可移動式沼氣罐的設計與研究

肖國良，卜樂平，趙滿全，王　科，劉志鑫，德雪紅，金　敏

(內蒙古農業大學 機電工程學院， 呼和浩特　010018)

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可移動式沼氣罐的設計與研究

肖國良，卜樂平，趙滿全，王科，劉志鑫，德雪紅，金敏

(內蒙古農業大學 機電工程學院， 呼和浩特010018)

摘要：沼氣作為一種可再生的清潔能源一直受到人們的重視，但沼氣池存在發酵受溫度影響較為嚴重、發酵不充分及廢料不易清理等問題。為此，設計了一種可移動的罐體進行發酵，運用SolidWorks軟件對該機構進行建模并通過樣機試制和試驗驗證該機構的可行性。試驗表明：該沼氣罐在溫度提升及發酵的充分性方面均取得不錯的效果，沼氣的產量有明顯的提升。

關鍵詞：可移動式沼氣罐；溫度控制；攪拌；北方寒區

0引言

隨著經濟的快速發展，我國的能源需求急劇增長[1]。沼氣作為我國農村地區清潔能源的主要組成部分，作為連接養殖和種植業的資源循環鏈條，多年來一直受到各級政府的重視和老百姓的歡迎[2]。在我國廣大農村地區發展沼氣，能夠解決農戶生活所需能源，鞏固以退耕還林為重點的生態建設成果，減少人畜糞便和生活污水造成的農業面源污染[3]。

盡管當前沼氣產業正處在一個高速發展的階段，受到了各級政府和人民群眾的歡迎，但在其發展過程中也面臨著不少問題和障礙[4]。有研究結果表明，并不是所有已建沼氣池都在投入使用，投入使用的沼氣池占76.5%；另外，從使用時間來看，沼氣池的總體使用效率僅為64.8%[5]。我國不少省市都在農村推廣過沼氣池的建設，但多數沼氣池質量問題突出，只能使用1～3年，出現了邊建設邊報廢的情況[6]。這使得沼氣在農村的推廣受到了限制，打擊了農民建設沼氣池的積極性。

此外，沼氣池厭氧發酵在我國南方分布較為集中，而在我國北方應用較少。其最為重要的原因是北方冬季溫度較低導致沼氣池不產氣或者產氣很少，因此大面積推廣較為困難。針對溫度達不到發酵要求的問題，嘗試人工加熱的方法，以取得不錯的效果。現在有一些人工增熱的方法：在沼氣池表面覆蓋雜草、塑料膜或裝塑料大棚、在池外大量堆漚秸稈，給沼氣池進行保溫和增溫；地源熱泵式沼氣池加溫系統[7]等等。但這些措施或效果不好或長期投入成本太高，極大地限制了用戶的投資信心。另外，沼氣池還存在發酵不均勻、發酵不充分及廢料難處理困難等問題。為此，設計制造一種能夠解決上述問題的移動式沼氣罐作為小型能源站是十分必要的。

1小型能源站的整體設計

1.1　沼氣罐的總體結構

為克服沼氣池發酵存在的問題和市場上所銷售沼氣罐的不足，提出了新型沼氣罐的設計。該機構主要由鋼架結構、加熱裝置、攪拌器、保溫層及進出料口5大部分組成。通過SolidWorks繪制可移動式沼氣罐的各個零部件然后裝配，裝配圖如圖1所示，主要參數如表1所示。

1.2　太陽能加熱系統

本機構聯合太陽能加熱系統(見圖2、圖3)對沼氣罐進行加熱。系統包括：2臺130L清華紫光太陽能熱水器、12V小型強制循環泵、20W的光伏板、蓄電池、逆變器及溫度控制器等。太陽能熱水器里的熱水由水管通過循環泵流入沼氣罐內，由水管的熱量為沼氣罐傳遞熱能，循環泵所需電源由光伏板提供。

2主要零件結構設計

本設計主要受力零件為鋼架結構和攪拌軸，各標準零件根據工作情況，并結合機械設計手冊，選擇具體型號可以滿足其強度和剛度要求。非標零件在受力不大時，只進行簡單的結構和制造工藝設計就可以滿足相應的結構要求；但非標準零件為主要受力構件時，其強度和剛度要求高，結構設計要求非常嚴格，需通過相關計算或軟件分析設計出滿足工作要求的產品[8]。

1.進料口門框　2.保溫塞　3.進料口蓋　4.出氣口　5.鋼架結構

參數單位數值整機尺寸(長×寬×高)mm3340×2003×1630整機質量kg1200暖氣片數(訂做)片2水龍頭個2軸承座個2軸承個2工字鋼個2泡沫板m2>20三防布m2>20

圖2　太陽能加熱系統原理圖

圖3　太陽能加熱系統實物圖

2.1　鋼架結構設計

可移動式沼氣罐的鋼架結構是由50mm×3mm的扁鋼焊接而成，由于扁鋼較薄，在制作的過程中采用的是點焊工藝。鋼架結構在可移動式沼氣罐作為骨架結構，用于加裝攪拌軸等的剛性支撐結構，如圖4所示。

