沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置控制理論研究

鄭　勇，焦　靜，王金麗，張　勁，黃正明，曹建華

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江　524091；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南儋州　571737)

0　引言

我國(guó)沼氣事業(yè)發(fā)展主要包括3個(gè)階段—發(fā)展初期、技術(shù)發(fā)展期和發(fā)展成熟期。在發(fā)展初期，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人毛澤東同志提出沼氣的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，20世紀(jì)70年代中期，國(guó)家開始對(duì)發(fā)展沼氣事業(yè)大力扶持[1]，但沼氣池的運(yùn)行存在持續(xù)性差、維護(hù)技術(shù)落后等問(wèn)題，在一定程度上打擊了積極性。在技術(shù)發(fā)展期，開始總結(jié)沼氣建設(shè)存在的問(wèn)題和技術(shù)需求，加大力度提高沼氣生產(chǎn)的技術(shù)創(chuàng)新和可行性改進(jìn)，凸顯了沼氣使用的優(yōu)越性[2]。在發(fā)展成熟期，沼氣事業(yè)的發(fā)展成為我國(guó)一項(xiàng)重大發(fā)展工程，得到了國(guó)家的大力扶持?！笆濉逼陂g，在農(nóng)村沼氣建設(shè)方面，我國(guó)國(guó)家投資142億，2015年投資20億。在我國(guó)沼氣事業(yè)發(fā)展過(guò)程中，政府積極引導(dǎo)和資金扶持，沼氣工程標(biāo)準(zhǔn)體系得到日益完善[3-4]，沼氣利用效益得到增強(qiáng)，沼氣工程建設(shè)管理得到優(yōu)化，節(jié)約了資源，減少了廢棄物排放。但我國(guó)沼氣技術(shù)與歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后，基礎(chǔ)配套設(shè)施還不完善，缺乏技術(shù)人員，沼氣工程系統(tǒng)智能化、信息化水平低，且我國(guó)發(fā)展沼氣的驅(qū)動(dòng)力是為了保護(hù)環(huán)境、建設(shè)美好家園，而歐洲沼氣事業(yè)已經(jīng)是商業(yè)化發(fā)展模式。

在沼氣工程系統(tǒng)中，厭氧發(fā)酵溫度過(guò)低是制約沼氣工程發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素，研究廉價(jià)實(shí)用的沼氣工程增溫裝置顯得非常重要。研究表明，溫度在35℃條件下發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣量是溫度在15oC條件下發(fā)酵的12倍[5]。如何幫助沼氣工程系統(tǒng)增溫保溫，是學(xué)者們關(guān)注的問(wèn)題。學(xué)者們立足廉價(jià)、實(shí)用和清潔的能源角度，研究了將系統(tǒng)管道埋入地下進(jìn)行保溫，以及使用化學(xué)藥劑聚苯乙烯和聚氨酷等材料強(qiáng)化保溫等方式，采用減少系統(tǒng)水的含量的方式降低系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗[6-7]，使用太陽(yáng)能集熱器、沼氣發(fā)電組余熱、生物質(zhì)熱水鍋爐、空氣能熱泵或沼氣燃燒等單種方式和復(fù)合方式進(jìn)行增溫[8-11]，從增溫的經(jīng)濟(jì)效益和能源的利用率方面考評(píng)，結(jié)果都不理想。其中，太陽(yáng)能易受到天氣的影響，穩(wěn)定性較差[12-14]；沼氣發(fā)電余熱能夠通過(guò)專門裝置實(shí)現(xiàn)熱能的回收利用，加熱最快[15-17]；空氣能熱泵是利用空氣中的能量來(lái)進(jìn)行熱能的產(chǎn)生，以消耗最少的能源產(chǎn)生恒溫、大水量、高水壓的一種熱水器。目前，分別經(jīng)過(guò)大功率燃?xì)狻⒋蠊β孰姛崴鳌⑻?yáng)能熱水器、空氣能熱泵4代的發(fā)展，運(yùn)用熱泵工作原理制熱后將熱量輸送給保溫水箱，空氣熱泵制熱不需要陽(yáng)光，能夠連續(xù)產(chǎn)生熱量，且壽命長(zhǎng)，不生產(chǎn)有毒有害氣體。

空氣能熱泵是一項(xiàng)開發(fā)和應(yīng)用潛力比較強(qiáng)大的技術(shù)。西北農(nóng)林科技大學(xué)的苑建偉、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院的魏兆凱等人重點(diǎn)研究了太陽(yáng)能對(duì)沼氣系統(tǒng)的增溫技術(shù)[18-19]，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院的寇巍等人研究了太陽(yáng)能與發(fā)電余熱的復(fù)合模式對(duì)沼氣系統(tǒng)的增溫系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)[20]，西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)部沼氣西北分中心的邱凌等人研究了太陽(yáng)能雙效增溫方式的平衡算法，分析了增溫對(duì)沼氣系統(tǒng)內(nèi)各部分產(chǎn)生的熱利用效率[21]。新型復(fù)合型增溫方式成為系統(tǒng)增溫方面研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

