專利名稱：生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可再生能源綜合利用系統(tǒng)，具體地說是一種生物質能-沼氣發(fā)酵-太 陽能集成利用系統(tǒng)。
背景技術：
我們知道，目前我國農村地區(qū)生物質能源利用有兩種形式， 一種是基于秸稈、可燃垃圾 等低水分生物質的燃料制備，主要用于農村地區(qū)居民炊事集中供氣或小型發(fā)電；另一種是利 用糞便、可腐垃圾等高水分生物質進行碳氫能源轉化產生沼氣，也主要用于農村居民炊事供 氣。但這兩種利用形式均有一定局限性，不能完全解決村莊能源供給與環(huán)境污染問題。
生物質氣化系統(tǒng)具有產氣量大、啟動靈活產氣迅速的優(yōu)點，但生物質燃氣熱值中氮氣占 50%左右，熱值相對較低。而沼氣熱值相對較高，且沼氣清潔度較高，屬于高品質燃料，但 沼氣發(fā)酵系統(tǒng)產氣比較均勻，產氣負荷調節(jié)滯后，靈活性較差，不能滿足短時間內高負荷用 氣的需要。沼氣系統(tǒng)最大的缺陷是冬季運行穩(wěn)定性差的問題，冬季產氣率相當?shù)?，有的甚?無法正常運行，導致系統(tǒng)冬季利用效率低，造成資源的浪費。
目前綜合利用村莊秸稈、糞便、垃圾各種來源的生物質分類后轉化為能源的項目未見報 道。另外，目前國內外的生物質氣化技術和沼氣發(fā)酵技術都是各自獨立的生物質能利用方式， 并未實現(xiàn)兩種技術的有機結合，克服沼氣發(fā)酵冬季穩(wěn)定運行和秸稈燃氣熱值低的缺陷，未能 實現(xiàn)生物質資源利用方式的最優(yōu)配置和資源的高效綜合利用。而研究基于生物質氣化、沼氣 發(fā)酵與太陽能三能合一高效利用的新農村能源供應系統(tǒng)的更是處于完全空白狀態(tài)。從國際聯(lián)
機檢索的結果來肴，未見基于村莊秸稈、糞便、垃圾各種來源的生物質分類氣化與厭氧發(fā)酵 技術有機結合的供能系統(tǒng)的設計與應用，以及以生物質氣和太陽能為熱源的沼氣冬季穩(wěn)定運 行技術的專利報道。 發(fā)明內容
本實用新型為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用 系統(tǒng)，既可實現(xiàn)村鎮(zhèn)人畜糞便和生活污水的集中處理，化污染為沼氣資源，又提升秸稈氣化、 燃氣凈化水平，觶決現(xiàn)有秸稈氣化存在的焦油含量高、熱值低和氣化效率低的難題；又利用 秸稈燃氣和太陽能光熱技術為沼氣發(fā)酵系統(tǒng)進行加熱，解決了沼氣寒冷季節(jié)產氣穩(wěn)定性差的 問題，確保了兩種生物質利用技術的有機結合和相互補充，拓展生物質能的應用領域。
本實用新型的目的是采用下述技術方案實現(xiàn)的 一種生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利
用系
統(tǒng)，由生物質氣化單元、沼氣厭氧發(fā)酵單元、中央集成控制單元、太陽能光熱單元、生物質 燃氣供熱單元、生物質燃氣和沼氣自動混合單元、燃氣輸配和燃氣用戶單元組成，中央控制 單元與其余單元分別連接，生物質氣化單元分別生物質燃氣供熱單元及生物質燃氣和沼氣自
動混合單元相連，沼氣厭氧發(fā)酵單元與生物質燃氣和沼氣自動混合單元相連，生物質燃氣和 沼氣自動混合單元與燃氣輸配和燃氣用戶單元相連，太陽能光熱單元和生物質燃氣供熱單元 分別與沼氣厭氧發(fā)酵單元相連。
所述的生物質氣化單元由加料器、氣化反應爐、燃氣凈化器、電控裝置和風機組成，加 料器、氣化反應爐、燃氣凈化器和風機相串聯(lián)，電控裝置與其它部分通過線路連接。
所述的氣化反應爐由上、下爐體兩部分組成，上爐體上分別設有加料口、觀察門和自動 風門，上爐體內設有錐形體，錐形體與爐體外壁之間設有空腔，空腔下部設有與爐體內相通 的進氣管；下爐體的高徑比為1.5，上部為反應區(qū)，爐體周圈設有爐墻保溫層和水套，中部設 有爐排機構和出氣管，出氣管上設有溫度傳感器；下部為灰室，并設有出灰門。
所述的燃氣凈化器主要由殼體和設于殼體內的噴淋室、氣液室、降膜吸收室、脫濕室組 成，氣液室設于噴淋室的下部，降膜吸收室設于氣液室和噴淋室的右側，脫濕室設于降膜吸 收室的右側；殼體上部設有進氣管，進氣管與噴淋室內相通，噴淋室內設有噴淋裝置；氣液 室內設有的鋸齒狀立板，位于氣液室和降膜吸收室間的隔板下面，深入水下約lOOmm;降膜 吸收室內設有葉輪和隔板，下部設有排污門；脫濕室上部設有出氣口。
所述的沼氣厭氧發(fā)酵單元主要由預處理設備、UASB反應器、凈化裝置依次串接組成， 在預處理設備和UASB反應器均安裝水位傳感器和溫度傳感器，預處理設備包括集水池、隔 柵和潛污泵，隔柵設置在集水池入口處，潛污泵設于集水池內，潛污泵的出水管連接到UASB 反應器內，UASB反應器內產生的沼氣經收集、凈化裝置脫水脫硫及去雜后輸送至儲氣柜。
