技术领域
本发明属于生物质能源利用和环境保护领域，具体地说是一种适应寒冷 地区的低能耗运行沼气系统。
背景技术
我国北方地区如东北、华北和西北地区是我国农业的主产区，农牧业发 达，每年产生大量的农作物秸秆和畜禽粪便，具备发展生物质能源产业的良 好的原料基础。但这些地区，尤其是东北和西北地区，冬季气候十分寒冷， 传统的沼气工程冬季运行能耗很高(主要为工程运行热耗)，沼气工程冬季运 行能量消耗/能量产出在50％-100％之间，甚至部分工程能耗高于能量产出，沼 气工程的能源效益和经济效益很差。造成这种现象的原因是多方面的，归纳 起来可分为三类：第一，物料进料浓度低，传统的泥浆泵、螺杆泵等的进料 浓度在4％-8％之间，而且传统的禽畜粪便原料往往需要加水除沙，因此造成物 料发酵浓度很低，而沼气工程运行过程中的大部分热量(大于80％)需求来自 于发酵物料(主要是发酵物料所含水分)的增温，物料浓度很低意味着增温 所需热能很高；第二，罐体保温方式落后，目前的罐体保温基本以罐体外壁 敷设苯板和岩棉为主，罐体底部基本不做保温层，保温效果差，冬季运行散 热量大；第三，罐体出料单元热量浪费严重，沼渣沼液无余热回收方法；第 四，原料种类单一，以畜禽粪便为主，产气潜力小，发酵过程产能低。上述 原因共同造成了我国现有沼气工程在北方寒冷地区运行能耗很高，能量产出 很差。
为了提高我国现有沼气工程净能量产出，保障工程在冬季运行亦有良好的 能源产出和经济效益，必须从提高物料进料浓度(干式进料或固态进料)，强 化发酵设备保温和管道低热耗散安装设计，进行沼液余热回收和减少出料过 程热耗散以及提高工程总能量产出等多个方面降耗增效。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适应寒冷地区的低能耗运行 沼气系统。该系统降低罐体散热及罐体进料能耗、提高罐体出料热量回收， 提高工程能量产出，从而克服了寒冷地区沼气能耗很高，冬季难以运行的缺 点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适应寒冷地区的低能耗运行沼气系统，包括厌氧发酵罐、发酵罐保 温系统、发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体化系统、发酵后物料在线固液 分离系统及干物料液面下无堵塞螺旋进料系统，其中发酵罐保温系统设置于 厌氧发酵罐的外壁和罐体底部上，所述发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体 化系统和发酵后物料在线固液分离系统均与厌氧发酵罐连接，所述干物料液 面下无堵塞螺旋进料系统设置于厌氧发酵罐的上端，干物料通过干物料液面 下无堵塞螺旋进料系统输送至厌氧发酵罐内的液面下，流态物料通过发酵罐 水力搅拌与流态物料进料一体化系统输送至厌氧发酵罐内，发酵后的物料通 过发酵后物料在线固液分离系统进行固、液分离。
所述发酵罐保温系统包括罐壁、罐顶的防风与保温一体化系统和/或罐体 底部保温、防水一体化系统，所述罐壁、罐顶的防风与保温一体化系统是所 述厌氧发酵罐的罐壁和罐顶的外表面上从内至外依次设有防腐层、保温层I、 保温层II、钢制网架、保温层III及彩钢板保护层；所述罐体底部保温、防水 一体化系统是所述厌氧发酵罐的底部从下至上依次设有钢筋混凝土基础、钢 丝网架、挤塑板保温层及细石混凝土保护层。
所述保温层I为反射隔热涂料层，所述保温层II为岩棉保温板或硅酸铝 保温板，所述钢制网架紧贴保温层II外表面，钢制网架的外表面设有刺状突 起，所述保温层III为聚氨酯发泡层、并附着在钢制网架外表面的刺状突起上； 所述钢丝网架紧贴厌氧发酵罐底部的钢筋混凝土基础上，钢丝网架与厌氧发 酵罐的罐壁连接，所述挤塑板保温层为多层、并采用错缝方式铺设，挤塑板 与挤塑板之间及挤塑板与罐壁之间的接缝处灌注聚氨酯发泡材料。
