CN202226862U - 自动化沼气发酵罐系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种自动化沼气发酵罐系统，包括发酵罐、温度调节器、搅拌调节器、酸碱度调节器、进出料调节器及控制主机，所述发酵罐具有进料口、出料口及排放沼气的导气口，所述控制主机包括用于通过所述温度调节器控制发酵温度的温度控制模块、用于通过所述搅拌调节器控制搅拌时间和搅拌速率的搅拌控制模块、用于通过酸碱调节器控制发酵物料PH值的PH控制模块及用于通过所述进出料调节器控制发酵物料进出量和进出时间的进出料控制模块。该系统能够实现对发酵物料PH值、发酵温度、搅拌速率和时间及进出料量和时间的自动控制，从而能够实现发酵过程的自动化控制。

Description

自动化沼气发酵罐系统
技术领域
本实用新型是关于一种沼气发酵罐系统。
背景技术
随着中国经济、社会的发展，生活水平和环境保护要求的提高，传统能源的日益枯竭，循环、低碳经济和可持续发展的需要，及国家能源安全的需要，发展可再生能源成为中国的当务之急，而沼气已经成为我国快速增长的可再生能源的重要组成部分。
我国每年产生的大量城市有机垃圾、禽畜养殖场的粪便、生活污水的污泥、工业生产产生的高浓度有机废水、农业生产产生的废弃物，都是沼气发酵的廉价原料，处理这些废弃物并生产沼气能源具有双重的能源、环境效益。沼气在农村经过几十年的发展，很好的解决了农村生活用能问题。但其技术水平低，产业级别不高，为了适应我国能源和环保的需求，沼气应该向集中化、规模化、产业化方向发展，向热电联产、车用燃料、并入天然气管网等方向发展。当前阻碍沼气产业升级的技术瓶颈有沼气发酵工艺技术、微生物菌剂和发酵设备技术水平等。发酵罐作为沼气发酵的核心设备，其技术水平关系到整个沼气产业的技术水平。目前用于沼气发酵的发酵罐，户用型一般是水压式的沼气池，施工简单，运行管理方便，但发酵效率不高，不适合于规模化产业化的大型沼气工程；大型沼气工程则采用混凝土或钢结构，有些也配有搅拌、增温等功能，但整体技术水平低，自动化程度不高，产气率低，进出料和发酵过程各种参数监测费时费力，运行管理复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够实现自动化发酵过程控制的沼气发酵罐系统。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种自动化沼气发酵罐系统，包括发酵罐、温度调节器、搅拌调节器、酸碱度调节器、进出料调节器及控制主机，所述发酵罐具有进料口、出料口及排放沼气的导气口，所述控制主机包括用于通过所述温度调节器控制发酵温度的温度控制模块、用于通过所述搅拌调节器控制搅拌时间和搅拌速率的搅拌控制模块、用于通过酸碱调节器控制发酵物料PH值的PH控制模块及用于通过所述进出料调节器控制发酵物料进出量和进出时间的进出料控制模块，所述温度调节器、搅拌调节器、酸碱度调节器及进出料调节器均设于所述发酵罐并分别与所述温度控制模块、搅拌控制模块、PH控制模块及进出料控制模块信号连接。
进一步的，所述搅拌调节器包括搅拌电机及位于所述发酵罐内部的搅拌桨，所述搅拌电机与所述搅拌桨动力连接，所述搅拌电机与所述搅拌控制模块信号连接。
进一步的，所述酸碱度调节器包括加酸碱泵，所述加酸碱泵通过管路与所述进料口连接，所述发酵罐内部还设有用于实时采集发酵物料PH值的PH电极，所述PH电极与所述PH控制模块信号连接。
进一步的，所述进出料调节器包括进料泵，所述进料泵通过管路与所述进料口连接，所述进料泵与所述进出料控制模块信号连接。
进一步的，所述发酵罐内部还设有用于实时采集发酵温度的温度传感器，所述温度传感器与所述温度控制模块信号连接。
进一步的，所述温度调节器包括保温夹层和用于对待注入所述保温夹层的水进行加热的加热器，所述保温夹层包裹所述发酵罐的外部，所述保温夹层具有进水口和排水口，所述加热器与所述温度控制模块信号连接。