所述的UASB反應器由進水配水系統(tǒng)、反應區(qū)和三相分離器組成，所述的進水配水系統(tǒng) 由一根主進水管和多根子配水管組成，主進水管伸到UASB反應器底部，然后由沿主進水管 一周均勻分布的多根子配水管均勻分配料液，使微生物與原料充分接觸，并有利于顆粒污泥 的形成。反應區(qū)包括污泥床區(qū)和污泥懸浮區(qū)；三相分離器位于厭氧反應器中上部，與UASB 反應器成55。浸沒于漿面以下,它由氣體收集器和折流擋板組成，整個折流擋板形成一個圓錐 空間，頂部連接氣體收集器，三相分離器的功能就是將沼氣引入氣體收集器，將處理出的水 引入出水區(qū)，將固體顆粒導入反應區(qū)。在折流擋板和氣體收集器之間還放置了一個防堵器， 用以防止固體漂浮和沖出，使MRT比HRT大大增長，有利于沼氣的產出。
所述的太陽能光熱單元由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環(huán)管道和自動控制裝置四部分組 成，太陽能集熱器通過循環(huán)管道、自動控制裝置與儲熱水箱相連；太陽能集熱器進、出口和 儲熱水箱內均安裝溫度傳感器。
所述的生物質燃氣供熱單元由燃氣供熱鍋爐以及與其相連接的進氣管道和輸熱管道組成。
所述的生物H燃氣和沼氣自動混合單元主要由沼氣貯氣柜、生物質燃氣與沼氣混合貯氣 柜、混合風機以及^^氣容量監(jiān)測系統(tǒng)組成，燃氣容量監(jiān)測系統(tǒng)分別與沼氣貯氣柜和生物質燃 氣與沼氣混合貯氣柜相連，在秸稈氣至混合貯氣柜前的管道中安裝有秸稈氣流量計及傳感器，
在沼氣!fc氣柜內和混合氣貯氣柜內均安裝液位傳感器，在沼氣貯氣柜出口設置有流量計，混 合風機設于混合燃氣貯氣柜和沼氣貯氣柜之間，貯氣柜前后端分別設有水封器和阻火器。 所述的燃氣輸配和燃氣用戶單元包括附屬設備、輸氣管網和戶用燃氣設備，附屬設備安
裝與輸氣管網上，輸氣管網與戶用燃氣設備相連；所述的附屬設備包括功能井和安裝在其內 的閥門器、集水器、放散器；閥門器包括閘閥、球閥和旋塞閥，集水器安裝于具有一定坡度 管道的較低處；戶用燃氣設備包括通過管道依次連接的煤氣表、濾清器、閥門、混合燃氣灶 具。
所述的中央集成控制單元包括傳感器、流量計和控制模塊，傳感器和流量計設置在前述 各單元上，傳感器和流量計數(shù)據(jù)通過局域網傳遞到遠程計算機上，安裝在遠程計算機上的控 制模塊分析處理傳遞的數(shù)據(jù)，并做出相應的命令對設備進行控制?？刂颇K主要包括數(shù)據(jù)采 集模塊、數(shù)據(jù)中央處理模塊、數(shù)據(jù)反饋輸出模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要采集氣化爐的產氣量、 溫度等系統(tǒng)關鍵技術參數(shù)，將其轉化為數(shù)字信號，輸送至數(shù)據(jù)中央處理模塊，并與預先設定 參數(shù)進行對比，中央處理模塊向數(shù)據(jù)反饋模塊發(fā)出指令，數(shù)據(jù)反饋模塊再將反饋的數(shù)字信號 轉化為模擬信號，輸送到驅動機構，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化控制。
本實用新型既實現(xiàn)了村鎮(zhèn)人畜糞便和生活污水的集中處理，化污染為沼氣資源，乂提升 了秸稈氣化、燃氣凈化水平，解決了現(xiàn)有秸稈氣化存在的焦油含量高、熱值低和氣化效率低 的難題，研制出適合秸稈氣一沼氣混合燃氣的專用炊事和供暖系統(tǒng)，為建立獨立分布式生物 質供暖系統(tǒng)打下了基礎。
本實用新型的有益效果是
1. 實現(xiàn)了生物質氣化技術、沼氣厭氧發(fā)酵技術和太陽能光熱技術有機結合，建立了基于 生物質氣化、沼氣發(fā)酵與太陽能三能合一高效利用的新農村能源供應系統(tǒng)，產生的高品質混 合燃氣可完全替代常規(guī)能源實現(xiàn)農村地區(qū)的能源自供。
2. 氣化爐采用合理的流線形狀、結構，防止氣態(tài)氯的腐蝕、風門限流氣化劑，梯度燃燒、 氣化，控制反應速度，抑制結渣；集噴淋、沖激、降膜吸收和脫濕功能于一體的閉路循環(huán)凈 化系統(tǒng)，凈化效率高，用水量少，無二次污染。
3. 以生物質燃氣和太陽能為熱源的沼氣發(fā)酵加熱系統(tǒng)實現(xiàn)了兩種能量的高效配比與有效 銜接，成功解決了沼氣冬季運行穩(wěn)定性差的問題，沼氣冬季負荷達到夏季運行負荷的85%以 上，池容產氣率達0.9m3/1113。
4. 生物質燃氣鍋爐為常壓臥式燃氣鍋爐，其中燃燒器采用動力燃燒方式，燃氣的適用范 圍大；點火裝置采用延時互套管技術，具有延時吹掃、自動點火，防爆防熄火功能。
5. 本項目中聯(lián)合供氣技術既提升了燃氣熱值，又利用秸稈燃氣和太陽能光熱技術為沼氣 發(fā)酵系統(tǒng)進行加熱，解決了沼氣寒冷季節(jié)產氣穩(wěn)定性差的問題；中央集中控制系統(tǒng)實現(xiàn)了整 個氣化站的自動控制與監(jiān)測，將可再生能源的綜合利用水平提升到嶄新的高度，為我國可再 生能源利用的產業(yè)化發(fā)展提供技術依據(jù)。.


