CN202350388U

CN202350388U - 一种用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统

Info

Publication number: CN202350388U
Application number: CN2011204148334U
Authority: CN
Inventors: 石惠娴; 朱洪光; 黄超; 张迪; 尚昱霖; 熊飞龙; 裴晓梅
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-10-27

Abstract

本实用新型涉及一种用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统，所述热泵加温系统由余热回收环路、太阳能低位热源环路、热泵加热环路和太阳能蓄热环路组成，其中：余热回收环路由余热回收盘管、第一电磁阀、第二电磁阀、循环泵、热泵机组蒸发器和第三止回阀组成，太阳能低位热源环路由全玻璃真空管集热器、第一电磁阀、热泵机组蒸发器、第三止回阀、第三电磁阀和太阳能循环泵组成，热泵加热环路由热泵机组冷凝器、加热循环泵、发酵池加热盘管和第二止回阀组成，太阳能蓄热环路由全玻璃真空管集热器、第二电磁阀、余热回收盘管、第三电磁阀和太阳能循环泵组成。本实用新型积极开发利用可再生能源，在不增加系统设备初投资和运行能耗的基础上，提高系统总产气量。

Description

一种用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统

技术领域

本实用新型属于环境与可再生能源领域，具体涉及一种用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统。

背景技术

近年来，大中型集约式养殖场不断增多，排放大量的蓄禽粪便与污水，如四川省2010年畜禽养殖粪便排放量达到5~6亿吨，对环境造成巨大的压力；同时我国生物质资源丰富，能源紧缺。沼气生产不仅能够解决环境污染问题，同时可以提供清洁、绿色能源—沼气。

研究表明，沼气发酵对温度要求严格，在适宜的温度范围内才能达到较高的产气率，温度过高、高低都会导致产气率降低，且对发酵池内日温度波动要求不大于3℃。沼气发酵温度可以分为常温发酵（10-26℃）、中温发酵(28-38℃)和高温发酵(46-60℃)三个阶段。目前，大多户式沼气池采用常温发酵，大中型沼气工程常配置加温设施采用中温（35℃）发酵。

沼气池全年热负荷极不平衡，夏季进料温度高，环境耗散热量少，所需负荷极少，甚至不需要加热；冬季外界气温低，进料温度也较低，冬季所需热负荷是过渡季节的2～3陪；同时，伴随着进出料排出一部分具有较高热量沼液（大概温度35℃），目前这部分热量主要耗散在大气中，很少人提出对其回收利用。

中国关于沼气池主要加温提高产气方法专利如下：

中国实用新型专利“池底加温沼气池”（申请号200920028698.2；授权公开号 CN 201427962Y）, 设计了一种在沼气池底部设置加热盘管、加热排管内设置电加热管并配有加热装置和温度控制器的加温方式，同时沼气池侧壁配有保温设施，使池内达到设计温度，可应用于北方寒冷地区。

中国发明专利“寒冷地区增保温叁层模式沼气池”（申请号200810082870.4；授权公开号CN 101570727A）设计了一种内层梯形褶皱表明、中层利用太阳能（其他能源）对循环水加温、外层配有保温隔热层可以实现自动恒温控制高效产沼气的软体沼气池。

中国发明专利“三级恒温沼气生产系统”（申请号200810150031.X；授权公开号CN 101348765A ）设计了一种充分利用厌氧发酵在37℃和53℃附近存在产气高峰的特点，将高温、中温、常温恒温三个厌氧发酵集于一体，保证了三级厌氧发酵顺利进行的同时，实现了热水能量的梯级利用。该专利解决了沼气池温度波动大、产气率低和加热能耗大的问题。

中国发明专利“一种利用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统和控制方法”（申请号201010276572.4；授权公开号CN 101974420 A）设计了一种利用空气和土壤作为低位热源的热泵系统制取热水来加热沼气池，实现沼气池恒温。为大中型养殖场沼气工程提供了一种节能、环保的加温方式。