所述发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体化系统包括水力搅拌管和水力 循环泵，其中水力搅拌管设置于厌氧发酵罐内部上方，水力循环泵设置于泵 壳体内、并与设置于泵壳体外部的电机连接，所述泵壳体的上端设有循环泵 管道进料口和循环泵出料口，所述循环泵管道进料口通过设有阀门的进料管 与厌氧发酵罐的底部连通，所述水力循环泵通过穿过循环泵出料口的出料管 与水力搅拌管连接；当水力搅拌与流态物料进料一体化系统以水力搅拌模式 运行时，所述厌氧发酵罐内的物料通过循环泵管道进料口进入泵壳体内，泵 壳体以及水力循环泵承受罐体水压，所述泵壳体内的物料通过水力循环泵输 送至水力搅拌管内，物料通过水力搅拌管进入厌氧发酵罐内，形成封闭循环。
当水力搅拌与流态物料进料一体化系统以进料模式运行时，所述泵壳体 设置于进料池内，泵壳体的侧面设有泵壳体进料口，所述水力循环泵运行时， 先关闭与厌氧发酵罐底部连通的出料管上的阀门，再开启泵壳体进料口，进 料池内的流态物料通过水力循环泵输送至水力搅拌管内，流态物料通过水力 搅拌管进入厌氧发酵罐内。
所述发酵后物料在线固液分离系统包括缓冲罐体I、缓冲罐II、快速气 动阀、固液分离机、调频螺杆泵、压力检测器、液位检测开关及回流污水泵， 其中缓冲罐体I通过管道与厌氧发酵罐的底部连通，所述快速气动阀设置于 缓冲罐体I与厌氧发酵罐之间的管道上，所述液位检测开关包括分别设置于 缓冲罐I内壁的上、下部的上液位开关和下液位开关，所述调频螺杆泵通过 管道分别与缓冲罐体I的底部和固液分离机连接，所述压力检测器设置于调 频螺杆泵和固液分离机之间的管道上，所述固液分离机通过管道与缓冲罐II 的上部连接，所述缓冲罐II的底部通过回流污水泵及管道与设置于厌氧发酵 罐内部上方的沼液回流管连接。
所述发酵后物料在线固液分离系统的运行方式是：压力检测器检测固液 分离机前进料口压力，当检测到压力大于1000Kpa时，降低调频螺杆泵运行 频率，当检测到压力低于100Kpa时，提高调频螺杆泵运行频率；当上液位开 关检测到信号时，关闭快速气动阀，当下液位开关检测到信号时，开启快速 气动阀；所述固液分离机分离出的沼液流入缓冲罐II内，所述缓冲罐II内的 沼液通过回流污水泵回流至厌氧发酵罐内。所述缓冲罐体I和缓冲罐II的外 壁设有保温结构、并上端安装有顶盖。
所述干物料液面下无堵塞螺旋进料系统包括驱动装置、螺旋输送机套管、 螺旋输送机中心轴及螺旋输送机输送叶片，其中螺旋输送机中心轴设置于螺 旋输送机套管内、并一端与驱动装置连接，所述螺旋输送机中心轴上设有螺 旋输送机输送叶片，所述螺旋输送机套管靠近驱动装置的一端设有螺旋输送 机套管进料口，另一端设有螺旋输送机套管出料口，所述螺旋输送机套管的 出料口端插入安装在厌氧发酵罐上部的螺旋输送机罐体安装套管内、并位于 厌氧发酵罐内液面下方。
所述螺旋输送机罐体安装套管靠近出料口的端部设有螺旋输送机出料部 位喇叭口，所述螺旋输送机套管出料口包括设置于螺旋输送机套管上、下侧 面的螺旋输送机上侧出料口和螺旋输送机下侧出料口，所述螺旋输送机上侧 出料口和螺旋输送机下侧出料口的长度为3-6个螺距，其宽度为套管圆周长 的1/4-1/3，安装于出料口段的螺旋叶片有1-2片为正常带式螺旋叶片，对应 于出料口段螺旋轴上的另外2-4个螺距范围内不安装螺旋叶片。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明采用罐壁、罐顶和罐底部的全方位、复合式保温，能够有效防 止罐体通过辐射、传导和对流等形式将热量散失到外界环境，提高罐体保温 效果。
2.本发明既可以农业秸秆为唯一发酵原料，也可以是秸秆与畜禽粪便混 合原料发酵。
3.本发明提高进料浓度和发酵内物料浓度，采用干式进料方法和高浓度 厌氧发酵技术，降低物料增温所需能耗。
4.本发明采用封闭式水力循环搅拌方式，减少沼液回流和水力搅拌过程 热损耗。
