两相发酵产沼气的生物反应器的设计

利用太阳能的高效节能沼气反应器的设计
引言
随着化石资源的逐渐减少和环境保护的要求，近年来世界各国对厌氧发酵技术的研究开发与利用越来越重视。

尤其我国是农业大国，有着非常丰富的生物质资源，如不加以合理利用，势必会占用大量空间，影响环境，还是一种资源浪费。

因此，设计出一种高效节能的沼气反应器，以生物质为原料制备沼气，对我国可持续发展有着重大意义。

现存在问题及现状
沼气生产是一个复杂的过程，在整个过程中不但要为沼气发酵微生物提供优越的厌氧发酵环境，而且要保证整套沼气发酵系统的稳定高效运行[3]。

生产沼气的反应都是在反应器中进行的，因此厌氧反应器结构形式的设计对沼气发酵系统正常稳定运行有着至关重要的作用。

沼气发酵的环境因素主要有厌氧环境、温度、PH等。

沼气发酵微生物中产酸类和产甲烷类细菌都是厌氧性细菌，尤其是产甲烷菌，不能在有氧环境中生存，微量的氧也会影响其生命活动，甚至死亡。

在产甲烷阶段需保证严格地厌氧环境[3]。

北方高寒地区，采取适当的加热及保温措施，确保沼气厌氧发酵所需的稳定温度，是关系到沼气工程冬季能否正常运行的关键所在。

农村建的沼气池因条件限制，一般都采用常温发酵，冬季会因池温低出现产气少或不产气现象。

在北方寒冷地区，为提高沼气池温度，有必要采取保温、提温措施[1]。

发酵工艺相同、发酵温度类型相同时，发酵料液温度场稳定均匀直接影响到发酵效果。

如果采用恒温发酵，在１ｈ内温度上下波动最好在±（２～３）℃范围内；超出此范围以后，沼气产量将明显下降，超出值过大就会停止产气［2］。

沼气发酵过程中的产甲烷菌最适PH范围是6.8—7.5，过低或过高时都会影响沼气发酵，甚至造成停止产气的结果[3]。

因此产沼气过程中需要定期取样对其进行PH检测并加入抑制剂或调节剂调控。

此外，农村用户沼气一般都未安装搅拌装置，在不搅拌的情况下发酵原料会出现分层现象，造成原料不能充分利用，结成硬壳，阻碍气体的分离逸出，减少物料与菌种的接触面积及沼气池有效容积，严重影响沼气池的持续产气和长期运行[3]。

因此需要定期对其进行搅拌等处理。

针对户用沼气反应器现存在的问题，本设计在一般沼气反应器基础上增加以下关键点：
1.保温、测温装置。

用来维持和控制反应器内部温度；
2.监测口。

用来定期取样测反应器内PH及压强；
3.搅拌装置。

用来定期搅拌防止原料分层；
4.储气囊、水压间。

保持反应装置内压力及沼气输出的稳定。

组成构件
该系统组成主要包括太阳能热水器、螺旋弯管加热器、恒温控制系统、膜储气柜、沼气反应器、气压控制器、水泵以及其他辅助部件构成。

通过特殊的结构设计和恒温系统以期实现常年高效生产沼气。

反应器装置图
1.输气管
2.水压间3、9.进料口 4. 监测口5、6.出料口7.阀门8.污泥泵10.水泵11. 智能温控系统12.太阳能热水器1
3.输水管道1
4.加热管道1
5.储气囊
自动恒温控制系统：
先通过自动控制系统中的温度智能控制变送仪设定加热温度，然后将太阳能热水器中加满水，利用太阳能将水加热到最高温度。

