沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置控制理論研究

鄭　勇，焦　靜，王金麗，張　勁，黃正明，曹建華

(1.中國熱帶農業(yè)科學院 農業(yè)機械研究所，廣東 湛江　524091；2.中國熱帶農業(yè)科學院橡膠研究所，海南儋州　571737)

0　引言

我國沼氣事業(yè)發(fā)展主要包括3個階段—發(fā)展初期、技術發(fā)展期和發(fā)展成熟期。在發(fā)展初期，國家領導人毛澤東同志提出沼氣的應用優(yōu)勢，20世紀70年代中期，國家開始對發(fā)展沼氣事業(yè)大力扶持[1]，但沼氣池的運行存在持續(xù)性差、維護技術落后等問題，在一定程度上打擊了積極性。在技術發(fā)展期，開始總結沼氣建設存在的問題和技術需求，加大力度提高沼氣生產的技術創(chuàng)新和可行性改進，凸顯了沼氣使用的優(yōu)越性[2]。在發(fā)展成熟期，沼氣事業(yè)的發(fā)展成為我國一項重大發(fā)展工程，得到了國家的大力扶持?！笆濉逼陂g，在農村沼氣建設方面，我國國家投資142億，2015年投資20億。在我國沼氣事業(yè)發(fā)展過程中，政府積極引導和資金扶持，沼氣工程標準體系得到日益完善[3-4]，沼氣利用效益得到增強，沼氣工程建設管理得到優(yōu)化，節(jié)約了資源，減少了廢棄物排放。但我國沼氣技術與歐洲發(fā)達國家相比還比較落后，基礎配套設施還不完善，缺乏技術人員，沼氣工程系統(tǒng)智能化、信息化水平低，且我國發(fā)展沼氣的驅動力是為了保護環(huán)境、建設美好家園，而歐洲沼氣事業(yè)已經是商業(yè)化發(fā)展模式。

在沼氣工程系統(tǒng)中，厭氧發(fā)酵溫度過低是制約沼氣工程發(fā)展的一個關鍵因素，研究廉價實用的沼氣工程增溫裝置顯得非常重要。研究表明，溫度在35℃條件下發(fā)酵產生的沼氣量是溫度在15oC條件下發(fā)酵的12倍[5]。如何幫助沼氣工程系統(tǒng)增溫保溫，是學者們關注的問題。學者們立足廉價、實用和清潔的能源角度，研究了將系統(tǒng)管道埋入地下進行保溫，以及使用化學藥劑聚苯乙烯和聚氨酷等材料強化保溫等方式，采用減少系統(tǒng)水的含量的方式降低系統(tǒng)運行過程中的能耗[6-7]，使用太陽能集熱器、沼氣發(fā)電組余熱、生物質熱水鍋爐、空氣能熱泵或沼氣燃燒等單種方式和復合方式進行增溫[8-11]，從增溫的經濟效益和能源的利用率方面考評，結果都不理想。其中，太陽能易受到天氣的影響，穩(wěn)定性較差[12-14]；沼氣發(fā)電余熱能夠通過專門裝置實現(xiàn)熱能的回收利用，加熱最快[15-17]；空氣能熱泵是利用空氣中的能量來進行熱能的產生，以消耗最少的能源產生恒溫、大水量、高水壓的一種熱水器。目前，分別經過大功率燃氣、大功率電熱水器、太陽能熱水器、空氣能熱泵4代的發(fā)展，運用熱泵工作原理制熱后將熱量輸送給保溫水箱，空氣熱泵制熱不需要陽光，能夠連續(xù)產生熱量，且壽命長，不生產有毒有害氣體。

空氣能熱泵是一項開發(fā)和應用潛力比較強大的技術。西北農林科技大學的苑建偉、黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院的魏兆凱等人重點研究了太陽能對沼氣系統(tǒng)的增溫技術[18-19]，沈陽農業(yè)大學工程學院的寇巍等人研究了太陽能與發(fā)電余熱的復合模式對沼氣系統(tǒng)的增溫系統(tǒng)的理論設計[20]，西北農林科技大學農業(yè)部沼氣西北分中心的邱凌等人研究了太陽能雙效增溫方式的平衡算法，分析了增溫對沼氣系統(tǒng)內各部分產生的熱利用效率[21]。新型復合型增溫方式成為系統(tǒng)增溫方面研究的熱點和趨勢。

