CN217202698U - 一种用于生物质能循环的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于生物质能循环的系统，包括：沼气发酵室，其设置在种植土层下方；沼气发酵罐，其设置在沼气发酵室内，用于产生沼气和还田肥料；以及加热装置，其用于为沼气发酵罐提供热量。本实用新型的技术方案通过将沼气发酵装置设置在种植土层下方，利用土壤的保温性能减少了沼气发酵过程中能量的散失，从而提升了沼气发酵反应效率。同时节约了土地和燃料资源，进一步降低了生成成本及能耗。另外，通过本实用新型的技术方案，在产出沼气的同时还可以产出可以当作有机肥的还田沼液，并且该还田有机肥可以直接作用与种植土层，一举多得。

Description

一种用于生物质能循环的系统

技术领域

本实用新型一般地涉及环保领域。更具体地，本实用新型涉及一种用于生物质能循环的系统。

背景技术

为了节约成本，针对养殖产业产生的动物粪便、以及清理粪便过程中产生废水等有机物，工作人员通常通过黑膜法工艺对其进行沼气发酵处理，或者通过CSTR(continuousstirred tank reactor，连续搅拌反应器系统)系统对其进行沼气发酵处理。这两种方式均采用平铺式结构，因而无论采用哪种方式，都存在以下特点：占地面积大，土地利用率低。同时由于沼气发酵装置所处的环境的温度对沼气发酵的影响力十分突出，而沼气发酵装置通常放置于空旷地域，其温度变化幅度通常比较大。

如何减少沼气发酵过程所需的占地面积，以及降低沼气发酵装置所处的环境的温度变化的幅度，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

为了至少解决上述问题，本实用新型提出了一种用于生物质能循环的系统，其通过将沼气发酵装置设置在种植土层下方，利用土壤的保温性能减少了能量散失，从而提升了沼气发酵反应的效率。同时节约了土地和燃料资源，进一步降低了生产成本及能耗。另外，本实用新型在产出沼气的同时还产出了可以当作有机肥的还田沼液，并且该还田有机肥可以直接作用与种植土层，一举多得。

在一个方面中，本实用新型提供一种用于生物质能循环的系统，包括：沼气发酵室，其设置在种植土层下方；沼气发酵罐，其设置在沼气发酵室内，用于产生沼气和还田肥料；以及加热装置，其用于为沼气发酵罐提供热量。

在一个实施例中，所述加热装置包括锅炉，所述锅炉连接有为所述沼气发酵罐供热的加热管，所述加热管布置于所述沼气发酵罐内。

在一个实施例中，所述锅炉通过换热器连接所述加热管，所述换热器的热媒管路与锅炉连接，其冷媒管路与所述加热管连接。

在一个实施例中，所述加热装置还包括太阳能集热板，其流体通道与所述锅炉连接。

在一个实施例中，所述换热器的回水管路与所述锅炉以及所述流体通道连接。

在一个实施例中，还包括保温层，其内部填充保温棉，并且布置在沼气发酵室的内侧壁上。

在一个实施例中，还包括封闭棚，其设置在所述种植土层的上方；所述太阳能集热板设置在所述封闭棚内。

在一个实施例中，所述沼气发酵罐设置有多个。

在一个实施例中，所述沼气发酵罐还连接有沼气储存罐和还田肥料储存罐，所述沼气储存罐用于存储沼气，所述还田肥料储存罐用于储存发酵后的沼液。

在一个实施例中，连接所述沼气发酵罐与沼气储存罐之间的管道中设置有正负压送风机，至少用于向所述沼气发酵罐提供正压，以将肥料输送至所述还田肥料储存罐，以及向所述沼气发酵罐提供负压，以将所述沼气发酵罐产生的沼气输送至沼气储存罐。

与现有技术采用平铺式结构不同，本系统采用层叠式结构，将沼气发酵装置设置在种植土层下方，充分利用空间，降低了土地使用量，提高了土地利用率。同时，由于现有技术中的沼气发酵和植物种植分别独立运行，导致其资源利用充分度不高，与其相比，本实用新型在产出沼气的同时还可以产出可以当作有机肥的还田沼液(还田有机肥)，并且该还田有机肥可以直接作用于种植土层，充分利用了资源。另外，现有技术中的沼气发酵装置通常放置于空旷地域，空旷地域的温度变化幅度较大，因此其保温成本高且保温效果不佳，而本实用新型利用土壤的天然保温特性提高了对沼气发酵装置的保温效果。

