生物能源保温供热的沼气厌氧发酵罐系统及使用方法与流程

本发明涉及一种生物能源保温供热的沼气厌氧发酵罐系统及使用方法，属于沼气发酵保温领域。

背景技术：

能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果，资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。

我国的沼气资源相当富裕，而沼气的利用是一项惠国惠民的举措，未来有很大的发展前景。利用沼气满足村镇住宅采暖需求首先可以解决我国村镇的能源短缺现状；其次能够有效减少化石能源的利用和冬季采暖污染物排放；再次，将闲置的农作物秸秆和禽畜粪便利用起来，有助于构建整洁的村容，同时提高农民生活质量，是很有潜力的可再生能源建筑应用新技术。沼气产量的多少主要受到沼液温度、ph值和料液浓度的影响，而温度受到室外环境的影响最大。由于发酵菌的活性值与温度呈正比例关系，沼气产生速率与发酵菌活性也呈现正相关。一般说来，在一定的范围之内，温度的高低决定了沼气的产量，温度越高，发酵菌活性越强，原料分解的速率加快，沼气产量自然提高。但是，如此情况下，发酵的周期便会相应变短，对原料的需求量会增加。北方寒冷季节，冬季沼气池内温度大多处于10℃以下，属于常温发酵，不利于沼气菌活性，厌氧作用不能顺利进行，产气量非常小，无法满足农村的采暖需求。根据研究得出：短时间内，温度升降5℃，沼气产气速率明显降低，变化范围过大，甚至停止产气，同时，温度的高低和浮动的大小还会影响甲烷含量。因此，如何有效的使沼液发酵温度维持在高产量区间，并且使其温度波动在1℃/d，对于沼气能否用于冬季采暖是决定性因素。

沼气工程中增温保温措施最为常用的沼气锅炉、太阳能和沼气发电余热。沼气发电余热的投资最低，费用年值也是最低的，无论从经济性，还是技术性和适应性上，都明显由于其它两种。现阶段大中型沼气工程优先选择沼气发电余热的加热方式。采用太阳能加热沼气池，沼液的平均温度能维持在20℃以上，特别是冬季，升温效果十分显著，同时，沼液的温度变化幅度也不大，发酵菌的活性较高，产气量也比较稳定。但是，太阳能加热的间歇性决定了需要采用电辅助加热的方式保持持续的热量供应。除此之外，也可采用地源热泵系统对沼气池进行了加热。采用热泵系统的加热方式，经济性和节能性比较好，在一定的条件下，其应用前景广阔。

农村小型沼气池通常采用料暖棚增温、“猪-炕-沼”增温、燃池加热保温等。料暖棚增温是将塑料暖棚建在沼气池上面，借助于温室大棚的采光吸热并且能有效保持热量的散失，能够为沼气池创造高于外界温度的土壤和空气温度。该方法在太阳辐射较强的地区效果比较明显，在寒冷的冬季，沼液温度依然能够维持在10℃左右因此，增温效果较好。但是不适合在北纬40°以外的地区推广。“猪-炕-沼”增温是将北方地区的户用炕灶与沼气池统一建设，炕灶加热过程中会有部分热量以高温烟气的形式排放到环境中，导致热量的流失。可以将炕灶烟囱进行改造，使其与沼气池实现连接，利用高温烟气为沼液提供热量，一般来说，该方式可以有效的提高沼液温度，但是沼液温度不均匀，加热效果和加热效率均比较低，沼气池的体积也会受到炕的限制，需要和炕整体设计。因此，对于大中型沼气池不适用。燃池加热保温采用直接加热沼气池，在其四周地下挖建一定体积的燃烧池，然后加入燃料，借助产生的热量加热沼气池，同时，燃烧中可以密封隔绝，减少热量的损失。由于该燃烧是在地下进行的，燃烧过程为有氧和无氧。投入燃料后，因为空气的流动性差，燃烧速度慢，效率也不高，一次填料燃烧很长时间，基本上不需要人工管理。此种方式不受地区和季节的限制，但是会因为燃烧产生环境污染，故一般仅用于小型户用沼气池。

技术实现要素：

为了降低沼气发酵罐保温成本及减少热能消耗的问题，本发明提供了一种生物能源保温供热的沼气厌氧发酵罐系统，该系统不仅可以有效降低沼气发酵罐热量损失及供热，还可回收有机肥；该设备投资低，流程工艺简单、易操作、保温效果好、无污染物排放、技术成熟、安全、可大幅降低沼气保温供热运行成本，可附带产生经济效益。