圖1是本實用新型系統(tǒng)組成示意圖2是本實用新型的氣化反應爐結構示意圖3是本實用新型的燃氣凈化器結構示意圖4是本實用新型的UASB反應器結構示意圖5是本實用新型的沼氣發(fā)酵聯(lián)合加熱系統(tǒng)流程簡圖6是本實用新型的太陽能強制循環(huán)系統(tǒng)示意圖7是本實用新型的太陽能集熱器數(shù)量與能量份額關系曲線其中1.加料口， 2.觀察門，3.自動風門，4.內錐體，5.爐墻保溫層和水套，6.爐排 機構，7.出氣管，8.出灰門，9.上爐體，10.下爐體，11.殼體，12.噴淋室，13.氣液 室，14.降膜吸收室，15.脫濕室，16.進氣管，17.噴淋裝置，18.葉輪，20.排污門， 21.出氣口， 22.主進水管，23.子配水管，24.UASB反應器。
具體實施方式
下面結合附B和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1所示，本系統(tǒng)由生物質氣化單元、沼氣厭氧發(fā)酵單元、中央集成控制單元、太陽 能光熱單元、以生物質燃氣和太陽能為熱源的沼氣加熱系單元、生物質燃氣和沼氣精確自動 混合系單元、燃氣輸配和燃氣用戶單元組成。
生物質氣化單元由加料器、氣化反應爐、凈化器、電控裝置和風機組成。其氣化的工藝 流程為由鑭草機將所含水分低于20%的生物質原料，處理為20mm左右的長度，經加料器 輸送至氣化反應爐內，經熱解、氧化和還原反應，轉換成為可燃氣體。燃氣被送入凈化器， 去除灰塵、焦油等并進行冷卻后，經風機壓送到輸配系統(tǒng)。
本項目中生物質氣化的原料為村莊廢棄秸稈以及其它可燃生物質垃圾，原料的復雜性與 多樣性將對氣化的穩(wěn)定性產生一定的影響，而氣化反應爐是將生物質原料進行熱化學反應轉 換成高品位的可燃氣體的關鍵設備，本項目采用固定床下吸式氣化爐，其結構原理介紹如下。
如圖2所示，氣化爐由上、下爐體9、 IO兩部分組成，上爐體9設有加料口1、觀察門2 和自動風門3，生物質原料由爐頂加料口 l投入爐內，氣化劑由自動風門3進入，上爐體9 內腔的內錐體4與外壁構成空腔，利用干燥區(qū)提供的顯熱預熱，提高氣化劑的溫度和爐內氣 化反應速度，預熱的氣化劑經空腔下部進氣管導入爐內；下爐體10上部為反應區(qū)，周圈設有 爐墻保溫層和水套5，物料在下爐體10內進行熱解氣化反應，在熱解氣化過程中自然形成干 燥區(qū)、熱解區(qū)、氧化區(qū)和還原區(qū)；下爐體10中部設有爐排機構6、出氣管7，下部為灰室， 設有出灰門8，物料反應完全后產生的灰份通過爐排機構6的擺動進入爐體下部灰室，由出 灰門8排出。在千燥區(qū)和氧化區(qū)設有溫度顯示儀表，可以通過控制部件控制氣體的流量來控 制各區(qū)的溫度。
根據(jù)生物質原料復雜多樣的性能特點，為獲取燃氣熱值高、焦油含量低和氣化效率高的 技術指標，本項目氣化爐下爐體的高徑比優(yōu)化為1.5，使反應速度均勻、連續(xù)，不會造成空澗， 氣質穩(wěn)定，運行可靠；提高了氧化還原區(qū)的溫度，促進了焦油裂解，爐內反應完全，熱值提 高、焦油含量降低；為解決生物質原料的復雜與變化引起的燃燒不穩(wěn)及熱值波動的問題，氣 化劑經自動風門限流后進入爐內與原料在T爐體的氧化區(qū)和還原區(qū)梯度燃燒、氣化，控制反 應速度，根據(jù)原料的不同，自動調節(jié)進風量；為防止堿金屬氯化物氣態(tài)氯的重復釋放與金屬 發(fā)生接觸反應，在爐內選擇了合理的流線形狀、結構，并在爐內腔和管道內砌有一定的耐火 材料，抑制由于氣態(tài)氯的釋放不斷將金屬Fe由管道表面內層向外層輸送，降低金屬的腐蝕。 氣化反應爐內產出的燃氣為粗燃氣，溫度高且含有大量焦油和灰分等，需要降溫和凈化, 以保證燃氣應用系統(tǒng)的高效、連續(xù)工作。目前應用較為普遍的凈化裝置主要分為干式除塵和 濕式除塵兩種，但功能相對單一、凈化效果不理想。本凈化裝置集噴淋、沖激、降膜吸收和 脫濕功能于一體，凈化效率高，結構簡單，灰分一次性無動力排出，用水量較少，屬國內首 創(chuàng)。本凈化裝置結構如圖3所示，殼體11其內設置噴淋室12、氣液室13、降膜吸收室14和 脫濕室15。高溫粗燃氣由氣化反應爐通過進氣管16進入噴淋室12，經過噴淋裝置17噴淋冷 卻后進入氣液室13;燃氣在氣液室13內壓力的作用下流入液體，通過氣液室內設于隔板下 面的鋸齒狀立板，產生水氣混合沖激流，從而使氣體破碎，與液體充分混合、接觸，絕大部 分灰塵被水捕獲，焦油氣遇水凝結并混于水中；經初步凈化后的氣體，再進入液體呈膜狀流 動的降膜吸收室14進一步凈化。