一种沼气发酵在线监控系统的制作方法

本发明属于环境工程、自动控制和有机废弃物资源化处理领域，具体是一种沼气发酵在线监控系统。

背景技术：

据统计，目前全球每天产生近30亿吨的固体废弃物。我国城市生活垃圾的年产生量达1.5亿吨，而且还以每年10%左右的速度递增。另外，全国城市生活垃圾历年堆存量已达60多亿吨,侵占土地面积超过5亿m²。全国已有200多个城市被生活垃圾堆所包围，这还不包含农村的生活垃圾。城市生活垃圾中50~60%的厨余垃圾可以通过厌氧发酵转化成沼气和有机肥，实现资源化利用。

沼气发酵涉及到自动控制系统，尤其像在文化程度较低的农村，设备的自动化程度越高，越方便当地管理员进行操作。根据实践检测，沼气池中甲烷浓度达到40%-50%时才具备燃烧条件。因此，需要对甲烷浓度进行监测和控制。

经检索，专利CN102872689A “基于红外差分光谱法沼气检测与提纯控制系统”注重于沼气的提纯控制，且成本高，占地面积大，不适用农村的规模化发酵。专利CN103451096A “一种在线式沼气发酵过程数据采集与处理系统”注重于发酵过程中沼气中各成分的含量监测，以对发酵工艺及发酵过程进行改进，是一种改进发酵工艺的方法和系统，而不是能够适用于农村沼气发酵的监测仪器。专利CN103525698A “一种沼气发酵过程的调控系统”，侧重于通过监测和观察发酵过程，目的是在提高有机负荷的同时减少过度酸化，达到提高产气的功能，方法中需要定时取发酵液检测，设备昂贵对操作员要求高，不适用于农村沼气发酵。同时这三项专利未对所用的传感器进行校正，仪器长久运行，因各种因素影响都可能使仪器测量结果产生偏差。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种设有经验函数的沼气发酵在线监控系统，该系统集成了光学、传感器技术、数据采集技术和单片机等技术，全量程检测甲烷气体浓度，并显示于显示屏。

实现本发明目的的技术方案是：

一种沼气发酵在线监控系统，主要包括沼气发酵罐、气压传感器、红外甲烷传感器、单片机和显示屏；

在沼气发酵罐上设置气压传感器和两个沼气出口，第一出口连接主气路管道，主气路管道分为两个支气路管道，第一主支气路管道连接尾气处理装置，第二主支气路管道连接沼气净化装置，还设有纯净沼气储气罐与沼气净化装置通过管道连接，在尾气处理装置前设置第一阀门，在沼气净化装置前设置第二阀门；

第二出口连接检测气路管道，检测气路管道上依次连接除湿装置和红外甲烷传感器，设有取样气泵与红外甲烷传感器通过管道连接，在除湿装置前设置第三阀门；

红外甲烷传感器还与校正气路管道连接，在校正气路管道上设置第四阀门，甲烷标气通过校正气路管道进入校正气路；

单片机与显示屏电连接，单片机的主控制器内设定有使用地发酵经验函数，还包括数据分析

软件，主控制器电连接PLC控制器，PLC控制器分别电连接气压传感器、除湿装置，红外甲烷传感器，尾气处理装置，沼气净化装置以及纯净沼气集气罐，并控制各装置工作；

沼气发酵罐产生的沼气分别导入主气路管道和检测气路管道，经单片机在线监控，当甲烷

浓度达到设定值40%-50%，开启第二阀门进入沼气净化装置洗气后，并储存于纯净沼气集气罐；当甲烷浓度不在设定值范围，开启第一阀门直接进入尾气处理装置分解排放。

所述使用地发酵经验函数，是在使用地对有机固体废弃物进行发酵实验，将采集的数据（或根据以往经验确定数据）通过数学建模得出特定的发酵过程经验函数，并设定到单片机内，形成甲烷监测控制系统数据分析软件的一部分。

