CN114623368B - 户用沼气池减少甲烷逃逸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，包括：设置有极限线、警戒线和保障线；户用沼气池产生的沼气先进入湿式气柜储存再进入沼气用户端，当浮罩内储存气量增加时，自动上升；当浮罩内储存气量减少时，自动下降；当极限线位于湿式气柜水面线处时，加速沼气燃烧，使警戒线回落到湿式气柜水面线处；当警戒线位于湿式气柜水面线处时，说明湿式气柜的储气量够沼气1天以上稳定用气；当保障线位于湿式气柜水面线处时，采取提高沼气生产效率的措施。通过本发明将有效提高发酵间内料液的发酵充分性,提高沼气的收集率，降低甲烷逃逸,增加沼气供给的可及性和稳定性，从而更好发挥减排固碳的效益。

Description

户用沼气池减少甲烷逃逸的方法

技术领域

本发明涉及一种户用沼气池减少甲烷(CH₄)逃逸、提高沼气供气稳定性的方法，属于农村户用沼气池设计与运行优化工程技术领域。

背景技术

农村沼气池具有改善农户人居环境和就地生产供给可再生能源的双重功效，截止到2020年，中国已推广户用沼气3900万户，经过多年长期的发展，中国户用沼气池的普及率已经站在了世界前沿，推广规模全球第一，广泛应用于农业农村家庭废弃物处理、清洁燃气供给和温室大棚二氧化肥供给等领域。农户利用生产生活产生的废弃物如人畜离粪便、农作物秸秆、厨余废物等制取沼气用作生活燃料,既改善了生活质量，又节省了一笔燃料费开支。沼气发酵后的沼渣沼液是腐熟了的有机肥，可直接用于农作物施肥，具有提高作物品质和产量的效果。

由于沼气(CH4含量约为55%-65%)生产和使用速率的时间不同步性，造成户用沼气池仍存在大量的生产沼气逃逸，既大大降低了沼气的利用效率，又释放大量CH₄到空气中造成温室气体增加——CH₄的温室气体变暖潜力是是二氧化碳（CO₂）的25倍。另外,户用沼气池内压力波动较大，发酵液随着储气间的储气量增加而流出发酵间，使得户用沼气池的有效发酵容积减少；此外，在水压间产生的沼气也因无法收集而排空。因此,提效利用户用沼气----保持有效发酵容积、增大沼气储存量、避免新鲜物料在水压间发酵、减少沼气逃逸、有效储存与利用生产沼气替代化石能源，可有效遏制农村居民生产生活能源消费的碳排放增长趋势。因此，采取相应措施，减少无效沼气生产、合理储存沼气和足额稳压供给沼气，已成为户用沼气池提质增效、高效发挥固碳减排的必要条件。

我国户用沼气池建设多数按照水压式地下沼气池模式，见《户用沼气池设计规范》GB/T4750-2016，未建分离贮气浮罩沼气池，在沼气收集和供气稳定性方面存在诸多不足，第一、在产气高峰时，储气间容积增加，发酵液由发酵间压到水压间，该部分发酵物料在水压间产生的沼气无法收集直接排放到空气；第二、由于储气间容积有限（多数仅为日用气量的一半）,沼气生产过多时则由水压间逃逸到空气中，无法有效储存因利用不及时的沼气；第三、沼气的供气压力由发酵液面和水压间液面的压差决定,压差则随着储气间沼气量变化，压力范围可能在0-12kpa之间波动，使得沼气供给的稳定性不佳。虽然部分户用沼气池建设有分离贮气浮罩,但主要目的是为了维持供气的稳定，也起到了暂时储存沼气的供能，但有效储存容积多设计为储存半天沼气产气量——其目的为收集夜间储存的沼气供白天施用。因此，该沼气浮罩容积的设计仅以静态产气速率均衡和用气速率恒定为前提，没有充分考虑由于进料不充分或过量造成的日产气量增加或减少，用气过程的间歇性而造成的不均衡用气速率，以及储气容积量化设计以调节储存产气-供气速率不协同的供能。储存之外，原有设计方法也没有考虑CH₄逃逸造成的大量温室气体排放增加的问题。可见，现有沼气浮罩的储气容积精确设计方法缺失，使得产气、储气与用气之间的关系不清,造成沼气生产富裕时的沼气量超过供气量和储气量的和，使得大量户用沼气的CH₄直排量居高不下，造成大量沼气的无效生产和温室气体排放增加。同时，在沼气生产不足时或日用气量增加时，由于沼气浮罩仅能储存设计半天沼气容积，当沼气用气量超过供气量和储气量之和，就会经常性的出现沼气供给不稳定的情况。然后，无限扩大沼气浮罩则会造成沼气浮罩的建造和运行成本增加，造成无效的成本浪费；同时，缺乏户用沼气池有效运行的指示性方案，指导沼气生产富裕情况下的及时销毁、提前判定户用沼气池生产性能的不足，指导采取相应措施提升产气速率。

