一種以單位能耗全年產(chǎn)氣率優(yōu)化保溫增溫系統(tǒng)的沼氣發(fā)酵罐的制作方法
【專利說明】
罐
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種沼氣發(fā)酵、收集氣體裝置，目的是提供一種具有保溫、增溫功能的沼氣增溫保溫系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]發(fā)酵液溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的主要因素之一，從工藝角度一般分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵(35?37°C)和高溫發(fā)酵(50?60°C)，當發(fā)酵溫度低于10°C時沼液停止產(chǎn)氣，而且沼液溫度短時波動幅度過大也會導致產(chǎn)氣率的下降。所以，提升及維持沼氣發(fā)酵裝置中沼液的發(fā)酵溫度對于沼氣的產(chǎn)氣率具有重要意義。近年來我國重點發(fā)展了戶用沼氣和農(nóng)村沼氣，這類沼氣一般修建于地下，利用大地蓄熱溫度波動比氣溫小的特點，發(fā)酵過程多數(shù)為自然常溫發(fā)酵，在嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、冬冷夏熱地區(qū)，由于其存在冬季氣溫低，晝夜溫差大等問題，所以在冬季甚至過渡季節(jié)沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣率低，甚至不產(chǎn)氣。特別是近年來，隨著新農(nóng)村建設步伐加快，戶式小沼不能適應集中居住需求，而“沼氣工程”被是解決新農(nóng)村用能的有效途徑，提升農(nóng)村資源循環(huán)利用、節(jié)能減排水平的重要手段。但罐體更大、至于地上的沼氣發(fā)酵裝置受外界溫度影響更大，保溫增溫顯得更為重要。
[0003]目前，我國相關的農(nóng)村戶用沼氣增溫節(jié)能技術發(fā)展相當緩慢，當前主要運用的增溫手段主要有以下幾種:1)塑料暖棚增溫技術；2)燃池增溫技術；3) “豬一沼一炕”增溫技術；4)隔熱材料保溫法；5)沼氣池表面覆蓋柴草保溫方法；6)挖環(huán)形溝保溫法；7)秸桿廢棄物的燃燒方法；8)塑料薄膜覆蓋法；9)熱水鍋爐加熱法。目前所使用的保溫增溫方法仍以燃燒以秸桿為主的生物質(zhì)能為主，再加上一些保溫材料以達到增溫目的。這些方法熱能轉化率低，能源浪費量大，同時燃燒會造成大量的溫室氣體以及其他的有害氣體的排放，對環(huán)境的污染也很大。基于此，沼氣罐的保溫增溫方式施用不當不但不能提升沼氣的產(chǎn)氣率，還會使得沼氣這樣一種清潔的能源變成新的污染源。其他較新的技術如:太陽能集熱沼氣發(fā)酵罐及基于地源熱泵的沼氣發(fā)酵罐等，初始投資以及維護成本都很高，在邊遠分散的農(nóng)村地區(qū)這些技術都難以推廣普及。
[0004]由此可見，在一定的室外氣象條件下，保溫屬于被動式技術，可以達到一定的增溫效果；但當室外較寒冷時，必須采取主動的技術措施，才能達到預期的發(fā)酵溫度。所以研發(fā)一種全年產(chǎn)氣率高、能耗低、初投資及運行成本低廉的保溫增溫沼氣發(fā)酵罐體具有很大的現(xiàn)實意義。
[0005]201210543906.9公開了一種新型的一種加熱式地上沼氣池，其特征在于:所述發(fā)酵罐的底座內(nèi)設置有多根加熱管，所述加熱管的兩端連接電源。這種沼氣罐雖能有效提升罐體發(fā)酵溫度，但是罐體外部沒有保溫層，增溫能耗損失大、運行成本高。201020169775.9公開了一種保溫加熱型沼氣裝置，其沼氣罐側壁外層設保溫層，保溫層內(nèi)側設熱水層；沼氣罐一側上方設熱水出口，在地表下方的沼氣罐一側設熱水進口，其不足之處在于結構非常復雜，熱利用程度較低。
