小戶型連續式太陽能生物質能發酵裝置的研究與應用

李龍江 張 覃 楊玉蕊

（ 1.貴州大學礦業學院，貴州貴陽 550025； 2.貴州非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州貴陽 550025；3.貴州省優勢礦產資源高效利用工程實驗室，貴州貴陽 550025）

生物質能是一種新型清潔的可再生能源，發展生物質能發酵工藝優點多，首先生物質能產沼氣可用來發電、燃燒、保鮮等，可替代柴、煤等不可再生能源，消除燃煤產生的大量煤灰、一氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等有毒氣體和致癌物質；其次，開發和利用生物質能技術可以處理農村有機生活垃圾、保護水源、降低污染、改良土壤，增加土壤有機質；再次，生物質能發酵利用后的沼液和沼渣可做農家肥，對直接和間接減少化肥、農藥對環境的污染具有綜合效益。發展農村沼氣，既節約能源又減少污染排放，沼氣作為一種新型清潔能源正逐步擴大發展規模，代替煤炭等不可再生能源。

生物質能生產技術已經比較成熟，生產逐步一體化、規?；?，從原來的小戶型生產模式逐漸轉變為現在的大型集中生產。我國的生物質能發酵事業在20世紀90年代獲得了迅速的發展，特別是在農村地區。農村戶用生物質能發酵裝置主要有四種基本類型，分別是水壓式、浮罩式、半塑式和罐式沼氣池。從形狀上來分，有方形、圓柱形、球形、橢球形等；從材料上看，有磚結構池、混泥土結構池、鋼筋混泥土結構池、塑料沼氣池、鋼結構池、玻璃鋼沼氣池等［1-2］。其中以水壓式沼氣池最為典型，它在我國推廣最早，數量最多。該類沼氣池采用磚和混凝土在地下挖坑建池，其優點為建池技術比較成熟，池體結構受力性能良好，而且充分利用土壤的承載能力，省工省料，成本比較低，且形式多樣，可根據不同情況合理選擇；廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時都能打掃進池，沼氣池周圍都與土壤接觸，對池體保溫有一定的作用。缺點是存在著建池挖坑難，占地面積大，且不能移動，活動蓋直徑不能加大，氣密性和保溫性能差；沒有攪拌裝置，池內浮渣容易結殼，又難于破碎；池內氣壓反復變化，對池體強度和燈具、灶具燃燒效率的穩定與提高不利，建池質量標準參差不齊。在結構上，傳統的生物質能發酵裝置由進料間、發酵間和出料間組成，其頂端略高于地面，發酵裝置的進料間和出料間位于發酵間的兩側，不僅占地面積大，進出料不方便，保溫效果也不太理想。近年來，有些地區正在做玻璃鋼地下半埋式球形沼氣罐，也未能解決出料難等問題。因此，發展生物質能產氣工藝，急需一種能耗低，進出料管理方便，能連續生產，保持恒溫的生物質能發酵裝置［3］。

1 發酵裝置的結構及工作原理

1.1 發酵裝置基本要求

小戶型連續式生物質能太陽能發酵裝置解決了傳統沼氣生產溫度不恒定、產氣率低、進料不連續、出料困難，生產不連續、沼液沼渣不能完全循環利用等技術難題；反應裝置體積小，安放方便，能夠廣泛應用到農村及城市小區沼氣生產中，提高沼氣的生產效率，達到沼氣生產產物一體化利用，在生產的過程中不借助任何動力設備［4-5］。

1.2 主要思路及關鍵技術

在傳統生物質能發酵裝置的基礎上，研制一種新型連續式恒溫太陽能生物質能發酵裝置。裝置整體設計為圓筒結構，設計采用的主要技術有：恒溫太陽能技術，保證沼氣發酵溫度恒定，提高沼氣產率和產氣季節的時間；采用浮罩式生物質能發酵裝置蓋，達到連續加料不漏氣的目的；采用圓筒錐體生物質能發酵裝置（圓筒與圓錐接口處采用流線型設計）體設計和重錘提升卸料，克服出料困難問題；設置重錘提升堵口系統實現無動力操作；設置手動攪拌器，保證物料攪拌均勻且能實現破殼；設置離心式抽拉網固液分離器和手動提水器達到固液分離、連續卸料和沼液循環利用。

1.3 生物質能發酵裝置結構及工作原理

生物質能發酵裝置主要由太陽能板、浮蓋、圓筒錐體池體、重錘提升堵口系統、攪拌器、固液分離器、沼液回收利用管等部分組成，小戶型連續式恒溫太陽能生物質能反應裝置圖如圖1所示。

