一种减少能源消耗的昼夜两用厌氧发酵装置

技术领域

本发明属于沼气制备技术领域，具体地涉及一种减少能源消耗的昼夜两用厌氧发酵装置。

背景技术

厌氧发酵可以将秸秆等有机物转化为沼气和沼渣，沼气是一种清洁能源，可以替代煤炭等化石能源进行发电，可以有效减少化石能源燃烧带来的环境污染，而沼渣则可以作为有机肥，减少化肥等对土壤的污染。目前，沼气制备主要分为常温和高温两种形式，并且往往需要对沼液不断搅拌；常温制备沼气时，沼气产出速率与产量较低，高温制备沼气时，沼气产出速率与产量较高，但在沼气产生过程中需要对沼液不断加热和搅拌。目前常用的加热和搅拌方式需要消耗外部大量的化石能源，在一定程度上降低了沼气的净产出比重。

现有技术中存在一些关于不依赖化石能源进行加热和搅拌的厌氧发酵装置，如申请号为201810631767.2的专利公开了一种沼气池增温调节装置，包括沼气发生池、太阳能光伏组、太阳能集热器、温差发电器和蓄电池等。该方案中使用太阳能光伏组和温差发电器进行发电，并将电存储在蓄电池中，使用蓄电池进行加热沼液；但是，该方案在使用过程中，对沼液加热不均匀，存在秸秆等有机物的利用效率不高的问题。同样的，又如申请号为202110511581.5的专利公开了一种秸秆、粪便混合厌氧发酵反应器及其发酵沼气工艺，包括罐体、导气管、分散管、喷出管和叶轮等。该方案中使用沼气收集过程中的动力带动叶轮旋转，实现沼液循环。但是，该方案在使用过程中只能确保局部沼液的循环搅拌，容易产生物料部分堆积的情况。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种可实现沼液的均匀加热并防止物料堆积，同时可有效解决沼液加热和搅拌过程中外部化石能源的消耗的减少能源消耗的昼夜两用厌氧发酵装置。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种减少能源消耗的昼夜两用厌氧发酵装置，其特征在于：包括沼气池、太阳能加热沼液装置、收集余热加热沼液装置、搅拌装置和沼气收集装置；

所述沼气池包括池体和设置于池体外的保温外层；在池体内靠近顶部位置设置有分隔板，将池体内分隔为上下两个区域，分隔板下方区域为为厌氧发酵区域；在沼气池上部一侧和底部一侧分别设置有贯穿池体和保温外层的进料口和出料口，在进料口和出料口的外端均安装有阀门；

所述阳能加热沼液装置包括风能动力装置、储液箱、升液管、太阳能沼液加热器、回流管、过滤装置和出液管；所述风能动力装置和储液箱设置于沼气池的外部一侧，所述太阳能沼液加热器安装于沼气池的顶部，所述过滤装置固定安装在池体靠近底部的内壁上；所述出液管贯穿安装于沼气池靠近底部的位置，其内端延伸至过滤装置对应位置，其外端与储液箱的内腔连通；所述风能动力装置包括外壳、风叶、二级增速锥齿轮传动机构和离心装置，风叶、二级增速齿轮传动机构和离心装置依次驱动连接，所述离心装置伸入到储液箱内腔中，离心装置的外壳的下部设置有进液孔、上部设置有出液孔；所述升液管的一端与离心装置的出液孔连接，另一端与太阳能沼液加热器的顶部入液口；太阳能沼液加热器的底部出液口与回流管的上端连接，所述回流管贯穿沼气池的顶部及分隔板，其下端延伸至厌氧发酵区域的上方；

所述收集余热加热沼液装置包括余热收集斗、抽气装置、相变反应装置和散热装置；余热收集斗固定安装在住户厨房内；抽气装置包括抽气泵、导气管Ⅰ和导气管Ⅱ，导气管Ⅰ和导气管Ⅱ均为保温管，导气管Ⅰ顶部固定连接余热收集斗，导气管Ⅰ底部固定连接抽气泵一侧底部，导气管Ⅱ一端固定连接抽气泵另一侧顶部，导气管Ⅱ另一端伸入沼气池内部并与相变反应装置内部连通，相变反应装置内部设置相变材料，相变反应装置固定安装在沼气池内侧靠近底部位置，相变反应装置顶部与散热装置的进气口连通，散热装置为螺旋加热管，散热装置固定安装在池体外侧、保温外层内侧，散热装置出气口设置在保温层外侧。