[0006]201120334659.2公開了一種絕熱保溫沼氣發(fā)酵罐，其特征在于內(nèi)罐和外罐固定在一起，在內(nèi)罐和外罐之間形成隔熱腔，在隔熱腔中安裝有保溫層，在外罐和內(nèi)罐的上部分別固定安裝有與內(nèi)罐內(nèi)腔相通的上料裝置、排氣裝置和溢流裝置，在外罐和內(nèi)罐的下部固定安裝有與內(nèi)罐內(nèi)腔相通的卸料裝置，攪拌裝置通過安裝架固定安裝在外罐的上方，攪拌裝置的下部位于內(nèi)罐內(nèi)腔中。該沼氣罐設置有保溫層但是罐體沒有沒加熱裝置，在極端寒冷的氣候下沒有熱量補償維持不了發(fā)酵溫度。
[0007]實際上，地上沼氣發(fā)酵罐的產(chǎn)氣率與罐體發(fā)酵溫度、室外氣象條件、保溫層厚度、增溫系統(tǒng)功率及能耗等因素之間，存在非常復雜的耦合關系，上述現(xiàn)有專利技術并沒有從全年或壽期角度去優(yōu)化保溫增溫系統(tǒng)，因此都不能指出最佳保溫層厚度及增溫系統(tǒng)功率匹配。這是本發(fā)明有別于現(xiàn)有專利技術的獨特之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是以單位能耗全年產(chǎn)氣率優(yōu)化保溫增溫系統(tǒng)、提供一種能夠保持或提升沼液發(fā)酵溫度使其在冬季也可以穩(wěn)定產(chǎn)氣的沼氣保溫增溫沼氣發(fā)酵罐技術。
[0009]發(fā)明的基本思路是:在沼氣罐體外部復合一層保溫材料降低維持和提升發(fā)酵溫度的能耗，采用PID (Proport1n、Integrat1n、Differentiat1n)溫度控制器調(diào)節(jié)加熱器的啟停狀態(tài)來動態(tài)維持罐體內(nèi)的發(fā)酵溫度。
[0010]發(fā)明的技術方案是:根據(jù)發(fā)酵溫度和當?shù)貧庀髼l件進行產(chǎn)氣率計算及全年耗電量模擬，以單位能耗產(chǎn)氣率最大優(yōu)化保溫層厚度；根據(jù)發(fā)酵溫度、當?shù)貧庀髼l及保溫層厚度模擬的全年逐時加熱功率，增溫裝置功率按最大值的3倍選?。辉鰷匮b置的排布在罐體底部玻璃鋼層內(nèi)，并充分考慮有利于發(fā)酵罐溫度場均勻，熱損失最?。煌ㄟ^PID控制器動態(tài)連鎖沼氣發(fā)酵設定溫度和加熱系統(tǒng)，確保發(fā)酵溫度使其不低于設定值和單位能耗全年產(chǎn)氣率的最優(yōu)化。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點:該沼氣罐綜合考慮了沼氣系統(tǒng)使用地區(qū)的氣象條件綜合、經(jīng)濟技術、能耗等因素的考慮確定保溫層的厚度以及加熱功率。兼顧考慮保溫措施，運行成本和能耗，使用技術成本較低的市電直接電加熱方式對沼液進行加熱，同時采用PID溫度控制器控制加熱器，進一步降低了能耗。該系統(tǒng)使用主、被動技術相結合的方式對沼氣罐進行保溫增溫真正實現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的綠色目標。
【附圖說明】
[0012]圖1、是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖。
[0013]圖2、是沼氣罐產(chǎn)氣率隨環(huán)境氣溫的曲線圖。
[0014]圖3、是成都地區(qū)10月-3月保溫增溫能耗模擬計算圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。
[0016]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖，圖中僅給出了與本發(fā)明相關的部分。在玻璃鋼沼氣罐的外部復合一層保溫材料②，以降低沼液與外部環(huán)境的熱交換。在罐體底部均勻盤布電發(fā)熱絲⑨，通過PID (Proport1n, Integrat1n, Differentiat1n)溫度控制器⑨控制，當探測器⑥探測到沼液溫度低于設定發(fā)酵溫度則開啟加熱，否則停止。
