一种全自动甲烷潜力测试系统的制作方法

本实用新型属于生物质能技术领域，具体涉及一种全自动甲烷潜力测试系统，适用于评价各类生物质物料在微生物厌氧发酵作用下产生甲烷的潜力。

背景技术：

人类社会的发展与进步离不开能源，目前起主流作用的化石能源正面临日益枯竭的境地，其它类型的能源或多或少也存在一定的难题。比如核能存在较高的安全风险，太阳能存在利用率和普及率不高的问题，风能、水能和地热能存在地域限制问题。

生物质能是一类很有应用价值的能源，作为一种来源广泛的能源，人们可以通过对各种生物质物料进行处理从而获得能源。其中，通过微生物厌氧发酵产甲烷是一种主流的方式。用来发酵产甲烷的物料来源广泛，比如农业秸秆、餐厨垃圾、禽畜粪便、有机废水等。这些物料自身利用价值较低，有些还会污染环境。通过生物发酵的方式既可以获取能源，又可以减轻环境污染，可谓一举两得。

由于用于生物发酵的物料来源广泛，性质不同，即便是同一大类物料也有很多细分，比如农业秸秆分为小麦、水稻、玉米等，禽畜粪便也可以分为猪粪、鸡粪等。再加上生物发酵条件如温度、pH值、碳氮比、营养物、进样方式等都会对发酵效率有很大的影响。因此，人们通常在大型项目工程之前需要对各类物料在不同条件下的发酵产甲烷情况做大批量小试，也就是需要了解物料的产甲烷潜力。物料产甲烷潜力是指单位有机物料在厌氧条件下发酵产生甲烷气体的数量。

目前，生物质能研究与应用做得比较好的是欧洲国家如丹麦、德国等，即便如此，物料产甲烷潜力的基础数据还是比较缺乏的。因此，急需大量的小试实验获取各类数据，从而建立大数据库，对了解沼气发酵的效率及其过程稳定性、沼气工程的规模及工艺设计、生产优化策略及沼气工程收益评估等都具有重要的意义。

生物产甲烷潜力测试根据不同需求，实验周期短则三五天，长则一两个月，且每批次测试平行样较多。现今大多数研究者采用人工操作的方式，定期如每天通过排水法计量一次产生甲烷的体积数据，工作量繁琐，且存在一定的计量误差。此外，自行设计的反应瓶气密性有时候存在一定的问题，并且很难做到机械搅拌。这些现实问题，严重降低了生物质产甲烷潜力的研究进度。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有人工操作甲烷潜力测试工作量繁琐，且存在一定的计量误差的问题。

为此，本实用新型提供了一种全自动甲烷潜力测试系统，包括发酵反应单元、气体处理单元和气体测量单元，所述发酵反应单元包括发酵罐和控温箱，所述发酵罐置于控温箱内，所述气体处理单元包括气体净化装置和气体干燥装置，所述发酵罐出气口与气体净化装置进气口连接，所述气体净化装置出气口与气体干燥装置进气口连接，所述气体干燥装置出气口连接气体测量单元，所述气体测量单元包括测量管和微机，所述测量管内部盛有标准溶液，所述测量管底端内部设有破口，所述测量管的出气口端侧壁上设有气泡计量机构，所述气泡计量机构与微机电连接。

进一步的，所述发酵罐包括罐体和密封设置在罐体开口内的橡胶塞，所述罐体底部设有进液口，罐体上部设有出液口，所述进液口和出液口均通过带孔螺纹盖连接有软管，所述橡胶塞上设有贯穿橡胶塞上下两端的至少两个导气管和一个直管，所述直管底端连接有柔性密封管，所述柔性密封管底部嵌入有密封塞，柔性密封管上设有刺状物，所述柔性密封管上部竖直、下部设有倾斜拐角，所述罐体上端设有支撑座，所述支撑座上设有直流电机，所述电机上连接有金属杆，所述金属杆贯穿直管并伸入柔性密封管内部。

进一步的，所述发酵罐的罐体上设置有温度计和pH计。

进一步的，所述发酵罐与气体净化装置之间的气路上设置有气体缓冲瓶。

进一步的，所述气体净化装置包括碱液吸收瓶和酸液吸收瓶，所述碱液吸收瓶内盛装有碱溶液，酸液吸收瓶内盛装有酸溶液，所述碱液吸收瓶和酸液吸收瓶上均设有进气管和出气管，所述进气管底部设在碱液吸收瓶和酸液吸收瓶内液面以下，出气管底部设在碱液吸收瓶和酸液吸收瓶内液面以上。