5.本发明中涉及发酵罐保温方法、发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体 化方法、发酵后物料在线固液分离方法、干物料(或固态物料)发酵罐内液 面下无堵塞螺旋进料方法等多个子系统，通过多个方法的联合运用，降低罐 体散热、降低罐体进料能耗、提高罐体出料热量回收，提高工程能量产出， 从而克服了寒冷地区沼气能耗很高，冬季难以运行的缺点。
附图说明
图1为本发明中罐壁、罐顶的防风与保温一体化系统的结构示意图；
图2为本发明中罐体底部保温和防水一体化系统的结构示意图；
图3为本发明中发酵罐水力搅拌与流态物料一体化系统的结构示意图；
图4为本发明中水力循环泵的安装方式示意图；
图5为本发明中发酵后物料在线固液分离系统的结构示意图；
图6为本发明中干物料液面下无堵塞螺旋进料系统的结构示意图；
图7为本发明中干物料液面下无堵塞螺旋进料系统的安装方式示意图。
其中：1为罐壁，2为防腐层，3为保温层I，4为保温层II，5为钢制网 架，6为保温层III，7为彩钢板保护层，8为夯土及混凝土垫层，9为钢筋混 凝土基础，10为钢丝网架，11为聚氨酯发泡密封材料，12为挤塑板保温层， 13为发酵料液，14为水力搅拌管，15为厌氧发酵罐，16为水力循环泵，17 为进料池，18为电机，19为循环泵出料口，20为泵壳体进料口，21为泵壳 体，22为循环泵管道进料口，23为沼液回流管，24为压力表，25为手动闸 阀，26为快速气动阀，27为缓冲罐I，28为上液位开关，29为下液位开关， 30为调频螺杆泵，31为固液分离机，32为回流污水泵，33为缓冲罐II，34 为螺旋输送机电机，35为螺旋输送机减速机，36为进料口，37为螺旋输送机 套管，38为螺旋输送机罐体安装套管，39为螺旋输送机输送叶片，40为螺旋 输送机出料部位喇叭口，41为螺旋输送机上侧出料口，42为螺旋输送机下侧 出料口，43为螺旋输送机中心轴，44为螺旋输送机，45为液面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
本发明包括厌氧发酵罐15、发酵罐保温系统、发酵罐水力搅拌与流态物 料进料一体化系统、发酵后物料在线固液分离系统及干物料液面下无堵塞螺 旋进料系统，其中发酵罐保温系统设置于厌氧发酵罐15的外壁和罐体底部上， 所述发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体化系统和发酵后物料在线固液分离 系统均与厌氧发酵罐15连接，所述干物料液面下无堵塞螺旋进料系统设置于 厌氧发酵罐15的上端。干物料通过干物料液面下无堵塞螺旋进料系统输送至 厌氧发酵罐15内的液面下，流态物料通过发酵罐水力搅拌与流态物料进料一 体化系统输送至厌氧发酵罐15内，发酵后的物料通过发酵后物料在线固液分 离系统进行固、液分离。
所述发酵罐保温系统包括罐壁、罐顶的防风与保温一体化系统和/或罐体 底部保温、防水一体化系统。如图1所示，所述罐壁、罐顶的防风与保温一 体化系统是所述厌氧发酵罐15的罐壁1和罐顶的外表面上从内至外依次设有 防腐层2、保温层I3、保温层II4、钢制网架5、保温层III6及彩钢板保护层 7。保温层I3为反射隔热涂料层，保温层I3要喷涂均匀，保证罐顶和罐壁 均匀覆盖一层隔热涂料层。保温层II4为岩棉保温板或硅酸铝保温板等保温材 料，保温层II4是软性的保温材料，其敷设厚度在东北和西北高寒地区不应低 于400mm，在华北地区可以在150-300mm之间。钢制网架5紧贴保温层II4的 外表面，两者之间无缝隙，钢制网架5的外表面设有3-4cm刺状突起。钢制 网架5通过焊接、螺栓锚固等方法连接为整体，将保温层II4全部罩住，钢制 网架5单一网孔面积不大于10cm2。钢制网架5的作用是两个，其一固定保温 层II4，使其紧贴罐壁和罐顶，保温层II4与罐体钢板之间不留缝隙；其二作 为钢丝网架5之外聚氨酯发泡材料的附着层，钢丝网架上要求有3-4cm的刺 状突起，两根刺状突起之间平均距离在2-3cm之间。钢制网架5之外采用直 接喷涂的方式，以刺状突起为附着物，喷涂厚度为5cm聚氨酯发泡层(即保 温层III6)，聚氨酯发泡层(保温层III6)的作用是防风、防潮和保温，其喷涂 厚度要求不小于5cm；其中最外部彩钢板保护层7的主要作用是为内部保温层 提高保护，防止日晒雨淋等造成保温层老化。罐壁、罐顶的防风与保温一体 化系统是一种复合的保温方法，能够有效防止罐体通过辐射、传导和对流等 形式将热量散失到外界环境。