另一方面，本实用新型还通过保温层增加了整个系统的结构强度和保温性能，降低了系统的热损耗，增加了系统的反应效率。进一步地，本实用新型还充分利用了太阳能资源，

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本实用新型实施例的沼气发酵室的结构图；以及

图2是示出根据本实用新型实施例的用于生物质能循环的系统的结构图。

具体实施方式

现在将参考附图描述实施例。应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应或类似的元件。另外，本申请阐述了许多具体细节以便提供对本文所述实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免模糊本文描述的实施例。而且，该描述不应被视为限制本文描述的实施例的范围。

下面将结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。

图1是示出根据本实用新型实施例的沼气发酵室3的结构图。如图1 所示，本实用新型提供一种用于生物质能循环的系统，包括：沼气发酵室 3和设置在沼气发酵室3内的沼气发酵装置。其中沼气发酵室3设置在种植土层1下方。在一个实施例中，该沼气发酵室3可以为设置在地下2米处的地下空间，即其顶部为2米厚的种植土层1。该沼气发酵室3的内侧壁(包括底部)上固定有200mm厚的保温层2(例如保温棉或者内部填充有保温棉的保温板)，若其所在的位置有地热能，则无需在底部做保温层2，以便于地热能进入该沼气发酵室3，促进沼气的发酵。同时该保温层2兼做该沼气发酵室3的支撑梁，用以支撑并加固该地下空间，增加了该地下空间的结构强度。另外，四周的土壤具有保温性能，降低了该系统的热损耗，增加了沼气发酵装置的发酵效率，解决了能量散失的问题。另外，现有技术中普遍将沼气发酵装置放在室外，因此通常导致设备(尤其是黑膜)被紫外线照射而老化。而本系统放置在地下，减少了设备被太阳直射造成的紫外线老化现象，延长了系统的使用寿命。进一步地，现有技术中普遍将沼气发酵装置放在室外，其阴影将遮挡附近的植物，导致难以在该装置附近开展种植活动，而且美观度不足。本系统可以在增加土地使用率的同时还不遮挡农作物，不影响农作物产量。

以上结合图1对本实用新型的沼气发酵室的结构进行了示例性介绍，本领域技术人员应该理解的是，图1中所示的沼气发酵室的结构是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据需要对其进行调整。图2是示出根据本实用新型实施例的用于生物质能循环的系统100的结构图。以下结合图2对本实用新型实施例的用于生物质能循环的系统100的结构进行示例性描述。

上述沼气发酵装置包括沼气发酵罐11，该沼气发酵罐11用于容纳养殖产业产生的动物粪便、废水等有机物，并使上述有机物在其内部进行发酵，来产生沼气和还田肥料。在一个实施例中，该沼气发酵装置还包括沼气储存罐9，沼气储存罐9通过沼气管道与沼气发酵罐11连接，用于储存沼气发酵罐11输出的沼气。同时，为了充分利用地下空间，并且为了提高产生沼气的效率，上述沼气发酵装置可以包括多个沼气发酵罐11(例如两个)，两个沼气发酵罐11均经沼气管道和沼气阀门15连接沼气储存罐9。

在发酵过程中，为了使物料得到充分的发酵，需要对物料进行搅拌。由于沼气发酵罐11内的物料通常存在搅拌不均匀的问题，从而导致发酵效率不高。因此，在一个实施例中，可以将两个沼气发酵罐11同时通过正负压送风机10(可实现双向送风的风机)与沼气储存罐9连接。然后通过利用发酵进度的时间差，使得两个沼气发酵罐11内的气压不同。接着，将前期反应早的沼气发酵罐11产生的沼气通过正负压送风机10输送至反应晚的沼气发酵罐11，气体进入沼气发酵罐11后，将使沼气发酵罐11内的物料翻腾，从而使物料充分混合，进而增加了物料的发酵速度，最终降低了搅拌成本。在发酵的后期，将反应剧烈的沼气发酵罐11将通过正负压送风机10给反应不剧烈的沼气发酵罐11通沼气，以搅拌其物料，降低其搅拌成本，同时增加其发酵速度。因此，在必要时可以通过正负压送风机10为沼气发酵罐11循环送气，以解决沼气发酵罐11内物料搅拌不均匀问题。

在一个实施例中，上述沼气发酵装置还包括还田肥料储存罐12，其与沼气发酵罐11连接。在沼气发酵的后期，依然可以利用气压差，通过气体把沼气发酵罐11内发酵过的固体和液体(简称粗沼液)推送输出至还田肥料储存罐12中，用作施肥资源储备。因此该系统还解决了种植肥料的问题，减少了化肥和化石能源的使用。同时，该系统产生的沼气还可以作为生活燃料使用，一定程度上解决了能源紧张问题，并且减少了碳排放。