所述搅拌装置包括气体分散装置、储能装置、传动装置、搅拌器；所述气体分散装置安装在分隔板上端，并与厌氧发酵区域连通，气体分散装置具有通过压力控制阀进行开启和关闭的气体通孔，用于给储能装置提供气驱动力；所述储能装置安装在沼气池顶部，并与气体分散装置对正；所述储能装置为由叶轮组旋转进行储能的装置，所述传动装置连接储能装置的释能端及搅拌器的动力输入端，所述搅拌器沿上下方向伸入到沼气池的厌氧发酵区域；

所述沼气收集装置包括沼气收集管和控制装置；所述沼气收集管一端固定安装在沼气池内部，并位于叶轮组上方位置，沼气收集管另一端位于沼气池的外部，在沼气收集管内设置有控制开关；所述控制装置安装于沼气池的上侧部位置，用于根据沼气池内的沼气压力大小控制沼气收集管的控制开关的开启和关闭。

进一步的：所述二级增速锥齿轮传动机构包括转轴、第一齿轮组、第一传动轴、安装座、第二齿轮组、第二传动轴；转轴转动安装在外壳顶部一侧，转轴外端固定安装有所述风叶；第一齿轮组包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，转轴内端固定安装有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第一传动轴顶部固定安装有第二锥齿轮，安装座固定安装在外壳内部，安装座转动安装有第一传动轴；第二齿轮组包括第三锥齿轮和第四锥齿轮，第一传动轴底部固定安装有第三锥齿轮，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第二传动轴一端固定安装有第四锥齿轮，且第二传动轴中部转动安装在外壳底部一侧，第二传动轴另一端与离心装置驱动连接。

进一步的：所述离心装置包括离心外壳、离心叶片和多个支腿，支腿固定安装在储液箱内底部。

进一步的：所述气体分散装置包括分散管和喷气嘴；分散管顶部固定安装有喷气嘴，且两者相互连通；喷气嘴设置有多个，且多个喷气嘴绕分散管中心线均匀分布，每个喷气嘴内部均设置有压力控制阀。

进一步的：所述储能装置包括叶轮组、转轴Ⅰ、安装座、储能器、联轴器、转轴Ⅱ和壳体，储能器采用扭簧，转轴Ⅱ的上端构成所述释能端；叶轮组由两个错列30°放置的叶轮组成；叶轮组固定安装在转轴底部，安装座转动安装有转轴Ⅰ，转轴Ⅰ顶部与联轴器下部通过下抱紧机构连接，联轴器的外部与扭簧内端连接，扭簧外端安装于壳体内壁，联轴器上部通过上抱紧机构与转轴Ⅱ底部连接。

进一步的：所述搅拌器包括搅拌轴、搅拌叶和辅助电机，搅拌轴的上端构成所述动力输入端；搅拌轴固定安装有搅拌叶，搅拌叶截面为锥型，且搅拌叶上均匀开设储菌孔；搅拌轴底部连接位于沼气池底部的辅助电机。

进一步的：所述传动装置采用传动带，传动带的一端与转轴Ⅱ的上端驱动连接，传动带的另一端与搅拌轴的上端驱动连接。

进一步的：控制装置包括U型管、浮力球和触发连杆；U型管的左端经水平管延伸至池体内分隔板的上方区域，U型管的右端向上延伸并与收集管的外端连通，在U型管内灌注有液态，所述浮力球浮置于U型管的右端液面上；触发连杆的下端与浮力球的下端固定；当U型管内的右端液面上升至高液位液面，所述触发连杆上端与沼气收集管内的控制开关形成触发接触，使沼气收集管导通，实现沼气输出；当U型管内的右端液面下降至低液位液面，所述触发连杆上端与沼气收集管内的控制开关脱离触碰接触，使沼气收集管断路，关闭沼气输出。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明通过风能将从沼气池输出的沼液提升并输入至太阳能加热沼液装置，经太阳能加热后，通过回流管回流至沼气池内的厌氧发酵区域，实现了对沼液的加热，另外，通过收集余热加热沼液装置将厨余热量收集并输入到沼气池内，并通过相变介质进行热量存储，这样可实现在夜间的时候，通过相变介质释放热量，对沼液进行加热，从而实现昼夜加热，保证了沼气产生的效率和产量，与传统厌氧发酵或采用电能加热的装置相比，保证了夜间产生沼气，且降低了能源的消耗。