如图2所示，所述罐体底部保温、防水一体化系统是厌氧发酵罐15的底 部从下至上依次设有钢筋混凝土基础9、钢丝网架10、挤塑板保温层12及细 石混凝土保护层。即在罐体安装完毕后在罐体钢筋混凝土基础9之上安装钢 丝网架10，钢丝网架10安装时拉紧、紧贴厌氧发酵罐15的底部，并且与罐 壁1焊接为整体，要求钢丝网架10载荷不小于10吨/m2，钢丝网架10之上 铺设200mm挤塑板保温层12，单层挤塑板厚度100mm或50mm，铺设两层或四 层，挤塑板铺设采用错缝铺设的方法，将不同层间挤塑板之间的接缝错开， 挤塑板与挤塑板之间接缝以及挤塑板与罐壁之间接缝灌注聚氨酯发泡材料 11，起密封和固定作用，将罐体底部保温层与罐壁结合为整体。挤塑板之上 浇筑50-100mm细石混凝土保护层。
如图3、图4所示，所述发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体化系统包括 水力搅拌管14和水力循环泵16，其中水力搅拌管14设置于厌氧发酵罐15内 部上方，水力循环泵16设置于封闭的泵壳体21内、并与设置于泵壳体21外 部的泥浆泵电机18连接，泵壳体21的上端设有循环泵管道进料口22和循环 泵出料口19，循环泵管道进料口22通过设有阀门的进料管与厌氧发酵罐15 的底部连通，水力循环泵16通过穿过循环泵出料口19的出料管与水力搅拌 管14连接。泵壳体21设置于进料池17内，泵壳体21的侧面设有泵壳体进 料口20。水力循环泵16(此时以普通泥浆泵模式运行)运行时，先关闭与厌 氧发酵罐15底部连通的进料管上的阀门，再开启泵壳体进料口20，进料池 17内的流态物料通过水力循环泵16输送至水力搅拌管14内，流态物料通过 水力搅拌管14进入厌氧发酵罐15内。
发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体化系统可以水力搅拌模式和流态物 料进料模式两种方式运行。在以水力搅拌模式运行时，泵壳体21侧部泵壳体 进料口20封闭，厌氧发酵罐15内物料通过循环泵管道进料口22进入泵壳体 21内，泵壳体21以及水力循环泵16承受罐体水压，泵壳体21内的物料在水 力循环泵16的带动下重新进入厌氧发酵罐15内，此种模式下物料封闭循环， 可以充分利用罐体高度产生的水压，提高水力循环泵16的物料输送量，减少 流体热量损失和水力循环泵16的扬程损失。以流态物料进料模式运行时，打 开泵壳体21侧部泵壳体进料口20，关闭循环泵管道进料口22之前阀门，匀 浆后的畜禽粪便等流态物料加入到进料池17中，在水力循环泵16的泵送作 用下，通过水力搅拌管14进入厌氧发酵罐15内。
如图5所示，所述发酵后物料在线固液分离系统设置于室内，包括缓冲 罐体I27、缓冲罐II33、快速气动阀26、固液分离机31、调频螺杆泵30、压 力检测器、液位检测开关及回流污水泵32，其中缓冲罐体I27通过管道与厌 氧发酵罐15的底部连通，快速气动阀26设置于缓冲罐体I27与厌氧发酵罐 15之间的管道上，所述液位检测开关包括分别设置于缓冲罐I27的内壁上、 下部的上液位开关28和下液位开关29。调频螺杆泵30通过管道分别与缓冲 罐体I27的底部和固液分离机31连接，调频螺杆泵30需配套变频电机，实 现调频螺杆泵30流量连续可调。压力检测器(压力表24)设置于调频螺杆泵 30和固液分离机31之间的管道上。固液分离机31通过管道与缓冲罐II33的 上部连接，缓冲罐II33的底部通过回流污水泵32及管道与设置于厌氧发酵罐 15内部上方的沼液回流管23连接。缓冲罐体I27和缓冲罐II33亦可以是池 体的形式，池体的外壁设有保温结构、并上端安装有顶盖。物料流经发酵后 物料在线固液分离系统的部位以保温材料包裹。