降膜吸收室14由兩部分組成，首先帶水的氣流自下而上吹 動葉輪18,葉輪18依靠離心作用將水分甩到室壁，使水分流回到氣液室13，氣液室13內水 分是循環(huán)流動的，可將污濁的液體排除，葉輪18的作用可以防止氣流大量帶水，而后氣流流 經隔板表面，未除去的灰塵和焦油附著在上面，并匯集到降膜吸收室14下部排出；最后，潔 凈的濕氣流向上流動經脫濕室15除掉水霧，經過脫濕的燃氣由出氣口21進入輸配系統(tǒng)；凈 化器內的灰分、焦油由排污門20排出，污水由管道排入污水池。該系統(tǒng)是一閉路系統(tǒng)，經物 理和生化處理后的污水可循環(huán)使用。根據(jù)凈化氣體的溫度、成分和對排出氣體的純度要求， 可以設置多級凈化。該凈化器是一個全封閉的集噴淋、沖激、降膜吸收、脫濕于一體的高效 濕式凈化裝置，凈化效率高，焦油含量《0mg/m3，沒有任何氣體泄漏點，燃氣含氧量低于1%， 無安全隱患。
通過各種生物質原料的氣化試驗，氣化系統(tǒng)運行可靠、效果良好，經山東省產品質量監(jiān) 督檢驗所檢測，其主要技術指標與同類機組對比如下表所示
主要 指標低熱值 kJ/m3焦油含量 mg/m3產氣量 氣化效率 m/h (%)
JH型472950400(國9%) 79
JG型494957160(-2.5%) 75
XFF型5000200 72
JQ-C型5200<10700(+1.4%) 78
由上表不難看出，本機組具有熱值高，焦油、硫化氫和氧含量低，氣體純度高等特點， 操作簡單，不污染環(huán)境，成本低廉，是目前較理想的生物質氣化機組。
厭氧發(fā)酵單元主要由預處理設備、UASB改進型反應器、凈化系統(tǒng)組成。其系統(tǒng)工藝流
程為收集的污水自流進集水池，在集水池入口處設置格柵，去除水中的粗大污物。在集水
池內安裝潛污泵，將污水抽至UASB反應裝置，畜禽糞便由裝載機運送到進料斗內，由提升 機構將糞便提升到UASB反應裝置內。污水和畜禽糞便經攪拌裝置充分攪拌后，進行厭氧消 化反應。反應裝置產生的沼氣經收集、凈化裝置脫水脫硫及去雜后輸送至儲氣柜。沼渣定期 排放至平板濾池進行固液分離，固體部分經千化后生產有機肥，液體部分返回集水池，產生 的上淸液自動溢流進沼液儲存池可以直接用于農田灌溉。
本項目中沼氣厭氧發(fā)酵的主要原料為畜禽糞便、可腐垃圾、屠宰污水等高水分生物質， 這些原料中COD、 SOD以及其它成份指標成為厭氧發(fā)酵工藝選擇的關鍵。上流式厭氧污泥床 反應器主體是內裝顆粒厭氧污泥的容器，在其上部設置專用的氣、液、固分離系統(tǒng)，即三相 分離器，它可使反應器中保持大量高活性及良好沉淀性能的厭氧微生物，從工藝上較一般厭 氧裝置的效率高，節(jié)省投資與占地面積，因此本項目中選用UASB生物處理工藝。
UASB為上流式厭氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)，是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的主體 構筑物。其主要凍理是料漿與污水中的有機污染物在厭氧條件下經微生物降解，轉化成甲垸、 二氧化碳等氣體。上流式厭氧污泥床(UASB)反應器中集有大量高效顆?；膮捬跷勰啵?可大大提高COD去除率，減少后續(xù)處理階段的進水負荷，降低后續(xù)運行費用。如圖4所示， UASB的主要由以下幾個關鍵部分組成 進水配水系統(tǒng)
進水配水系統(tǒng)由一根主進水管22和多根子配水管23組成，主進水管伸到UASB反應器 24底部，然后由沿圓周均勻分布的多根子配水管23均勻分配料液，使微生物與原料充分接
觸，并有利于顆粒污泥的形成。進水配水系統(tǒng)主要將料漿盡可能均勻的分布在整個反應器中， 并具有一定的水力攪拌功能，是反應器高效運行的關鍵之一。本項目中配水系統(tǒng)采用防堵設
計，避免了料漿堵塞管道。
反應區(qū)
反應區(qū)包括污泥床區(qū)和污泥懸浮區(qū)，有機物在此區(qū)域被厭氧菌分解，使反應器的主要部位。
三相分離器
三相分離器位于厭氧反應器中上部，由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成，與UASB反應器24 成55°浸沒于漿面以下，它由氣體收集器和折流擋板組成，整個折流擋板形成一個圓錐空間， 頂部連接氣體收集器，三相分離器的功能就是將沼氣引入氣體收集器，將處理出的水引入出 水區(qū)，將固體顆粒導入反應區(qū)。在折流擋板和氣體收集器之間還放置了一個防堵器，用以防 止固體漂浮和沖出，使MRT.比HRT大大增長，有利于沼氣的產出。其功能是把沼氣、污泥