目前，可攪拌式小型沼氣干發(fā)酵裝置，主要有兩種形式，即“外轉式—轉筒倉式干發(fā)酵裝置”與“內轉式—螺帶式攪拌干發(fā)酵裝置”[22]。通過對兩種方式進行對比發(fā)現(xiàn)：轉筒倉式干發(fā)酵裝置的關鍵部位是發(fā)酵罐體旋轉，優(yōu)于螺帶式攪拌干發(fā)酵裝置。其優(yōu)點包括：物料攪拌更均勻且物料無分層與死角地帶，物料間熱傳遞比較通暢且可實現(xiàn)連續(xù)進出料。鑒于以上優(yōu)勢，轉筒倉式干發(fā)酵裝置具有較好的應用推廣價值。本文針對建立的沼氣中試示范基地的轉筒倉式干發(fā)酵裝置中的增保溫裝置，根據沼氣干發(fā)酵工藝對溫度的需求，研究了該干發(fā)酵反應器增溫裝置的物聯(lián)網控制原理。

1　研究理論與方法

1.1沼氣干發(fā)酵工藝流程理論概述

相對常規(guī)的沼氣發(fā)酵工藝,沼氣干發(fā)酵工藝進料干物質濃度較高，約20%～40%。常用農作物秸稈、生活廢棄垃圾和畜禽糞便等作為發(fā)酵原料，這些原料均是固體有機廢棄物，含水率低，經厭氧發(fā)酵作用后將產生沼氣，沼氣干發(fā)酵又稱固體厭氧發(fā)酵[23]。沼氣干發(fā)酵的生物學過程大同小異，關鍵體現(xiàn)在干發(fā)酵反應器裝置上，裝置的不同將帶來沼氣生產工藝上的差異。

與常用的沼氣發(fā)酵技術相比，沼氣干發(fā)酵技術具有明顯的優(yōu)勢：①因干物質濃度含量高而沒有流動態(tài)的沼液，不會產生二次污染；②進行厭氧發(fā)酵時可有效保持和提升溫度，能耗較低；③沼渣含水率低，易于與秸稈和畜禽糞便等固體物進行調合，可以制作成有機肥，綜合經濟效益高。但也存在一些問題，如發(fā)酵物料攪拌困難、接種物與新料混合不均勻及與最佳微生物生長環(huán)境相矛盾等問題。

本研究依托的沼氣中試基地位于廣東省湛江市，地處亞熱帶地區(qū)，常年氣溫較高，日照時間長。本研究因地制宜，根據轉筒倉式干發(fā)酵裝置的特點和系統(tǒng)需求，采用連續(xù)式中溫一級消化沼氣發(fā)酵工藝，具體工藝流程如圖1所示。

圖1　沼氣干發(fā)酵設備流程圖

1.2沼氣干發(fā)酵裝置和工作過程理論概述

轉筒倉式干發(fā)酵裝置主要部分由轉倉筒式反應器、螺旋混料機、螺旋提升機、螺旋進料機、螺旋出料機及出料帶式輸送機組成，如圖2所示。

圖2　裝置主體結構示意圖

該干發(fā)酵裝置的核心部分由轉轉倉筒式反器、螺旋進料機和螺旋出料機3部分組成。其中，轉倉筒式反應器是微生物厭氧發(fā)酵原料的主體場所，螺旋進料機負責把新鮮物料連續(xù)地送入反應器中，螺旋出料機則負責把發(fā)酵后的沼渣連續(xù)地輸送出去；同時，螺旋進、出料機承擔著密封進出料口的任務，對轉倉筒式反應器創(chuàng)造良好厭氧空間具有重要作用。

