一种使用风能加热和搅拌的厌氧发酵装置

技术领域

本发明属于沼气制备技术领域，具体地涉及一种使用风能加热和搅拌的厌氧发酵装置。

背景技术

厌氧发酵可以将废弃有机物转化为沼气和沼渣，沼气可以用于替代煤炭等化石能源进行发电，从而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，沼气制备常消耗外部大量的化石能源对沼液不断加热和搅拌，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加热和搅拌，容易产生物料加热不均匀和部分堆积的情况。

现有的绿色环保能源常见的有风能、太阳能等多种方式，如何将其中一种或多种结合起来使用，应用到废弃有机物的厌氧发酵，以实现减小石化能源的消耗，减少环境污染，是本领域的一个重要研究分支方向。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种可有效确保沼液的均匀加热并防止物料堆积，同时，减少沼液加热和搅拌过程中外部化石能源的消耗的使用风能加热和搅拌的厌氧发酵装置。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种使用风能加热和搅拌的厌氧发酵装置，其特征在于：包括沼气池、风能加热空气装置、风能动力装置和搅拌装置；

所述沼气池为在池体外设置有保温层的双层结构；在沼气池靠近顶部的一侧壁上设置有进料口，在沼气池靠近顶部的另一侧壁上设置有收集沼气口；在沼气池靠近底部的侧壁上设置有出料口；在池体顶部位于保温层内部设置有散气口；在进料口和出料口处均安装有控制阀，在收集沼气口处安装有压力控制阀；

所述风能加热空气装置包括空气加热器、输气管、空气收集箱、散热器，空气加热器包括空气加热箱和空气加热执行机构；空气加热箱与空气收集箱通过输气管连通，空气加热箱、输气管和空气收集箱设置于沼气池外；所述散热器采用螺旋散热管结构，螺旋散热管置于池体与保温层之间，并环套固定于池体外侧；散热器的底部进气口贯穿保温层并与空气加热箱靠近下部的位置贯通，散热器的顶部出气口贯穿保温层并与空气收集箱贯通，形成气循环通路；

所述空气加热执行机构采用由外置的第一风叶驱动的压缩活塞往复运动机构，压缩活塞以沿上下方向可移动且与空气加热箱的内侧壁密封接触的方式设置于空气加热箱内；

所述风能动力装置包括外壳体及由第二风叶驱动的两级增速锥齿轮传动机构；所述外壳体由位于上部的圆柱形外壳和位于下部的方形外壳两部分构成；上部圆柱形外壳设置于地面以上，下部方形外壳体设置于地面以下；在两级锥齿轮传动机构的水平输出末端固定安装有增压叶片；在池体外与保温层内之间的空间与外壳体的下部方形外壳内通过通气口连通，通气口向下延伸至增压叶片前端一个封闭的空间内；

所述搅拌装置包括文丘里管道、动力装置、伸缩杆、活塞、涡环产生器；文丘里管道大径端与外壳体的下部方形外壳靠近增压叶片的一侧连通，文丘里管道小径端连通动力装置的外壳；动力装置采用液压装置，用于驱动活塞上行，对通入的沼气施加向上的压力，使涡环产生器形成通路；所述涡环产生器位于沼气池底部、活塞上方，用于使沼气形成涡环，并从池体的底板扩散至池体内。

进一步的：所述空气加热执行机构包括第一风叶、第一转轴、转动盘、连杆、压缩活塞；所述第一转轴贯穿且以可转动的方式支撑在空气加热箱的一侧侧壁上；第一风叶固定安装在第一转轴的外端；转动盘置于空气加热箱内并固定安装在第一转动的内端；连杆设置于空气加热箱内并位于压缩活塞的上方，连杆的上端与转动盘通过销轴形成偏心可相对转动式连接，连杆的下端与压缩活塞的上端中部位置可转动式连接。

进一步的：所述两级增速锥齿轮传动机构包括第二转轴、第一齿轮组、第一安装座、第一传动轴、第二齿轮组、第二传动轴、第二安装座；第一齿轮组包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，第二齿轮组包括第三锥齿轮和第四锥齿轮；所述第二转轴可转动式穿装在外壳体的上部圆柱形外壳部分的一侧壁上；在第二转轴的外端固定安装有所述第二风叶，第二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，第二锥齿轮固定安装在第一传动轴顶部，第一安装座转动连接第一传动轴，第一安装座固定安装在外壳体的上部圆柱形外壳内部，第一传动轴底部固定安装第三锥齿轮，第三锥齿轮位于外壳体的下部方形外壳内部，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮固定安装在第二传动轴一端，第二安装座转动连接第二传动轴，第二安装座固定安装在外壳体的下部方形外壳内部，第二传动轴另一侧固定安装所述增压叶片。