上述专利从不同的方面提出了沼气池恒温的加热系统和装置，然而没有一种将厌氧发酵工艺原理、冬夏季热负荷特点、沼液余热回收与可再生能源利用综合考虑提出一种有效的加温系统或装置。实际工程也往往是在确定了发酵工艺的基础上，再确定相应的加温装置和系统。

实用新型内容

本实用新型根据厌氧发酵工艺流程、沼气负荷特点和沼气加温系统研究进展，把发酵工艺的设计和加温系统的选择充分结合起来，提出了一种用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统。

本实用新型提出的用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统，其特征在于所述热泵加温设备由余热回收环路、太阳能低位热源环路、热泵加热环路和太阳能蓄热环路组成，其中：

余热回收环路由余热回收盘管17、第一电磁阀24、第二电磁阀25、循环泵20、热泵机组蒸发器16和第三止回阀29组成，余热回收盘管17的出水口依次经过第二电磁阀25、第一电磁阀24和循环水泵20以及管道连接热泵机组蒸发器16一侧进水口，热泵机组蒸发器16一侧出水口经过第三止回阀29和管道连接余热回收盘管17，如此循环形成余热回收利用环路；

太阳能低位热源环路由全玻璃真空管集热器18、第一电磁阀24、热泵机组蒸发器16、第三止回阀29、第三电磁阀26和太阳能循环泵21组成，真空管太阳能集热器18的出水口依次通过第一电磁阀24、循环水泵20和管道连接热泵机组蒸发器16一侧进水口、热泵机组蒸发器16一侧出水口经过第三止回阀29、第三电磁阀26和太阳能循环泵21连接真空管太阳能集热器18的进水口，构成太阳能低位热源环路；

热泵加热环路由热泵机组冷凝器15、加热循环泵19、发酵池加热盘管13和第二止回阀28组成，热泵机组冷凝器15的出水口经过第二止回阀28和管道连接发酵池加热盘管13的进水口，发酵池加热盘管13的出水口经过加热循环泵19连接热泵机组冷凝器15的进水口，如此循环构成热泵加温发酵池环路；

太阳能蓄热环路由全玻璃真空管集热器18、第二电磁阀25、余热回收盘管17、第三电磁阀26和太阳能循环泵21组成，全玻璃真空管集热器的出水口18依次通过第二电磁阀25、余热回收盘管17、第三电磁阀26、太阳能循环泵21和管道连接全玻璃真空管集热器18的进水口。

本实用新型中，在热泵机组14加热侧循环泵19和低位热源侧循环泵20前分别设置第一定压罐22和第二定压罐23，第一定压罐22和第二定压罐23前装有止回阀。

三种运行模式的组成和控制方法如下：

余热回收式热泵加温系统由上述的余热回收环路和热泵加温环路组成。当第一温度传感器31测得值T1<35℃，第二温度传感器32测得值T2≥15℃时，采用余热回收式热泵加温模式；打开第一电磁阀24、第二电磁阀25、循环泵19和循环泵20，开启热泵机组，关闭第三电磁阀26和太阳能循环泵21。当T1≥35℃或者T2<15℃，停止余热回收式热泵运行模式，关闭相应的设备和阀门。

太阳能热泵加温系统由太阳能低位热源环路和热泵加温环路组成。当第一温度传感器31测得值T1<35℃，第二温度传感器32测得值T2<15℃，第三温度传感器33测得值T3>T2时，采用太阳能热泵加温模式；打开第一电磁阀24、第三电磁阀26、循环泵19、循环泵20和太阳能循环泵21，开启热泵机组，关闭第二电磁阀25。当T1≥35℃或者T3<15℃时，停止太阳能热泵加温模式，关闭相应的设备和阀门。

太阳能蓄热系统即太阳能蓄热环路，当第一温度传感器31测得值T1≥35℃，第三温度传感器33测得值T3和第二温度传感器32测得值T2满足T3-T2≥5℃时，采用太阳能蓄热模式。打开太阳能循环泵21、第二电磁阀25和第三电磁阀26，关闭热泵机组及其他阀门与设备。当T1<35℃或者T3-T2<5℃时，停止太阳能蓄热模式。

