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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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),我國(guó)對(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)逐步意識(shí)到紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備對(duì)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(guó)沼氣裝備自動(dòng)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(cè)不及時(shí)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(guó)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(guó)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(dòng)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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)原料進(jìn)行粉碎處理。在工程裝備上, 我國(guó)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省⒓夹g(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(guó)內(nèi)將秸稈收 購(gòu)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(duì)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(shí),旋轉(zhuǎn)刀片對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)位置,調(diào)節(jié)廢棄物的破碎程度。我國(guó)勻漿切碎裝備才剛剛起步,距離國(guó)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(guó)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(zhǎng)、噪聲低等特點(diǎn),但同時(shí)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(guó)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(dòng)性差、輸送不穩(wěn)定等關(guān)鍵性問題沒有解決,限制了我國(guó)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(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(shí)間短、生產(chǎn)成本低等 特點(diǎn)。焊接罐制造時(shí),將不同規(guī)格的鋼板運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn) 場(chǎng)進(jìn)行焊接?,F(xiàn)場(chǎng)焊接是一個(gè)繁瑣的作業(yè)過程,工
人勞動(dòng)強(qiáng)度大,對(duì)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(duì)鋼板進(jìn)行電泳漆或熱噴涂處理,便 可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接,工人勞動(dòng)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(zhǎng),并且相對(duì)于碳鋼結(jié)構(gòu)的沼氣發(fā)酵裝置生產(chǎn)成本也低。國(guó)家環(huán)??偩謱⑦@該項(xiàng)技術(shù)作為國(guó)家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)實(shí)用技術(shù),目前已經(jīng)在國(guó)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⑺嵝詨A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(shì),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(zhǎng),正逐漸受到廣大企業(yè)的歡迎
此外,我國(guó)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(guó) 良23)等研究了一種附有太陽(yáng)能系統(tǒng)的可移動(dòng)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(yáng)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(duì)產(chǎn)氣率的影響極大,在我國(guó)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(dòng)溫度調(diào)節(jié)裝置的沼氣發(fā)酵裝置將是一個(gè)嶄新的方向,自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(huì)在1個(gè)沼氣發(fā)酵裝置 內(nèi)安裝2個(gè)或者3個(gè)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(duì)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(dòng)原料流動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí),加壓泵將儲(chǔ)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(dòng)物料循環(huán)流動(dòng)21。雖然相對(duì)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(shì)展 4.1紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備與自動(dòng)化控制系統(tǒng)相結(jié)合 沼氣發(fā)酵是一個(gè)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(huì)產(chǎn)生甲烷外,還會(huì)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(duì)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(cè),在這些參數(shù)超出發(fā)酵所需要的設(shè) 置范圍后及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)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(cè),避免對(duì)環(huán)境 以及設(shè)備產(chǎn)生危害。人工監(jiān)測(cè)常常具有不及時(shí)、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(dòng)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(guó)紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備自動(dòng)化控制起步晚、自動(dòng)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(dòng)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(guó)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(jiǎn)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(yáng)企業(yè),未來必定沿著規(guī)?;?、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(duì)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?cè)趯?duì)比國(guó)外紅泥膜沼氣池沼氣工程發(fā)展形勢(shì)、學(xué)習(xí)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),也要加強(qiáng)我國(guó)對(duì) 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(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),在原料來源、發(fā)酵類型、沼氣利用上都與國(guó)外存一定的差異,一味地學(xué)習(xí)國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)并不能完全適用于我國(guó)特殊的國(guó)情。例如在沼氣利用上,德國(guó)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(guó)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(guó)的紅泥膜沼氣池沼氣工程裝備技術(shù)才能達(dá)到一個(gè)新的高度。
摘自《中國(guó)沼氣》2018第4期
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