[0017]圖2所示為一罐體復合保溫層但無加熱的沼氣罐在寒冷時節(jié)產(chǎn)氣率受室外氣溫影響的曲線圖。從圖中可以看出，日產(chǎn)氣量隨著環(huán)境溫度的逐步降低而降低，第1-15天，環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在25 °C左右，發(fā)酵罐的日產(chǎn)氣量基本維持在15 m3 *(1-1以上，第16-70天，環(huán)境溫度在20 °0左右波動，發(fā)酵罐的日產(chǎn)氣量維持在10 m3 *(1-1左右波動，第71-84天，環(huán)境溫度下降倒在15 °C以下，日產(chǎn)氣量仍可以維持在8 m3-d-ι以上，第85天環(huán)境溫度降到12.45?，日產(chǎn)氣量為7m3 *(1-1?？偟膩碚f，雖然罐體復合了保溫層，但是在沒有加熱的情況下，沼氣發(fā)酵罐的產(chǎn)氣率仍無法保證，所以說明在罐體復合了保溫層之后進行加熱是必須的。
[0018]圖3是采用成都地區(qū)氣象參數(shù)模擬計算的該型沼氣罐保溫增溫系統(tǒng)在10月-次年3月寒冷季節(jié)的逐月能耗狀況，以未做保溫的沼氣罐進行對比可以看出，該沼氣系統(tǒng)的保溫層起到了相當明顯的降低能耗的作用。對罐體進行增溫必然產(chǎn)生能耗，保溫能夠有效的降低能耗提升熱效率，所以保溫與增溫兩者對于提升寒冷時期沼氣罐的產(chǎn)氣率都不可或缺。
【主權項】
1.一種以單位能耗全年產(chǎn)氣率優(yōu)化保溫增溫系統(tǒng)的沼氣發(fā)酵罐，其特征在于:在圓柱形玻璃鋼罐體①外部復合一層保溫材料②，在罐體底部盤布電發(fā)熱絲⑨接通市電，通過PID溫度控制器⑤動態(tài)控制加熱器，當罐內(nèi)溫度低于設定發(fā)酵溫度時，加熱器對沼液進行加熱，當罐內(nèi)沼液溫度達到設定發(fā)酵溫度時停止加熱。
2.按照權利要求1所述的沼氣罐，其特征在于:根據(jù)發(fā)酵溫度和當?shù)貧庀髼l件進行產(chǎn)氣率計算及全年耗電量模擬，以單位能耗產(chǎn)氣率最大優(yōu)化的保溫層厚度一般在6~15cm。
3.按照權利要求1所述的沼氣罐，其特征在于:根據(jù)發(fā)酵溫度、當?shù)貧庀髼l及保溫層厚度模擬的全年逐時加熱功率，增溫裝置功率按最大值的3倍選取，一般單位罐容為15~30W/M3 ο
4.按照權利要求1所述的沼氣罐，其特征在于:增溫裝置的排布在罐體底部玻璃鋼層內(nèi)，并充分考慮有利于發(fā)酵罐溫度場均勾，熱損失最小。
5.按照權利要求1所述的沼氣罐，其特征在于通過PID控制器⑤動態(tài)連鎖控制沼氣發(fā)酵設定溫度和加熱系統(tǒng)，確保單位能耗全年產(chǎn)氣率的最優(yōu)化。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電加熱保溫增溫沼氣發(fā)酵罐,涉及一種沼氣發(fā)酵、收集裝置。本發(fā)明的目的是提供一種以單位能耗全年產(chǎn)氣率最大化優(yōu)化保溫增溫系統(tǒng)的沼氣罐,這種沼氣罐在寒冷季節(jié)仍能正常發(fā)酵，穩(wěn)定的產(chǎn)生沼氣,耗電量小且結構簡單、成本低廉。本發(fā)明的技術方案是,在玻璃鋼沼氣罐的外部復合一層保溫材料②，以降低沼液與外部環(huán)境的熱交換，提升其保溫性能。在罐體底部均勻盤布電發(fā)熱絲⑨，通過PID（Proportion,Integration,Differentiation）溫度控制器控制⑤，當探測器⑥探測到沼液溫度低于設定溫度則開啟加熱，否則停止。該沼氣罐根據(jù)當?shù)厥彝鈿庀?，運用能耗模擬以及全生命周期評價的方法優(yōu)化保溫層厚度和加熱系統(tǒng)布置方式及功率，在保證罐體冬季正常產(chǎn)氣的同時做到節(jié)材、節(jié)能和環(huán)保。
【IPC分類】C12M1-107, C12M1-38, C12M1-34
【公開號】CN104845887
【申請?zhí)枴緾N201510237049
【發(fā)明人】龍恩深, 王索, 羅濤, 黃如一, 梅自力, 李彥儒
【申請人】四川大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月12日