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紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備概述

紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備是進(jìn)行沼氣發(fā)酵的保障,從原料  預(yù)處理到沼氣產(chǎn)品的處理和利用,都需要紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備提供良好的環(huán)境條件2)。在過去很長一段時間內(nèi),我國對紅泥膜沼氣池沼氣工程的研究重點(diǎn)都圍繞在沼氣發(fā)酵技術(shù)上,忽略了對紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備技術(shù)的研究和開發(fā)。隨著發(fā)酵技術(shù)水平的提高,國內(nèi)逐步意識到紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備對沼氣發(fā)酵同樣具有很大影響,先進(jìn)配套的裝備技術(shù)不僅可以提高產(chǎn)氣率,還能節(jié)約大量的人力以及成本。我國沼氣裝備自動化程度低,從原料預(yù)處理到沼液沼渣利用,許多作業(yè)環(huán)節(jié)都是依靠人工運(yùn)行。在一些企業(yè)中,工人們工作環(huán)境非常惡劣,刺鼻的氣味、破舊的設(shè)備等嚴(yán)重威脅工人的人身健康。于企業(yè)而言,人工成本高昂,人工操作存在失誤、檢測不及時等客觀因素,降低了沼氣的生產(chǎn)效

率和企業(yè)效益。因此隨著厭氧發(fā)酵的深人研究,急  需發(fā)展出與我國沼氣技術(shù)配套,制造精良的沼氣裝備

歐洲的紅泥膜沼氣池沼氣工程在20世紀(jì)90年代進(jìn)入快速發(fā)展期到200年以后歐洲的沼氣產(chǎn)業(yè)更是得到了迅猛發(fā)展。由表1可知,我國沼氣是在政府支持下,以解決生態(tài)環(huán)境問題為主要出發(fā)點(diǎn),與歐洲成熟的工業(yè)化發(fā)展相比,無論是在技術(shù)水平還是管理水平上都處于落后階段。在沼氣裝備上,歐洲研制出了機(jī)械化、自動化程度高的沼氣系列裝備,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無人值守的管理模式及機(jī)械化原料輸送,我國的紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備發(fā)展程度低,目前主要還是采用效率低下的人工作業(yè);在歐洲,沼液應(yīng)用與裝備設(shè)計(jì)一體考慮,采用機(jī)械化發(fā)展模式,我國沼液處理的應(yīng)用與裝備設(shè)計(jì)獨(dú)立進(jìn)行,機(jī)械化程度較低。綜合來看,我國的紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備技術(shù)與歐洲相比還有較大差距。

2紅泥膜沼氣池沼氣工程原料預(yù)處理及輸送裝備  2.1原料的粉碎預(yù)處理  沼氣發(fā)酵的原料包括畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、餐  廚垃圾等2,為了提高產(chǎn)氣率,在發(fā)酵前通常需要  對原料進(jìn)行預(yù)處理。例如為了使原料能夠混合得更  加均勻,需要對原料進(jìn)行粉碎處理。在工程裝備上,  我國已經(jīng)研制出了相關(guān)的粉碎預(yù)處理裝備,但是這  些裝備因?yàn)槠扑楣β?、技術(shù)指標(biāo)等未形成標(biāo)準(zhǔn)化,性  能存在很大的差異性。在秸稈破碎技術(shù)上,歐洲普  遍使用大型秸稈青貯聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行作業(yè),這種大  型收獲機(jī)能夠一次性完成收割、切碎和運(yùn)輸秸稈,既  提高了生產(chǎn)效率,也降低了成本。國內(nèi)將秸稈收  購以后,通常先運(yùn)輸?shù)綇S房,再用秸稈切碎機(jī)粉碎  這種作業(yè)方式不僅效率低下、生產(chǎn)成本高,與歐洲的青貯聯(lián)合收獲機(jī)相比,粉碎質(zhì)量也相對較差。

在勻漿預(yù)處理上,歐洲紅泥膜沼氣池沼氣工程中常用的切碎機(jī)主要有兩種:一是刀片孔盤組合式切碎機(jī),這種切碎機(jī)工作部件是由開有眾多孔固定式控盤和在控盤附近的旋轉(zhuǎn)刀片組成。工作原理是原料中的雜物通過固定式孔盤的小孔時,旋轉(zhuǎn)刀片對通過的勻漿進(jìn)行切割,通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)刀片的轉(zhuǎn)速來控制切割物的形狀大小,增大旋轉(zhuǎn)刀片的轉(zhuǎn)速切割物形狀減小,減小旋轉(zhuǎn)刀片的轉(zhuǎn)速切割后的雜物形狀增大。  另一種是滾剪切式切碎機(jī),根據(jù)旋轉(zhuǎn)凸輪泵的雙轉(zhuǎn)  子原理,設(shè)計(jì)了一種與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)凸輪轉(zhuǎn)子不同的滾  切式斬波器。這種斬波器由兩套相對轉(zhuǎn)動的圓盤刀