进一步的，所述的自动化沼气发酵罐系统，还包括用于实时检测沼气流量的气体流量计和用于实时检测甲烷气体浓度的甲烷气体在线分析仪，所述控制主机还包括气体流量/成分检测模块，所述气体流量计和甲烷气体在线分析仪均与所述气体流量/成分检测模块信号连接。
进一步的，所述气体流量计为热质量气体流量计，所述甲烷气体在线分析仪为红外线甲烷气体在线分析仪。
进一步的，所述的自动化沼气发酵罐系统，还包括用于实时监测发酵罐内部发酵物料氧化还原电位的氧化还原电位电极，所述控制主机还包括氧化还原电位检测模块，所述氧化还原电位电极与所述氧化还原电位检测模块信号连接。
进一步的，所述发酵罐还具有采样口。
进一步的，所述的自动化沼气发酵罐系统，还包括上位机，所述控制主机还包括通信模块，所述控制主机通过通信模块与所述上位机信号连接。
本实用新型的有益效果是：
1)通过设置酸碱度调节器及PH控制模块，可以实现对发酵物料PH值的自动控制；通过设置温度调节器及温度控制模块，能够实现发酵温度的自动控制；通过设置搅拌调节器和搅拌控制模块，能够实现对搅拌速率和时间的自动控制；通过设置进出料调节器和进出料控制模块，能够实现进出料量和时间的自动控制，从而能够实现发酵过程的自动化控制。
2)通过设置气体流量计可以检测沼气的瞬时流量和累积流量；通过设置甲烷气体在线分析仪，可以实时检测沼气中甲烷的含量，实现对沼气产量和甲烷含量的即时检测。
3)能够实现发酵过程PH值、氧化还原电位、产气量和甲烷含量等参数的在线监测，可随时了解沼气发酵状态，并根据这些参数对进出料量、活性污泥或菌剂添加等发酵条件进行变更调节，提高沼气发酵的可控性，确保发酵反应顺利进行。
4)该自动化程度高，通过上位机可以远距离控制，大大提高操作人员工作环境的舒适性；并减少在实际生产中所需人力，降低生产成本。
5)该系统自动化程度高，控制精确，提高发酵过程的可控性，能有效提高产气效率，操作简单，维护管理方便，减少操作人员数量，减少生产成本。
附图说明
图1是本实施方式自动化沼气发酵罐系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实施方式自动化沼气发酵罐系统包括发酵罐1、搅拌调节器、酸碱度调节器、温度调节器、进出料调节器及控制主机18。发酵罐1是发酵物料厌氧发酵产生沼气的场所，及为各种附属设备安装提供支撑。控制主机18包括搅拌控制模块22、PH控制模块20、温度控制模块21及进出料控制模块19。搅拌调节器、酸碱度调节器、温度调节器及进出料调节器分别是进行搅拌调节、酸碱度调节、温度调节及进出料调节的执行部分，如硬件。搅拌控制模块22、PH控制模块20、温度控制模块21及进出料控制模块19分别是进行搅拌调节、酸碱度调节、温度调节及进出料调节的控制部分，如软件。
搅拌控制模块22通过搅拌调节器控制发酵罐1内部发酵物料的搅拌时间和搅拌速率。PH控制模块20通过酸碱度调节器控制发酵物料的酸碱度(即PH值)。温度控制模块21通过温度调节器控制发酵温度。进出料控制模块19通过进出料调节器控制进出料量和进出料时间。控制主机18还可以包括主控模块，该主控模块与搅拌控制模块、PH控制模块、温度控制模块及进出料控制模块连接并协调、控制各模块。
发酵罐1具有用于供发酵物料送入的进料口5、用于供发酵物料排出的出料口11及用于排放发酵产生的沼气的导气口4，进料口5和导气口4位于发酵罐1的上端，出料口11位于发酵罐1的下端。
搅拌调节器包括用于提供搅拌动力的搅拌电机2及用于使发酵物料混合均匀、加快沼气和发酵物料的分离的搅拌桨3。搅拌电机2与搅拌控制模块22信号连接，搅拌控制模块22可以控制该搅拌电机2的速率及时间，进而控制搅拌速率及搅拌时间。搅拌桨3位于发酵罐1内部并与搅拌电机2动力连接，如搅拌电机2通过密封轴与搅拌桨3连接。
酸碱度调节器包括加酸碱泵6，加酸碱泵6用于在调节发酵物料酸碱度时提供添加酸碱液所需的动力，该加酸碱泵6与PH控制模块20信号连接，通过控制该加酸碱泵实现对发酵物料酸碱度的控制。为了精确实现对酸碱度的控制，发酵罐内部还可以设有用于实时监测发酵物料PH值的PH电极10，该PH电极10与PH控制模块信号连接，相当于形成了对酸碱度的闭环控制。