所述发酵后物料在线固液分离系统的运行方式是：压力检测器检测固液 分离机31前进料口压力，当检测到压力大于1000Kpa(表压)时，降低调频 螺杆泵30运行频率，当检测到压力低于100Kpa(表压)时，提高调频螺杆泵 30运行频率；当上液位开关28检测到信号时，关闭快速气动阀26，当下液 位开关29检测到信号时，开启快速气动阀26。固液分离机31分离出的沼液 流入缓冲罐II33内，缓冲罐II33内的沼液通过回流污水泵32回流至厌氧发 酵罐15内。
如图6、图7所示，所述干物料液面下无堵塞螺旋进料系统包括驱动装置、 螺旋输送机套管37、螺旋输送机中心轴43及螺旋输送机输送叶片39，其中 螺旋输送机中心轴43设置于螺旋输送机套管37内、并一端与驱动装置连接， 螺旋输送机中心轴43上设有螺旋输送机输送叶片39。螺旋输送机套管37靠 近驱动装置的一端设有螺旋输送机套管进料口36，另一端设有螺旋输送机套 管出料口，螺旋输送机套管37的出料口端插入安装在厌氧发酵罐15上部的 螺旋输送机罐体安装套管38内、并位于厌氧发酵罐15内液面下方。螺旋输 送机罐体安装套管38靠近出料口端设有螺旋输送机出料部位喇叭口40。螺旋 输送机套管出料口包括设置于螺旋输送机套管37末端上、下侧面的螺旋输送 机上部出料口41和螺旋输送机下部出料口42，螺旋输送机上部出料口41和 螺旋输送机下部出料口42的长度为3-6个螺距，其宽度为套管圆周长的 1/4-1/3。安装于进料口段的螺旋输送机输送叶片39有1-2片为正常带式螺 旋叶片，对应于出料口段螺旋轴上的其它2-4个螺距范围内不安装螺旋输送 机输送叶片39。所述驱动装置包括螺旋输送机电机34和螺旋输送机减速机 35。
实施例
本发明的技术方法可以应用于我国北方寒冷地区单独秸秆原料或者秸秆 与牛粪混合原料的沼气工程。以建设规模1200立方米的沼气工程为实施案例 加以说明。
该处工程位于我国吉林省西北部，冬季夜间气温在-30℃，白天气温在 -15℃--25℃之间，该处工程以稻草原料为主，牛粪原料为辅，设计年处理 稻草1200吨，年处理牛粪3650吨，年产沼气46.95万m3(平均每日生产沼 气12861m3)。工程实际运行效果完全达到设计要求。
本工程厌氧发酵罐15内运行温度常年稳定控制在35℃，冬季严寒条件下 (24小时平均温度-20℃到-25℃)，工程正常运行条件下，平均每日需燃烧沼 气133Nm3(沼气锅炉热效率93％，罐体换热管道效率90％)，工程运行热耗/ 工程总能量产出等于10.33％。通过实验研究确定，在停止进料情况下，维持 罐体温度为35℃，每日仅需要燃烧沼气21m3，罐体保温效果完全达到设计要 求。
发酵罐水力搅拌与流态物料进料一体化方法将罐体水力搅拌与流态物料 的进料实现了一体化，既降低工程建设成本，又可以在进行水力搅拌式充分 利用罐体自身水压产生的压力，降低了流态物料输送过程中由于扬程损失而 造成流量下降，工程实际运行中安装了两台15KW水力循环泵16(其中一台为 备用)，水力循环泵16设计流量为100m3/h，扬程15m，罐体高度8m，实测力 量约80m3/h，证明这一设计方法能够有效克服水力循环泵16扬程损失造成的 流量降低。
发酵物料在线固液分离方法，能够有效降低固液分离过程中热量散失， 工程实测表明，固液分离机31分离后沼液温度≥33℃，固液分离过程沼液降 温低于2℃，在线固液分离方法十分有效。
干物料液面下无堵塞螺旋进料方法对于输送揉搓后干稻草、青储草料十 分有效，可以在不添加水的情况下直接将固态物料输送至罐体液面以下，在 保证发酵罐密封、厌氧的情况下实现了固态物料的高效输送。且能耗很低， 实测表明，工程配套4KW螺旋输送机，干秸秆进料量可以达到1吨/小时，进 料效率远高于泵送方式。