2、本发明通过将沼气的释放压力蓄能后，驱动搅拌器对沼液进行搅拌，提高了沼液温度的均匀性，避免了沼液中物料的堆积，有利于沼液和厌氧细菌的充分和均匀接触，实现了对物料的充分利用，保证了厌氧发酵过程中沼气的产量和净产出比重。

3、本发明主要依靠风能、太阳内及储热余能实现对沼液的加热和均匀搅拌，大幅度节省了石化能源的利用，降低了厌氧发酵的生产成本。

附图说明

图1是本发明厌氧发酵装置的俯视图；

图2是图1中A-A向截面结构图；

图3是图1中B-B向截面结构图；

图4是图1中C-C向截面侧视结构示意图；

图5是图1中C-C向截面正视结构示意图；

图中：1、沼气池；11、进料口；12、出料口；13、分隔板；14、保温外层；15、池体；2、太阳能加热沼液装置；21、风能动力装置；211、风叶；212、转轴；213、第一齿轮组；2131、第一锥齿轮；2132、第二锥齿轮；214、第一传动轴；215、安装座；216、第二齿轮组；2161、第三锥齿轮；2162、第四锥齿轮；217、第二传动轴；218、离心装置；2181、离心外壳；2182、离心叶片；2183、支腿；219、外壳；22、储液箱；23、升液管；24、太阳能沼液加热器；25、回流管；26、过滤装置；3、收集余热加热沼液装置；31、余热收集斗；32、抽气装置；321、抽气泵；322、导气管Ⅰ；323、导气管Ⅱ；33、相变反应装置；34、散热装置；4、搅拌装置；41、气体分散装置；411、分散管；412、喷气嘴；42、储能装置；421、叶轮组；422、转轴Ⅰ；423、安装座；424、储能器；425、联轴器；426、转轴Ⅱ；427、壳体；43、传动装置；44、搅拌器；441、搅拌轴；442、搅拌叶；443、辅助电机；5、沼气收集装置；51、沼气收集管；52、控制装置；53、控制开关；54、触发连杆；55、浮力球。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

一种减少能源消耗的昼夜两用厌氧发酵装置，请参见图1-5，其发明点为：包括沼气池1、太阳能加热沼液装置2、收集余热加热沼液装置3、搅拌装置4和沼气收集装置5。

各部分的具体结构如下：

1、沼气池

包括池体15、保温外层14、进料口11和出料口12。沼气池整体为圆柱形。其中，池体内靠近顶部位置设置有分隔板13，将池体内分隔为上下两个区域，其中分隔板13下方为厌氧发酵区域，分隔板设置位置距离沼气池底部高度为沼气池总高度的75％-85％。保温外层设置于池体的外侧，两者之间设置有一定间隙，保温外层14外侧为聚苯材料，内部为保温棉材料。进料口11位于沼气池上部一侧，进料口采用L型，进料口贯穿保温外层和池体，其内端与厌氧发酵区域上部连通。出料口位于沼气池底部一侧，出料口贯穿保温外层和池体，其内端与厌氧发酵区域下部连通。在进料口和出料口处均设置有阀门，实现进料口和出料口的开启和关闭

2、太阳能加热沼液装置

包括风能动力装置21、储液箱22、升液管23、太阳能沼液加热器24、回流管25和过滤装置26和出液管27。风能循环动力装置设置在保温外层的外部一侧，且风能动力装置底部固定连接储液箱，储液箱通过管道连接沼气池，且管道伸入沼气池内部一侧设置有过滤装置。升液管连接储液箱，升液管顶端固定连接太阳能沼液加热器顶部入液口，太阳能沼液加热器固定安装在沼气池外顶部，太阳能沼液加热器底部出液口固定连接回流管25，回流管贯穿分隔板并伸入厌氧发酵区域。