圖4　鋼架結構

2.2　攪拌器結構設計

資料顯示，螺帶式攪拌器專用于高粘度液體的攪拌，但螺帶式攪拌器與釜壁的間隙很小，故攪拌時能不斷將粘于釜壁的沉積物料刮掉[9]。考慮到沼氣發酵罐中所攪拌的大多為糞便類，因此將攪拌器設計成如圖5所示。攪拌器整軸上段采用阿基米德螺旋線，有利于物料的攪拌。這種螺旋式攪拌器在攪拌過程中速度不可能太快，但在本設計中所需要的攪拌方式并不是連續運轉的，而是間歇式的手動進行操作，所以該結構在實際運轉中是可行的。

該攪拌器是由DN65的圓管鋼制作而成，整個軸長3 500mm。由于攪拌軸的跨度比較長，在攪拌過程中會受到上方發酵原料的垂直壓力，為了避免受力不均而導致軸的損害，故整條軸是由3節短軸由法蘭盤連接而成，如圖5所示。攪棒由直徑為10mm的鋼筋制作而成，整個攪拌軸是由22根攪拌棒呈螺旋狀均勻焊接在圓管上。

圖5　攪拌軸結構

資料顯示[10]，對攪拌軸的設計強調應計算軸的強度(扭矩與彎矩聯合作用下的強度)及臨界轉速。材料力學中指出，凡有精度要求或限制振動的機械，需要考慮軸的剛度；對于攪拌軸，一般情況下沒有此類要求[11]。因此，僅就前兩者必選項目對單跨剛性取剛性僅考慮第1階臨界轉速軸進行分析。

在工業化生產的發酵罐中，較長軸的臨界轉速是攪拌軸軸徑的控制指標，用空心軸代替同外徑的實心軸，大幅度減少了鋼材的用量，也使其臨界轉速有一定的提高。

空心光軸的一階臨界轉速為

(1)

空心光軸的強度為

(2)

按P/n=0.002(P=0.1kW，n=50r/min)計算得ncr=799r/min，τ=1.19Mpa。本軸材料[τ]=32.5MPa，空心光軸的強度遠遠小于材料的強度，強度符合要求。本結構軸的轉速是由手動控制，所以速度也遠遠達不到臨界轉速。

2.3　保溫層結構設計

考慮介質的特性，罐體保溫層的結構設計在吸收借鑒以往設計經驗的基礎上，隔熱形式亦采用夾層式結構[12]。罐體內壁貼有三防布，罐體外部涂有環氧樹脂，內、外罐體間有鋼架結構作為骨架；但鋼架上貼有內外兩層擠聚苯乙烯泡沫板沒有金屬連接，無熱橋，保溫層厚度為200mm。擠聚苯乙烯泡沫板的導熱系數小于等于0.028W/m·K，因此具有高熱阻，低線性膨脹率的特點。鋼筋混凝土的導熱系數是1.74W/m·K，磚石砌體的導熱系數也接近于鋼筋混凝土[13]。由此可知：用擠聚苯乙烯泡沫板作為保溫層其熱量損失要比混凝土澆筑或磚砌沼氣池少得多，結構如圖6所示。

1.擠聚苯乙烯泡沫板　2.鋼架結構　3.三防布　4.環氧樹脂層

3樣機試制與實驗

3.1　樣機試制

結合沼氣發酵的生物學特征、力學特征、發酵的溫度、發酵接觸混合程度、尺寸大小、 發酵模式及結構的設計，進行樣機試制。零部件加工和裝配過程中，受加工條件的影響，對樣機結構做了適當的調整，最終可移動式沼氣發酵罐機樣機如圖7所示。該樣機有效容量為8.5m3。

圖7　可移動沼氣罐樣機

3.2　實驗材料及過程

牛糞和接種物均取自內蒙古和林格爾縣土城子村農戶,牛糞3m3，接種物2.5m3，加人糞尿和少量石灰水溶液。試驗時間在5-6月份進行，為期20天，實驗場地為呼和浩特內蒙古農業大學機械廠。

實驗過程中需要每天定時監測溫度和控制攪拌,溫度監測時間點為10:00、15:00、22:00和5:00；攪拌在發酵第3天開始進行，為手動操作，每分鐘攪拌控制在50轉，每次攪拌2min，每天1次。

3.3　實驗結果

3.3.1太陽能加熱措施對罐內溫度的影響

由于呼和浩特晝夜溫差較大，因此分別測出沼氣罐內白天和夜間的溫度如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知：沼氣罐內的溫度比罐外的溫度有8~12℃的提升，使罐內白天溫度維持在35℃左右，罐內夜間溫度維持在26℃左右。由此可以看出：通過給罐內加熱，沼氣罐的發酵溫度始終維持在26~35℃，該溫度范圍是典型的中溫發酵，具有較高的產氣量。