进一步的，所述气体干燥装置包括干燥管，所述干燥管内部填充有脱脂棉和干燥剂。

进一步的，所述气泡计量机构包括相对设置的光脉冲发生器和光脉冲检测器，所述光脉冲检测器与微机电连接。

进一步的，所述测量管呈U型或L型，所述破口设置在测量管底部水平段，破口的口径沿气体流动方向逐渐减小。

进一步的，所述测量管的出气口处设置有压力温度传感器，该压力温度传感器与微机电连接。

进一步的，所述测量管的进气口和出气口的口径均小于测量管的管径。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型提供的这种全自动甲烷潜力测试系统集甲烷制备、处理及测试于一体，自动化程度高，可自动控制发酵反应条件以及自动测量气体流量，操作简单，使用方便，可同时处理多个样品，测试效率高；且该测试系统采用模块化设计，易于更换部件，维护成本低。

(2)本实用新型提供的这种全自动甲烷潜力测试系统通过气体处理单元对发酵产生的气体进行处理后再进行气体测量，测试结果准确且精度高。

(3) 本实用新型提供的这种全自动甲烷潜力测试系统的气体测量单元通过微机进行自动测试并储存数据，可连续长时间运行，测量效率高。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型全自动甲烷潜力测试系统的结构示意图；

图2是本实用新型中发酵罐的结构示意图；

图3是本实用新型中气体处理单元的结构示意图；

图4是本实用新型中气体测量单元的结构示意图；

图5是农业秸秆产甲烷测试结果图；

图6是禽畜粪便发酵产甲烷测试结果图；

图7是厨余垃圾产甲烷潜力测试结果图。

附图标记说明：1、控温箱；2、发酵罐；3、气体处理单元；4、气体净化装置；5、气体干燥装置；6、气体测量单元；7、测量管；8、微机；9、进液口；10、罐体；11、金属杆；12、柔性密封管；13、温度计；14、pH计；15、橡胶塞；16、导气管；17、直流电机；18、支撑座；19、直管；20、出液口；21、刺状物；22、密封塞；23、缓冲瓶；24、进气管；25、碱液吸收瓶；26、出气管；27、酸液吸收瓶；28、干燥管；29、进气口；30、出气口；31、光脉冲发生器；32、光脉冲检测器；33、破口；34、气泡；35、压力温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图4所示，本实施例提供了一种全自动甲烷潜力测试系统，包括发酵反应单元、气体处理单元3和气体测量单元6，所述发酵反应单元包括发酵罐2和控温箱1，所述发酵罐2置于控温箱1内，所述气体处理单元3包括气体净化装置4和气体干燥装置5，所述发酵罐2出气口与气体净化装置4进气口连接，所述气体净化装置4出气口与气体干燥装置5进气口连接，所述气体干燥装置5出气口连接气体测量单元6，所述气体测量单元6包括测量管7和微机8，所述测量管7内部盛有标准溶液，所述测量管7底端内部设有破口33，所述测量管7的出气口30端侧壁上设有气泡计量机构，所述气泡计量机构与微机8电连接。将待实验的物料和微生物菌种依次加入发酵罐2内进行发酵反应产生发酵气体，发酵气体经气体处理单元3的净化和干燥得到纯净的甲烷气体，甲烷气体通过气体测量单元6进行测试，甲烷气体压缩测量管7内部标准溶液，在破口33处产生气泡34，通过泡计量机构计量气泡34数量，并传输给微机8储存，从而得到物料发酵产甲烷潜力，该全自动甲烷潜力测试系统自动化程度高，可自动控制发酵反应条件以及自动测量气体流量，操作简单，使用方便，可同时处理多个样品，测试效率高；且该测试系统采用模块化设计，易于更换部件，维护成本低。

细化的实施方式，如图2所示，所述发酵罐2包括罐体10和密封设置在罐体10开口内的橡胶塞15，所述罐体10底部设有进液口9，罐体10上部设有出液口20，所述进液口9和出液口20均通过带孔螺纹盖连接有软管，当拧紧带孔螺纹盖时，软管自身受力挤压产生形变形成密封，通过蠕动泵可以往进液口9上的软管泵入物料，可以从出液口20上的软管泵出物料，从而实现连续进样；所述橡胶塞15上设有贯穿橡胶塞15上下两端的至少两个导气管16和一个直管19，两个导气管16中一个用于进气，另一个用于出气，导气管16材质为不锈钢管，实验前通过导气管通入惰性气体如氮气将发酵罐2内的氧气排出，保证发酵罐2内的厌氧环境，实验过程中出气的导气管16用于排出发酵产生的气体，所述直管19底端连接有柔性密封管12，柔性密封管12可以直接套接在直管19上，通过柔性密封管12自身弹性起到密封作用，或者通过铁箍将柔性密封管12箍在直管19上，所述柔性密封管12底部嵌入有密封塞22，柔性密封管12上设有刺状物21，所述柔性密封管12上部竖直、下部设有倾斜拐角，柔性密封管12的底部有一定角度倾斜，柔性密封管12上设有刺状物，目的都是为了提高搅拌效果，所述罐体10上端设有支撑座18，所述支撑座18上设有直流电机17，所述直流电机17上连接有金属杆11，所述金属杆11贯穿直管19并伸入柔性密封管12内部。直流电机17带动金属杆11和柔性密封管12旋转，起到了搅拌物料的作用。另外，为了能检测发酵物料的温度和pH值，所述发酵罐2的罐体10上设置有温度计13和pH计14，从而实现实时监测控制发酵反应条件的目的。