风能动力装置21包括风叶211、转轴212、第一齿轮组213、第一传动轴214、安装座215、第二齿轮组216、第二传动轴217、离心装置218和外壳219。转轴转动安装在外壳顶部一侧，转轴位于外壳外部一端固定安装风叶211，第一齿轮组213包括第一锥齿轮2131和第二锥齿轮2132，第一锥齿轮2131直径大于第二锥齿轮2132，转轴212位于外壳219内部一端固定安装第一锥齿轮2131，第一锥齿轮2131与第二锥齿轮2132啮合，第一传动轴214顶部固定安装第二锥齿轮2132，安装座215固定安装在外壳219内部，安装座215转动安装第一传动轴214，第二齿轮组216包括第三锥齿轮2161和第四锥齿轮2162，第三锥齿轮2161直径大于第四锥齿轮2162，第一传动轴214底部固定安装第三锥齿轮2161，第三锥齿轮2161与第四锥齿轮2162啮合，第二传动轴217一端固定安装第四锥齿轮2162，且第二传动轴217中部转动安装在外壳219底部一侧，第二传动轴217另一端与离心装置218驱动连接。离心装置218固定安装在储液箱22内部底侧，升液管23底端伸入储液箱22内部并固定连接离心装置218出液口。离心装置包括离心外壳2181、离心叶片2182和支腿2183，支腿固定安装在储液箱内底部，且支腿有多个。离心外壳的下部设置有进液孔，上部设置有出液孔。风叶运动并在两级变速锥齿轮的作用下实现第二传动轴的高速转动，第二传动轴连接离心叶片且带动离心叶片高速运动，液体在离心叶片的作用下获得离心力，从而实现离心力带动液体上升。

在使用过程中，将配置好的物料和沼液通过进料口11加入沼气池1中，位于沼气池1中的过滤装置26将沼液和物料分离，沼液在重力作用下通过出液管27被通入储液箱22，风叶211将风能转化为动能，并经过转轴212将动能传递至第一齿轮组213，经过一级变速后，第一传动轴214将动能传递至第二齿轮组216，经过二级变速后，第二传动轴217将动能传递至离心装置218，离心装置218为沼液提供离心力，并经过升液管23将沼液升至太阳能集热器24顶部，太阳能集热器24顶部设置温度检测装置，确保加热温度维持在45-60℃，被加热后的沼液通过回流管25流回至沼气池1中的厌氧发酵区域，回流管25上设置的节流阀用于控制沼液回流速度，太阳能沼液加热装置2仅用于白天收集太阳能和风能，实现沼液的加热和循环。

3、收集余热加热沼液装置

包括余热收集斗31、抽气装置32、相变反应装置33和散热装置34。余热收集斗31固定安装在厨房内(可在小区内多家住户的厨房安装余热收集斗)。余热收集斗31优选采用大进气口的锥形结构。抽气装置32包括抽气泵321、导气管Ⅰ322和导气管Ⅱ323，导气管Ⅰ322和导气管Ⅱ323外部设置保温层，且保温层材料为保温棉，导气管Ⅰ322顶部固定连接余热收集斗31，且导气管Ⅰ322底部固定连接抽气泵321一侧底部，导气管Ⅱ323一端固定连接抽气泵321另一侧顶部，且导气管Ⅱ323另一端伸入沼气池1内部并固定连接相变反应装置33，相变反应装置33内部设置相变材料(结晶水合盐、熔融盐等)，相变反应装置33固定安装在沼气池1内部底侧，且相变反应装置33顶部固定连接散热装置34，散热装置34为螺旋加热管，散热装置34固定安装在池体1外侧、保温外层14内侧，且散热装置34出气口设置在保温层外侧。

在使用过程中，余热收集斗31将厨房中多余的热量进行收集，并通过抽气装置32将热空气通入相变反应装置33中，位于相变反应装置33中的相变材料吸收部分热量，其余热量通过散热装置34进行散热并用于加热沼气池1中的沼液，最终空气被排放至沼气池外部，收集余热加热沼液装置3可用于白天和夜间对沼液进行加热，其中夜间由相变反应装置32中的相变材料通过相变反应放热实现沼液的加热。