根據選定的干發(fā)酵工藝，本干發(fā)酵裝置的主要工作過程包括：秸稈等原料經過預處理后添加接種物(回料)一起送入螺旋混料機中；攪拌均勻后，經螺旋提升機轉送至螺旋進料機，在進料螺旋的推動作用下，進入轉倉筒式反應器中進行厭氧消化；同時，啟動轉倉筒式反應器轉動，新進物料與原來反應器內的物料將攪拌混合并分布均勻；發(fā)酵后的沼渣經螺旋出料機送出，落入出料帶式輸送機的傳送帶上，再落入轉運小車中，以備后續(xù)工序使用。

本裝置最大的優(yōu)點是混料、提升、進料、轉筒旋轉攪拌混合及出料等各工序工作可以同時持續(xù)聯(lián)動運行，沼氣發(fā)酵啟動后，厭氧發(fā)酵環(huán)境將保持在一個較優(yōu)的狀態(tài)，系統(tǒng)產氣平順，甲烷濃度高，突破了批量式干發(fā)酵系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)每次都要經歷因啟動、高峰、衰減而帶來的產氣量與甲烷濃度不穩(wěn)的問題。

2　理論研究過程

2.1反應器增溫裝置控制需求分析

影響沼氣發(fā)酵的因素很多，但目前有關沼氣發(fā)酵的相關研究結果表明：溫度是沼氣發(fā)酵過程中的一個關鍵影響因素，溫度能調控發(fā)酵菌群的活性，強化產氣效果。如果不采取相應的措施維持溫度的穩(wěn)定性，發(fā)酵料液溫度將易受外界氣溫、地溫的直接影響，溫度波動較大，降影響微生物生長，且沼氣產量與甲烷濃度將不穩(wěn)定。

經過前期發(fā)酵溫度對沼氣干發(fā)酵影響的反復試驗，充分證實了溫度對沼氣發(fā)酵的重要影響。因此，根據本研究確定的示范基地沼氣發(fā)酵工藝，需要確保發(fā)酵溫度保持在中溫區(qū)30～38℃。發(fā)酵溫度對增溫裝置的控制要求包括：

1)實時性與準確性。因進出料與發(fā)酵都是連續(xù)進行的，所以要求整個發(fā)酵過程中溫度都要保持在中溫區(qū)，所設計的增溫控制系統(tǒng)應能夠快速響應溫度的變化，實時做出調整，并能夠準確地將溫度控制在中溫區(qū)內。

2)溫度數(shù)據自動記錄。因溫度波動對沼氣發(fā)酵菌群的影響很大，要求反應器內發(fā)酵溫度在整個發(fā)酵過程中能夠自動記錄，并能形成實時圖表進行輸出。

在滿足以上發(fā)酵工藝的控制要求前提下，根據反應器增溫裝置的結構特點和節(jié)能增效需要，其自身具有兩種工作方式：①在有充足強度的太陽輻射時，不啟動空氣能熱泵，單獨由太陽能集熱聯(lián)箱負責為干發(fā)酵反應器增保溫；②當連續(xù)遭遇陰雨天、白天太陽能輻射強度不夠或夜間條件下，太陽能集熱聯(lián)箱不能滿足干發(fā)酵反應器增保溫時，空氣能熱泵啟動工作進行增保溫。結合該兩種工作方式，控制系統(tǒng)工作還應滿足以下條件：

1)空氣能增溫模塊在水循環(huán)系統(tǒng)首次啟動時，應首先啟動空氣能熱泵以快速加熱主、副水箱，水溫達到55℃時停止加熱；在之后系統(tǒng)的運行過程中，根據太陽能集熱聯(lián)箱能否滿足增保溫的需要，控制啟動和停止。

2)啟動反應器增溫模塊通過PLC的PID功能控制加溫過程，持續(xù)加溫到反應器內溫度達到38℃，系統(tǒng)進入熱平衡狀態(tài)。

3)當熱量平衡后，保溫過程主要由太陽能集熱聯(lián)箱采集的熱量進行維持。

4)使用主保溫水箱中的熱水，當主保溫水箱中的熱水溫度低于45℃時，啟動空氣能熱泵加熱副水箱，水溫達到55℃時停止空氣能熱泵，打開主、副保溫水箱間的電磁閥與熱水泵，進行主副保溫水箱熱水交換。。

