肖國(guó)良，卜樂(lè)平，趙滿(mǎn)全，王　科，劉志鑫，德雪紅，金　敏

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 呼和浩特　010018)

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可移動(dòng)式沼氣罐的設(shè)計(jì)與研究

肖國(guó)良，卜樂(lè)平，趙滿(mǎn)全，王科，劉志鑫，德雪紅，金敏

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(fā)酵受溫度影響較為嚴(yán)重、發(fā)酵不充分及廢料不易清理等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)的罐體進(jìn)行發(fā)酵，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模并通過(guò)樣機(jī)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的可行性。試驗(yàn)表明：該沼氣罐在溫度提升及發(fā)酵的充分性方面均取得不錯(cuò)的效果，沼氣的產(chǎn)量有明顯的提升。

關(guān)鍵詞：可移動(dòng)式沼氣罐；溫度控制；攪拌；北方寒區(qū)

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的能源需求急劇增長(zhǎng)[1]。沼氣作為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)清潔能源的主要組成部分，作為連接養(yǎng)殖和種植業(yè)的資源循環(huán)鏈條，多年來(lái)一直受到各級(jí)政府的重視和老百姓的歡迎[2]。在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)發(fā)展沼氣，能夠解決農(nóng)戶(hù)生活所需能源，鞏固以退耕還林為重點(diǎn)的生態(tài)建設(shè)成果，減少人畜糞便和生活污水造成的農(nóng)業(yè)面源污染[3]。

盡管當(dāng)前沼氣產(chǎn)業(yè)正處在一個(gè)高速發(fā)展的階段，受到了各級(jí)政府和人民群眾的歡迎，但在其發(fā)展過(guò)程中也面臨著不少問(wèn)題和障礙[4]。有研究結(jié)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(shí)間來(lái)看，沼氣池的總體使用效率僅為64.8%[5]。我國(guó)不少省市都在農(nóng)村推廣過(guò)沼氣池的建設(shè)，但多數(shù)沼氣池質(zhì)量問(wèn)題突出，只能使用1～3年，出現(xiàn)了邊建設(shè)邊報(bào)廢的情況[6]。這使得沼氣在農(nóng)村的推廣受到了限制，打擊了農(nóng)民建設(shè)沼氣池的積極性。

此外，沼氣池厭氧發(fā)酵在我國(guó)南方分布較為集中，而在我國(guó)北方應(yīng)用較少。其最為重要的原因是北方冬季溫度較低導(dǎo)致沼氣池不產(chǎn)氣或者產(chǎn)氣很少，因此大面積推廣較為困難。針對(duì)溫度達(dá)不到發(fā)酵要求的問(wèn)題，嘗試人工加熱的方法，以取得不錯(cuò)的效果?，F(xiàn)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(jìn)行保溫和增溫；地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)[7]等等。但這些措施或效果不好或長(zhǎng)期投入成本太高，極大地限制了用戶(hù)的投資信心。另外，沼氣池還存在發(fā)酵不均勻、發(fā)酵不充分及廢料難處理困難等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)制造一種能夠解決上述問(wèn)題的移動(dòng)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(shè)計(jì)

1.1　沼氣罐的總體結(jié)構(gòu)

為克服沼氣池發(fā)酵存在的問(wèn)題和市場(chǎng)上所銷(xiāo)售沼氣罐的不足，提出了新型沼氣罐的設(shè)計(jì)。該機(jī)構(gòu)主要由鋼架結(jié)構(gòu)、加熱裝置、攪拌器、保溫層及進(jìn)出料口5大部分組成。通過(guò)SolidWorks繪制可移動(dòng)式沼氣罐的各個(gè)零部件然后裝配，裝配圖如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

1.2　太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)

本機(jī)構(gòu)聯(lián)合太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)(見(jiàn)圖2、圖3)對(duì)沼氣罐進(jìn)行加熱。系統(tǒng)包括：2臺(tái)130L清華紫光太陽(yáng)能熱水器、12V小型強(qiáng)制循環(huán)泵、20W的光伏板、蓄電池、逆變器及溫度控制器等。太陽(yáng)能熱水器里的熱水由水管通過(guò)循環(huán)泵流入沼氣罐內(nèi)，由水管的熱量為沼氣罐傳遞熱能，循環(huán)泵所需電源由光伏板提供。

2主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要受力零件為鋼架結(jié)構(gòu)和攪拌軸，各標(biāo)準(zhǔn)零件根據(jù)工作情況，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇具體型號(hào)可以滿(mǎn)足其強(qiáng)度和剛度要求。非標(biāo)零件在受力不大時(shí)，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和制造工藝設(shè)計(jì)就可以滿(mǎn)足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)要求；但非標(biāo)準(zhǔn)零件為主要受力構(gòu)件時(shí)，其強(qiáng)度和剛度要求高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格，需通過(guò)相關(guān)計(jì)算或軟件分析設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足工作要求的產(chǎn)品[8]。

