小户型连续式太阳能生物质能发酵装置的研究与应用

李龙江 张 覃 杨玉蕊

（ 1.贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025； 2.贵州非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州贵阳 550025；3.贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室，贵州贵阳 550025）

生物质能是一种新型清洁的可再生能源，发展生物质能发酵工艺优点多，首先生物质能产沼气可用来发电、燃烧、保鲜等，可替代柴、煤等不可再生能源，消除燃煤产生的大量煤灰、一氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等有毒气体和致癌物质；其次，开发和利用生物质能技术可以处理农村有机生活垃圾、保护水源、降低污染、改良土壤，增加土壤有机质；再次，生物质能发酵利用后的沼液和沼渣可做农家肥，对直接和间接减少化肥、农药对环境的污染具有综合效益。发展农村沼气，既节约能源又减少污染排放，沼气作为一种新型清洁能源正逐步扩大发展规模，代替煤炭等不可再生能源。

生物质能生产技术已经比较成熟，生产逐步一体化、规模化，从原来的小户型生产模式逐渐转变为现在的大型集中生产。我国的生物质能发酵事业在20世纪90年代获得了迅速的发展，特别是在农村地区。农村户用生物质能发酵装置主要有四种基本类型，分别是水压式、浮罩式、半塑式和罐式沼气池。从形状上来分，有方形、圆柱形、球形、椭球形等；从材料上看，有砖结构池、混泥土结构池、钢筋混泥土结构池、塑料沼气池、钢结构池、玻璃钢沼气池等［1-2］。其中以水压式沼气池最为典型，它在我国推广最早，数量最多。该类沼气池采用砖和混凝土在地下挖坑建池，其优点为建池技术比较成熟，池体结构受力性能良好，而且充分利用土壤的承载能力，省工省料，成本比较低，且形式多样，可根据不同情况合理选择；厕所、猪圈可以建在沼气池上面，粪便随时都能打扫进池，沼气池周围都与土壤接触，对池体保温有一定的作用。缺点是存在着建池挖坑难，占地面积大，且不能移动，活动盖直径不能加大，气密性和保温性能差；没有搅拌装置，池内浮渣容易结壳，又难于破碎；池内气压反复变化，对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高不利，建池质量标准参差不齐。在结构上，传统的生物质能发酵装置由进料间、发酵间和出料间组成，其顶端略高于地面，发酵装置的进料间和出料间位于发酵间的两侧，不仅占地面积大，进出料不方便，保温效果也不太理想。近年来，有些地区正在做玻璃钢地下半埋式球形沼气罐，也未能解决出料难等问题。因此，发展生物质能产气工艺，急需一种能耗低，进出料管理方便，能连续生产，保持恒温的生物质能发酵装置［3］。

1 发酵装置的结构及工作原理

1.1 发酵装置基本要求

小户型连续式生物质能太阳能发酵装置解决了传统沼气生产温度不恒定、产气率低、进料不连续、出料困难，生产不连续、沼液沼渣不能完全循环利用等技术难题；反应装置体积小，安放方便，能够广泛应用到农村及城市小区沼气生产中，提高沼气的生产效率，达到沼气生产产物一体化利用，在生产的过程中不借助任何动力设备［4-5］。

1.2 主要思路及关键技术

在传统生物质能发酵装置的基础上，研制一种新型连续式恒温太阳能生物质能发酵装置。装置整体设计为圆筒结构，设计采用的主要技术有：恒温太阳能技术，保证沼气发酵温度恒定，提高沼气产率和产气季节的时间；采用浮罩式生物质能发酵装置盖，达到连续加料不漏气的目的；采用圆筒锥体生物质能发酵装置（圆筒与圆锥接口处采用流线型设计）体设计和重锤提升卸料，克服出料困难问题；设置重锤提升堵口系统实现无动力操作；设置手动搅拌器，保证物料搅拌均匀且能实现破壳；设置离心式抽拉网固液分离器和手动提水器达到固液分离、连续卸料和沼液循环利用。

1.3 生物质能发酵装置结构及工作原理

生物质能发酵装置主要由太阳能板、浮盖、圆筒锥体池体、重锤提升堵口系统、搅拌器、固液分离器、沼液回收利用管等部分组成，小户型连续式恒温太阳能生物质能反应装置图如图1所示。