本生物質能反應裝置主要用于小戶型連續生產沼氣，可以埋于土坎，也可以用固定裝置（如砌磚、做支架等）固定于地面，工作原理如圖1所示。從進料口3投料，物料進入生物質能發酵裝置開始反應。裝料時重錘18在重錘提升系統1的控制下落下，堵住出料口。產生的沼氣沿導氣管4排入外部沼氣儲存裝置。反應的過程中，若溫度低于設定值，用導線35把插孔36和加熱棒電源接口15連接起來，通過太陽能產生的電能為生物質能發酵裝置中的水11加熱，達到一定溫度后，拔掉插銷線即可。待反應完全后利用重錘提升桿1拉起重錘18，沼渣就會在自重力作用下沿出料口排出。這樣就解決了出料困難和不能保持恒定溫度的兩個難題。搖動手動操作桿28，從進料口20進入離心式抽拉網固液分離器進行混合物料分離，同時帶動液體提升器31運轉，使沼液通過循環管32重新進入發酵裝置，達到循環利用。

圖1 小戶型連續式太陽能生物質能發酵裝置工作原理圖及剖面圖

1.4 太陽能恒溫系統結構及工作原理

太陽能恒溫系統主要有太陽能采光帆板、電池板、變壓器、電瓶、導線、導熱棒、貯水容器等組成，結構圖如圖1所示。

太陽能電池板33吸收太陽能轉換為電能并保存，需要用電時，太陽能電池板內的電可通過小型變壓器34轉化為220V。生物質能發酵裝置內、外殼（8和10）之間充滿加熱水11，水中安置一個環形加熱棒14，并由插口15連接電源。當生物質能發酵裝置溫度低時用插銷線35連接插孔15和36，即可為生物質能發酵裝置內外殼中的水加熱，繼而傳熱給池內反應物，保證恒溫。

1.5 連續加料系統結構及工作原理

連續加料是通過浮罩頂蓋實現的，即反應裝置上部不密封，用一個可拆卸的浮罩做蓋。反應裝置上部采用雙層設計，不封口，內外殼之間裝滿水。浮罩直徑大于反應裝置內殼且小于反應裝置外殼，放于內外殼之間，外殼下端浸于密封水中，可有效防止漏氣。物料入口有圓錐形通道進入液體內部，加料時可通過入口直接加料，不影響產氣。另外，可根據反應池內壓力大小來調整浮罩頂蓋的承重。

如圖1進料時，通過開關控制器打開進料口3的蓋子，物料通過進料口3直接進入反應裝置中部。不進料時，通過開關控制器關閉進料口3。產生的沼氣通過導氣管4排出，導氣管由通道插入生物質能發酵裝置上部。

1.6 連續自卸出料系統結構及工作原理

連續自動出料是由重錘提升堵口系統、圓筒錐形罐體設計、罐體底部設口和離心式抽拉網固液分離裝置共同實現的。重錘提升堵口系統由一個提升手柄、一根鋼筋和一個重錘組成，鋼筋用于提升重錘。分離器由一個可抽拉圓筒網、一個特質長方體外殼、兩個軸承和一個搖桿結構組成。把電動轉動裝置改為手搖操作裝置，固液分離操作桿通過皮帶與液體提升器連接，可實現聯合操作。

重錘通過提升操作桿1在進、出料時控制重錘的起落。重錘提升桿17采用剛性材料，當液體浮力較大時可以通過人力向下按。進料及反應時，由重錘18堵住反應罐下端出口；出料時，由操作桿1提起重錘18，物料就可以由出料口流出，流入固液分離裝置。

從生物質能發酵裝置中出來的固液混合物由固液分離器進料口20進入固液分離器的離心腔21。通過搖動手搖桿28使抽拉圓筒網的離心腔21轉動，從而產生離心力，沼液在離心力作用下從抽拉圓筒網網孔中溢出，溢出的沼液由25流出，固體（沼渣）留在抽拉圓筒網中。打開特質長方體外殼，抽出圓筒網即可用移動式接渣盒裝渣，裝滿即可換盒。提水器31通過皮帶30和手動操作桿28相連，搖動操作桿28進行固液分離的同時，液體被提升至反應裝置上部，可直接流入反應裝置，達到循環利用。