本实用新型中，复合式热泵加温系统需要对热泵机组14和太阳能集热器18的面积进行优化，保证二级发酵池3内的温度波动不大于3℃。

本实用新型的优点：1）提出一种新型的二级厌氧发酵系统，把恒温中温发酵和常温发酵结合起来，和常规单级发酵相比，在不增加系统设备初投资和运行能耗的基础上，提高系统总的产气量；2）提出了利用太阳能和沼液余热作为低位热源的复合式热泵加温系统，充分贯彻节能理念，积极开发利用可再生能源，有效节约系统的运行能耗；3）系统不需要燃料，不会对大气和水体造成污染，经济环保。

附图说明

图1为二级厌氧发酵系统流程图。

图2为本实用新型结构图示。

图中标号：1为混料池，2为一级发酵池，3集二级发酵池、沉淀池和太阳能蓄热池功能于一体，4为进料泵，5为进料斗，6为一级发酵池溢流管， 7为二级发酵池溢流管，8为集气管，9、10分别为第一闸阀和第二闸阀，11、12分别为第一蝶阀和第二蝶阀，13为发酵池加热盘管，14为热泵机组，15为热泵机组冷凝器，16为热泵机组蒸发器，17为余热回收盘管，18为全玻璃真空管集热器，19、20、21分别为加热循环泵、热源侧循环泵和太阳能循环泵，22、23分别为第一定压罐和第二定压罐，24、25、26分别为第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，27、28、29、30分别为第一止回阀、第二止回阀、第三止回阀、第四止回阀，31、32、33分别为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对本实用新型的具体实施方式作进一步描述：

实施例1：本实施例发酵工艺主要包括一级发酵池、二级发酵池和混料池。一级发酵池为圆柱形，效容积15m³，内部尺寸为(直径×高度)2.76m×2.52m，池壁和池底为厚5mm的碳钢，在池底采用厚度为50mm的PE保温板，在池壁采用厚度为50mm的挤塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）保温隔热材料。发酵池顶部覆盖专用沼气顶膜保温，覆盖面为7m²。二级发酵池为体积为2m³的圆柱形容器，外形和保温配置类似一级发酵池，内部尺寸为(直径×高度) 1.41m×1.22m。混料池是体积为1.5m³，内部尺寸为1m×1m×1.5m

沿一级发酵池内壁和池底铺设加温盘管换热器，加温盘管采用直径20×2.0的PERT管材，分三组，盘管总长120m，盘管间距150mm。为了加快料液热传递，改善加温效果，在发酵池上下部分别安装了搅拌装置。在发酵池一侧壁中间距池底高0.5m处安装一台搅拌机，在发酵池另一侧距顶0.7m处安装一台搅拌机。搅拌机的参数是：额定功率1.1kw，额定工作频率是50Hz，转速1400r/min。二级发酵池中部安装直径25×2.0的PERT管60m, 换热温差10℃时换热量约为5kW。

本实施例采用2个模块串联组成采光面积约为8m²太阳能集热装置，每个太阳能集热器模块由型号直径58×2000（外径×长度）全玻璃太阳能真空管30根组成。收集的热量蓄存在太阳能蓄热水箱即二级发酵池中。所选的热泵机组为水-水式热泵机组型号MSRL024WH(L)C，额定制热量6.9kW，额定制热输入功率为1.9kW，制冷剂为R22，最高出水温度可以达到50℃。