进出料调节器包括进料泵7，进料泵7用于为发酵物料输送进发酵罐内部提供动力。该进料泵7通过管路连接发酵罐1的进料口5，该进料泵7与进出料控制模块19信号连接，该管路可以设有用于接收进出料控制模块的控制信号的阀门。发酵罐的出料口11也可以设置用于接收进出料控制模块的控制信号的阀门。
温度调节器还包括保温夹层13和加热器，该保温夹层13包裹于发酵罐1外部，该保温夹层具有进水口14和出水口15，加热器用于加热注入保温夹层13的循环水进行加热。通过对保温夹层13注入冷水或热水，实现对发酵温度的控制。加热器与温度控制模块21信号连接。为了实现对发酵温度的精确控制，发酵罐内部还可以设有用于实时监测发酵温度的温度传感器，该温度传感器与温度控制模块21信号连接，相当于形成了发酵温度的闭环控制。该温度传感器如热电偶8。
发酵罐还可以设有采样口12，通过该采样口可以实现对发酵物料样品的采集。
为了实现对沼气产量和甲烷气体浓度的实时监测，自动化沼气发酵罐系统还可以包括气体流量计16和甲烷气体在线分析仪17，该气体流量计16和甲烷气体在线分析仪17均通过导气管连接发酵罐的导气口4。该气体流量计16和甲烷气体在线分析仪17均与气体流量/成分检测模块24信号连接，该气体流量/成分检测模块用于实现对沼气流量和甲烷气体浓度的记录。
为了实现对发酵物料氧化还原电位的实时监测，自动化沼气发酵罐系统还可以包括氧化还原电位电极9，该氧化还原电位电极9位于发酵罐1的内部并与氧化还原电位检测模块23信号连接，该氧化还原电位检测模块23用于对氧化还原电位参数的记录。
自动化发酵沼气罐系统还可以包括上位机25，控制主机18可以包括通信模块，控制主机通过该通信模块与该上位机信号连接。上位机可以实现对各种控制参数的设定及对发酵情况的实时显示，如实时显示发酵温度、PH值等。
自动化沼气发酵罐系统的工作过程如下：
1)开启控制主机和上位机，打开控制软件；
2)关闭所有阀门开关；
3)打开进料口阀门，把发酵物料注入发酵罐内；
4)打开发酵罐加热系统，开启保温夹层循环水进水口和出水口；
5)在酸碱液补料瓶中装注酸溶液和碱溶液；
6)在控制软件上设置发酵条件，设定发酵温度、发酵pH值范围、搅拌时间和速率，设定实验参数自动收集记录和保存，点击“发酵”按钮，开始进行发酵；
7)发酵过程中，需要采集样品时，打开采样口可进行采样，采样完毕关闭采样口阀门；
8)发酵过程中，可设定进料量和出料量、进料时间，实现发酵过程的自动换料；
9)发酵过程中，根据发酵进行情况，可通过软件调整发酵条件和设定发酵参数，对发酵过程进行及时、精确调节。
10)发酵过程结束，调取发酵过程数据，关闭控制软件，关闭上位机，关闭控制主机，关闭所有附属设备和电器设备，停止发酵；
11)清理发酵罐物料并清洗干净，对发酵罐进行维护和保养。
本实施方式自动化沼气发酵罐系统，集温度控制、搅拌、产气量计量、气体成分分析、pH值监测和调节、氧化还原电位监测、进出料、发酵控制系统、发酵过程显示系统等功能单元的自动化、直观化发酵罐，适于小、中、大型发酵罐。该系统能自动控制发酵温度、搅拌速度和时间、在线监测和自动调节pH值、产气量和气体成分自动计量和分析、在线监测氧化还原电位、自动进出料，整个发酵过程实现自动化。产气率高、产气稳定，适于实验室研究用小试实验和养殖场、工业化、规模化生产沼气，且完全自动化的沼气发酵罐。该沼气发酵罐系统适于固体含量高的城市有机垃圾、生活污水污泥、禽畜粪便、高浓度有机废水和农业废弃物为原料的沼气发酵使用。
对于自动化沼气发酵罐系统，发酵罐可以采用连续搅拌槽(CSTR)工艺，发酵罐材料为有机玻璃、不锈钢、钢筋混凝土或金属制罐体；发酵罐容积实验室小试用的为3-10升，大型工程为100-10000立方米。控制主机包含主控模块(如可编程逻辑控制器PLC)、进出料控制模块、搅拌控制模块、温度控制模块、PH控制模块及通信模块，能够对发酵过程进行全自动控制。一个控制主机可以单独控制一个发酵罐也可以同时控制多个发酵罐。气体流量计可以为热质量气体流量计，当然，也可以采用其他能够监测沼气流量的结构体。甲烷气体分析仪可以为红外线甲烷气体在线分析仪，当然，也可以采用其他能够检测甲烷气体浓度的结构体。保温夹层可对发酵罐体温度进行调控，在大型工程中也可以使用热交换器，作为温度控制的变形或替代方式。上位机可以是个人计算机PC。