固液分離器剖面圖如圖2所示。

圖2 離心抽拉網固液分離器剖面圖

1.7 攪拌系統結構及工作原理

攪拌系統由一根長空心豎桿、一個破殼攪拌器和一個防沉淀攪拌器組成，攪拌桿空心部分安裝重錘提升桿。攪拌系統由兩個攪拌器，其中上部攪拌器12主要用于反應容器，由一根安裝于攪拌器承載桿16上的橫桿和分別安于橫桿兩端的豎桿組成，豎桿出于反應，用于液面上部攪拌，防止反應裝置上部結殼；下部攪拌器13是一根安于承載桿上的橫桿，主要用于反應裝置下部攪拌，防止反應物料沉積，堵塞下端出口。攪拌扇12和13采用剛性材料，安裝于中空的承載桿16上，承載桿16套于重錘提升桿外面，通過手搖攪拌扇操作桿2即可轉動葉片，達到攪拌效果。

2 性能分析

2.1 大小靈活、適用范圍廣

本生物質能發酵裝置可做成4m3、6m3、8m3等，安裝、拆卸及轉移較為方便。該裝置實現連續加料后，產氣量可維持一家日常做飯、照明使用，適用于農村小戶沼氣生產和城市小區有機廢棄物處理。

2.2 太陽能板可靈活安裝

本設計利用太陽能加熱水保證生物智能反應罐體恒溫。太陽能可依據安裝地實際情況進行放置，需要使用時用導線連接即可，操作方便。

2.3 浮蓋可拆卸

浮蓋可以實現連續加料，并保證加料時不漏氣。浮蓋還可以輕松取下，便于生物質能發酵裝置內部維護。

2.4 重錘剛性提升桿

重錘提升桿采用圓柱形剛性材料，直徑1cm，提拉過程可保證重錘不偏移。假如下部物料過于黏稠，堵塞出口時可向下按重錘，疏通出口。

2.5 雙葉片攪拌器

攪拌器上面一個葉片用于反應裝置上部物料攪拌，防止結殼；下面一個葉片用于反應裝置中下部反應物攪拌，防止沉淀。

2.6 操作無動力

本設計采用的重錘提升、手動攪拌、手動固液分離、沼液提升等系統，僅靠人力就可以完成整個沼氣生產過程。

3 創新點及其應用

3.1 設計創新點

3.1.1 恒溫太陽能溫度控制系統，其中圓筒錐體池體采用雙層結構，內層采用導熱系數高的PC材料,外層采用導熱系數低的塑料材料，外殼使用石蠟罩進行輔助保溫，保證反應恒溫，并能提高產氣率和產氣季節的時間。

3.1.2 采用圓筒錐體生物質能發酵裝置（圓筒與圓錐接口處采用流線型設計）體設計，重錘提升堵口系統和固液分離系統能達到連續出料，且出料方便，過程安全衛生。固液分離裝置可拆卸，正常產氣時可卸下保養，提高使用壽命。

3.1.3 浮罩式頂蓋，能實現連續加料，并保證加料時不漏氣，提高利用率。

3.1.4 離心式抽拉網固液分離器與手動提水器，保證沼液、沼渣在分離器內自動分離，并保證沼液循環利用。

3.1.5 重錘提升堵口系統，分離器和提水器可實現手動操作，不僅操作簡單，而且不耗費動力，節約能源。

3.1.6 體積靈活，安裝拆卸方便，所需成本低，適合多種地形。

3.2 設計應用價值

沼氣是我國目前大力發展的四大重點可再生能源之一，國家還出臺了許多相關政策鼓勵我國農村地區大力、高效的發展沼氣生產，使得沼氣的建設在農村越來越廣泛，越來越普及。本設計為小戶型生物質能發酵裝置，不僅適合多種地形的應用，而且應用了恒溫太陽能技術，節能環保，產氣率高，所需成本低，適合大范圍內普及，因此，應用的市場很廣。

表1 技術經濟分析表

4 技術經濟分析

本設計所需主要零部件有透明硬塑料筒體、重錘提升及攪拌桿（鋁合金材料）、軸承（3個）、螺母（數個）、太陽能電池板、變壓器、固液離心分離器、皮帶、沼液提升管、接渣盒、加熱棒，各部分造價如表1所示。

表1為4m3物質能反應裝置的造價，6m3的大概需要3 100元。小戶型連續式恒溫生物質能發酵裝置可供小戶人家做飯照明，每年大約節約電費350元，燃料費1 100元，經濟效果好。

［1］朱建明，袁西海，周建方.沼氣實用技術指南［M］.河南：河南科學技術出版社，2008．

［2］劉耕，李景明.放心用氣—農村沼氣利用［M］.北京：中國計劃出版社,2007.

［3］王宇欣，全煥，林聰，等.生態農業園區廢棄物資源化處理利用研究［J］.環境污染治理技術與設備，2006，4（3）.

［4］韓廣偉.太陽能沼氣池溫度控制系統的設計［J］.農機化研究，2008（11）.

［5］鄭愛平，張旭.太陽能沼氣池［J］.建筑節能，2008（4）.