如图1所示，二级厌氧发酵工艺主要由混料池1、一级发酵池2、二级发酵池3以及相依的泵、阀门管道组成。其中混料池1收集养殖场的粪便和污水搅拌均匀后经过进料泵4打到进料斗5中，通过进料管送到一级全混式发酵池2中，经过消化后分三路离开发酵池，第一路是通过顶部的集气管道7把沼气送到沼气净化和储存装置，第二路是沼液通过溢流管道6排到二级厌氧发酵池3等后续处理装置，第三路是打开底部排污管道上的闸阀和蝶阀，排出多余的污泥和沼渣，进行沼肥加工。二级厌氧发酵池3类似一级发酵池，不同之处在于二级发酵池采用常规消化器，内部没有搅拌装置，进料为一级厌氧发酵池1的溢流液，出来的沼液进入缓存池或者农田。

上述的二级厌氧发酵池3兼具沉淀池的作用；在加温系统中，把余热回收盘管7放入二级厌氧发酵池3中，其具有余热回收池的作用。

本实施例一级发酵池2采用全混式恒温发酵，设计温度35℃；距池底0.5m和池顶0.7m处分别安装额定功率1.1kW、额定工作频率是50Hz、转速1400r/min的搅拌机。二级发酵池3集沉淀池和余热回收池等功能于一体，采用常温发酵，运行温度范围在15-28℃，夏季甚至可以达到中温发酵的温度条件，且优化后的加温系统保证二级发酵池3内每小时温度变化不大于3℃。

本实施例复合式热泵加温系统主要由一级发酵池1、二级发酵池3、发酵池加热盘管13、热泵机组14、余热回收盘管17、全玻璃真空管集热器18、加热循环泵19、热源侧循环泵20、太阳能循环泵21、第一定压罐22、第二定压罐23、阀门和数字式温度传感器组成。可以分为四个环路，实现余热回收式热泵加温系统、太阳能热泵加温系统和太阳能蓄热系统三种运行模式。

四个环路分别为余热回收环路、太阳能低位热源环路、热泵加热环路和太阳能蓄热环路，各个环路的主要设备和工作流程如下：

余热回收环路主要包括余热回收盘管17、第一电磁阀24、第二电磁阀25、循环泵20、热泵机组蒸发器16和第三止回阀29。工作流程：热源侧低温热水经过余热回收盘管17升温后，经过第一电磁阀24、第二电磁阀25和循环水泵20加压后进入热泵机组蒸发器16侧，把热量传给制冷剂而本身温度降低，低温经过第三止回阀29进入余热回收盘管17吸收热量，如此循环构成余热回收利用环路。

太阳能低位热源环路由全玻璃真空管集热器18、第一电磁阀24、热泵机组蒸发器16、第三止回阀29、第三电磁阀26和太阳能循环泵21组成。水流方向依次为：真空管太阳能集热器18→第一电磁阀24→循环水泵20→热泵机组蒸发器16→第三止回阀2→第三电磁阀26→全玻璃真空管集热器18，如此循环构成太阳能低位热源环路。

热泵加热环路由热泵机组冷凝器15、加热循环泵19、发酵池加热盘管13和第二止回阀28组成，工作流程：热泵机组把余热盘管17回收的热量以及热泵压缩机耗电量通过热泵机组冷凝器15转移到冷却水中，高温冷却水经过第二止回阀28进入到发酵池加热盘管13中加热料液，降温后的热水经过加热循环泵19进入到热泵机组冷凝器15，如此循环构成热泵加温发酵池环路。

太阳能蓄热环路由全玻璃真空管集热器18、第二电磁阀25、余热回收盘管17、第三电磁阀26、太阳能循环泵21组成，水流方向依次是：全玻璃真空管集热器18→第二电磁阀25→余热回收盘管17→第三电磁阀26→太阳能循环泵21→全玻璃真空管集热器18。

上述余热回收环路和热泵加温环路可以组成余热回收式热泵加温系统。当第一温度传感器31测得值T1<35℃，第二温度传感器32测得值T2≥15℃时，开启余热回收式热泵加温模式；打开第一电磁阀24、第二电磁阀25、循环泵19和循环泵20，开启热泵机组，关闭第三电磁阀26和太阳能循环泵21。当T1≥35℃或者T2<15℃，停止余热回收式热泵运行模式，关闭相应的设备和阀门。

