李龍江 張 覃 楊玉蕊

（ 1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽 550025； 2.貴州非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州貴陽 550025；3.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實驗室，貴州貴陽 550025）

生物質(zhì)能是一種新型清潔的可再生能源，發(fā)展生物質(zhì)能發(fā)酵工藝優(yōu)點多，首先生物質(zhì)能產(chǎn)沼氣可用來發(fā)電、燃燒、保鮮等，可替代柴、煤等不可再生能源，消除燃煤產(chǎn)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(zhì)；其次，開發(fā)和利用生物質(zhì)能技術(shù)可以處理農(nóng)村有機(jī)生活垃圾、保護(hù)水源、降低污染、改良土壤，增加土壤有機(jī)質(zhì)；再次，生物質(zhì)能發(fā)酵利用后的沼液和沼渣可做農(nóng)家肥，對直接和間接減少化肥、農(nóng)藥對環(huán)境的污染具有綜合效益。發(fā)展農(nóng)村沼氣，既節(jié)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(kuò)大發(fā)展規(guī)模，代替煤炭等不可再生能源。

生物質(zhì)能生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，生產(chǎn)逐步一體化、規(guī)?；瑥脑瓉淼男粜蜕a(chǎn)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的大型集中生產(chǎn)。我國的生物質(zhì)能發(fā)酵事業(yè)在20世紀(jì)90年代獲得了迅速的發(fā)展，特別是在農(nóng)村地區(qū)。農(nóng)村戶用生物質(zhì)能發(fā)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(jié)構(gòu)池、混泥土結(jié)構(gòu)池、鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)池、塑料沼氣池、鋼結(jié)構(gòu)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(shù)量最多。該類沼氣池采用磚和混凝土在地下挖坑建池，其優(yōu)點為建池技術(shù)比較成熟，池體結(jié)構(gòu)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(jù)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(jìn)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(nèi)浮渣容易結(jié)殼，又難于破碎；池內(nèi)氣壓反復(fù)變化，對池體強(qiáng)度和燈具、灶具燃燒效率的穩(wěn)定與提高不利，建池質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參差不齊。在結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)的生物質(zhì)能發(fā)酵裝置由進(jìn)料間、發(fā)酵間和出料間組成，其頂端略高于地面，發(fā)酵裝置的進(jìn)料間和出料間位于發(fā)酵間的兩側(cè)，不僅占地面積大，進(jìn)出料不方便，保溫效果也不太理想。近年來，有些地區(qū)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(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)氣工藝，急需一種能耗低，進(jìn)出料管理方便，能連續(xù)生產(chǎn)，保持恒溫的生物質(zhì)能發(fā)酵裝置［3］。

1 發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 發(fā)酵裝置基本要求

小戶型連續(xù)式生物質(zhì)能太陽能發(fā)酵裝置解決了傳統(tǒng)沼氣生產(chǎn)溫度不恒定、產(chǎn)氣率低、進(jìn)料不連續(xù)、出料困難，生產(chǎn)不連續(xù)、沼液沼渣不能完全循環(huán)利用等技術(shù)難題；反應(yīng)裝置體積小，安放方便，能夠廣泛應(yīng)用到農(nóng)村及城市小區(qū)沼氣生產(chǎn)中，提高沼氣的生產(chǎn)效率，達(dá)到沼氣生產(chǎn)產(chǎn)物一體化利用，在生產(chǎn)的過程中不借助任何動力設(shè)備［4-5］。

1.2 主要思路及關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)生物質(zhì)能發(fā)酵裝置的基礎(chǔ)上，研制一種新型連續(xù)式恒溫太陽能生物質(zhì)能發(fā)酵裝置。裝置整體設(shè)計為圓筒結(jié)構(gòu)，設(shè)計采用的主要技術(shù)有：恒溫太陽能技術(shù)，保證沼氣發(fā)酵溫度恒定，提高沼氣產(chǎn)率和產(chǎn)氣季節(jié)的時間；采用浮罩式生物質(zhì)能發(fā)酵裝置蓋，達(dá)到連續(xù)加料不漏氣的目的；采用圓筒錐體生物質(zhì)能發(fā)酵裝置（圓筒與圓錐接口處采用流線型設(shè)計）體設(shè)計和重錘提升卸料，克服出料困難問題；設(shè)置重錘提升堵口系統(tǒng)實現(xiàn)無動力操作；設(shè)置手動攪拌器，保證物料攪拌均勻且能實現(xiàn)破殼；設(shè)置離心式抽拉網(wǎng)固液分離器和手動提水器達(dá)到固液分離、連續(xù)卸料和沼液循環(huán)利用。

