兩相發(fā)酵產沼氣的生物反應器的設計

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1、 利用太陽能的高效節(jié)能沼氣反應器的設計 引言 隨著化石資源的逐漸減少和環(huán)境保護的要求，近年來世界各國對厭氧發(fā)酵技術的研究開發(fā)與利用越來越重視。尤其我國是農業(yè)大國，有著非常豐富的生物質資源，如不加以合理利用，勢必會占用大量空間，影響環(huán)境，還是一種資源浪費。因此，設計出一種高效節(jié)能的沼氣反應器，以生物質為原料制備沼氣，對我國可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。 現存在問題及現狀 沼氣生產是一個復雜的過程，在整個過程中不但要為沼氣發(fā)酵微生物提供優(yōu)越的厭氧發(fā)酵環(huán)境，而且要保證整套沼氣發(fā)酵系統的穩(wěn)定高效運行[3]。生產沼氣的反應都是在反應器中進行的，因此厭氧反應器結構形式的設計對沼氣發(fā)酵系統正常穩(wěn)定運行有

2、著至關重要的作用。 沼氣發(fā)酵的環(huán)境因素主要有厭氧環(huán)境、溫度、PH等。 沼氣發(fā)酵微生物中產酸類和產甲烷類細菌都是厭氧性細菌，尤其是產甲烷菌，不能在有氧環(huán)境中生存，微量的氧也會影響其生命活動，甚至死亡。在產甲烷階段需保證嚴格地厭氧環(huán)境[3]。 北方高寒地區(qū)，采取適當的加熱及保溫措施，確保沼氣厭氧發(fā)酵所需的穩(wěn)定溫度，是關系到沼氣工程冬季能否正常運行的關鍵所在。農村建的沼氣池因條件限制，一般都采用常溫發(fā)酵，冬季會因池溫低出現產氣少或不產氣現象。 在北方寒冷地區(qū)，為提高沼氣池溫度，有必要采取保溫、提溫措施 [1]。發(fā)酵工藝相同、發(fā)酵溫度類型相同時，發(fā)酵料液溫度場穩(wěn)定均勻直接影響到發(fā)酵效果。 如果采

3、用恒溫發(fā)酵，在 １ｈ內溫度上下波動最好在±（２ ～３）℃范圍內；超出此范圍以后，沼氣產量將明顯下降，超出值過大就會停止產氣［2］。 沼氣發(fā)酵過程中的產甲烷菌最適PH范圍是6.8—7.5，過低或過高時都會影響沼氣發(fā)酵，甚至造成停止產氣的結果[3]。因此產沼氣過程中需要定期取樣對其進行PH檢測并加入抑制劑或調節(jié)劑調控。 此外，農村用戶沼氣一般都未安裝攪拌裝置，在不攪拌的情況下發(fā)酵原料會出現分層現象，造成原料不能充分利用，結成硬殼，阻礙氣體的分離逸出，減少物料與菌種的接觸面積及沼氣池有效容積，嚴重影響沼氣池的持續(xù)產氣和長期運行[3]。因此需要定期對其進行攪拌等處理。 推薦精選 設計思路

4、 針對戶用沼氣反應器現存在的問題，本設計在一般沼氣反應器基礎上增加以下關鍵點： 1. 保溫、測溫裝置。用來維持和控制反應器內部溫度； 2. 監(jiān)測口。用來定期取樣測反應器內PH及壓強； 3. 攪拌裝置。用來定期攪拌防止原料分層； 4. 儲氣囊、水壓間。保持反應裝置內壓力及沼氣輸出的穩(wěn)定。 組成構件 該系統組成主要包括太陽能熱水器、螺旋彎管加熱器、恒溫控制系統、膜儲氣柜、沼氣反應器、氣壓控制器、水泵以及其他輔助部件構成。通過特殊的結構設計和恒溫系統以期實現常年高效生產沼氣。 反應器裝置圖 1. 輸氣管 2.水壓間 3、9.進料口 4. 監(jiān)測口

5、 5、6.出料口 7.閥門 8.污泥泵 10.水泵 11. 智能溫控系統 12.太陽能熱水器 13.輸水管道 14.加熱管道 15.儲氣囊 推薦精選 工作原理 自動恒溫控制系統： 先通過自動控制系統中的溫度智能控制變送儀設定加熱溫度，然后將太陽能熱水器中加滿水，利用太陽能將水加熱到最高溫度。打開水泵，使熱水在換熱器及其附屬結構中循環(huán)流動加熱料液。當料液溫度達到所設定的溫度時，由自動控制系統斷開電源，水泵停止工作，系統停止加熱。當反應器由于向外放熱和其他因素的影響而使料液溫度降低時，自動控制