为了使沼气发酵更加充分，在一个实施例中，该系统增加了暂存调节罐 13和碱液罐14。其中暂存调节罐13用于储存发酵前的有机物(发酵原液)，并且通过碱液罐14向暂存调节罐13注入碱液，来调节有机物的PH值，使有机物保持在最佳发酵环境下。暂存调节罐13与沼气发酵罐11连接，以便将调节过PH值的发酵原液输出至沼气发酵罐11。同时，碱液罐14还经阀门与每个沼气发酵罐11连接，以便于适时适量地向沼气发酵罐11注入碱液，使沼气发酵罐11内的发酵物同样始终保持在最佳反应环境下，因而增加了沼气发酵的速率。因为每个沼气发酵罐11与沼气储存罐9之间均可以经沼气阀门15和沼气管道与沼气储存罐9连接。所以，可以通过调整沼气阀门15的开关状态，再通过正负压送风机10和多个沼气发酵罐11内生成的沼气产生的气压实现压力相互作用(通过正负压送风机10把沼气通入气压低得沼气发酵罐，用气泡来使得发酵反应物混合均匀)。在发酵反应完毕后，利用不同沼气发酵罐11内的气压差将液体(粗沼液)吸入或推出，同时将粗沼液用气体挤压至还田肥料储存罐12。因而，本系统可以节约能耗，同时解决系统反应速率低以及土地资源紧缺的问题。

沼气发酵的最佳温度为35℃，为了使沼气发酵罐11内的温度保持在最佳温度。在一个实施例中，上述沼气发酵罐11内布置有用于加热发酵物的加热管(例如盘管加热器)，同时该系统还可以包括加热装置，用于为沼气发酵罐11提供热量。在一个实施场景中，该加热装置包括太阳能集热板4，太阳能集热板4的流体通道与上述加热管连接，以便将太阳能集热板4内流体的热量转移至沼气发酵罐11内的发酵物，从而加热发酵物。在一个实施例中，该系统还可以包括换热器，换热器的热媒管路与太阳能集热板4的流体通道连接，其冷媒管路与所述加热管连接。其中热媒管路用于流经高温液体，冷媒管路用于流经低温液体。热媒管路与冷媒管路交互后，高温液体将被冷却，低温液体将被加热。需要强调的是，此处高温和低温是相对的，即高温液体和低温液体二者中，温度较高的一方叫高温液体，温度较低的一方叫低温液体。通过该换热器将太阳能集热板4 内流体的热量转移至加热管，加热管再将热量转移至发酵物。如上设置后，太阳光照在太阳能集热板4上，太阳能集热板4内部循环液体可以通过循环泵16与换热器8进行热交换，换热器8与沼气发酵罐11进行热交换，以向沼气发酵罐11输送热量，从而保证沼气发酵罐11恒温35℃左右(最佳反应温度)。若无光照则关闭该循环，防止沼气发酵罐11内的热量被交换至太阳能集热板4，进而造成能量散失。因此，本系统充分发挥可利用的太阳能，进一步节约了能源。

由于上述太阳能集热板4的使用受天气限制，在夜晚或阴雨天，单纯靠自然光将无法产生热量。因此，为了使沼气发酵罐11内的温度保持在最佳温度，在一个应用场景中，上述加热装置还可以包括锅炉7，通过沼气发酵罐产生的沼气给锅炉7加热，锅炉7同样与上述换热器的热媒管路连接，通过热交换给沼气发酵罐11加热，保证沼气发酵罐11的温度在35℃左右。锅炉7可以包括两路水管，其中一路为热媒水管，另一路为冷媒水管。其中热媒水管的输入端与太阳能集热板4的流体通道连接，用于承接太阳能集热板4输出的热流体；承接的热流体可以不经锅炉7加热，直接输送至热媒水管的输出端，也可以经锅炉7加热后输送至热媒水管的输出端。热媒水管的输出端可以通过循环泵16与换热器8的热媒管路连接，用于为沼气发酵罐11提供热量，也可以直接连接加热管。冷媒水管的输入端经阀门连接换热器8的热媒管路的输出端(输出降温后的热媒，即换热器的回水管)。同时，换热器8的热媒管路的输出端还经阀门和循环泵16与太阳能集热板4 的流体通道的输入端连接，以将待加热的流体输入太阳能集热板4。