因此，亟待发明一种减少户用沼气池甲烷逃逸的方法，以实现在投入成本较低、管理简便的情况下，达到发酵效果更好、沼气收集率更高、沼气减排固氮效果更好的目的。

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，提供一种户用沼气池减少甲烷逃逸的方法。通过本发明将有效提高发酵间内料液的发酵充分性,提高沼气的收集率，降低甲烷逃逸,增加沼气供给的可及性和稳定性，从而更好发挥减排固碳的效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于，包括：

a、在湿式气柜的浮罩有效储存容积达到80%-85%储气处设置极限线，在浮罩有效储存容积达到50%储气处设置警戒线，在浮罩有效储存容积达到15%-20%储气处设置保障线；

b、户用沼气池产生的沼气先进入湿式气柜储存再进入沼气用户端，当浮罩内储存气量增加时，自动上升；当浮罩内储存气量减少时，自动下降；

c、当极限线位于湿式气柜水面线处时，加速沼气燃烧，使警戒线回落到湿式气柜水面线处；

d、当警戒线位于湿式气柜水面线处时，说明湿式气柜的储气量够沼气1天以上稳定用气；

e、当保障线位于湿式气柜水面线处时，采取提高沼气生产效率的措施。

所述湿式气柜上设置有湿式气柜进气管和湿式气柜出气管，湿式气柜进气管与户用沼气池的沼气管连接，湿式气柜出气管与沼气用户端连接；浮罩罩在湿式气柜内，浮罩的开口端位于湿式气柜水面线下，开口端设置有配重区，极限线、警戒线和保障线设置在浮罩的外壁上。

所述a中，通过湿式气柜的浮罩稳压，使户用沼气池的发酵间液面维持在固定高度。

所述d中，在当晚用气结束时，警戒线仍位于湿式气柜水面线处时，还需加大沼气的使用，使警戒线低于湿式气柜水面线。

所述方法中，定期在户用沼气池的进料管内插入抽渣管,抽出沼气池底部沉积区污泥,并进行扰动搅拌，提升产气效率。

所述方法中，发酵物料在户用沼气池中主要依靠自推流的作用，逐步完成发酵生产沼气后，再进入水压间储存；避免由于沼气池内发酵间的压力波动而造成的新鲜物料不必要的进入水压间。

所述湿式气柜通过配重区配重,使湿式气柜出气管的沼气压力维持在1800-2000Pa。

所述浮罩的有效储存容积为2-3倍的日平均用气量。

所述湿式气柜内的压力设定低限为1600Pa,高限为2500Pa。

所述e中提高沼气生产效率的措施包括在户用沼气池的进料管内插入抽渣管,对污泥主要沉积区进行扰动；或按照沼气生产计划进行进料；或对户用沼气池增温。

采用本发明的优点在于：

1、通过本发明将有效提高发酵间内料液的发酵充分性,提高沼气的收集率，降低甲烷逃逸,增加沼气供给的可及性和稳定性，从而更好发挥减排固碳的效益。

2、本发明中的湿式气柜具有提升户用沼气池发酵效率的功能，通过湿式气柜的添加,避免储气间由于连续产气、间歇性用气的不同，造成的发酵液液面上下浮动,使得发酵物料伴随发酵液进入水压间发酵,造成沼气的无效生产的问题。