和液體分開。污泥等懸浮物經沉淀區(qū)沉淀后又回流縫回流至反應區(qū)。
在本項目中，根據(jù)反應罐中的懸浮物濃度，確定了三相分離器27最佳的間隙和出水面的 截面比，使進入沉淀區(qū)和保持在污泥相中的絮體的沉淀速度保持最佳。內部沉淀區(qū)占總體積 的15~20%左右。另外根據(jù)所采用原料設計確定了三相分離器27的傾角為55。。確定了分離 器下部氣液界面的面積，沼氣的釋放速率確定為2mS/(m"h)，將釋放管的堵塞率降至較低水 平。
如圖6所示，太陽能光熱單元主要由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環(huán)管道和自動控制四 部分組成。太陽能集熱器通過循環(huán)管道、自動控制裝置與儲熱水箱相連；太陽能集熱器進、 出口和儲熱水箱內均安裝溫度傳感器。本項目中選擇的集熱器具有耐冰凍、啟動快、保溫好、 耐熱沖擊、運行可靠等優(yōu)點，安裝在氣化車間的屋頂上。正常情況下，本系統(tǒng)采用多點定溫 控制上水與溫差控制循環(huán)相結合的運行方式，系統(tǒng)水溫追蹤設定值，保證注入配漿池的水溫 符合設定要求。
沼氣厭氧發(fā)酵系統(tǒng)在冬季進行加熱主要是為了將調節(jié)池內的料漿加熱到30t:，使其注入 UASB反應器后進行中溫發(fā)酵，同時補充由于反應器散熱而損失的能量，保證發(fā)酵系統(tǒng)始終 進行中溫發(fā)酵，保持較髙的產氣率。其理論熱需求量計算如下
Q = cpmAt
其中，0——發(fā),系統(tǒng)熱霈求量；
ep_^^日注入料漿的定壓質量比熱容； m——每日注入料漿的質量；
At一料槳的平均溫升，冬季一般從0'C升高到35'C，其它季節(jié)一般從15 2(TC升高
到35'C。
實際熱需求量計算如下
其中，0'——實際熱需求量；
——鍋爐與換熱器的換熱效率；
^——調節(jié)池內料漿與儲熱水箱中熱水的換熱效率。
由于儲熱水箱具有良好的保溫性能，散熱損失非常小，因此在將調節(jié)池內料漿加熱到設 定溫度后，水箱內的水溫一般仍保持在35~40*C。良好的蓄熱效果大大降低了秸稈燃氣鍋爐 加熱所消耗的燃氣量，縮短了將水箱循環(huán)水加熱到75 8(TC所需的加熱時間。如圖5所示。 太陽能集熱器的安裝及傾角的確定 本項目中太陽能光熱系統(tǒng)采用強制循環(huán)系統(tǒng)，如圖6所示，其任務是在深秋、冬季及早春 季節(jié)收集太陽能，對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)進行加熱，除冬季外，本項目中太陽能光熱系統(tǒng)在其它季 節(jié)單獨使用均可保證沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中溫發(fā)酵的正常運行。根據(jù)天津薊縣邦均鎮(zhèn)的氣象特征， 以及上述季節(jié)太陽能高度角的變化規(guī)律，經過計算，確定本項目中太陽能集熱器的最佳安裝 傾角3-54°53',并根據(jù)此安裝傾角，計算確定出合適的太陽能集熱器安裝位置。 太陽能集熱器面積的確定
如圖7所示，太陽能光熱系統(tǒng)加熱量應滿足沼氣發(fā)酵系統(tǒng)在非冬季運行的全部熱需求量， 并在冬天作為生物質燃氣供熱系統(tǒng)的輔助熱源進行沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的供熱。根據(jù)沼氣發(fā)酵系統(tǒng) 的熱需求計算結果以及反應器內的能量平衡，非冬季沼氣發(fā)酵系統(tǒng)每日的熱需求Q約為 Q=430000kcal。根據(jù)熱需求量、集熱器受熱面傾斜角、受熱面方位角、太陽依存率、集熱器 污垢系數(shù)、水槽及管道熱損失率等參數(shù)，經計算得出本項目所需真空太陽能集熱器共為16塊, 總集熱面積為107m2 。
根據(jù)本項目中配漿池的水JI需求，本項目中設計了一個有效容積為61113的底面為1/4圓的 儲熱水箱，規(guī)格為2n^X3m，安裝在生物質燃氣供熱鍋爐房內。保溫層采用60mm的進口聚氨 酯整體發(fā)泡，外充采用.0.4mm的彩鋼板拉鉚工藝制作。 生物質能供熱系統(tǒng)