1.3 生物質(zhì)能發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

生物質(zhì)能發(fā)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(tǒng)、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(xù)式恒溫太陽能生物質(zhì)能反應(yīng)裝置圖如圖1所示。

本生物質(zhì)能反應(yīng)裝置主要用于小戶型連續(xù)生產(chǎn)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(jìn)料口3投料，物料進(jìn)入生物質(zhì)能發(fā)酵裝置開始反應(yīng)。裝料時重錘18在重錘提升系統(tǒng)1的控制下落下，堵住出料口。產(chǎn)生的沼氣沿導(dǎo)氣管4排入外部沼氣儲存裝置。反應(yīng)的過程中，若溫度低于設(shè)定值，用導(dǎo)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(chǎn)生的電能為生物質(zhì)能發(fā)酵裝置中的水11加熱，達(dá)到一定溫度后，拔掉插銷線即可。待反應(yīng)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(jìn)料口20進(jìn)入離心式抽拉網(wǎng)固液分離器進(jìn)行混合物料分離，同時帶動液體提升器31運轉(zhuǎn)，使沼液通過循環(huán)管32重新進(jìn)入發(fā)酵裝置，達(dá)到循環(huán)利用。

圖1 小戶型連續(xù)式太陽能生物質(zhì)能發(fā)酵裝置工作原理圖及剖面圖

1.4 太陽能恒溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

太陽能恒溫系統(tǒng)主要有太陽能采光帆板、電池板、變壓器、電瓶、導(dǎo)線、導(dǎo)熱棒、貯水容器等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

太陽能電池板33吸收太陽能轉(zhuǎn)換為電能并保存，需要用電時，太陽能電池板內(nèi)的電可通過小型變壓器34轉(zhuǎn)化為220V。生物質(zhì)能發(fā)酵裝置內(nèi)、外殼（8和10）之間充滿加熱水11，水中安置一個環(huán)形加熱棒14，并由插口15連接電源。當(dāng)生物質(zhì)能發(fā)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(zhì)能發(fā)酵裝置內(nèi)外殼中的水加熱，繼而傳熱給池內(nèi)反應(yīng)物，保證恒溫。

1.5 連續(xù)加料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

連續(xù)加料是通過浮罩頂蓋實現(xiàn)的，即反應(yīng)裝置上部不密封，用一個可拆卸的浮罩做蓋。反應(yīng)裝置上部采用雙層設(shè)計，不封口，內(nèi)外殼之間裝滿水。浮罩直徑大于反應(yīng)裝置內(nèi)殼且小于反應(yīng)裝置外殼，放于內(nèi)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(jìn)入液體內(nèi)部，加料時可通過入口直接加料，不影響產(chǎn)氣。另外，可根據(jù)反應(yīng)池內(nèi)壓力大小來調(diào)整浮罩頂蓋的承重。

如圖1進(jìn)料時，通過開關(guān)控制器打開進(jìn)料口3的蓋子，物料通過進(jìn)料口3直接進(jìn)入反應(yīng)裝置中部。不進(jìn)料時，通過開關(guān)控制器關(guān)閉進(jìn)料口3。產(chǎn)生的沼氣通過導(dǎo)氣管4排出，導(dǎo)氣管由通道插入生物質(zhì)能發(fā)酵裝置上部。

1.6 連續(xù)自卸出料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

連續(xù)自動出料是由重錘提升堵口系統(tǒng)、圓筒錐形罐體設(shè)計、罐體底部設(shè)口和離心式抽拉網(wǎng)固液分離裝置共同實現(xiàn)的。重錘提升堵口系統(tǒng)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(wǎng)、一個特質(zhì)長方體外殼、兩個軸承和一個搖桿結(jié)構(gòu)組成。把電動轉(zhuǎn)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(xiàn)聯(lián)合操作。

重錘通過提升操作桿1在進(jìn)、出料時控制重錘的起落。重錘提升桿17采用剛性材料，當(dāng)液體浮力較大時可以通過人力向下按。進(jìn)料及反應(yīng)時，由重錘18堵住反應(yīng)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(zhì)能發(fā)酵裝置中出來的固液混合物由固液分離器進(jìn)料口20進(jìn)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(wǎng)的離心腔21轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生離心力，沼液在離心力作用下從抽拉圓筒網(wǎng)網(wǎng)孔中溢出，溢出的沼液由25流出，固體（沼渣）留在抽拉圓筒網(wǎng)中。打開特質(zhì)長方體外殼，抽出圓筒網(wǎng)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(jìn)行固液分離的同時，液體被提升至反應(yīng)裝置上部，可直接流入反應(yīng)裝置，達(dá)到循環(huán)利用。