1.進(jìn)料口門(mén)框　2.保溫塞　3.進(jìn)料口蓋　4.出氣口　5.鋼架結(jié)構(gòu)

參數(shù)單位數(shù)值整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm3340×2003×1630整機(jī)質(zhì)量kg1200暖氣片數(shù)(訂做)片2水龍頭個(gè)2軸承座個(gè)2軸承個(gè)2工字鋼個(gè)2泡沫板m2>20三防布m2>20

圖2　太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)原理圖

圖3　太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)實(shí)物圖

2.1　鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖4　鋼架結(jié)構(gòu)

2.2　攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

資料顯示，螺帶式攪拌器專(zhuān)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(shí)能不斷將粘于釜壁的沉積物料刮掉[9]?？紤]到沼氣發(fā)酵罐中所攪拌的大多為糞便類(lèi)，因此將攪拌器設(shè)計(jì)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(guò)程中速度不可能太快，但在本設(shè)計(jì)中所需要的攪拌方式并不是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，而是間歇式的手動(dòng)進(jìn)行操作，所以該結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中是可行的。

該攪拌器是由DN65的圓管鋼制作而成，整個(gè)軸長(zhǎng)3 500mm。由于攪拌軸的跨度比較長(zhǎng)，在攪拌過(guò)程中會(huì)受到上方發(fā)酵原料的垂直壓力，為了避免受力不均而導(dǎo)致軸的損害，故整條軸是由3節(jié)短軸由法蘭盤(pán)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(gè)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(jié)構(gòu)

資料顯示[10]，對(duì)攪拌軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)應(yīng)計(jì)算軸的強(qiáng)度(扭矩與彎矩聯(lián)合作用下的強(qiáng)度)及臨界轉(zhuǎn)速。材料力學(xué)中指出，凡有精度要求或限制振動(dòng)的機(jī)械，需要考慮軸的剛度；對(duì)于攪拌軸，一般情況下沒(méi)有此類(lèi)要求[11]。因此，僅就前兩者必選項(xiàng)目對(duì)單跨剛性取剛性?xún)H考慮第1階臨界轉(zhuǎn)速軸進(jìn)行分析。

在工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)酵罐中，較長(zhǎng)軸的臨界轉(zhuǎn)速是攪拌軸軸徑的控制指標(biāo)，用空心軸代替同外徑的實(shí)心軸，大幅度減少了鋼材的用量，也使其臨界轉(zhuǎn)速有一定的提高。

空心光軸的一階臨界轉(zhuǎn)速為

(1)

空心光軸的強(qiáng)度為

(2)

按P/n=0.002(P=0.1kW，n=50r/min)計(jì)算得ncr=799r/min，τ=1.19Mpa。本軸材料[τ]=32.5MPa，空心光軸的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度，強(qiáng)度符合要求。本結(jié)構(gòu)軸的轉(zhuǎn)速是由手動(dòng)控制，所以速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到臨界轉(zhuǎn)速。

2.3　保溫層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮介質(zhì)的特性，罐體保溫層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在吸收借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，隔熱形式亦采用夾層式結(jié)構(gòu)[12]。罐體內(nèi)壁貼有三防布，罐體外部涂有環(huán)氧樹(shù)脂，內(nèi)、外罐體間有鋼架結(jié)構(gòu)作為骨架；但鋼架上貼有內(nèi)外兩層擠聚苯乙烯泡沫板沒(méi)有金屬連接，無(wú)熱橋，保溫層厚度為200mm。擠聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)小于等于0.028W/m·K，因此具有高熱阻，低線性膨脹率的特點(diǎn)。鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是1.74W/m·K，磚石砌體的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.擠聚苯乙烯泡沫板　2.鋼架結(jié)構(gòu)　3.三防布　4.環(huán)氧樹(shù)脂層

3樣機(jī)試制與實(shí)驗(yàn)

3.1　樣機(jī)試制

結(jié)合沼氣發(fā)酵的生物學(xué)特征、力學(xué)特征、發(fā)酵的溫度、發(fā)酵接觸混合程度、尺寸大小、 發(fā)酵模式及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行樣機(jī)試制。零部件加工和裝配過(guò)程中，受加工條件的影響，對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最終可移動(dòng)式沼氣發(fā)酵罐機(jī)樣機(jī)如圖7所示。該樣機(jī)有效容量為8.5m3。

圖7　可移動(dòng)沼氣罐樣機(jī)

3.2　實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程

牛糞和接種物均取自?xún)?nèi)蒙古和林格爾縣土城子村農(nóng)戶(hù),牛糞3m3，接種物2.5m3，加人糞尿和少量石灰水溶液。試驗(yàn)時(shí)間在5-6月份進(jìn)行，為期20天，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為呼和浩特內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要每天定時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和控制攪拌,溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)為10:00、15:00、22:00和5:00；攪拌在發(fā)酵第3天開(kāi)始進(jìn)行，為手動(dòng)操作，每分鐘攪拌控制在50轉(zhuǎn)，每次攪拌2min，每天1次。