打开水泵，使热水在换热器及其附属结构中循环流动加热料液。

当料液温度达到所设定的温度时，由自动控制系统断开电源，水泵停止工作，系统停止加热。

当反应器由于向外放热和其他因素的影响而使料液温度降低时，自动控制系统启动水泵继续向料液加热，直至达到所设定的温度，完成工作过程[2]。

按照这种过程来调节温度，这样使料液始终保持在恒定的温度，满足沼气高效生成的需要。

储气囊：
反应器顶部设有双膜储气室，外层为保护膜；内层为厚度0．0012 m的贮气膜，它与罐体、料液面、水压间之间形成一个容量可变的密闭空间用作储存沼气。

沼气进入时膨胀，使用沼气时收缩。

水压间：
水压间根据发酵料液的产气率、每天沼气利用量、料液投入量、设计压力和水压间在反应器的相对配置关系设计，外形为长方体。

产气时，贮气膜膨胀，水压间气压水；用气时，贮气膜收缩，水压间水压气。

由此保持反应装置内压力始终恒定在一个需要的设计值，保证发酵环境所需压强和沼气输出时的稳定，提高燃具燃烧效率。

搅拌：
搅拌采用液体搅拌。

搅拌时，调节阀门，启动污泥泵，料液通过管道做循环流动，形成液流起到搅拌料液的作用。

监测口：
监测口设在出料口管道，可监测反应器中的PH以及压力情况。

见装置图14。

定期打开阀门取样测料液PH，取样口管道设计高度高于料液高度一定值，料液既不会因高差而产生压强差而喷出，又可保证取样时不会有空气进入反应器影响沼气发酵。

当料液PH过低或过高时，可通过监测口投入添加剂，然后通过搅拌系统均匀搅拌，将反应器中原料调整至正常发酵状态。

原料进出系统：
料液进出口装置如图，通过污泥泵将原料和废料通过管道输入和抽出反应器，污泥泵运转产生真空压力将料液顺利送入、抽出，避免堵塞问题的发生。

主要技术参数
反应器主体是由的搪瓷钢板围成的内径为12．22 m圆柱型罐体，外壁敷设厚度为15 cm的聚苯板作保温，保温层外加厚度为0．8 mm彩钢板作保护[4]。

反应器在加工制作过程中严格保证不留缝隙，密封良好，保证沼气发酵所需的厌氧环境。

反应器总容积（ｍ³）：3
最大填料量（ｍ³）：2.5
料液发酵温度（℃）：冬天35，夏天53
设计气压（ｋＰａ）：8000
换热器面积（ｍ²）：0.67
循环水流速（ｍ/ｓ)：0.71
计算
换热面积的计算
S＝（Q′＋Q）/ (K·ΔT)
式中S—换热器的换热面积（ｍ²）；Q′—加热料液所需要的换热量（Ｗ）；Q—反应装置的散热量（Ｗ）；K—换热器总的传热系数（Ｗ／ｍ²·Ｋ）；ΔT—换热器对数平均温度（℃）[1]。

换热管长度的计算
L＝（1.2·S）/(3.14·d)
式中L—换热管的总长度（ｍ）；s—换热器的换热面积（ｍ²)；d—换热管内径（ｍｍ），d＝20[1]。

耗热量计算
厌氧发酵反应器的传热耗热量包括反应器顶部传热耗热量、反应器的壁面传热耗热量以及反应器底部的传热耗热量3部分，即ɑ=ɑ1+ɑ2+ɑ 3
式中，ɑ为反应器的总耗热量，W；ɑ1为反应器顶部耗热量，W；ɑ2为反应器的壁面耗热量，W；ɑ3为反应器底部的耗热量，W。

（以上公式参考[1]、[4]。

）
结合以上公式，根据各材料和料液的导热系数，即可计算出反应器壁的厚度。

参考文献
[1] 张雪峰，戈小康，于海鸣等．高效沼气反应器结构参数的确定与制造［J］．农机化研究，2014(10)．
[2] 丁羽．太阳能加热沼气反应装置的设计及参数选择［J］．农机化研究，2008(8)：71．
[3] 李文哲．生物质能源工程[M]．北京：中国农业出版社，2013.1．
[4] 刘建禹，陈泽兴、李文涛．厌氧发酵反应器一维稳态传热模型的建立与验证[J]，农业工程学报，2012，28（17）．。