更进一步的：所述通气口向下延伸至位于第二安装座和增压叶片之间的中间上部。

进一步的：所述文丘里管道包括小径段、锥径段和大径段三部分；文丘里管道的小径段和锥径段长度大于文丘里管道的大径段长度。

进一步的：涡环产生器包括倒锥形壳、大锥形塞、连接柱、小锥形塞；大锥塞通过连接柱与小锥塞形成上下同轴连接，三者置于倒锥形壳内，倒锥形壳的上端与池体的底板连通；

所述大锥形塞为倒锥形，且大锥形塞底部直径大于倒锥形壳下部颈口直径，小锥形塞为正锥形，且小锥形塞底部直径大于倒锥形壳下部颈口直径。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明通过第一风叶的旋转，对空气进行加热，并通过热空气的循环实现对沼液的加热，从而避免了采用石化能源对沼气进行加热，节省了能源，实现了风能的利用。

2、本发明的沼气池采用池体和保温层的复合层结构，一方面起到保温作用，另一方面可便于设置散热器，实现对沼液的加热，从而可以提高沼气的产出速率和沼气的产量，确保沼气的最大净产出比。

3、本发明通过第二风叶的旋转和两级增速锥齿轮传动机构，将风动动力传动到增压叶片，通过增压叶片将从沼气池夹层底部流出的沼气推送至搅拌装置，在搅拌装置内通过两级增压，并形成涡环流输送至池体内的底板位置，实现对池体内沼液的搅拌，保证了沼液加热的均匀性，有利于降低物料的堆积。

附图说明

图1是本发明厌氧发酵装置的正视图；

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向截面结构图；

图5是图2中D处局部放大图。

图中：1、沼气池；11、进料口；12、保温层；13、出料口；14散气口；15、收集沼气口；16、池体；2、风能加热空气装置；21、空气加热器；211第一风叶；212、第一转轴；213、转动盘；214、连杆；215、压缩活塞；216、空气加热箱；22、输气管；23、空气收集箱；24、散热器；3、风能动力装置；31、第二风叶；32、第二转轴；33、第一齿轮组；331、第一锥齿轮；332、第二锥齿轮；34、外壳体；35、第一安装座；36、第一传动轴；37、第二齿轮组；371、第三锥齿轮；372、第四锥齿轮；38、第二传动轴；39、第二安装座；310、增压叶片；311、通气口；4、搅拌装置；41、文丘里管道；42、动力装置；43、伸缩杆；44、活塞；45、涡环产生器；451、大锥形塞；452、连接柱；453、小锥形塞；454、倒锥形壳。

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。

一种使用风能加热和搅拌的厌氧发酵装置，请参见图1-5，其发明点为：主要包括沼气池1、风能加热空气装置2、风能动力装置3和搅拌装置4。所述沼气池形成产生沼气的作业空间。所述风能加热空气装置用于实现对沼气池的加热，所述风能动力装置与搅拌装置配合，用于将产生的部分沼气加压后从沼气池的底部返回到沼气池内，实现对沼气池内物料的搅拌。

上述各部分的具体结构及连接关系如下：

1、沼气池

主要包括池体16和设置在池体外的保温层12，其中保温层为复合层结构，外层为聚苯材料，内部为保温棉材料。池体的底部与保温层的内底接触，池体的外侧面与保温层的内侧面之间及池体的顶面与保温层的顶面之间均设置有间距。在沼气池靠近顶部的一侧设置有贯穿池体和保温层的进料口11，在沼气池靠近底部与进料口呈90°方向的一侧设置有贯穿池体和保温层的出料口13，在进料口外端和出料口的外端均安装有控制阀，实现进料口和出料口的开启和关闭。在池体的顶部设置有散气口14。在外保温层上靠近沼气池顶部并与进料口相对的一侧设置有收集沼气口15，在收集沼气口处安装有压力控制阀，根据内部产生的沼气压力大小，实现收集沼气口的通断控制。

2、风能加热空气装置

包括空气加热器21、输气管22、空气收集箱23、散热器24。空气加热器包括空气加热箱216和空气加热执行机构。空气加热器整体位于沼气池外一侧。空气收集箱设置于空气加热器的一侧，空气加热箱与空气收集箱通过输气管连通。所述散热器采用螺旋散热管结构，螺旋散热管置于池体与保温层之间，并环套固定于池体外侧。

散热器的底部进气口贯穿保温层并与空气加热箱靠近下部的位置贯通，散热器的顶部出气口贯穿保温层并与空气收集箱贯通。这样，通过空气加热箱、输气管、空气收集箱和螺旋散热管形成气循环的通路。其中输气管的直径大于螺旋散热管的直径。

所述空气加热执行机构通过风能实现空间的加热输入，主要包括第一风叶211、第一转轴212、转动盘213、连杆214、压缩活塞215。所述第一转轴贯穿且以可转动的方式支撑在空气加热箱的一侧侧壁上。该侧侧壁不能选用空气加热箱与沼气池靠近的一侧侧壁，优选与连接输气管相对的一侧侧壁。第一风叶固定安装在第一转轴的外端。转动盘置于空气加热箱内并固定安装在第一转动的内端。压缩活塞以沿上下方向可移动且与空气加热箱的内侧壁密封接触的方式设置于空气加热箱内。连杆设置于空气加热箱内并位于压缩活塞的上方，连杆的上端与转动盘通过销轴形成偏心可相对转动式连接。连杆的下端与压缩活塞的上端中部位置可转动式连接。