3、本发明中的湿式气柜具有提升沼气收集效率的功能，通过湿式气柜的降压功能,提升发酵间的有效发酵容积，使得发酵物料在发酵间得到充分发酵，并有效收集沼气。

4、通过插入抽渣管,抽出沼气池内最易沉积区域的底部沉渣,并进行精准排除；同时明确在户用沼气池发酵物料较为充分的时候，对进料口进行扰动搅拌,在提高发酵效率的同时,减少新鲜物料向水压间的流动。

5、通过本发明，将有效提高收集沼气储存能力，并稳定供给沼气,从而提高沼气稳定供给效率和农村化石能源的替代效益。

因此，本发明克服了现有户用沼气运行发酵间容积占用大、物料无效扰动沼气的沼气排放高、产供不匹配造成的沼气逃逸概率大、沼气储存不充分造成的供气可及性差等问题,促进发酵间有效发酵,发酵间沼气逃逸减少，产气和供气时间不匹配问题得到有效解决，提高户用沼气的减排固碳效率,提升户用沼气的运行可靠性，保证户用沼气池的长期稳定运行，适应了我国农村清洁能源稳定供给的广大需求。

附图说明

图1为现有户用沼气池结构示意图；

图2为本发明改进后的户用沼气池结构示意图；

图3为户用沼气池清渣提效示意图。

图中标记为：1、发酵间，2、进料管，3、进料间，4、进料间盖板，5、储气间，6、导气管，7、发酵间液面，8、凝水器，9、沼气管，10、水压间液面，11、溢流管，12、水压间，13、人孔，14、湿式气柜进气管，15、湿式气柜出气管，16、湿式气柜，17、浮罩，18、配重区，19、污泥主要沉积区，20、抽渣管，21、极限线，22、警戒线，23、保障线，24、湿式气柜水面线。

具体实施方式

实施例1

一种户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，包括：

a、在湿式气柜16的浮罩17有效储存容积达到80%-85%储气处设置极限线2121，在浮罩17有效储存容积达到50%储气处设置警戒线22，在浮罩17有效储存容积达到15%-20%储气处设置保障线23；

b、户用沼气池产生的沼气先进入湿式气柜16储存再进入沼气用户端，当浮罩17内储存气量增加时，自动上升；当浮罩17内储存气量减少时，自动下降；

c、当极限线21位于湿式气柜水面线24处时，加速沼气燃烧，使警戒线22回落到湿式气柜水面线24处；

d、当警戒线22位于湿式气柜水面线24处时，说明湿式气柜16的储气量够沼气1天以上稳定用气；

e、当保障线23位于湿式气柜水面线24处时，采取提高沼气生产效率的措施。

所述湿式气柜16上设置有湿式气柜进气管14和湿式气柜出气管15，湿式气柜进气管14与户用沼气池的沼气管连接，湿式气柜出气管15与沼气用户端连接；浮罩17罩在湿式气柜16内，浮罩17的开口端位于湿式气柜水面线24下，开口端设置有配重区18，极限线21、警戒线22和保障线23设置在浮罩17的外壁上。

所述a中，通过湿式气柜16的浮罩17稳压，使户用沼气池的发酵间液面7维持在固定高度。

所述d中，在当晚用气结束时，警戒线22仍位于湿式气柜水面线24处时，还需加大沼气的使用，使警戒线22低于湿式气柜水面线24。

所述方法中，定期在户用沼气池的进料管2内插入抽渣管20,抽出沼气池底部沉积区污泥,并进行扰动搅拌，提升产气效率；抽渣管20工作宜在发酵物料接近发酵完成，且浮罩17警戒线22位于湿式气柜水面线24下时进行，确保扰动搅拌不造成沼气逃逸和新鲜物料进入水压间。

所述方法中，发酵物料在户用沼气池中主要依靠自推流的作用，逐步完成发酵生产沼气后，再进入水压间储存；避免由于沼气池内发酵间1的压力波动而造成的新鲜物料不必要的进入水压间。