圖8　白天罐內溫度的變化

圖9　夜間罐內溫度的變化

3.3.2沼氣罐的產氣量

通過對沼氣產氣的監測，得出沼氣的產氣量隨反應時間的變化，如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可知：由于太陽能加熱作用，沼氣罐在第2天就開始迅速產氣，隨后伴隨著攪拌的作用，沼氣的產氣量逐漸增加；并在第10天時達到了日產氣量的峰值；隨著罐內發酵原料的逐漸消耗，沼氣的產氣量開始減少，但在攪拌的作用下罐內原料得到較為充分的發酵，沼氣的產氣量并未出現急劇下降的現象；第20天時沼氣罐的產氣量呈顯著增加趨勢，累積產氣量達到9.46m3，平均日產氣量為0.473m3。資料顯示[14]；一個10m3的沼氣池在未采取任何措施的情況下，沼氣池日均產氣量為0.104m3。

圖10　沼氣罐的日產氣量

圖11　沼氣罐的累積產氣量

4結論

在可移動式沼氣罐的設計過程中，通過SolidWorks軟件對可移動式沼氣罐典型零件的三維建模和參數化設計，并通過樣機的制造完成及為期20天的初次發酵試驗，沼氣罐在罐內溫度的提升方面和充分發酵的攪拌措施上均取得了不錯的效果，未出現大的結構性問題。盡管如此，在某些地方可能還有結構不合理的地方，有待于進一步做出相應改進，逐步完善其功能。

參考文獻：

[1]王 飛，蔡亞慶，仇煥廣.中國沼氣發展的現狀、驅動及制約因素分析[J]．農業工程學報,2012，28(1):184-189.

[2]李景明，薛 梅.中國沼氣產業發展的回顧與展望[J]．可再生能源,2010，28(3):1-5.

[3]張艷麗.我國農村沼氣建設現狀及發展對策[J]．可再生能源,2004(4):5-8.

[4]曾偉民，曹馨予，曲曉雷，等.我國沼氣產業發展歷程及前景[J].安徽農業科學,2013，41(5) :2214-2217.

[5]蔡亞慶，仇煥廣，王金霞，等.我國農村戶用沼氣使用效率及其影響因素研究-基于全國五省調研的實證分析[J]．中國軟科學, 2012(8):58-64.

[6]林聰，王久臣，周長吉,等．沼氣技術理論與工程[M]．北京: 化學工業出版社，2008．

[7]石惠嫻,王韜,朱洪光，等.地源熱泵式沼氣池加溫系統[J].農業工程學報,2010(2):268-273.

[8]李坤,孔德文,張建中,等.粉絲生產線上桿機設計與研究[J].包裝與食品機械,2012(6):38-41.

[9]徐季亮. 攪拌器的選型方法探討[J]. 化工裝備技術,1991(5):24-31.

[10]曾真,彭坤,王為國.發酵罐攪拌軸的優化設計[J]. 食品與機械,2010(6):97-100.

[11]蘇翼林. 材料力學[M].北京:高等教育出版社,1984：68-69，141-142.

[12]萬生太. GHB-55K型不銹鋼保溫罐車罐體保溫層的研究設計[J]. 科技創新導報,2014(7):23-24.

[13]劉華,劉曉霞,李宏宇,等.玻璃鋼沼氣罐[J]. 可再生能源,2002(5):21-23.

[14]王艷芹,劉英,姚利,等.不同措施對北方地區冬季戶用沼氣池料液溫度及產氣量的影響[J]. 中國沼氣,2010(5):31-34.

The Study and Design of Mobile Biogas Tank

Xiao Guoliang， Bu Leping， Zhao Manquan， Wang Ke， Liu Zhixin， De Xuehong， Jin Min

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University , Hohhot 010018, China)

Abstract：Biogas has already attracted the attention for many years as a renewable clean energy. Most rural areas gather biogas fermented in biogas digester. Biogas fermentation is totally influenced by temperature so that there is no biogas produced in chinese cold areas in winter.In order to make the biogas ferment at any time any where and clean the waste conveniently ,a moveable tank was designed.It is heated , warmed and equiped by stirrer to enhance the fermentation.Solidworks is used to build the mechanism model and the prefabrication of this tank proves its feasibility. Accroding to tests ,the biogas tank has ideal results on temperature increase and better fermentation, biogas production has a great improve.

Key words：mobile biogas tank utilization; temperature control; stir; the northern cold area

中圖分類號：S216.4；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0229-05

作者簡介：肖國良(1989-)，男，內蒙古和林格爾人，碩士研究生，(E-mail)1059372358@qq.com。通訊作者：卜樂平(1958-)，男(蒙古族)，呼和浩特人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)buleping1958@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365034)；內蒙古自然科學基金項目(2009MS0802)

收稿日期：2015-09-23