本生物质能反应装置主要用于小户型连续生产沼气，可以埋于土坎，也可以用固定装置（如砌砖、做支架等）固定于地面，工作原理如图1所示。从进料口3投料，物料进入生物质能发酵装置开始反应。装料时重锤18在重锤提升系统1的控制下落下，堵住出料口。产生的沼气沿导气管4排入外部沼气储存装置。反应的过程中，若温度低于设定值，用导线35把插孔36和加热棒电源接口15连接起来，通过太阳能产生的电能为生物质能发酵装置中的水11加热，达到一定温度后，拔掉插销线即可。待反应完全后利用重锤提升杆1拉起重锤18，沼渣就会在自重力作用下沿出料口排出。这样就解决了出料困难和不能保持恒定温度的两个难题。摇动手动操作杆28，从进料口20进入离心式抽拉网固液分离器进行混合物料分离，同时带动液体提升器31运转，使沼液通过循环管32重新进入发酵装置，达到循环利用。

图1 小户型连续式太阳能生物质能发酵装置工作原理图及剖面图

1.4 太阳能恒温系统结构及工作原理

太阳能恒温系统主要有太阳能采光帆板、电池板、变压器、电瓶、导线、导热棒、贮水容器等组成，结构图如图1所示。

太阳能电池板33吸收太阳能转换为电能并保存，需要用电时，太阳能电池板内的电可通过小型变压器34转化为220V。生物质能发酵装置内、外壳（8和10）之间充满加热水11，水中安置一个环形加热棒14，并由插口15连接电源。当生物质能发酵装置温度低时用插销线35连接插孔15和36，即可为生物质能发酵装置内外壳中的水加热，继而传热给池内反应物，保证恒温。

1.5 连续加料系统结构及工作原理

连续加料是通过浮罩顶盖实现的，即反应装置上部不密封，用一个可拆卸的浮罩做盖。反应装置上部采用双层设计，不封口，内外壳之间装满水。浮罩直径大于反应装置内壳且小于反应装置外壳，放于内外壳之间，外壳下端浸于密封水中，可有效防止漏气。物料入口有圆锥形通道进入液体内部，加料时可通过入口直接加料，不影响产气。另外，可根据反应池内压力大小来调整浮罩顶盖的承重。

如图1进料时，通过开关控制器打开进料口3的盖子，物料通过进料口3直接进入反应装置中部。不进料时，通过开关控制器关闭进料口3。产生的沼气通过导气管4排出，导气管由通道插入生物质能发酵装置上部。

1.6 连续自卸出料系统结构及工作原理

连续自动出料是由重锤提升堵口系统、圆筒锥形罐体设计、罐体底部设口和离心式抽拉网固液分离装置共同实现的。重锤提升堵口系统由一个提升手柄、一根钢筋和一个重锤组成，钢筋用于提升重锤。分离器由一个可抽拉圆筒网、一个特质长方体外壳、两个轴承和一个摇杆结构组成。把电动转动装置改为手摇操作装置，固液分离操作杆通过皮带与液体提升器连接，可实现联合操作。

重锤通过提升操作杆1在进、出料时控制重锤的起落。重锤提升杆17采用刚性材料，当液体浮力较大时可以通过人力向下按。进料及反应时，由重锤18堵住反应罐下端出口；出料时，由操作杆1提起重锤18，物料就可以由出料口流出，流入固液分离装置。

从生物质能发酵装置中出来的固液混合物由固液分离器进料口20进入固液分离器的离心腔21。通过摇动手摇杆28使抽拉圆筒网的离心腔21转动，从而产生离心力，沼液在离心力作用下从抽拉圆筒网网孔中溢出，溢出的沼液由25流出，固体（沼渣）留在抽拉圆筒网中。打开特质长方体外壳，抽出圆筒网即可用移动式接渣盒装渣，装满即可换盒。提水器31通过皮带30和手动操作杆28相连，摇动操作杆28进行固液分离的同时，液体被提升至反应装置上部，可直接流入反应装置，达到循环利用。

固液分离器剖面图如图2所示。

图2 离心抽拉网固液分离器剖面图

1.7 搅拌系统结构及工作原理

搅拌系统由一根长空心竖杆、一个破壳搅拌器和一个防沉淀搅拌器组成，搅拌杆空心部分安装重锤提升杆。搅拌系统由两个搅拌器，其中上部搅拌器12主要用于反应容器，由一根安装于搅拌器承载杆16上的横杆和分别安于横杆两端的竖杆组成，竖杆出于反应，用于液面上部搅拌，防止反应装置上部结壳；下部搅拌器13是一根安于承载杆上的横杆，主要用于反应装置下部搅拌，防止反应物料沉积，堵塞下端出口。搅拌扇12和13采用刚性材料，安装于中空的承载杆16上，承载杆16套于重锤提升杆外面，通过手摇搅拌扇操作杆2即可转动叶片，达到搅拌效果。