目前，可攪拌式小型沼氣干發(fā)酵裝置，主要有兩種形式，即“外轉(zhuǎn)式—轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵裝置”與“內(nèi)轉(zhuǎn)式—螺帶式攪拌干發(fā)酵裝置”[22]。通過(guò)對(duì)兩種方式進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵裝置的關(guān)鍵部位是發(fā)酵罐體旋轉(zhuǎn)，優(yōu)于螺帶式攪拌干發(fā)酵裝置。其優(yōu)點(diǎn)包括：物料攪拌更均勻且物料無(wú)分層與死角地帶，物料間熱傳遞比較通暢且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出料。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵裝置具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。本文針對(duì)建立的沼氣中試示范基地的轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵裝置中的增保溫裝置，根據(jù)沼氣干發(fā)酵工藝對(duì)溫度的需求，研究了該干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置的物聯(lián)網(wǎng)控制原理。

1　研究理論與方法

1.1沼氣干發(fā)酵工藝流程理論概述

相對(duì)常規(guī)的沼氣發(fā)酵工藝,沼氣干發(fā)酵工藝進(jìn)料干物質(zhì)濃度較高，約20%～40%。常用農(nóng)作物秸稈、生活廢棄垃圾和畜禽糞便等作為發(fā)酵原料，這些原料均是固體有機(jī)廢棄物，含水率低，經(jīng)厭氧發(fā)酵作用后將產(chǎn)生沼氣，沼氣干發(fā)酵又稱固體厭氧發(fā)酵[23]。沼氣干發(fā)酵的生物學(xué)過(guò)程大同小異，關(guān)鍵體現(xiàn)在干發(fā)酵反應(yīng)器裝置上，裝置的不同將帶來(lái)沼氣生產(chǎn)工藝上的差異。

與常用的沼氣發(fā)酵技術(shù)相比，沼氣干發(fā)酵技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①因干物質(zhì)濃度含量高而沒(méi)有流動(dòng)態(tài)的沼液，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；②進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)可有效保持和提升溫度，能耗較低；③沼渣含水率低，易于與秸稈和畜禽糞便等固體物進(jìn)行調(diào)合，可以制作成有機(jī)肥，綜合經(jīng)濟(jì)效益高。但也存在一些問(wèn)題，如發(fā)酵物料攪拌困難、接種物與新料混合不均勻及與最佳微生物生長(zhǎng)環(huán)境相矛盾等問(wèn)題。

本研究依托的沼氣中試基地位于廣東省湛江市，地處亞熱帶地區(qū)，常年氣溫較高，日照時(shí)間長(zhǎng)。本研究因地制宜，根據(jù)轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵裝置的特點(diǎn)和系統(tǒng)需求，采用連續(xù)式中溫一級(jí)消化沼氣發(fā)酵工藝，具體工藝流程如圖1所示。

圖1　沼氣干發(fā)酵設(shè)備流程圖

1.2沼氣干發(fā)酵裝置和工作過(guò)程理論概述

轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵裝置主要部分由轉(zhuǎn)倉(cāng)筒式反應(yīng)器、螺旋混料機(jī)、螺旋提升機(jī)、螺旋進(jìn)料機(jī)、螺旋出料機(jī)及出料帶式輸送機(jī)組成，如圖2所示。

圖2　裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖

該干發(fā)酵裝置的核心部分由轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)倉(cāng)筒式反器、螺旋進(jìn)料機(jī)和螺旋出料機(jī)3部分組成。其中，轉(zhuǎn)倉(cāng)筒式反應(yīng)器是微生物厭氧發(fā)酵原料的主體場(chǎng)所，螺旋進(jìn)料機(jī)負(fù)責(zé)把新鮮物料連續(xù)地送入反應(yīng)器中，螺旋出料機(jī)則負(fù)責(zé)把發(fā)酵后的沼渣連續(xù)地輸送出去；同時(shí)，螺旋進(jìn)、出料機(jī)承擔(dān)著密封進(jìn)出料口的任務(wù)，對(duì)轉(zhuǎn)倉(cāng)筒式反應(yīng)器創(chuàng)造良好厭氧空間具有重要作用。