所述主气路管道的管径大，沼气流量大，第一主支气路为尾气处理气路，第二主支气路为净化和集气气路。

所述检测气路管道的管径比主气路管道的管径小，沼气流量小。

所述气压传感器、除湿装置，红外甲烷传感器，尾气处理装置，沼气净化装置以及纯净沼气集气罐均为现有技术。

所述沼气发酵在线监控系统的监控方法，包括如下步骤：

（1）当沼气发酵罐上的气压传感器检测到罐中的气压高于1个大气压，管理员开启单片机的主控制器，第三阀门保持常开状态，红外甲烷传感器开始检测甲烷浓度，并利用设定在主控制器内的使用地发酵经验函数和数据分析软件进行分析；

（2）当红外甲烷传感器检测出甲烷浓度达到设定值40%-50%时，打开第二阀门，将甲烷气体经过沼气净化装置洗气后，收集纯净沼气储存于纯净沼气集气罐；若甲烷浓度不在设定值40%-50%时，则关闭第二阀门，打开第一阀门，直接进入尾气处理装置分解排放，如此循环；

（3）管理员定期对红外甲烷传感器进行校正减少其测量误差，校正时，通过PLC控制器关闭第三阀门，打开第四阀门，将甲烷标气输入校正气路，同时输入甲烷标气的浓度，待检测完毕，通过显示屏输出测得的甲烷浓度，并与甲烷标气浓度进行拟合校正；PLC控制器控制红外甲烷传感器在每个取样日的三个时间段自动开启检测，并算出平均值作为当日甲烷的浓度值，显示屏显示出甲烷浓度的变化曲线；所得数据通过串口将所得数据发送到单片机利用数据分析软件将数据可视化处理，供主控室工作人员进行实地或远程监测；

（4）在线监测控系统将适时甲烷浓度检测值与设定在主控制器内的使用地发酵经验函数数值作比较，当连续发生实测值低于设定的经验函数数值时，判断差值是否在可接受范围内,若不可接受，则发出警报提醒管理员及时对发酵过程进行分析并做出工艺调整；当实测值大于等于设定的经验函数数值，系统则预测出未来甲烷浓度值，从而调整和修正沼气发酵工艺的参数。

本方法沼气发酵在线监控系统：采用红外甲烷传感器校正气路，可定期校正红外甲烷传感器，减少其因长时间使用而造成的测量误差。根据沼气中甲烷的浓度对发酵过程产生的沼气进行收集，减少洗气成本，降低净化工艺环节的成本。根据使用地的具体情况和发酵经验数据，设定适合于使用地的发酵经验函数，与正在进行的发酵过程监测结果相比对，对整个发酵过程进行报警与预测，使管理员可及时对发酵过程做出调整，以减少发酵周期，增加发酵效益。本系统成本低，注重地域特点，适用于城市，尤其是广大农村的有机废弃物规模化沼气设施的在线监测和集气控制。

附图说明

图1为本发明沼气发酵在线监控系统的结构示意图；

图2为本发明沼气发酵在线监控系统的电连接示意图。

图中，1.沼气发酵罐 1-1.第一出口 1-2.第二出口 1-3.气压传感器 2.除湿装置 3.沼气净化装置 4.纯净沼气储气罐 5.尾气处理装置 6.红外甲烷传感器 7. 取样气泵 8.甲烷标气 9-1.第一阀门 9-2.第二阀门 9-3.第二阀门 9-4.第四阀门 10.单片机 11.显示屏 12.PLC控制器 A.主气路管道 A1.第一主支气路管道 A2.第二主支气路管道 B.检测气路管道 C.校正气路管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

