层（5），发酵罐（4）内底部设置有多根加热管（3），在加热管（3）内嵌入铠装式设置有发热元件，加热管（3）外壁与发酵罐（4）内壁构成厌氧发酵区，加热管（3）内壁与发热元件接触。

2.根据权利要求1所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置，其特征在于：所述发热元件固定设置在传热支架（12）上，传热支架（12）中间为圆环，四周为均匀设置的翅肋，发热元件固定在圆环中，每根翅肋端面与加热管（3）内壁接触。

3.根据权利要求2所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置，其特征在于：所述保温层（5）外设置有保护层（7），保护层（7）为橡塑海绵塑料。

4.根据权利要求3所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置，其特征在于：所述发热元件为电发热元件（2），电发热元件（2）通过接电线（11）与外部电源连接。

5.根据权利要求4所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置，其特征在于：所述加热管（3）两端贯通发酵罐（4）且与发酵罐（4）体外壁齐平，贯通处密封配合，加热管（3）两端出口处设置有柔性填充材料（10），接电线（11）一端连接电发热元件（2），另一端穿过柔性填充材料（10）与外部电源连接。

6.根据权利要求5所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置，其特征在于：所述加热管（3）与发酵罐（4）底部之间的距离至少为1m，相邻两加热管（3）之间的间隔相同，且多根加热管（3）位于同一水平面上。

7.根据权利要求6所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置，其特征在于：所述加热管（3）为不锈钢圆形管。

8.根据权利要求1所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、沼气发酵物料由进料管（1）进入发酵罐（4），由于加热管（3）的热能作用，使得新进原料快速增温，并促进与发酵液（9）的混合，发酵完成的剩余物通过溢流出料管（8）流出发酵罐（4），实现发酵液（9）的动态平衡；

b、发热元件工作方式：根据新物料的量和温度计算升温所需热量，再计算两次进料之间发酵罐（4）的热量损失，根据发酵设定要求，确定加热时间；或者，在发酵罐（4）内增加一个温度探头，用以检测罐体内温度，当罐体内的温度低于设定温度低限时，加热元件开启，当高于高限时，加热元件停止工作。

9.根据权利要求8所述的沼气发酵罐伴热增温恒温装置的使用方法，其特征在于：所述步骤b中，设定温度低限为23℃，高限为27℃。

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