組成,通過選擇葉片類型和控制葉片與圓盤刀的相對位置,調(diào)節(jié)廢棄物的破碎程度。我國勻漿切碎裝備才剛剛起步,距離國外的切碎機(jī)械還有很大差距,特別是在粗雜分離與較大雜物切碎方面。

2.2原料輸送

在紅泥膜沼氣池沼氣工程中,液態(tài)漿料輸送和固態(tài)碎秸稈輸送是最常見的兩種原料的輸送方式。國內(nèi)的紅泥膜沼氣池沼氣工程大多數(shù)是以畜禽糞便為發(fā)酵原料,因此常選用螺桿泵作為輸送泵。螺桿泵具有工作效率高、使用壽命長、噪聲低等特點(diǎn),但同時螺桿泵耗能較大,維修的費(fèi)用比較高,并且無法輸送物料總固體濃度超過25%的原料。在歐洲,為了解決這些問題,紅泥膜沼氣池沼氣工程上通常采用凸輪轉(zhuǎn)子泵或者高密度固體泵來代替螺桿泵,凸輪轉(zhuǎn)子泵可以通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)泵流量,轉(zhuǎn)速越高,流量越大,且能輸送粘度、粒度較大的物料。凸輪轉(zhuǎn)子泵還具有逆向運(yùn)轉(zhuǎn)功能,通過改變轉(zhuǎn)子的方向,便可完成泵的裝、卸工作。固體輸送泵適應(yīng)性強(qiáng),輸送距離廣,可以輸送管徑60%-70%大小,T20%~40%濃度的原料,輸送距離達(dá)到200m7。我國目前沒有成熟的固態(tài)秸稈輸送設(shè)備,主要是由  于秸稈流動性差、輸送不穩(wěn)定等關(guān)鍵性問題沒有解決,限制了我國原料輸送裝備的發(fā)展。

3沼氣發(fā)酵裝置及攪拌裝備

3.1沼氣發(fā)酵裝置

沼氣發(fā)酵裝置是為沼氣發(fā)酵提供場所的主要裝置,是沼氣發(fā)酵過程穩(wěn)定進(jìn)行的重要保障,也是處理廢棄物、生產(chǎn)清潔沼氣的專用設(shè)備2-1。沼氣發(fā)酵裝置根據(jù)材料不同可分為鋼混凝土沼氣發(fā)酵裝置、鋼結(jié)構(gòu)沼氣發(fā)酵裝置和非金屬沼氣發(fā)酵裝置,其中鋼混凝土的沼氣發(fā)酵裝置在傳統(tǒng)的紅泥膜沼氣池沼氣工程中得到廣泛應(yīng)用,這種結(jié)構(gòu)的發(fā)酵裝置建造難度大、工期長6-18

鋼結(jié)構(gòu)沼氣發(fā)酵裝置的建設(shè)材料為鋼材,根據(jù)制造工藝的不同主要分為利浦罐、拼裝罐和焊接罐3種形式。利浦罐主要材料是不銹鋼復(fù)合板或鍍鋅  鋼板,通過專用設(shè)備將鋼材按照“螺旋、雙折邊、咬  合”的制造工藝,卷制成不同體積的利浦池,然后鑲  嵌以鋼混結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的底部,利浦罐相對于鋼混結(jié)  構(gòu)沼氣發(fā)酵裝置質(zhì)量輕,減少了上部結(jié)構(gòu)對底部的  作用力,因此底板厚度、混凝土用量都相應(yīng)減少9)  利浦罐具有占地面積小、建設(shè)時間短、生產(chǎn)成本低等  特點(diǎn)。焊接罐制造時,將不同規(guī)格的鋼板運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)  場進(jìn)行焊接?，F(xiàn)場焊接是一個繁瑣的作業(yè)過程,工

人勞動強(qiáng)度大,對焊接技術(shù)要求高并且容易受到環(huán)  境的影響;拼裝罐其主要材料是碳鋼鋼板,將碳鋼加  工成型后只需對鋼板進(jìn)行電泳漆或熱噴涂處理,便  可在現(xiàn)場進(jìn)行拼接,工人勞動強(qiáng)度小,并且建造周期短)。電泳漆拼裝罐和熱噴涂拼裝罐是兩種比較常見的拼裝罐。