4、搅拌装置

包括气体分散装置41、储能装置42、传动装置43、搅拌器44。气体分散装置41固定安装在分隔板13顶部，且气体分散装置41和厌氧发酵区域连通，气体分散装置41包括分散管411和喷气嘴412，分散管411顶部固定安装有喷气嘴412，且两者相互连通；喷气嘴412设置有多个，且喷气嘴412绕分散管411中心线均匀分布，喷气嘴412内部设置压力控制阀。储能装置42固定安装在沼气池1顶部，且储能装置42位于气体分散装置41正上方，储能装置42包括叶轮组421、转轴Ⅰ422、安装座423、储能器424、联轴器425、转轴Ⅱ426和壳体427，其中储能器采用扭簧。叶轮组421由两个错列30度放置的叶轮组成，叶轮组421固定安装在转轴Ⅰ422底部，安装座423转动安装转轴Ⅰ422，转轴Ⅰ422顶部与联轴器425下部通过下抱紧机构连接，联轴器425的外部与扭簧的内端连接，储能器424为扭簧，且扭簧外端安装于壳体427内壁，联轴器425上部通过上抱紧机构与转轴Ⅱ426底部连接。传动装置43为传动带，传动装置43转动连接转轴Ⅱ426顶部，所述传动装置43远离储能装置42一侧转动连接搅拌器44，搅拌器44包括搅拌轴441、搅拌叶442、辅助电机443，搅拌轴441固定安装搅拌叶442，搅拌叶442截面为锥型，且搅拌叶442上均匀开设储菌孔，搅拌轴441底部连接位于沼气池1底部的辅助电机443，启动时，辅助电机443和传动装置42同时且同向转动，可避免单一传动装置42无法带动搅拌器44运动，同时减少了电能的消耗。

采用上述搅拌装置，沼气运动带动叶轮组421和转轴Ⅰ422运动，此时下部抱紧机构抱紧转轴Ⅰ422，从而带动储能器424储存能量，当储能器424能量储存到一定值时，上部抱紧机构抱紧转轴Ⅱ426且此时下部抱紧机构松开转轴Ⅰ422，从而使储能器424将储存的能量通过转轴Ⅱ426传递至传动带和搅拌装置。

5、沼气收集装置

包括沼气收集管51和控制装置52，所述沼气收集管51一端固定安装在沼气池1内部，且沼气收集管51位于叶轮组421上方，沼气收集管51贯穿池体1和保温外层14，沼气收集管51内设置控制开关53，沼气收集管51位于沼气池1外部一端固定连接控制装置52一侧，控制装置52另一侧固定安装在沼气池1内壁位于分隔板13上部位置，控制装置52为U型管，且控制装置52内设置浮力球55。

在使用过程中，在太阳能沼液加热装置2和收集余热加热沼液装置3的作用下，位于沼气1中的厌氧发酵区域能够快速产生沼气，沼气被集中在厌氧发酵区域上部、分隔板13下部的区域，当沼气压力达到一定值时，沼气通过分散管411和喷气嘴412直接作用于叶轮组421上，叶轮组421带动扭簧进行转动，从而储存能量；此时沼气被储存在分隔板13上部区域，辅助电机443和扭簧带动搅拌叶442转动实现沼液的搅拌，减少外部电能的消耗，同时，当搅拌叶442处于静止状态时，搅拌叶442上的储菌孔为厌氧菌提供附着区域，重复上述操作，实现沼液的间歇搅拌，当分隔板13上部区域沼气压力达到一定值时，U型管中液体左侧液面下降，U型管右侧液面升高同时带动浮力球上升，浮力球上升到指定位置且通过触发连杆54触发控制开关，从而实现沼气被排出和收集。在沼气排出过程中，叶轮组421转动并带动扭簧423进行转动，从而再次储存能量并配合辅助电机443实现沼液的搅拌。沼气排出后压力下降，U型管两侧液面重新处于平齐状态，浮力球随右侧液面下降，此时控制开关关闭，

当沼气产出速率和产量较低时，通过出料口12将沼液和物料排出，重新添加新的物料和沼液并重复上述操作实现沼气的产出。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。