根據(jù)選定的干發(fā)酵工藝，本干發(fā)酵裝置的主要工作過(guò)程包括：秸稈等原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理后添加接種物(回料)一起送入螺旋混料機(jī)中；攪拌均勻后，經(jīng)螺旋提升機(jī)轉(zhuǎn)送至螺旋進(jìn)料機(jī)，在進(jìn)料螺旋的推動(dòng)作用下，進(jìn)入轉(zhuǎn)倉(cāng)筒式反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧消化；同時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)倉(cāng)筒式反應(yīng)器轉(zhuǎn)動(dòng)，新進(jìn)物料與原來(lái)反應(yīng)器內(nèi)的物料將攪拌混合并分布均勻；發(fā)酵后的沼渣經(jīng)螺旋出料機(jī)送出，落入出料帶式輸送機(jī)的傳送帶上，再落入轉(zhuǎn)運(yùn)小車中，以備后續(xù)工序使用。

本裝置最大的優(yōu)點(diǎn)是混料、提升、進(jìn)料、轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)攪拌混合及出料等各工序工作可以同時(shí)持續(xù)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，沼氣發(fā)酵啟動(dòng)后，厭氧發(fā)酵環(huán)境將保持在一個(gè)較優(yōu)的狀態(tài)，系統(tǒng)產(chǎn)氣平順，甲烷濃度高，突破了批量式干發(fā)酵系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)每次都要經(jīng)歷因啟動(dòng)、高峰、衰減而帶來(lái)的產(chǎn)氣量與甲烷濃度不穩(wěn)的問(wèn)題。

2　理論研究過(guò)程

2.1反應(yīng)器增溫裝置控制需求分析

影響沼氣發(fā)酵的因素很多，但目前有關(guān)沼氣發(fā)酵的相關(guān)研究結(jié)果表明：溫度是沼氣發(fā)酵過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵影響因素，溫度能調(diào)控發(fā)酵菌群的活性，強(qiáng)化產(chǎn)氣效果。如果不采取相應(yīng)的措施維持溫度的穩(wěn)定性，發(fā)酵料液溫度將易受外界氣溫、地溫的直接影響，溫度波動(dòng)較大，降影響微生物生長(zhǎng)，且沼氣產(chǎn)量與甲烷濃度將不穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)前期發(fā)酵溫度對(duì)沼氣干發(fā)酵影響的反復(fù)試驗(yàn)，充分證實(shí)了溫度對(duì)沼氣發(fā)酵的重要影響。因此，根據(jù)本研究確定的示范基地沼氣發(fā)酵工藝，需要確保發(fā)酵溫度保持在中溫區(qū)30～38℃。發(fā)酵溫度對(duì)增溫裝置的控制要求包括：

1)實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。因進(jìn)出料與發(fā)酵都是連續(xù)進(jìn)行的，所以要求整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中溫度都要保持在中溫區(qū)，所設(shè)計(jì)的增溫控制系統(tǒng)應(yīng)能夠快速響應(yīng)溫度的變化，實(shí)時(shí)做出調(diào)整，并能夠準(zhǔn)確地將溫度控制在中溫區(qū)內(nèi)。

2)溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。因溫度波動(dòng)對(duì)沼氣發(fā)酵菌群的影響很大，要求反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵溫度在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中能夠自動(dòng)記錄，并能形成實(shí)時(shí)圖表進(jìn)行輸出。

在滿足以上發(fā)酵工藝的控制要求前提下，根據(jù)反應(yīng)器增溫裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和節(jié)能增效需要，其自身具有兩種工作方式：①在有充足強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射時(shí)，不啟動(dòng)空氣能熱泵，單獨(dú)由太陽(yáng)能集熱聯(lián)箱負(fù)責(zé)為干發(fā)酵反應(yīng)器增保溫；②當(dāng)連續(xù)遭遇陰雨天、白天太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度不夠或夜間條件下，太陽(yáng)能集熱聯(lián)箱不能滿足干發(fā)酵反應(yīng)器增保溫時(shí)，空氣能熱泵啟動(dòng)工作進(jìn)行增保溫。結(jié)合該兩種工作方式，控制系統(tǒng)工作還應(yīng)滿足以下條件：

1)空氣能增溫模塊在水循環(huán)系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)首先啟動(dòng)空氣能熱泵以快速加熱主、副水箱，水溫達(dá)到55℃時(shí)停止加熱；在之后系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)太陽(yáng)能集熱聯(lián)箱能否滿足增保溫的需要，控制啟動(dòng)和停止。

2)啟動(dòng)反應(yīng)器增溫模塊通過(guò)PLC的PID功能控制加溫過(guò)程，持續(xù)加溫到反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到38℃，系統(tǒng)進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。