5)遠程自動控制與故障自診斷。由于沼氣發(fā)酵增溫裝置涉及的元件多，空間跨度大，且很多元件都包裹在保溫層內，人工控制與檢查費時、費力，要求能具有現(xiàn)場與智能終端遠程控制結合及故障自動診斷功能。

2.2物聯(lián)網控制技術的增溫裝置設計

“太陽能-空氣能熱泵”多能互補型增溫裝置，主要通過由紫金真空太陽能管組成的太陽能集熱聯(lián)箱采集熱量，通過空氣壓縮機熱交換產生熱量，把采集或產生的熱量儲在水箱中進行換熱或存儲，從而提高循環(huán)水的溫度；循環(huán)熱水再通過轉筒倉式反應器外壁上的螺旋鋁盤管，以輻射方式與發(fā)酵原料間接進行熱交換，以充分利用太陽能、空氣低溫熱能，使沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)溫度保持在中溫發(fā)酵范圍內，保持沼氣系統(tǒng)運行費用在盡可能低的水平。增溫裝置原理示意圖如圖3所示。

圖3增溫裝置原理示意圖Fig.3　The working principle diagram of warming facility

通過對轉筒倉式沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置的控制需求及工作原理分析發(fā)現(xiàn)：增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要為各環(huán)節(jié)的熱水泵、電磁閥及空氣能熱泵和變頻器，檢測元件主要有電流開關、水流開關等開關量傳感器，以及液位變送器、溫度變送器等模擬量傳感器。這些元件所形成的系統(tǒng)需要控制的點數(shù)較少，需要采集與處理的數(shù)據量不大，結合沼氣發(fā)酵過程控制的特點，本研究擬采用西門子S7-200系列小型PLC可編程控制器作為控制系統(tǒng)的下位機，云觸摸屏為上位機的系統(tǒng)架構。

在系統(tǒng)的設計中，下位機與上位機的通信，采用性能可靠的傳統(tǒng)RS485通訊方式，因沼氣基地建已具有有線與無線電信網絡，故上位機與智能終端設備之間將利用示范基地現(xiàn)有的網絡基礎設施，采用因特網P2P云通訊方式，易于滿足現(xiàn)場信號自動采集與處理及遠程云控制與分析的功能需求，實現(xiàn)增溫裝置控制系統(tǒng)的物聯(lián)網化。控制系統(tǒng)總體方案如圖4所示。

圖4物聯(lián)網控制系統(tǒng)總體設計

3　研究結果

本文重點闡述了多能互補型沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置的結構特點與工作原理，結合沼氣干發(fā)酵工藝特點，分析了其在滿足沼氣干發(fā)酵工藝前提下的工況條件對控制系統(tǒng)的需求，確定了沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)的總體方案。 本文選用由太陽能增溫模塊、空氣能增溫模塊、反應器增溫模塊及儲熱水箱等四大模塊組成的多能互補型水循環(huán)增溫裝置，采用中溫轉筒倉式干發(fā)酵方式和因特網P2P云通訊方式，完成了系統(tǒng)的方案總體設計，為多功能互補性沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置開發(fā)應用提供思路和方法。

4　結論

發(fā)展農村沼氣工程，可以提高農業(yè)廢棄物的有效利用，對美麗鄉(xiāng)村建設具有深遠意義。隨著信息技術的發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代控制技術逐漸成熟，且系統(tǒng)控制模式也趨向于復雜化、多元化和智能化，多參數(shù)監(jiān)測、多種傳感器融合、多種控制方式并存，以及增溫保溫技術的研發(fā)與應用已成為今后農村沼氣工程發(fā)展的趨勢。目前，在該方面的研究仍處于理論探索階段，實踐和推廣意義不大。

本研究以提高沼氣的產氣率，提高系統(tǒng)運行的經濟性、安全性和可靠性，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能、遠程、可視化精準控制為最終目標，充分體現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能的趨勢，設計理念符合我國沼氣工程技術未來發(fā)展趨勢。

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