本系統(tǒng)是由氣化機組制取的生物質燃氣，經過凈化系統(tǒng)凈化后直接送入供暖鍋爐燃燒系 統(tǒng)，高溫燃氣與二次空氣在獨創(chuàng)的秸稈氣專用燃燒器中進行混合動力燃燒，產生的高溫煙氣 與爐內介質進行換熱，換熱后的介質與太陽能加熱后的水一起由水泵輸送至調節(jié)池，通過盤 管換熱系統(tǒng)將低潘料漿加熱至中溫發(fā)酵的最佳溫度。燃氣鍋爐由燃燒器、換熱設備、常壓臥 式燃氣鍋爐以及電控柜和安全附件組成，具有延時吹掃、自動點火，水位控制，溫度控制裝 置等。系統(tǒng)產生的熱水與太陽能光熱系統(tǒng)產生的熱水一起注入配漿池，將料漿溫度調節(jié)到中 溫發(fā)酵的最佳溫度。本燃氣鍋爐中的秸稈燃氣燃燒器采用預混燃燒方式(又稱動力燃燒)。 采用這種燃燒器具有下列優(yōu)點可使用較低壓力空氣或熱空氣，在較高過?？諝庀禂?shù)下仍能 確保火焰穩(wěn)定，使火焰被吹熄的可能性降至最低；燃氣的適用范圍大，當燃氣質量發(fā)生變化 時，只需改變燃氣與空氣的比例。另外，該燃燒器帶有完備的安全保護裝置-
1、 該燃燒器具有自動點火裝置，為清除爐膛內的殘余燃氣，防止暴燃，設計了點火前延 時吹掃，即在點火前先吹掃15秒，然后自動點火裝置啟動點火。
2、 秸稈燃氣在冷態(tài)點火啟動時不易點火，所以設計了先點小火，然后以小火點大火的互 套點火裝置。
3、 為保證安全，該燃燒器設計了熄火報肇裝置，水位及溫度控制裝置。
4、 因為秸稈燃氣會帶有一定量的焦油， 一般國外先進的燃燒器在進行改造時，都要選配 較為先進的電磁兩，價格相當昂貴，本燃燒器可使焦油隨氣流進入爐膛內燒掉，成本造價較低。
經測定，本鍋爐額定供熱量達0.7MW，熱轉換裝置熱效率達85%以上，燃燒過程中不脫 火、不回火，著火率100%，各項指標完全符合項目預期目標。 生物質燃氣和沼氣精確混合系統(tǒng)
本系統(tǒng)包括沼氣貯氣柜、生物質燃氣與沼氣混合貯氣柜、混合風機、以及燃氣容量監(jiān)測 系統(tǒng)等組成。正常運行過程中，中央控制系統(tǒng)會根據(jù)沼氣貯氣柜與混合燃氣貯氣柜的容量信 號，按照設定的邏輯和程序啟動燃氣輸送風機，實現(xiàn)兩種氣體的精確定比例混合，直到混合 氣量達到設定值， 混合燃氣輸配系統(tǒng)
氣化機組產生的燃氣與沼氣發(fā)酵系統(tǒng)產生的沼氣在混合儲氣柜中混合均勻后通過燃氣輸 配系統(tǒng)送至用戶。燃氣輸配系統(tǒng)包括沼氣貯氣柜、生物質燃氣和沼氣混合貯氣柜、附屬設備 和地下(上)輸氣管網。 燃氣輸配系統(tǒng)的主要部件
貯氣柜的作用是儲存一定量的燃氣，保持恒定的壓力，以調整高峰時的用氣和保證壓力 的穩(wěn)定性。貯氣柜有濕式、干式(或立式和臥式)多種形式，其前后端設有安全裝置水封 器和阻火器。機組工作時，燃氣通過水封器進入貯氣柜；機組停止工作時，水封器阻止燃氣 回流。阻火器安裝于貯氣柜之后、輸氣管道之端，其作用是阻止管網回火時危及貯氣柜。 輸氣管網
輸氣管網是將燃氣供給用戶的管道系統(tǒng)，據(jù)其位置不同，可分為主干管網、支干管網、 用戶引入管和室內管道等。干支管采用淺層直敷埋設在地下，其管道材質可采用鋼管、鑄鐵 管和塑料管。因塑料管具有耐腐蝕、質輕、流體流動阻力小、使用壽命長、施工簡便、可盤 巻、抗拉強度較高等優(yōu)點，通常多釆用塑料管。本系統(tǒng)干、支管均采用塑料管。 附屬設備
為保證管網的安全運行，并考慮到檢修、接線的需要，在管道的適當?shù)攸c設置閥門器、 集水器、放散器等必要的附屬設備。此外，為在地下管網中安裝這些設備，還要修建各類功 能井。閥門器是用來啟閉管道通路或調節(jié)管道內燃氣流量的設備，所用的閥門有閘閥、球閥、 旋塞閥等；集水器是用來排除燃氣管道中冷凝的水蒸氣和輕油分，防止堵塞管道的設備；放 散器則用來排放管道內的混雜氣體，以提高燃氣純度。管道敷設時應有一定坡度，集水器設 在低處，以便將匯集的水分排出，以防堵塞管道。
戶用燃氣系統(tǒng)由煤氣表、濾清器、閥門、混合燃氣灶具依次連接組成。 中央集成控制系統(tǒng)
本項目包含生物質氣化系統(tǒng)、沼氣厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、太陽能光熱系統(tǒng)以及生物質燃氣供熱 系統(tǒng)以及燃氣混合輸配系統(tǒng)等多個部分組成，系統(tǒng)比較復雜，因此，為及時監(jiān)測各個系統(tǒng)的 運行情況并對其進行有效的調控，本項目中設計開發(fā)了中央集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了上述各個 部分的監(jiān)測與高效調控運行，確保了各系統(tǒng)的高效銜接與運行。