所述湿式气柜16通过配重区18配重,使湿式气柜出气管15的沼气压力维持在1800-2000Pa。

所述浮罩17的有效储存容积为2-3倍的日平均用气量。

所述湿式气柜16内的压力设定低限为1600Pa,高限为2500Pa。

所述e中提高沼气生产效率的措施包括在户用沼气池的进料管2内插入抽渣管20,对污泥主要沉积区19进行扰动；或按照沼气生产计划进行进料；或对户用沼气池增温。

实施例2

本实施例结合附图对本发明做进一步说明。户用沼气池减少甲烷逃逸的方法目的是为了提高沼气的收集率，使得甲烷逃逸减少，并且还能增加沼气供给的稳定性，从而高效的发挥了固碳减排的效率。

如图1所示，现有户用沼气池配置包括发酵间1、进料间3、储气间5、水压间12、凝水器8，发酵间1一侧设置进料管2，进料间3位于进料管2的进料端，进料间3上设置有进料间盖板4，发酵间液面7上面为储气间5，上面插有导气管6，导气管6通过气管连接到凝水器8，水压间12底部通过人孔13与发酵间1连通，水压间12上设置有溢流管11，沼气的供气压力由发酵间液面7和水压间液面10的压差决定。

如图2所示，本发明增加了湿式气柜16，湿式气柜16上设置有湿式气柜进气管14、湿式气柜出气管15；湿式气柜16通过浮罩17储存沼气，并依靠配重区18来维持沼气管网的压力，户用沼气池的沼气管9通过凝水器8接到湿式气柜进气管14，湿式气柜出气管15再链接沼气用户端；这样户用沼气池里面发酵间1就不会因为浮罩17稳压作用使液面固定高度，减少水压流动，使得沼气经由水压间12逃逸。通过极限线21进行紧急示警，采取必要措施进行沼气利用，避免沼气直接排空；通过警戒线22显示沼气足够，应加大沼气利用，避免沼气过度累积；通过保障线23显示沼气不足，应加大沼气生产，避免出现断供情况。

户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，包括如下：

户用沼气池的沼气管先接入湿式气柜16后在进入沼气用户端,由于浮罩17的稳压作用，使得发酵间液面7始终维持在固定高度,减少发酵间1向水压间流动，造成产生的沼气经由水压间逃逸。

产生的沼气先进入湿式气柜16储存，扩大储存容积、稳压后待用，沼气用气端根据需用使用。

如图3所示，定期通过在进料管2插入抽渣管20,抽出沼气池底部最易沉积区污泥,并进行扰动搅拌,提高沼气池发酵效率。

发酵液在户用沼气池中逐步发酵生产完沼气后，再进入水压间储存,避免由于储气间储气波动，造成未充分发酵物料进入水压间发酵,产生的沼气未进行充分发酵后进入空气中，造成温室气体排放。

在湿式气柜16的浮罩17有效储存容积达到80%-85%储气处设置极限线21，在浮罩17有效储存容积达到50%储气处设置警戒线22，在浮罩17有效储存容积达到15%-20%储气处设置保障线23。

极限线21：湿式气柜16的有效储存容积（2天的日用气量）到达85%时，湿式气柜16的剩余容积即日用气量的30%，而湿式气柜16的储气量已达到日用气量的170%。即使在正常产气情况下（产气量等于用气量的情况下），早、中、晚的时间间隔为6小时，即可能储气空间需求至少应为25%。因此，设计极限线21在有效储存容积80%-85%时，立即燃烧销毁沼气，可有效确保富裕沼气能够及时销毁。

警戒线22：湿式气柜16的有效储存容积（2天的日用气量）到达50%时，湿式气柜16的储气量已达到日用气量的100%，说明产气速率已经明显大于用气速率，可考虑加大沼气的用量，避免富裕的沼气进一步占有湿式气柜16剩余的有效储存容积；即使在晚饭后超过50%，夜间的产气速率也可能保证夜间的产气储气空间，可有效储存晚上无沼气利用情况下的沼气生产量，且安全调控系数为2。

保障线23：湿式气柜16的有效储存容积（2天的日用气量）到达15%-20%时，气柜中储存的沼气量仍可满足日用气量的30%，加之气柜1800 pa到户用沼气前850 pa压力降的沼气供气能力，仍可满足1/3日用气量的需求。早、中、晚的时间间隔为6小时，及时对户用沼气池进行补料、增保温等提升产气速率的措施，亦可实现连续沼气供给的目的。