本生物能源保温供热的沼气厌氧发酵罐系统包括有机肥发酵仓、一个以上的厌氧发酵罐、蓄热罐、太阳能集热器、换热器，有机肥发酵仓套装在厌氧发酵罐外，有机肥发酵仓顶部开有进料口，有机肥发酵仓底部开有出料口，厌氧发酵罐内设置有热循环盘管，热循环盘管上端通过供热进水管连通至蓄热罐上部，热循环盘管下端通过供热出水管连通至蓄热罐下部，供热进水管上设置有循环水泵、阀门，供热出水管上设置有阀门；供氧风机通过管道与有机肥发酵仓底部连通且管道上设置有通气阀；蓄热罐通过增压泵、阀门与太阳能集热器连接，太阳能集热器通过给水泵与换热器连接，换热器通过供热泵与蓄热罐连接，一个以上的厌氧发酵罐通过沼气发电机与换热器连接，蓄热罐通过联通阀与换热器连接。

所述有机肥发酵仓、厌氧发酵罐内设置有温度传感器。

本发明采用生物能源和辅助供热系统对沼气厌氧发酵罐提供保温所需热量并维持温度恒定，生物能源指的是通过微生物有氧发酵产生的热量；微生物好氧发酵主要原料为各类农作物秸秆如玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆等；微生物发酵菌剂主要为市购的含有纤维素降解菌、木质素降解菌的各类复合有机肥发酵菌剂。

本发明另一目的是提供上述装置的使用方法，将发酵原料从进料口加入有机肥发酵仓中，关闭进料口和出料口进行好氧发酵，供氧风机通过通气阀向有机肥发酵仓内通入空气保证好氧发酵正常进行，经过发酵后的产物通过出料口回收制成有机肥；利用好氧发酵产生的热量为厌氧发酵罐供热保温，厌氧发酵罐产生的沼气通过沼气发电机发电，发电过程中产生的高温烟气用于换热器，当有机肥发酵仓产热量不足且厌氧发酵罐内温度低于正常发酵温度时，打开供热进水管上循环水泵和阀门，蓄热罐中热水通过供热进水管进入热循环盘管中为厌氧发酵供热，热循环盘管出水通过供热出水管流回蓄热罐中，蓄热罐内热量来源于太阳能集热器和换热器，在有日照情况下，增压泵将低温供热回水送至太阳能集热器加热，然后经过给水泵送至换热器经沼气发电产生的高温烟气继续加热升温，供热泵将升温后的热水送至蓄热罐储存；无日照时，关闭太阳能集热器上阀门，打开联通阀，低温供热回水经给水泵直接经换热器加热升温，供热泵将升温后的热水送至蓄热罐储存。

例如，秋季，将农作物秸秆粉碎成末，每吨秸秆粉末掺杂有机肥发酵菌剂5~10g，秸秆粉末含水量保持10~15%，从有机肥发酵仓进料口将粉末注入有机肥发酵仓，然后将有机肥发酵仓出料门和进料口关闭；缓慢通入空气，使内部微生物进行有氧发酵，通过调节空气量控制发酵仓内部发酵速度，防止发酵速度过快导致发酵秸秆损耗过快。当发酵仓内余料不足，当发酵仓内产热量不足时，启动辅助供热系统，用辅助供热系统维持发酵罐内温度维持稳定，打开有机肥发酵仓出料口取出部分有机肥并从上部进料口加注秸秆粉末；满仓秸秆粉末可维持发酵50~60天。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用微生物有氧发酵产热，并采用辅助供热系统进行精确控温，以维持沼气厌氧发酵罐内温度维持稳定，该方法用热量少，运行成本较低；

2、本发明采用农作物秸秆作为微生物有氧发酵原料，秸秆有氧发酵不会产生恶臭气体，且不会产生污染物，发酵后的剩余物即可作为有机肥回收也可加入沼气厌氧发酵罐进行二次发酵，使农作物资源进行了有效利用；

3、本发明由于在厌氧发酵罐外设置有机肥发酵仓，在仓内有机质粉末满仓时导热系数较小，散热效果极差，且由于有氧发酵时产生热量较多，可使厌氧发酵罐温度维持在30℃以上，在采用辅助供热时用热量较少，可有效避免在极寒天气及北方地区普通沼气发电机组余热供热量无法维持沼气发酵温度的问题；该方法可在‘三北’地区进行使用。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图中：1-有机肥发酵仓；2-供热进水管；3-供热出水管；4-厌氧发酵罐；5-蓄热罐；6-循环水泵；7-增压泵；8-太阳能集热器；9-给水泵；10-换热器；11-供热泵；12-热循环盘管；13-供氧风机；14-进料口；15-出料口；16-联通阀；17-通气阀；18-沼气发电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是实施例中的一部分。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术工人在没有创造性发明的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1所示，本生物能源保温供热的沼气厌氧发酵罐系统包括有机肥发酵仓1、2个厌氧发酵罐4、蓄热罐5、太阳能集热器8、换热器10、沼气发电机18，有机肥发酵仓1套装在厌氧发酵罐4外，有机肥发酵仓1顶部开有进料口14，有机肥发酵仓1底部开有出料口15，厌氧发酵罐4内设置有热循环盘管12，热循环盘管12上端通过供热进水管2连通至蓄热罐5上部，热循环盘管12下端通过供热出水管3连通至蓄热罐5下部，供热进水管2上设置有循环水泵6、阀门，供热出水管3上设置有阀门；供氧风机13通过管道与有机肥发酵仓1底部连通且管道上设置有通气阀17；蓄热罐5通过增压泵7、阀门与太阳能集热器8连接，太阳能集热器8通过给水泵9与换热器10连接，换热器10通过供热泵11与蓄热罐5连接，2个厌氧发酵罐4通过沼气发电机18与换热器10连接，蓄热罐5通过联通阀16与换热器10连接；有机肥发酵仓1、厌氧发酵罐4内设置有温度传感器。