采用本风能加热空气装置，在使用过程中，将配置好的物料和沼液通过进料口送入沼气池中，第一风叶将风能转化为动能，并通过第一转轴将动能传递至转动盘，转动盘带动连杆和压缩活塞运动，压缩活塞不断压缩下部空气使空气温度上升，加热后的空气通过散热器的底部进口进入到散热器内，在散热器内沿螺旋方向上升，实现对沼气池中沼液进行加热，散热后的空气通过散热器的顶部出气口通入空气收集箱，并通过输气管将空气导入空气加热箱中，从而通过风能实现空气的循环加热。

上述沼气池和风能加热空气装置均设置在地面以上。

3、风能动力装置

包括外壳体34、第二风叶31、第二转轴32、第一齿轮组33、第一安装座35、第一传动轴36、第二齿轮组37、第二传动轴38、第二安装座39、增压叶片310和通气口311。所述外壳体由位于上部的圆柱形外壳和位于下部的方形外壳两部分构成，所述通气口贯通方形外壳和沼气池保温层。第一齿轮组33包括第一锥齿轮331和第二锥齿轮332，第一锥齿轮331直径大于第二锥齿轮332直径；第二齿轮组37包括第三锥齿轮371和第四锥齿轮372，第三锥齿轮371直径大于第二锥齿轮372直径。

在外壳体的上部圆柱形外壳部分的一侧穿着有可转动的第二转轴。在第二转轴位于外壳体的上部圆柱形外壳的外部一端固定安装第二风叶，且第二转轴位于外壳体的上部圆柱形外壳的内部一端固定安装第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮固定安装在第一传动轴顶部，第一安装座转动连接第一传动轴，第一安装座固定安装在外壳体的上部圆柱形外壳内部，第一传动轴底部固定安装第三锥齿轮，第三锥齿轮位于外壳体的下部方形外壳内部，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮固定安装在第二传动轴一端，第二安装座转动连接第二传动轴，第二安装座固定安装在外壳体的下部方形外壳内部，第二传动轴另一侧固定安装增压叶片。

上述通气口向上延伸至沼气池外部和保温层内部的空间，向下延伸至位于第二安装座和增压叶片之间的中间上部。

上述风能动力装置中外壳体的上部圆柱形外壳和位于外壳体内的第二风叶、第二转轴32、第一齿轮组、第一安装座和第一传动轴设置在地面以上。

上述风能动力装置中外壳体的下部方形外壳和位于外壳体的下部方形外壳中的第二齿轮组、第二传动轴、第二安装座、增压叶片，搅拌装置均设置在地面以下。

4、搅拌装置

包括文丘里管道41、动力装置42、伸缩杆43、活塞44、涡环产生器45。文丘里管道41一侧连通外壳体34的下部方形外壳，文丘里管道41另一侧连通动力装置42，涡环产生器45位于沼气池底部、活塞44上部。

文丘里管道包括小径段、锥径段和大径段三部分，文丘里管道的小径段和锥径段长度大于文丘里管道的大径段长度，文丘里管道大径一侧连通外壳体的下部方形外壳，文丘里管道小径一侧连通动力装置，动力装置为液压装置，由液压泵和液压马达组成。活塞44的最大高度在文丘里管道的小径上部，涡环产生器45包括大锥形塞451、连接柱452、小锥形塞453和倒锥形壳454。

大锥形塞为倒锥形，且大锥形塞底部直径大于倒锥形壳下部颈口直径，小锥形塞为正锥形，且小锥形塞底部直径大于倒锥形壳下部颈口直径。

在使用过程中，沼气池中的沼液和物料被加热并不断产生沼气，沼气通过散气口14进入沼气池外和保温层内的空间，第二风叶将风能转化为动能，经过第一齿轮组和第二齿轮组将转速提高，从而带动增压叶片高速运动，同时，随着沼气不断增多和散热器不断加热，沼气压力升高并通过通气口进入外壳体的下部方形外壳内部，增压叶片带动沼气运动使沼气经过文丘里管道，沼气在文丘里管道的锥径和小径中压力减小，同时流速加快，动力装置带动伸缩杆和活塞向上运动，被挤压的沼气推动大锥形塞、连接柱和小锥形塞向上移动，同时沼气沿着倒锥形壳内壁运动从而产生涡环，涡环上升并逐渐扩散，重复上述操作，从而实现对沼液的搅拌，提高了沼液加热的均匀性。

随着沼气的不断产生，当沼气池外和保温层内的空间压力达到一定值时，收集沼气口上的压力控制阀打开实现沼气的收集，当沼气产出速率和产量较低时，通过排料口将沼液和物料排出，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。

本发明使用风能加热和搅拌的厌氧发酵装置较适用于风能丰富的区域，可实现风能的充分利用。

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。