有机物变成沼气的过程，首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品成为结构简单的化合物；然后在甲烷细菌的作用下，简单的化合物既然被加工生成了甲烷（CH₄）。

通过湿式气柜16的添加，可以避免让储气间5连续产气、间接性用气，会使发酵液在发酵间1上下浮动,使其发酵液到水压间12进行发酵，所以无法收集沼气；同时根据湿式气柜16类似于储气罐的降压设计，从而提升发酵间1的有效发酵容积，使得发酵间1内的发酵物料得到充分的发酵，且能更有效收集沼气；而通过插入抽渣管20，抽出沼气池内的底部沉渣，并进行精准排除，同时对进料口进行扰动搅拌，在提供发酵效率的同时还会相对减少新鲜物料向水压间12的流动；此外本发明将有效提高收集沼气储存能力并共给沼气从而提高替代化石能源稳定共给沼气的效率。

因为本发明解决了现有户用沼气池容积大、物料无效搅动、沼气排放高、沼气逃逸率大等问题，所以提高了沼气减排效率，提升了沼气运行可靠性，保证了沼气池的长期稳定运行，让其发酵效果更好、沼气收集率更高、稳定性更好的目的。

Claims (10)

1.一种户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于，包括：

a、在湿式气柜（16）的浮罩（17）有效储存容积达到80%-85%储气处设置极限线（21），在浮罩（17）有效储存容积达到50%储气处设置警戒线（22），在浮罩（17）有效储存容积达到15%-20%储气处设置保障线（23）；

b、户用沼气池产生的沼气先进入湿式气柜（16）储存再进入沼气用户端，当浮罩（17）内储存气量增加时，自动上升；当浮罩（17）内储存气量减少时，自动下降；

c、当极限线（21）位于湿式气柜水面线（24）处时，加速沼气燃烧，使警戒线（22）回落到湿式气柜水面线（24）处；

d、当警戒线（22）位于湿式气柜水面线（24）处时，说明湿式气柜（16）的储气量够沼气1天以上稳定用气；

e、当保障线（23）位于湿式气柜水面线（24）处时，采取提高沼气生产效率的措施。

2.根据权利要求1所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述湿式气柜（16）上设置有湿式气柜进气管（14）和湿式气柜出气管（15），湿式气柜进气管（14）与户用沼气池的沼气管连接，湿式气柜出气管（15）与沼气用户端连接；浮罩（17）罩在湿式气柜（16）内，浮罩（17）的开口端位于湿式气柜水面线（24）下，开口端设置有配重区（18），极限线（21）、警戒线（22）和保障线（23）设置在浮罩（17）的外壁上。

3.根据权利要求2所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述a中，通过湿式气柜（16）的浮罩（17）稳压，使户用沼气池的发酵间液面（7）维持在固定高度。

4.根据权利要求3所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述d中，在当晚用气结束时，警戒线（22）仍位于湿式气柜水面线（24）处时，还需加大沼气的使用，使警戒线（22）低于湿式气柜水面线（24）。

5.根据权利要求4所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述方法中，定期在户用沼气池的进料管（2）内插入抽渣管（20）,抽出沼气池底部沉积区污泥,并进行扰动搅拌。

6.根据权利要求5所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述方法中，发酵物料在户用沼气池中主要依靠自推流的作用，逐步完成发酵生产沼气后，再进入水压间储存。

7.根据权利要求6所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述湿式气柜（16）通过配重区（18）配重,使湿式气柜出气管（15）的沼气压力维持在1800-2000Pa。

8.根据权利要求7所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述浮罩（17）的有效储存容积为2-3倍的日平均用气量。

9.根据权利要求8所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述湿式气柜（16）内的压力设定低限为1600Pa,高限为2500Pa。

10.根据权利要求9所述的户用沼气池减少甲烷逃逸的方法，其特征在于：所述e中提高沼气生产效率的措施包括在户用沼气池的进料管（2）内插入抽渣管（20）,对污泥主要沉积区（19）进行扰动；或按照沼气生产计划进行进料；或对户用沼气池增温。

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