2 性能分析

2.1 大小灵活、适用范围广

本生物质能发酵装置可做成4m3、6m3、8m3等，安装、拆卸及转移较为方便。该装置实现连续加料后，产气量可维持一家日常做饭、照明使用，适用于农村小户沼气生产和城市小区有机废弃物处理。

2.2 太阳能板可灵活安装

本设计利用太阳能加热水保证生物智能反应罐体恒温。太阳能可依据安装地实际情况进行放置，需要使用时用导线连接即可，操作方便。

2.3 浮盖可拆卸

浮盖可以实现连续加料，并保证加料时不漏气。浮盖还可以轻松取下，便于生物质能发酵装置内部维护。

2.4 重锤刚性提升杆

重锤提升杆采用圆柱形刚性材料，直径1cm，提拉过程可保证重锤不偏移。假如下部物料过于黏稠，堵塞出口时可向下按重锤，疏通出口。

2.5 双叶片搅拌器

搅拌器上面一个叶片用于反应装置上部物料搅拌，防止结壳；下面一个叶片用于反应装置中下部反应物搅拌，防止沉淀。

2.6 操作无动力

本设计采用的重锤提升、手动搅拌、手动固液分离、沼液提升等系统，仅靠人力就可以完成整个沼气生产过程。

3 创新点及其应用

3.1 设计创新点

3.1.1 恒温太阳能温度控制系统，其中圆筒锥体池体采用双层结构，内层采用导热系数高的PC材料,外层采用导热系数低的塑料材料，外壳使用石蜡罩进行辅助保温，保证反应恒温，并能提高产气率和产气季节的时间。

3.1.2 采用圆筒锥体生物质能发酵装置（圆筒与圆锥接口处采用流线型设计）体设计，重锤提升堵口系统和固液分离系统能达到连续出料，且出料方便，过程安全卫生。固液分离装置可拆卸，正常产气时可卸下保养，提高使用寿命。

3.1.3 浮罩式顶盖，能实现连续加料，并保证加料时不漏气，提高利用率。

3.1.4 离心式抽拉网固液分离器与手动提水器，保证沼液、沼渣在分离器内自动分离，并保证沼液循环利用。

3.1.5 重锤提升堵口系统，分离器和提水器可实现手动操作，不仅操作简单，而且不耗费动力，节约能源。

3.1.6 体积灵活，安装拆卸方便，所需成本低，适合多种地形。

3.2 设计应用价值

沼气是我国目前大力发展的四大重点可再生能源之一，国家还出台了许多相关政策鼓励我国农村地区大力、高效的发展沼气生产，使得沼气的建设在农村越来越广泛，越来越普及。本设计为小户型生物质能发酵装置，不仅适合多种地形的应用，而且应用了恒温太阳能技术，节能环保，产气率高，所需成本低，适合大范围内普及，因此，应用的市场很广。

表1 技术经济分析表

4 技术经济分析

本设计所需主要零部件有透明硬塑料筒体、重锤提升及搅拌杆（铝合金材料）、轴承（3个）、螺母（数个）、太阳能电池板、变压器、固液离心分离器、皮带、沼液提升管、接渣盒、加热棒，各部分造价如表1所示。

表1为4m3物质能反应装置的造价，6m3的大概需要3 100元。小户型连续式恒温生物质能发酵装置可供小户人家做饭照明，每年大约节约电费350元，燃料费1 100元，经济效果好。

［1］朱建明，袁西海，周建方.沼气实用技术指南［M］.河南：河南科学技术出版社，2008．

［2］刘耕，李景明.放心用气—农村沼气利用［M］.北京：中国计划出版社,2007.

［3］王宇欣，全焕，林聪，等.生态农业园区废弃物资源化处理利用研究［J］.环境污染治理技术与设备，2006，4（3）.

［4］韩广伟.太阳能沼气池温度控制系统的设计［J］.农机化研究，2008（11）.

［5］郑爱平，张旭.太阳能沼气池［J］.建筑节能，2008（4）.