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本項目設(shè)計了一種適合于城市餐飲業(yè)處理廚余垃圾并將其轉(zhuǎn)化為沼氣能源的節(jié)能減排裝置，即高效無間斷沼氣發(fā)酵裝置-----此裝置已獲得國家專利，專利號：200920165251X。采用獨創(chuàng)雙反應(yīng)池結(jié)構(gòu)，增加了曝氣裝置和過濾回流裝置，使該沼氣發(fā)酵裝置具有高效、無間斷產(chǎn)氣和無需攪拌的功能。目前，已與東林農(nóng)機有限公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，現(xiàn)處于批量生產(chǎn)前的試點運行階段。

作品內(nèi)容簡介

本項目設(shè)計了一種適合于城市餐飲業(yè)處理廚余垃圾并將其轉(zhuǎn)化為沼氣能源的節(jié)能減排裝置，即高效無間斷沼氣發(fā)酵裝置-----此裝置已獲得國家專利，專利號：200920165251X。采用獨創(chuàng)雙反應(yīng)池結(jié)構(gòu)，增加了曝氣裝置和過濾回流裝置，使該沼氣發(fā)酵裝置具有高效、無間斷產(chǎn)氣和無需攪拌的功能。目前，已與東林農(nóng)機有限公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，現(xiàn)處于批量生產(chǎn)前的試點運行階段。

高效無間斷沼氣發(fā)酵裝置分為一次反應(yīng)池和二次反應(yīng)池。按照容積最佳負荷比[1]，往一次反應(yīng)池一次性投入最佳量原料，待其達到產(chǎn)氣最高峰后，將一次反應(yīng)池中的所有反應(yīng)物導(dǎo)入二次反應(yīng)池讓其繼續(xù)反應(yīng)，再按最佳投料比繼續(xù)往一次反應(yīng)池中投入適量原料，利用帶過濾裝置的水泵將二次反應(yīng)池中反應(yīng)物的上層清液抽至一次反應(yīng)池，以此循環(huán)，保持一次反應(yīng)池長期高效無間斷產(chǎn)氣，同時二次反應(yīng)池中的反應(yīng)液繼續(xù)產(chǎn)氣并且可通過設(shè)置在一次反應(yīng)池底部的曝氣裝置通入一次反應(yīng)池，使一次反應(yīng)池中的反應(yīng)物混合均勻，并且?guī)С龌煸谝淮畏磻?yīng)池反應(yīng)物中的沼氣氣泡，達到無需攪拌而高效產(chǎn)氣的效果。此設(shè)備變廢為寶，為有機垃圾的處理提供了一條綠色通道，降低了有機垃圾處理的成本，產(chǎn)生的沼氣還可以替代不可再生能源，達到了節(jié)能減排的效果。

圖1專利證書
1 研制背景及意義
據(jù)清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)院調(diào)查數(shù)字顯示，中國城市每年產(chǎn)生廚余垃圾不低于6000萬噸。而長期以來餐飲業(yè)有機垃圾均作為動物飼料，不僅造成了有機能源的浪費，而且食物鏈的短循環(huán)還帶來了疾病感染風險，甚有煉制食用油的非法現(xiàn)象頻繁發(fā)生。北京、上海等國內(nèi)各大城市均已嚴令禁止用廚余垃圾直接作為動物飼料、直接填埋、煉制生物油[2]。由于技術(shù)和資金的缺乏，許多地區(qū)無法對廚余垃圾進行及時有效合理的處理。而現(xiàn)有沼氣技術(shù)的研究和應(yīng)用均集中在農(nóng)村，主要以秸稈、糞便為原料，均采用簡單的一個反應(yīng)池結(jié)構(gòu)[3-5]，存在發(fā)酵效率低，產(chǎn)氣不連續(xù)、不穩(wěn)定等問題。本項目設(shè)計的裝置針對這些問題，提出了處理廚余垃圾的一種新思路，能夠?qū)N余垃圾合理的利用。有效地將城市餐余垃圾轉(zhuǎn)化為可再生能源—沼氣，從而避免了由于食物鏈短導(dǎo)致人類疾病感染的風險和直接填埋造成的環(huán)境污染和能源浪費，大大改善了中國能源短缺的現(xiàn)狀，有利于節(jié)約型社會經(jīng)濟成本改善以及節(jié)能減排。
2 設(shè)計方案
2.1基本原理
新型高效無間斷產(chǎn)氣沼氣發(fā)酵裝置，包括兩個沼氣反應(yīng)池，一次反應(yīng)池（1）位于沼氣發(fā)酵裝置的上方，按照容積最佳投料比計算出一次反應(yīng)池的最佳投料量，投入適量原料通過入料管（2）進入一次反應(yīng)池（1），在第二天達到產(chǎn)氣的峰值[6]，第三天可打開閥門（3）使一次反應(yīng)池內(nèi)的反應(yīng)物完全流入到位于下方的二次反應(yīng)池（4），再關(guān)閉閥門（3），然后再根據(jù)最佳投料量對一次反應(yīng)池投入適量原料，并用帶過濾裝置的水泵（5）抽取二次反應(yīng)池（4）中一定量的反應(yīng)液送回到一次反應(yīng)池（1）中，可以保持一次反應(yīng)池高效無間斷產(chǎn)氣，同時二次反應(yīng)池（4）利用遺留下的反應(yīng)物繼續(xù)產(chǎn)氣，二次反應(yīng)池產(chǎn)生的氣體可通過導(dǎo)氣管（10）通入一次反應(yīng)池中的曝氣裝置從而進入一次反應(yīng)池，使一次反應(yīng)池中的反應(yīng)物混合均勻，并且?guī)С龌煸谝淮畏磻?yīng)池反應(yīng)物中的沼氣氣泡，一次反應(yīng)池的反應(yīng)周期為兩天，以此循環(huán)高效產(chǎn)氣。當二次反應(yīng)池反應(yīng)到一定階段后可以打開閥門（6）進行對二次反應(yīng)池排渣，整個清渣過程對一次反應(yīng)池沒有影響，所以沼氣發(fā)酵裝置可以繼續(xù)產(chǎn)氣，無需再次啟動。一次反應(yīng)池和二次反應(yīng)池產(chǎn)生的沼氣都通過導(dǎo)氣管（7）、導(dǎo)氣管（9）通入儲氣罐（8）進行儲存。