隨著紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備的發(fā)展,非金屬材料的沼氣發(fā)酵裝置也逐漸發(fā)展起來,常見的非金屬沼氣發(fā)酵裝置主要有兩種2)。一種是新型柔性搪瓷裝配板,裝配板表面噴有搪瓷,能夠有效阻止裝置表面腐蝕,具有耐酸、耐堿、維修方便、外形美觀等特點(diǎn)2)。這種裝配板可以在施工基地直接進(jìn)行拼裝,施工周期短、使用壽命長,并且相對于碳鋼結(jié)構(gòu)的沼氣發(fā)酵裝置生產(chǎn)成本也低。國家環(huán)?？偩謱⑦@該項(xiàng)技術(shù)作為國家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)實(shí)用技術(shù),目前已經(jīng)在國內(nèi)的多處紅泥膜沼氣池沼氣工程中投入使用。另一種是以玻璃纖維和樹脂為材料制成的玻璃鋼沼氣發(fā)酵裝置,這種裝置具有良好的耐腐蝕性,能夠?qū)諝馔寥乐械乃?、酸性堿性物質(zhì)具有良好的抵抗能力。玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有1.42kJ·mh-℃,大約是鋼筋混凝土的1/4具有良好的保溫性能2。玻璃鋼復(fù)合材料綜合了樹脂和玻璃纖維材質(zhì)輕、力學(xué)性能好的優(yōu)勢,只需要0mm的壁厚就能滿足作業(yè)要求。由于玻璃鋼沼氣發(fā)酵裝置工作性能好、生產(chǎn)成本低且使用壽命長,正逐漸受到廣大企業(yè)的歡迎

此外,我國北方冬季溫度較低,沼氣池中發(fā)酵  度較低,產(chǎn)氣率不理想。為了解決此類問題,肖國  良23)等研究了一種附有太陽能系統(tǒng)的可移動式沼  氣發(fā)酵裝置,沼氣池的結(jié)構(gòu)主要由鋼架結(jié)構(gòu)、加熱裝  置、攪拌器、保溫層和進(jìn)出口5部分組成。在加熱系統(tǒng)中,光伏板為循環(huán)泵提供電源,循環(huán)泵將太陽能熱水器中的熱水通過水管泵入沼氣發(fā)酵裝置中,為沼氣發(fā)酵裝置提供熱量,實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過加熱的沼氣發(fā)酵裝置比普通沼氣發(fā)酵裝置的產(chǎn)氣含量有明顯提升。沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)部的環(huán)境溫度對產(chǎn)氣率的影響極大,在我國很多地區(qū),季節(jié)性溫度差大、晝夜溫差大這些因素都嚴(yán)重限制了紅泥膜沼氣池沼氣工程的發(fā)展。因此,研究一種內(nèi)部具有自動溫度調(diào)節(jié)裝置的沼氣發(fā)酵裝置將是一個嶄新的方向,自動調(diào)節(jié)裝置通過與外部的熱源相連接,進(jìn)行吸熱、散熱保持恒溫。

3.2攪拌設(shè)備

厭氧發(fā)酵中機(jī)械攪拌是最有效、耗能最少的攪  拌方式。機(jī)械攪拌是利用攪拌葉片轉(zhuǎn)動來達(dá)到物料  混合的過程。在傳統(tǒng)的紅泥膜沼氣池沼氣工程,大約55%的在沼

氣發(fā)酵裝置采用1個攪拌器,隨著發(fā)酵原料的濃度  提高,越來越多的紅泥膜沼氣池沼氣工程會在1個沼氣發(fā)酵裝置  內(nèi)安裝2個或者3個攪拌器2。機(jī)械攪拌關(guān)鍵問  題在于攪拌葉片的選型設(shè)計(jì),相對于化學(xué)工業(yè)上攪  拌葉片已經(jīng)形成的標(biāo)準(zhǔn)化,紅泥膜沼氣池沼氣工程攪拌葉片的研  究才剛剛起步25。  水力攪拌是指通過水循環(huán)帶動原料流動達(dá)到物  料混合的過程,這種攪拌設(shè)備有兩種:一種是在沼氣發(fā)酵裝置外部或者內(nèi)部安裝導(dǎo)流筒螺旋泵;另一種是在沼氣發(fā)酵裝置外部安裝管道系統(tǒng)、離心泵以及螺旋泵。此外,為了增強(qiáng)水力循環(huán)的效果,還可以在沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)部安裝水力噴射器等輔助裝置2。相對于機(jī)械攪拌而言,水力循環(huán)安裝維護(hù)更加方便,所以一般紅泥膜沼氣池沼氣工程中多采用水力循環(huán),具體參數(shù)是根據(jù)沼氣發(fā)酵裝置規(guī)模進(jìn)行選擇。