6、系統啟動水泵繼續(xù)向料液加熱，直至達到所設定的溫度，完成工作過程[2]。按照這種過程來調節(jié)溫度，這樣使料液始終保持在恒定的溫度，滿足沼氣高效生成的需要。 儲氣囊： 反應器頂部設有雙膜儲氣室，外層為保護膜；內層為厚度0．0012 m的貯氣膜，它與罐體、料液面、水壓間之間形成一個容量可變的密閉空間用作儲存沼氣。沼氣進入時膨脹，使用沼氣時收縮。 水壓間： 水壓間根據發(fā)酵料液的產氣率、每天沼氣利用量、料液投入量、設計壓力和水壓間在反應器的相對配置關系設計，外形為長方體。產氣時，貯氣膜膨脹，水壓間氣壓水；用氣時，貯氣膜收縮，水壓間水壓氣。 由此保持反應裝置內壓力始終恒定在一個需要的設計值，

7、保證發(fā)酵環(huán)境所需壓強和沼氣輸出時的穩(wěn)定，提高燃具燃燒效率。 攪拌： 攪拌采用液體攪拌。攪拌時，調節(jié)閥門，啟動污泥泵，料液通過管道做循環(huán)流動，形成液流起到攪拌料液的作用。 監(jiān)測口： 監(jiān)測口設在出料口管道，可監(jiān)測反應器中的PH以及壓力情況。見裝置圖14。定期打開閥門取樣測料液PH，取樣口管道設計高度高于料液高度一定值，料液既不會因高差而產生壓強差而噴出，又可保證取樣時不會有空氣進入反應器影響沼氣發(fā)酵。當料液PH過低或過高時，可通過監(jiān)測口投入添加劑，然后通過攪拌系統均勻攪拌，將反應器中原料調整至正常發(fā)酵狀態(tài)。 原料進出系統： 料液進出口裝置如圖，通過污泥泵將原料和廢料通過管道輸入和抽出反

8、應器，污泥泵運轉產生真空壓力將料液順利送入、抽出，避免堵塞問題的發(fā)生。 推薦精選 主要技術參數 反應器主體是由的搪瓷鋼板圍成的內徑為12．22 m圓柱型罐體，外壁敷設厚度為15 cm的聚苯板作保溫，保溫層外加厚度為0．8 mm彩鋼板作保護[4]。反應器在加工制作過程中嚴格保證不留縫隙，密封良好，保證沼氣發(fā)酵所需的厭氧環(huán)境。 反應器總容積（ｍ3）：3 最大填料量（ｍ3）：2.5 料液發(fā)酵溫度（℃）：冬天35，夏天53 設計氣壓（ｋＰａ）：8000 換熱器面積（ｍ2）：0.67 循環(huán)水流速（ｍ/ｓ)：0.71 計算 換熱面積的計算 S＝（Q′ ＋Q）/ (K

9、·ΔT) 式中　S—換熱器的換熱面積（ｍ2）；　Q′—加熱料液所需要的換熱量（Ｗ）；Q—反應裝置的散熱量（Ｗ）；K—換熱器總的傳熱系數（Ｗ／ｍ2·Ｋ）；　ΔT—換熱器對數平均溫度（℃）[1]。 換熱管長度的計算 L＝（1.2·S）/(3.14·d) 式中　L—換熱管的總長度（ｍ）；　s—換熱器的換熱面積（ｍ2)；　d—換熱管內徑（ｍｍ），d＝20[1]。 推薦精選 耗熱量計算 厭氧發(fā)酵反應器的傳熱耗熱量包括反應器頂部傳熱耗熱量、反應器的壁面?zhèn)鳠岷臒崃恳约胺磻鞯撞康膫鳠岷臒崃?部分，即ɑ=ɑ1+ɑ2+ɑ 3 式中，ɑ為反應器的總耗熱量，W；ɑ1為反應器頂部耗

10、熱量，W；ɑ2為反應器的壁面耗熱量，W；ɑ3為反應器底部的耗熱量，W。 （以上公式參考[1]、[4]。） 結合以上公式，根據各材料和料液的導熱系數，即可計算出反應器壁的厚度。 參考文獻 [1] 張雪峰，戈小康，于海鳴等．高效沼氣反應器結構參數的確定與制造［J］．農機化研究，2014(10)． [2] 丁羽．太陽能加熱沼氣反應裝置的設計及參數選擇［J］．農機化研究，2008(8)：71． [3] 李文哲．生物質能源工程[M]．北京：中國農業(yè)出版社，2013.1． [4] 劉建禹，陳澤興、李文濤．厭氧發(fā)酵反應器一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的建立與驗證[J]，農業(yè)工程學報，2012，28（17）． （注：可編輯下載，若有不當之處，請指正，謝謝!） 推薦精選