在一个实施例中，该系统还包括封闭棚6(例如透明的塑料薄膜种植大棚)，其设置在种植土层1上方，并且与种植土层1之间形成一腔室。保证了棚内的温度和水分的逸散减少，使得资源充分利用。在实际应用中，上述太阳能集热板4设置在所述腔室内，由于大棚是透明的，因而在保证太阳能集热板4集热的同时，还可防止太阳能集热板4的老化。当种植土层 1上种植的农作物5需要热量的时候，亦可以通过锅炉7加热液体，通过热交换将热量传递给太阳能集热板4。因为太阳能集热板4设置在大棚内，所以热量将散发至大棚内，从而给农作物供暖，最终保证农作物的产量。该系统课将可再生能源转换为热能，同时经过该系统产生的生物质能供人类持续、循环使用，并且绿色健康无污染，十分有利于环保。

为了便于控制该系统的运行，该系统还包括控制器，控制器可以是单片机。同时还包括各种传感器，以采集沼气发酵罐11、暂存调节罐13、碱液罐14、管道等装置的温度、湿度、导电度、PH、压力、流速、流量、液位等信息你，以及该系统的电力装置的电流、电压等信息。控制器对上述各种传感器反馈的信息进行统一运算处理，以实现全智能化控制。另外，该系统的动力部分(例如正负压送风机10、循环泵16等)采用市电或者沼气发电、市电备用的方案，电机采用变频器控制，使得电机可调可控，保证系统稳定性和可靠性。

在实际应用中，本系统采用地下开挖开发的方式建设沼气发酵室3，地下部分建设完毕后，将上述沼气发酵罐11、暂存调节罐13、碱液罐14 等装置布置在沼气发酵室3内，然后制作沼气发酵室3顶层。沼气发酵室 3的顶层采用钢筋混凝土结构或支撑板结构，以支撑沼气发酵室3上方的厚度为2m的种植土层1。接着在沼气发酵室3室内的侧壁进行保温层2安装。最后在沼气发酵室3上方回填2m厚的种植土层1。对种植土层1 进行平整后，接着安装20丝塑料薄膜大棚和集热器，然后通过管道将上述各个设备进行连接。

本实用新型采用层叠式结构，通过地下密封厌氧发酵，地上采光热循环和种植的方法实现了对空间的充分利用，同时降低了土地使用量，增加了土地利用率，一定程度上解决了土地资源不足的问题。另外，本系统不仅可以产出沼气、有机肥、还田沼液，还可以提高农作物的产量，对资源做到了高效利用。同时，本系统充分发挥太阳能的作用，更加环保。本系统的设备大多放置在地下，减少了设备被太阳直射造成的紫外线老化现象，增加了系统的使用寿命，减少零部件更换的频率，节约了运营成本和设备采购成本。因为，设备生产的背后都是能量和社会资源转移，所以本系统也间接减少了化石能源或社会资源的浪费。进一步地，本系统可以再不占地，不遮挡，不减少农作物产量的基础上同时还解决了种植大棚的供暖不足、水资源缺乏的问题，增加了种植收成，节约了水资源。本系统产生的沼气可以用于发电、作为锅炉7的燃料，同时转换可再生能源为生物质，能供人类持续、循环使用，并且绿色健康无污染。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。虽然本说明书已经示出了本实用新型的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (10)

1.一种用于生物质能循环的系统，其特征在于，包括：

沼气发酵室，其设置在种植土层下方；

沼气发酵罐，其设置在沼气发酵室内，用于产生沼气和还田肥料；以及

加热装置，其用于为沼气发酵罐提供热量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热装置包括锅炉，所述锅炉连接有为所述沼气发酵罐供热的加热管，所述加热管布置于所述沼气发酵罐内。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述锅炉通过换热器连接所述加热管，所述换热器的热媒管路与锅炉连接，其冷媒管路与所述加热管连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述加热装置还包括太阳能集热板，其流体通道与所述锅炉连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述换热器的回水管路与所述锅炉以及所述流体通道连接。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括保温层，其内部填充保温棉，并且布置在沼气发酵室的内侧壁上。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括封闭棚，其设置在所述种植土层的上方；所述太阳能集热板设置在所述封闭棚内。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述沼气发酵罐设置有多个。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述沼气发酵罐还连接有沼气储存罐和还田肥料储存罐，所述沼气储存罐用于存储沼气，所述还田肥料储存罐用于储存发酵后的沼液。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，连接所述沼气发酵罐与沼气储存罐之间的管道中设置有正负压送风机，至少用于向所述沼气发酵罐提供正压，以将肥料输送至所述还田肥料储存罐，以及向所述沼气发酵罐提供负压，以将所述沼气发酵罐产生的沼气输送至沼气储存罐。

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