参照图1-2，一种沼气发酵在线监控系统，主要包括沼气发酵罐1、气压传感器1-3红外甲烷传感器6单片机10和显示屏11；

在沼气发酵罐1上设置气压传感器1-3和两个沼气出口，第一出口1-1连接主气路管道A，主气路管道A分为两个支气路管道，第一主支气路管道A1连接尾气处理装置5，第二主支气路管道A2连接沼气净化装置3，还设有净化沼气储气罐4与沼气净化装置3通过管道连接，在尾气处理装置5前设置第一阀门9-1，在沼气净化装置3前设置第二阀门9-2；

第二出口1-2连接检测气路管道B，检测气路管道B上依次连接除湿装置2和红外甲烷传感器6，设有取样气泵7与红外甲烷传感器6通过管道连接，在除湿装置2前设置第三阀门9-3；

红外甲烷传感器6还与校正气路管道C连接，在校正气路管道C上设置第四阀门9-4，甲烷标气8通过校正气路管道C进入校正气路；

单片机10与显示屏11电连接，单片机10的主控制器内设定有使用地发酵经验函数，还包括数据分析软件，主控制器电连接PLC控制器12，PLC控制器12分别电连接气压传感器1-3、除湿装置2，红外甲烷传感器6，尾气处理装置5，沼气净化装置3以及纯净沼气集气罐4，并控制各装置工作；

沼气发酵罐1产生的沼气分别导入主气路管道A和接检测气路管道B，经单片机10在线监控，当甲烷浓度达到设定值40%-50%，开启第二阀门9-2进入沼气净化装置3洗气后，并储存于纯净沼气集气罐4；当甲烷浓度不在设定值范围，开启第一阀门9-1直接进入尾气处理装置5分解排放。

所述主气路管道A的管径大，沼气流量大，第一主支气路A1为尾气处理气路，第二主支气路A2为净化和集气气路。

所述检测气路管道B的管径比主气路管道A的管径小，沼气流量小。

所述气压传感器1-3、除湿装置2，红外甲烷传感器6，尾气处理装置5，沼气净化装置3以及纯净沼气集气罐4均为现有技术。

所述沼气发酵在线监控系统的监控方法，包括如下步骤：

（1）当沼气发酵罐1上的气压传感器1-3检测到罐中的气压高于1个大气压，管理员开启单片机10的主控制器，第三阀门9-3保持常开状态，红外甲烷传感器6开始检测甲烷浓度，并利用设定在主控制器内的使用地发酵经验函数和数据分析软件进行分析；

（2）当红外甲烷传感器6检测出甲烷浓度达到设定值40%-50%时，打开第二阀门9-2，将甲烷气体经过沼气净化装置3洗气后，收集纯净沼气储存于纯净沼气集气罐4；若甲烷浓度不在设定值40%-50%时，则关闭第二阀门9-2，打开第一阀门9-1，直接进入尾气处理装置5分解排放，如此循环；

（3）管理员定期对红外甲烷传感器6进行校正减少其测量误差，校正时，通过PLC控制器12关闭第三阀门9-3，打开第四阀门9-4，将甲烷标气输入校正气路管道C，同时输入甲烷标气的浓度，待检测完毕，通过显示屏11输出测得的甲烷浓度，并与甲烷标气浓度进行拟合校正；PLC控制器12控制红外甲烷传感器6在每个取样日的三个时间段自动开启检测，并算出平均值作为当日甲烷的浓度值，显示屏11显示出甲烷浓度的变化曲线；所得数据通过串口将所得数据发送到单片机10利用数据分析软件将数据可视化处理，供主控室工作人员进行实地或远程监测；

（4）在线监测控系统将适时甲烷浓度检测值与设定在主控制器内的使用地发酵经验函数数值作比较，当连续发生实测值低于设定的经验函数数值时，判断差值是否在可接受范围内,若不可接受，则发出警报提醒管理员及时对发酵过程进行分析并做出工艺调整；当实测值大于等于设定的经验函数数值，系统则预测出未来甲烷浓度值，从而调整和修正沼气发酵工艺的参数。