監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳感器的配置
(1) 生物質氣化系統(tǒng)
生物質氣化爐出口安裝有溫度傳感器，秸稈氣至混合貯氣柜前管道中安裝有秸稈氣流量 計及傳感器，用于測量燃氣混合時秸稈氣的流量；
(2) 沼氣發(fā)酵系統(tǒng)
在酸化池、調節(jié)池、UASB反應器內均安裝水位傳感器和溫度傳感器，由中央集成控制系 統(tǒng)自動調節(jié)控制液位；
(3) 太陽能光熱系統(tǒng)
太陽能集熱器進、出口、儲熱水箱內均安裝溫度傳感器。
(4) 生物質氣與沼氣混合系統(tǒng) 在沼氣貯氣柜內和混合氣貯氣柜內均安裝液位傳感器，通過設定的程序反映出兩個貯氣
柜中的燃氣i。在沼氣貯氣柜出口設置流量計，用于在兩種燃氣混合時輸出沼氣的流量信號。 控制系統(tǒng)的設計
本項目采用中央控制器采集數(shù)據(jù)并對整個氣化姑的過程進行控制，數(shù)據(jù)通過局域網絡上 傳至遠程計算機，并通過由虛擬儀器構建的軟件包進行數(shù)據(jù)處理和設備控制，當設備發(fā)生故 障時將報警等。系統(tǒng)控制器具有以下優(yōu)點:l)輸入信號可以是開關信號也可以是模擬信號；2) 輸出端口負載能力強；3)連接線簡單；4)通用性強，可靠性高,環(huán)境適應性好；5)操作容易， 可維修性好。 設備控制與算法
(1) 隨機誤差的消除
信號采集過程中溫度傳感器及流量傳感器的測量數(shù)據(jù)中存在著由于環(huán)境因素導致的隨機
誤差，可采用疊加平均法予以消除。計算公式為
——丄xi — x,隱， t
式中i為當采樣數(shù)，i = 2 , 3…。
(2) 流量計算
累計總流量計算公式為z:q,-, + g,，其中Qi為當前流量，
SQw為前次的總流量。
權利要求1.一種生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，主要由生物質氣化單元、沼氣厭氧發(fā)酵單元、燃氣輸配和燃氣用戶單元組成，其特征在于還包括中央集成控制單元、太陽能光熱單元、生物質燃氣供熱單元、生物質燃氣和沼氣自動混合單元，中央控制單元與其余單元分別連接，生物質氣化單元分別與生物質燃氣供熱單元及生物質燃氣和沼氣自動混合單元相連，沼氣厭氧發(fā)酵單元與生物質燃氣和沼氣自動混合單元相連，生物質燃氣和沼氣自動混合單元與燃氣輸配和燃氣用戶單元相連，太陽能光熱單元和生物質燃氣供熱單元分別與沼氣厭氧發(fā)酵單元相連。
2. 根據(jù)權利要求l所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的生物質氣化單元由加料器、氣化反應爐、燃氣凈化器、電控裝置和風機組成，加料器、氣 化反應爐、燃氣凈化器和風機相串聯(lián)，電控裝置與前述各部分通過線路連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的氣化反應爐由上、下爐體兩部分組成，上爐體上分別設有加料口、觀察門和自動風門，上 爐體內設有錐形體，錐形體與爐體外壁之間設有空腔，空腔下部設有與爐體內相通的進氣管; 下爐體的高徑比為1.5，它的上部為反應區(qū)，爐體周圈設有爐墻保溫層和水套，中部設有爐排 機構和出氣管，出氣管上設有溫度傳感器；下部為灰室，并設有出灰門。
4. 根據(jù)權利要求2所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的燃氣凈化器主要由殼體和設于殼體內的噴淋室、氣液室、降膜吸收室、脫濕室組成，氣液 室設于噴淋室的下部，降膜吸收室設于氣液室和噴淋室的右側，脫濕室設于降膜吸收室的右 側；殼體上部設有進氣管，進氣管與噴淋室內相通，噴淋室內設有噴淋裝置；氣液室與降膜 吸收室間的隔板下面設有深入水下的鋸齒狀立板；降膜吸收室內設有葉輪和隔板，下部設有 排污門；脫濕室上部設有出氣口。