氣體攪拌是指氣體在物料中運(yùn)動使物料循環(huán)達(dá)到混合物料的過程。在紅泥膜沼氣池沼氣工程中,通常選擇沼氣作為氣體循環(huán)介質(zhì)。以豎管式氣體攪拌為例,在沼氣發(fā)酵裝置中安裝數(shù)根平行豎管,工作時,加壓泵將儲存在集氣柜中的沼氣抽出并加壓,輸送到平行豎管內(nèi),高壓沼氣從豎管另一側(cè)噴出,帶動物料循環(huán)流動21。雖然相對于機(jī)械攪拌和水力攪拌而言,氣體攪拌在沼氣發(fā)酵裝置中安裝的設(shè)備更少,設(shè)備成本也更低,但是氣體攪拌在高濃度物料中攪拌效果較低。

4紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備發(fā)展趨勢展  4.1紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備與自動化控制系統(tǒng)相結(jié)合  沼氣發(fā)酵是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)過程,需要在  一定的溫度、酸堿度、濃度等環(huán)境中進(jìn)行,反應(yīng)過程  中除了會產(chǎn)生甲烷外,還會產(chǎn)生硫化氫、水蒸氣、二  氧化碳、氫氣、氮?dú)獾入s質(zhì)氣體。因此,為了提高發(fā)  酵效率,需要對沼氣發(fā)酵裝置中的溫度、酸堿度等反  應(yīng)條件進(jìn)行監(jiān)測,在這些參數(shù)超出發(fā)酵所需要的設(shè)  置范圍后及時進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于具有污染環(huán)境以及腐  蝕設(shè)備的雜質(zhì)性氣體要進(jìn)行在線監(jiān)測,避免對環(huán)境  以及設(shè)備產(chǎn)生危害。人工監(jiān)測常常具有不及時、誤  差大、操作難度高等特點(diǎn),因此紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備急需與自動化控制系統(tǒng)相結(jié)合,提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、節(jié)約  勞力與生產(chǎn)成本。我國紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備自動化控制起步晚、自動化控制程度低,還處于發(fā)展階段。紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備與自動化控制系統(tǒng)相結(jié)合是未來的重要發(fā)展方向。

4.2紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備標(biāo)準(zhǔn)化與成套化

目前,我國沼氣裝備距離形成產(chǎn)業(yè)化還有較大

差距,不同地區(qū)不同企業(yè)的沼氣設(shè)備零零散散,沒有  統(tǒng)一的規(guī)格。很多企業(yè)能夠根據(jù)自身的需求制造出  相應(yīng)的設(shè)備,但這種設(shè)備往往結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝較  差,且只能夠滿足單一的功能。沼氣行業(yè)作為去污  節(jié)能的朝陽企業(yè),未來必定沿著規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的方  向發(fā)展。因此,為了使沼氣裝備更高效率地服務(wù)沼  氣行業(yè),對紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備提出了更高的要求:完善沼  氣工程裝備體系,形成產(chǎn)業(yè)鏈;建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),提  高裝備的研發(fā)、制造效率和生產(chǎn)質(zhì)量;加大配套設(shè)備  的研制力度,減少生產(chǎn)過程中的作業(yè)環(huán)節(jié),提高生產(chǎn)  效率以及資源利用率

4.3加強(qiáng)自主核心裝備的研發(fā)

歐洲紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備技術(shù)的成熟很大一部分歸功于其自主核心裝備的研發(fā)我們在對比國外紅泥膜沼氣池沼氣工程發(fā)展形勢、學(xué)習(xí)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時,也要加強(qiáng)我國對  紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備技術(shù)的自主研發(fā)能力。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,在原料來源、發(fā)酵類型、沼氣利用上都與國外存一定的差異,一味地學(xué)習(xí)國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)并不能完全適用于我國特殊的國情。例如在沼氣利用上,德國大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù),生產(chǎn)的沼氣主要用來發(fā)電,而我國生產(chǎn)的沼氣主要作為燃料使用,發(fā)展的差異性要求了我們必須大力發(fā)展適用于我沼氣工  程現(xiàn)狀的核心裝備。只有我們加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力,  堅(jiān)定不移地走自我研發(fā)道路,我國的紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備技術(shù)才能達(dá)到一個新的高度。

摘自《中國沼氣》2018第4期