将玉米秸秆粉碎，每吨玉米秸秆粉末掺杂有机肥发酵菌剂5g，秸秆粉末含水量保持10%；从有机肥发酵仓1的进料口14将秸秆粉末注入有机肥发酵仓1中，然后将发酵仓出料口15和进料口14关闭；供氧风机13通过通气阀17向有机肥发酵仓1内缓慢通入空气，使内部微生物进行有氧发酵，并以保障好氧纤维素菌等发酵菌正常发酵产热，通过调节空气量控制发酵仓内部发酵速度，防止发酵速度过快导致发酵秸秆损耗过快；当有机肥发酵仓内余料不足，有机肥发酵仓内产热量不足时，打开出料口15取出部分有机肥并从上部进料口14加注秸秆粉末；厌氧发酵罐4内置温度传感器，用于检测厌氧发酵罐内温度，当温度低于35℃时，蓄热罐5中热水通过供热进水管2进入热循环盘管12中为厌氧发酵供热，维持厌氧发酵罐内温度稳定。热循环盘管12出水通过供热出水管3流回蓄热罐中，蓄热罐5内热量来源于太阳能集热器8和换热器10；在有日照情况下，增压泵7将低温供热回水送至太阳能集热器8加热，然后经过给水泵9送至换热器10经沼气发电产生的高温烟气继续加热升温，供热泵11将升温后的热水送至蓄热罐5储存；无日照时，关闭太阳能集热器上阀门，打开联通阀16，低温供热回水经给水泵9直接经换热器10加热升温，供热泵11将升温后的热水送至蓄热罐5储存。

厌氧发酵罐和有机肥发酵仓容积按照体积比1:1进行建造，1000m³有机肥发酵仓储存70吨秸秆粉末（不含水），在吉林省地区冬季可发酵60天左右。有氧发酵结束后剩余有机肥约为35吨左右（不含水），秸秆消耗率在50%左右；发酵过程最高温度为70℃，维持时间为15天左右。

实施例2：本实施例生物能源保温供热的沼气厌氧发酵罐系统结构同实施例1，本实施例以水稻秸秆为原料，本装置使用方法同实施例1；将水稻秸秆粉碎，每吨水稻秸秆粉末掺杂有机肥发酵菌剂10g，秸秆粉末含水量保持15%；从有机肥发酵仓1的进料口14将秸秆粉末注入有机肥发酵仓1中，然后将发酵仓出料口15和进料口14关闭；供氧风机13通过通气阀17向有机肥发酵仓1内缓慢通入空气，使内部微生物进行有氧发酵，并以保障好氧纤维素菌等发酵菌正常发酵产热，通过调节空气量控制发酵仓内部发酵速度，防止发酵速度过快导致发酵秸秆损耗过快；当有机肥发酵仓内余料不足，有机肥发酵仓内产热量不足时，打开出料口15取出部分有机肥并从上部进料口14加注秸秆粉末；厌氧发酵罐4内置温度传感器，用于检测厌氧发酵罐内温度，当温度低于35℃时，蓄热罐5中热水通过供热进水管2进入热循环盘管12中为厌氧发酵供热，维持发酵罐内温度稳定。热循环盘管12出水通过供热出水管3流回蓄热罐中，蓄热罐5内热量来源于太阳能集热器8和换热器10；在有日照情况下，增压泵7将低温供热回水送至太阳能集热器8加热，然后经过给水泵9送至换热器10经沼气发电产生的高温烟气继续加热升温，供热泵11将升温后的热水送至蓄热罐5储存；无日照时，关闭太阳能集热器上阀门，打开联通阀16，低温供热回水经给水泵9直接经换热器10加热升温，供热泵11将升温后的热水送至蓄热罐5储存。

厌氧发酵罐和有机肥发酵仓容积按照1:1进行建造，1000m³有机肥发酵仓储存73吨秸秆粉末（不含水），在吉林省地区冬季可发酵65天左右。有氧发酵结束后剩余有机肥约为37吨左右（不含水），秸秆消耗率在50.6%左右；发酵过程最高温度为73℃，维持时间为16天左右。