5. 根據(jù)權利要求l所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的沼氣厭氧發(fā)酵單元主要由預處理設備、UASB反應器、凈化裝置依次串接組成，在預處理 設備和UASB反應器均安裝水位傳感器和溫度傳感器，預處理設備包括集水池、隔柵和潛污 泵，隔柵設置在集水池入口處，潛污泵設于集水池內，潛污泵的出水管連接到UASB反應器 內，UASB反應器內產生的沼氣經收集、凈化裝置脫水脫硫及去雜后輸送至儲氣柜；所述的 UASB反應器由進水配水系統(tǒng)、反應區(qū)和三相分離器組成，所述的進水配水系統(tǒng)由一根主進 水管和多根子配水管組成，主進水管設于UASB反應器底部，沿主進水管一周均勻分布有多 根子配水管；反應區(qū)包括污泥床區(qū)和污泥懸浮區(qū)；三相分離器位于UASB反應器中上部，與 UASB反應器成55a浸沒于漿面以下，它由氣體收集器和折流擋板組成，整個折流擋板形成 一個圓錐空間，頂部連接氣體收集器，在折流擋板和氣體收集器之間還設置有一個防堵器。
6. 根據(jù)權利要求l所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的太陽能光熱單元由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環(huán)管道和自動控制裝置四部分組成，太陽能集熱器通過循環(huán)管道、自動控制裝置與儲熱水箱相連；太陽能集熱器進、出口和儲熱水箱 內均安裝溫度傳感器。
7. 根據(jù)權利要求1所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的生物質燃氣供熱單元由燃氣供熱鍋爐以及與其相連接的進氣管道和輸熱管道組成。
8. 根據(jù)權利要求1所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的生物質燃氣和沼氣自動混合單元主要由沼氣貯氣柜、生物質燃氣與沼氣混合貯氣柜、混合 風機以及燃氣容量監(jiān)測系統(tǒng)組成，燃氣容量監(jiān)測系統(tǒng)分別與沼氣貯氣柜和生物質燃氣與沼氣 混合貯氣柜相連，在秸稈氣至混合貯氣柜前的管道中安裝有秸稈氣流量計及傳感器，在沼氣 貯氣柜內和混合氣貯氣柜內均安裝液位傳感器，在沼氣貯氣柜出口設置有流量計，混合風機 設于混合燃氣貯氣柜與沼氣貯氣柜之間，貯氣柜前后端分別設有水封器和阻火器。
9. 根據(jù)權利要求1所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述 的燃氣輸配和燃氣用戶單元包括附屬設備、輸氣管網和戶用燃氣設備，附屬設備安裝與輸氣 管網上，輸氣管網與戶用燃氣設備相連；所述的附屬設備包括功能井和安裝在其內的閥門器、 集水器、放散器；閥門器包括閘閥、球閥和旋塞閾，集水器安裝于具有一定坡度管道的較低 處；戶用燃氣設備包括通過管道依次連接的煤氣表、濾清器、閥門、混合燃氣灶具。
10. 根據(jù)權利要求1所述的生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，其特征在于所述的中央集成控制單元包括傳感器、流量計和控制模塊，傳感器和流量計設置在系統(tǒng)的各組成單元上；控制模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)中央處理模塊、數(shù)據(jù)反饋輸出模塊，數(shù)據(jù)采集 模塊通過連線與傳感器、流量計相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種生物質能-沼氣發(fā)酵-太陽能集成利用系統(tǒng)，由生物質氣化單元、沼氣厭氧發(fā)酵單元、中央集成控制單元、太陽能光熱單元、生物質燃氣供熱單元、生物質燃氣和沼氣自動混合單元、燃氣輸配和燃氣用戶單元組成，中央控制單元與其余單元分別連接，生物質氣化單元分別與生物質燃氣供熱單元及生物質燃氣和沼氣自動混合單元相連，沼氣厭氧發(fā)酵單元與生物質燃氣和沼氣自動混合單元相連，生物質燃氣和沼氣自動混合單元與燃氣輸配和燃氣用戶單元相連，太陽能光熱單元和生物質燃氣供熱單元分別與沼氣厭氧發(fā)酵單元相連。本實用新型既可化污染為沼氣資源，又提升秸稈氣化、燃氣凈化水平；又可利用秸稈燃氣和太陽能光熱技術為沼氣發(fā)酵系統(tǒng)進行加熱。
文檔編號C12M1/107GK201062265SQ2007200226
公開日2008年5月21日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權日2007年5月25日
發(fā)明者劉艷濤, 張兆玲, 寧 強, 景元琢, 李景東, 磊 董 申請人:濟南百川同創(chuàng)實業(yè)有限公司