如图3所示，所述气体净化装置4包括碱液吸收瓶25和酸液吸收瓶27，所述碱液吸收瓶25内盛装有碱溶液，用于吸收微生物发酵产生的CO₂、H₂S等酸性气体，酸液吸收瓶27内盛装有酸溶液，用于吸收微生物发酵产生的NH₃等碱性气体，所述碱液吸收瓶25和酸液吸收瓶27上均设有进气管24和出气管26，所述进气管24底部设置在碱液吸收瓶25和酸液吸收瓶27内液面以下，出气管26底部设置在碱液吸收瓶25和酸液吸收瓶27内液面以上，便于气体充分被溶液吸收；微生物发酵产生的气体经气体净化装置4后可有效保证后续测试的甲烷气体中无其他气体杂质，测试效果精确；当然，当不需要对发酵罐2内产生的酸性气体和碱性气体吸收时，可将碱溶液和酸溶液都更换为纯水。而为了便于观察碱溶液和酸溶液的消耗程度，优选的可以在碱液吸收瓶25和酸液吸收瓶27内分别加入适量的pH指示剂显色，提示定期更换碱溶液和酸溶液。所述气体干燥装置5包括干燥管28，所述干燥管28内部填充有脱脂棉和干燥剂，干燥剂用于对气体净化装置4处理后的气体进行干燥，脱脂棉的作用是防止干燥剂被气流带走。

而为了防止当发酵罐2因微生物活动呈负压时，碱液吸收瓶25内的碱溶液直接进入发酵罐2，从而剧烈的改变pH，影响实验正常进行，在所述发酵罐2与气体净化装置4之间的气路上设置气体缓冲瓶23。

如图4所示，所述测量管7的内部盛有标准溶液，该标准溶液为惰性油质，物理化学性质稳定，对各类气体几乎不吸收，且自身挥发性很小；所述测量管7呈U型或L型，所述破口33设置在测量管7底部水平段，破口33的口径沿气体流动方向逐渐减小，所述气泡计量机构包括相对设置的光脉冲发生器31和光脉冲检测器32，所述光脉冲检测器32与微机8电连接。当经气体处理单元3处理后的待测气体经过测量管7的进气口29后，测量管7内的标准液体向测量管7的出气口30端压缩，压缩至破口33处，待测气体会在破口33处形成气泡34，该气泡34的大小由破口33的尺寸决定，当控制好破口33的加工尺寸，并固定标准液体体积时，气泡34的大小是标准的。当气泡34上升通过光脉冲发生器31的光路时，光脉冲检测器32会有响应并计数，同时将信号传送给微机8。待测气体的体积就是气泡34的大小与光脉冲检测器32计量的气泡数乘积，单位时间内通过的待测气体体积就是发酵罐2内的产气速率。所述测量管7的出气口30处设置有压力温度传感器35，该压力温度传感器35与微机8电连接，压力温度传感器35实时监测测量管7的出气口30处的压力和温度并反馈给微机8进行气泡34校准。另外，优选的，所述测量管7的进气口29和出气口30的口径均小于测量管7的管径，通过管径变化可有效提高进气和出气的气压稳定性。

下面通过具体实施例对不同发酵物料采用本实用新型全自动甲烷潜力测试系统进行产甲烷潜力研究。

(1) 农业秸秆产甲烷研究

37℃厌氧条件下，以香蕉秸秆为原料进行甲烷潜力测试研究。从发酵开始对产气进行自动测量和记录，直到产气基本不再增加，发酵结束。如图5所示，实验30天后，香蕉秸秆甲烷产率达到202.3 NmL/g.VS，表明香蕉秸秆适宜作为沼气发酵原料。

(2) 禽畜粪便发酵产甲烷研究

采用厌氧发酵研究了猪粪、牛粪和鸡粪在室温下发酵20天过程中产生甲烷的量及其物料特性影响的规律。如图6所示，在同等条件下猪粪、牛粪和鸡粪经过20天的厌氧发酵后，总产气量从大到小顺序依次为牛粪>猪粪>鸡粪，分别为2527 mL、1918 mL和1132 mL。猪粪在厌氧发酵过程中易发生酸化，从而导致产气量下降，鸡粪在厌氧发酵过程中铵态氮含量过高，从而抑制产气。

(3) 厨余垃圾产甲烷潜力测试

通过将厨余垃圾与蓝藻混合发酵，达到优化发酵底物，获得最佳产气效率，如图7所示，当混合比例2:1时，甲烷产量达到118.6mL/g。

综上所述，本实用新型提供的这种全自动甲烷潜力测试系统集甲烷制备、处理及测试于一体，自动化程度高，可自动控制发酵反应条件以及自动测量气体流量，操作简单，使用方便，可同时处理多个样品，测试效率高；且该测试系统采用模块化设计，易于更换部件，维护成本低。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。