3)當(dāng)熱量平衡后，保溫過(guò)程主要由太陽(yáng)能集熱聯(lián)箱采集的熱量進(jìn)行維持。

4)使用主保溫水箱中的熱水，當(dāng)主保溫水箱中的熱水溫度低于45℃時(shí)，啟動(dòng)空氣能熱泵加熱副水箱，水溫達(dá)到55℃時(shí)停止空氣能熱泵，打開主、副保溫水箱間的電磁閥與熱水泵，進(jìn)行主副保溫水箱熱水交換。。

5)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制與故障自診斷。由于沼氣發(fā)酵增溫裝置涉及的元件多，空間跨度大，且很多元件都包裹在保溫層內(nèi)，人工控制與檢查費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，要求能具有現(xiàn)場(chǎng)與智能終端遠(yuǎn)程控制結(jié)合及故障自動(dòng)診斷功能。

2.2物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的增溫裝置設(shè)計(jì)

“太陽(yáng)能-空氣能熱泵”多能互補(bǔ)型增溫裝置，主要通過(guò)由紫金真空太陽(yáng)能管組成的太陽(yáng)能集熱聯(lián)箱采集熱量，通過(guò)空氣壓縮機(jī)熱交換產(chǎn)生熱量，把采集或產(chǎn)生的熱量?jī)?chǔ)在水箱中進(jìn)行換熱或存儲(chǔ)，從而提高循環(huán)水的溫度；循環(huán)熱水再通過(guò)轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式反應(yīng)器外壁上的螺旋鋁盤管，以輻射方式與發(fā)酵原料間接進(jìn)行熱交換，以充分利用太陽(yáng)能、空氣低溫?zé)崮埽拐託飧砂l(fā)酵系統(tǒng)溫度保持在中溫發(fā)酵范圍內(nèi)，保持沼氣系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用在盡可能低的水平。增溫裝置原理示意圖如圖3所示。

圖3增溫裝置原理示意圖Fig.3　The working principle diagram of warming facility

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置的控制需求及工作原理分析發(fā)現(xiàn)：增溫裝置物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要為各環(huán)節(jié)的熱水泵、電磁閥及空氣能熱泵和變頻器，檢測(cè)元件主要有電流開關(guān)、水流開關(guān)等開關(guān)量傳感器，以及液位變送器、溫度變送器等模擬量傳感器。這些元件所形成的系統(tǒng)需要控制的點(diǎn)數(shù)較少，需要采集與處理的數(shù)據(jù)量不大，結(jié)合沼氣發(fā)酵過(guò)程控制的特點(diǎn)，本研究擬采用西門子S7-200系列小型PLC可編程控制器作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，云觸摸屏為上位機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，下位機(jī)與上位機(jī)的通信，采用性能可靠的傳統(tǒng)RS485通訊方式，因沼氣基地建已具有有線與無(wú)線電信網(wǎng)絡(luò)，故上位機(jī)與智能終端設(shè)備之間將利用示范基地現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，采用因特網(wǎng)P2P云通訊方式，易于滿足現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)自動(dòng)采集與處理及遠(yuǎn)程云控制與分析的功能需求，實(shí)現(xiàn)增溫裝置控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化?？刂葡到y(tǒng)總體方案如圖4所示。

圖4物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3　研究結(jié)果

本文重點(diǎn)闡述了多能互補(bǔ)型沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理，結(jié)合沼氣干發(fā)酵工藝特點(diǎn)，分析了其在滿足沼氣干發(fā)酵工藝前提下的工況條件對(duì)控制系統(tǒng)的需求，確定了沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體方案。 本文選用由太陽(yáng)能增溫模塊、空氣能增溫模塊、反應(yīng)器增溫模塊及儲(chǔ)熱水箱等四大模塊組成的多能互補(bǔ)型水循環(huán)增溫裝置，采用中溫轉(zhuǎn)筒倉(cāng)式干發(fā)酵方式和因特網(wǎng)P2P云通訊方式，完成了系統(tǒng)的方案總體設(shè)計(jì)，為多功能互補(bǔ)性沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置開發(fā)應(yīng)用提供思路和方法。

4　結(jié)論

發(fā)展農(nóng)村沼氣工程，可以提高農(nóng)業(yè)廢棄物的有效利用，對(duì)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)代控制技術(shù)逐漸成熟，且系統(tǒng)控制模式也趨向于復(fù)雜化、多元化和智能化，多參數(shù)監(jiān)測(cè)、多種傳感器融合、多種控制方式并存，以及增溫保溫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用已成為今后農(nóng)村沼氣工程發(fā)展的趨勢(shì)。目前，在該方面的研究仍處于理論探索階段，實(shí)踐和推廣意義不大。

本研究以提高沼氣的產(chǎn)氣率，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能、遠(yuǎn)程、可視化精準(zhǔn)控制為最終目標(biāo)，充分體現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)理念符合我國(guó)沼氣工程技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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