固液分離器剖面圖如圖2所示。

圖2 離心抽拉網(wǎng)固液分離器剖面圖

1.7 攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

攪拌系統(tǒng)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(tǒng)由兩個攪拌器，其中上部攪拌器12主要用于反應(yīng)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(yīng)，用于液面上部攪拌，防止反應(yīng)裝置上部結(jié)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(yīng)裝置下部攪拌，防止反應(yīng)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(zhuǎn)動葉片，達(dá)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(zhì)能發(fā)酵裝置可做成4m3、6m3、8m3等，安裝、拆卸及轉(zhuǎn)移較為方便。該裝置實現(xiàn)連續(xù)加料后，產(chǎn)氣量可維持一家日常做飯、照明使用，適用于農(nóng)村小戶沼氣生產(chǎn)和城市小區(qū)有機(jī)廢棄物處理。

2.2 太陽能板可靈活安裝

本設(shè)計利用太陽能加熱水保證生物智能反應(yīng)罐體恒溫。太陽能可依據(jù)安裝地實際情況進(jìn)行放置，需要使用時用導(dǎo)線連接即可，操作方便。

2.3 浮蓋可拆卸

浮蓋可以實現(xiàn)連續(xù)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(zhì)能發(fā)酵裝置內(nèi)部維護(hù)。

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(yīng)裝置上部物料攪拌，防止結(jié)殼；下面一個葉片用于反應(yīng)裝置中下部反應(yīng)物攪拌，防止沉淀。

2.6 操作無動力

本設(shè)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(tǒng)，僅靠人力就可以完成整個沼氣生產(chǎn)過程。

3 創(chuàng)新點及其應(yīng)用

3.1 設(shè)計創(chuàng)新點

3.1.1 恒溫太陽能溫度控制系統(tǒng)，其中圓筒錐體池體采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層采用導(dǎo)熱系數(shù)高的PC材料,外層采用導(dǎo)熱系數(shù)低的塑料材料，外殼使用石蠟罩進(jìn)行輔助保溫，保證反應(yīng)恒溫，并能提高產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣季節(jié)的時間。

3.1.2 采用圓筒錐體生物質(zhì)能發(fā)酵裝置（圓筒與圓錐接口處采用流線型設(shè)計）體設(shè)計，重錘提升堵口系統(tǒng)和固液分離系統(tǒng)能達(dá)到連續(xù)出料，且出料方便，過程安全衛(wèi)生。固液分離裝置可拆卸，正常產(chǎn)氣時可卸下保養(yǎng)，提高使用壽命。

3.1.3 浮罩式頂蓋，能實現(xiàn)連續(xù)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(wǎng)固液分離器與手動提水器，保證沼液、沼渣在分離器內(nèi)自動分離，并保證沼液循環(huán)利用。

3.1.5 重錘提升堵口系統(tǒng)，分離器和提水器可實現(xiàn)手動操作，不僅操作簡單，而且不耗費動力，節(jié)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(shè)計應(yīng)用價值

沼氣是我國目前大力發(fā)展的四大重點可再生能源之一，國家還出臺了許多相關(guān)政策鼓勵我國農(nóng)村地區(qū)大力、高效的發(fā)展沼氣生產(chǎn)，使得沼氣的建設(shè)在農(nóng)村越來越廣泛，越來越普及。本設(shè)計為小戶型生物質(zhì)能發(fā)酵裝置，不僅適合多種地形的應(yīng)用，而且應(yīng)用了恒溫太陽能技術(shù)，節(jié)能環(huán)保，產(chǎn)氣率高，所需成本低，適合大范圍內(nèi)普及，因此，應(yīng)用的市場很廣。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本設(shè)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(shù)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(zhì)能反應(yīng)裝置的造價，6m3的大概需要3 100元。小戶型連續(xù)式恒溫生物質(zhì)能發(fā)酵裝置可供小戶人家做飯照明，每年大約節(jié)約電費350元，燃料費1 100元，經(jīng)濟(jì)效果好。

［1］朱建明，袁西海，周建方.沼氣實用技術(shù)指南［M］.河南：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2008．

［2］劉耕，李景明.放心用氣—農(nóng)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(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)廢棄物資源化處理利用研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，4（3）.

［4］韓廣偉.太陽能沼氣池溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008（11）.

［5］鄭愛平，張旭.太陽能沼氣池［J］.建筑節(jié)能，2008（4）.