上述太阳能低位热源环路和热泵加温环路组成太阳能热泵加温系统。当第一温度传感器31测得值T1<35℃，第二温度传感器32测得值T2<15℃，第三温度传感器33测得值T3>T2时，开启太阳能热泵加温模式；打开第一电磁阀24、第三电磁阀26、循环泵19、循环泵20和太阳能循环泵21，开启热泵机组，关闭第二电磁阀25。当T1≥35℃或者T3<15℃时，停止太阳能热泵加温模式，关闭相应的设备和阀门。

上述的太阳能蓄热环路，即太阳能蓄热模式。当第一温度传感器31测得值T1≥35℃，第三温度传感器33测得值T3和第二温度传感器32测得值T2满足T3-T2≥5℃时，采用太阳能蓄热模式。打开太阳能循环泵21、第二电磁阀25和第三电磁阀26，关闭热泵机组及其他阀门与设备。当T1<35℃或者T3-T2<5℃时，停止太阳能蓄热模式。

本实施例复合式热泵加温系统在热泵机组14加热侧循环泵19和低位热源侧循环泵20前分别设置第一定压罐22和第二定压罐23，定压罐前装有止回阀27和止回阀30。

本实施例的研究表明：本实用新型提出的复合式加温系统能够保证一级厌氧发酵池温度35±2℃，维持二级发酵池温度大于15℃，保证全年正常连续产气，相对于单独的一级厌氧发酵池年产气量增加大于10%。

Claims

1.一种用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统，其特征在于所述热泵加温设备由余热回收环路、太阳能低位热源环路、热泵加热环路和太阳能蓄热环路组成，其中：

余热回收环路由余热回收盘管（17）、第一电磁阀（24）、第二电磁阀（25）、循环泵（20）、热泵机组蒸发器(16)和第三止回阀（29）组成，余热回收盘管（17）的出水口依次经过第二电磁阀（25）、第一电磁阀（24）和循环水泵（20）以及管道连接热泵机组蒸发器（16）一侧进水口，热泵机组蒸发器（16）一侧出水口经过第三止回阀（29）和管道连接余热回收盘管（17），如此循环形成余热回收利用环路；

太阳能低位热源环路由全玻璃真空管集热器（18）、第一电磁阀（24）、热泵机组蒸发器（16）、第三止回阀（29）、第三电磁阀（26）和太阳能循环泵（21）组成，真空管太阳能集热器（18）的出水口依次通过第一电磁阀（24）、循环水泵（20）和管道连接热泵机组蒸发器（16）一侧进水口、热泵机组蒸发器（16）一侧出水口经过第三止回阀（29）、第三电磁阀（26）和太阳能循环泵（21）连接真空管太阳能集热器（18）的进水口，构成太阳能低位热源环路；

热泵加热环路由热泵机组冷凝器（15）、加热循环泵(19)、发酵池加热盘管(13)和第二止回阀(28)组成，热泵机组冷凝器(15)的出水口经过第二止回阀(28)和管道连接发酵池加热盘管(13)的进水口，发酵池加热盘管(13)的出水口经过加热循环泵(19)连接热泵机组冷凝器(15)的进水口，如此循环构成热泵加温发酵池环路；

太阳能蓄热环路由全玻璃真空管集热器(18)、第二电磁阀(25)、余热回收盘管(17)、第三电磁阀(26)和太阳能循环泵(21)组成，全玻璃真空管集热器的出水口(18)依次通过第二电磁阀(25)、余热回收盘管(17)、第三电磁阀(26)、太阳能循环泵(21)和管道连接全玻璃真空管集热器(18)的进水口。

2.根据权利要求1所述的用于二级厌氧发酵工艺中的复合低位热源热泵加温系统，其特征在于在热泵机组（14）加热侧循环泵（19）和低位热源侧循环泵（20）前分别设置第一定压罐（22）和第二定压罐（23），第一定压罐（22）和第二定压罐（23）前分别装有止回阀。