以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动化沼气发酵罐系统，包括发酵罐，所述发酵罐具有进料口、出料口及排放沼气的导气口，其特征在于：还包括温度调节器、搅拌调节器、酸碱度调节器、进出料调节器及控制主机，所述控制主机包括用于通过所述温度调节器控制发酵温度的温度控制模块、用于通过所述搅拌调节器控制搅拌时间和搅拌速率的搅拌控制模块、用于通过酸碱调节器控制发酵物料PH值的PH控制模块及用于通过所述进出料调节器控制发酵物料进出量和进出时间的进出料控制模块，所述温度调节器、搅拌调节器、酸碱度调节器及进出料调节器均设于所述发酵罐并分别与所述温度控制模块、搅拌控制模块、PH控制模块及进出料控制模块信号连接。
2.如权利要求1所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：所述搅拌调节器包括搅拌电机及位于所述发酵罐内部的搅拌桨，所述搅拌电机与所述搅拌桨动力连接，所述搅拌电机与所述搅拌控制模块信号连接。
3.如权利要求2所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：所述酸碱度调节器包括加酸碱泵，所述加酸碱泵通过管路与所述进料口连接，所述发酵罐内部还设有用于实时采集发酵物料PH值的PH电极，所述PH电极与所述PH控制模块信号连接。
4.如权利要求3所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：所述进出料调节器包括进料泵，所述进料泵通过管路与所述进料口连接，所述进料泵与所述进出料控制模块信号连接。
5.如权利要求4所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：所述发酵罐内部还设有用于实时采集发酵温度的温度传感器，所述温度传感器与所述温度控制模块信号连接。
6.如权利要求5所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：所述温度调节器包括保温夹层和用于对待注入所述保温夹层的水进行加热的加热器，所述保温夹层包裹所述发酵罐的外部，所述保温夹层具有进水口和排水口，所述加热器与所述温度控制模块信号连接。
7.如权利要求1所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：还包括用于实时检测沼气流量的气体流量计和用于实时检测甲烷气体浓度的甲烷气体分析仪，所述控制主机还包括气体流量/成分检测模块，所述气体流量计和甲烷气体分析仪均与所述气体流量/成分检测模块信号连接。
8.如权利要求7所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：所述气体 流量计为热质量气体流量计，所述甲烷气体分析仪为红外线甲烷气体在线分析仪。
9.如权利要求1所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：还包括用于实时监测发酵罐内部发酵物料氧化还原电位的氧化还原电位电极，所述控制主机还包括氧化还原电位检测模块，所述氧化还原电位电极与所述氧化还原电位检测模块信号连接。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的自动化沼气发酵罐系统，其特征在于：还包括上位机，所述控制主机还包括通信模块，所述控制主机通过通信模块与所述上位机信号连接。 
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