3.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1太陽(yáng)能加熱措施對(duì)罐內(nèi)溫度的影響

由于呼和浩特晝夜溫差較大，因此分別測(cè)出沼氣罐內(nèi)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(nèi)的溫度比罐外的溫度有8~12℃的提升，使罐內(nèi)白天溫度維持在35℃左右，罐內(nèi)夜間溫度維持在26℃左右。由此可以看出：通過(guò)給罐內(nèi)加熱，沼氣罐的發(fā)酵溫度始終維持在26~35℃，該溫度范圍是典型的中溫發(fā)酵，具有較高的產(chǎn)氣量。

圖8　白天罐內(nèi)溫度的變化

圖9　夜間罐內(nèi)溫度的變化

3.3.2沼氣罐的產(chǎn)氣量

通過(guò)對(duì)沼氣產(chǎn)氣的監(jiān)測(cè)，得出沼氣的產(chǎn)氣量隨反應(yīng)時(shí)間的變化，如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可知：由于太陽(yáng)能加熱作用，沼氣罐在第2天就開(kāi)始迅速產(chǎn)氣，隨后伴隨著攪拌的作用，沼氣的產(chǎn)氣量逐漸增加；并在第10天時(shí)達(dá)到了日產(chǎn)氣量的峰值；隨著罐內(nèi)發(fā)酵原料的逐漸消耗，沼氣的產(chǎn)氣量開(kāi)始減少，但在攪拌的作用下罐內(nèi)原料得到較為充分的發(fā)酵，沼氣的產(chǎn)氣量并未出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象；第20天時(shí)沼氣罐的產(chǎn)氣量呈顯著增加趨勢(shì)，累積產(chǎn)氣量達(dá)到9.46m3，平均日產(chǎn)氣量為0.473m3。資料顯示[14]；一個(gè)10m3的沼氣池在未采取任何措施的情況下，沼氣池日均產(chǎn)氣量為0.104m3。

圖10　沼氣罐的日產(chǎn)氣量

圖11　沼氣罐的累積產(chǎn)氣量

4結(jié)論

在可移動(dòng)式沼氣罐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)可移動(dòng)式沼氣罐典型零件的三維建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)樣機(jī)的制造完成及為期20天的初次發(fā)酵試驗(yàn)，沼氣罐在罐內(nèi)溫度的提升方面和充分發(fā)酵的攪拌措施上均取得了不錯(cuò)的效果，未出現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。盡管如此，在某些地方可能還有結(jié)構(gòu)不合理的地方，有待于進(jìn)一步做出相應(yīng)改進(jìn)，逐步完善其功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王 飛，蔡亞慶，仇煥廣.中國(guó)沼氣發(fā)展的現(xiàn)狀、驅(qū)動(dòng)及制約因素分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012，28(1):184-189.

[2]李景明，薛 梅.中國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的回顧與展望[J]．可再生能源,2010，28(3):1-5.

[3]張艷麗.我國(guó)農(nóng)村沼氣建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J]．可再生能源,2004(4):5-8.

[4]曾偉民，曹馨予，曲曉雷，等.我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程及前景[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013，41(5) :2214-2217.

[5]蔡亞慶，仇煥廣，王金霞，等.我國(guó)農(nóng)村戶(hù)用沼氣使用效率及其影響因素研究-基于全國(guó)五省調(diào)研的實(shí)證分析[J]．中國(guó)軟科學(xué), 2012(8):58-64.

[6]林聰，王久臣，周長(zhǎng)吉,等．沼氣技術(shù)理論與工程[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)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(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(2):268-273.

[8]李坤,孔德文,張建中,等.粉絲生產(chǎn)線上桿機(jī)設(shè)計(jì)與研究[J].包裝與食品機(jī)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(shù),1991(5):24-31.

[10]曾真,彭坤,王為國(guó).發(fā)酵罐攪拌軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 食品與機(jī)械,2010(6):97-100.

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

[12]萬(wàn)生太. GHB-55K型不銹鋼保溫罐車(chē)罐體保溫層的研究設(shè)計(jì)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),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(duì)北方地區(qū)冬季戶(hù)用沼氣池料液溫度及產(chǎn)氣量的影響[J]. 中國(guó)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(lèi)號(hào)：S216.4；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0229-05

作者簡(jiǎn)介：肖國(guó)良(1989-)，男，內(nèi)蒙古和林格爾人，碩士研究生，(E-mail)1059372358@qq.com。通訊作者：卜樂(lè)平(1958-)，男(蒙古族)，呼和浩特人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)buleping1958@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365034)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2009MS0802)

收稿日期：2015-09-23