圖2原理示意圖

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)及運行方案分析

該沼氣發(fā)酵裝置設(shè)計為高1.4米,半徑1.1米的圓柱型容器，體積為3立方米，一次反應(yīng)池位于沼氣發(fā)酵裝置的上部，體積為1立方米（循環(huán)周期為2天），二次反應(yīng)池體積為2立方米（反應(yīng)周期為10天左右）。設(shè)定一次反應(yīng)池總反應(yīng)液體積為0.8立方米，按照最佳投料量為30千克每立方米，一次性投入30千克廚余垃圾，體積約為0.02立方米[7]，二次反應(yīng)池的反應(yīng)液體積為1立方米，每次循環(huán)后二次反應(yīng)池中的反應(yīng)物會增加0.02立方米。在沼氣發(fā)酵裝置的一個反應(yīng)周期（為10天）里，一次反應(yīng)池會循環(huán)5次，二次反應(yīng)池中的反應(yīng)物總共增加0.1立方米，10天后將二次反應(yīng)池中的反應(yīng)混合物排除0.5立方米，將排出的混合物過濾，將反應(yīng)液再次投入一次反應(yīng)池，使一次反應(yīng)池總反應(yīng)液體積為0.8立方米，二次反應(yīng)池的反應(yīng)液體積為1立方米。

2.3方案所需設(shè)備參考

內(nèi)容
名稱 材料數(shù)量
材料作用及說明
沼氣發(fā)酵裝置罐體 1個 罐體為沼氣的主要發(fā)生區(qū)，其結(jié)構(gòu)為上下兩層結(jié)構(gòu)，中間用隔板分開，兩層間用管路、閥門及水泵等聯(lián)接。
小型電動風機 1個 為收集沼氣維持一定的抽吸力；一次反應(yīng)池換料時將第一反應(yīng)池內(nèi)沼氣抽盡。
小型電動水泵 1個 一次反應(yīng)池反應(yīng)周期結(jié)束換料之后，從第二反應(yīng)池回抽一定量沼液。
氣閥及液閥 5～6個 與導(dǎo)管及聯(lián)接部件配合調(diào)節(jié)整個沼氣生產(chǎn)過程。
入料漏斗 1個 作為第一反應(yīng)池的投料口，漏斗管部設(shè)有啟合裝置。
儲氣罐 1～2個 存儲及運輸沼氣。
曝氣器 1個 布置于第一反應(yīng)池底部，在第一反應(yīng)池投新料時將第二反應(yīng)池中部分沼氣透過曝氣膜鼓泡進入第一層空間。
過濾網(wǎng) 1張 過濾從第二反應(yīng)池抽至第一反應(yīng)池的沼液。
導(dǎo)管及聯(lián)接部件 導(dǎo)管若干，彎頭（8～9），三通（1） 附加于主罐體上構(gòu)成整個反應(yīng)裝置的循環(huán)管路。

部分設(shè)備及器材詳細參數(shù)及規(guī)格如下：

1、小型電動風機：
型號 電壓
(V) 頻率
(Hz) 相數(shù)量 輸入功率
(W) 電流
(A) 轉(zhuǎn)速
(r/min) 風量
(m3/min) 壓強
(Pa） 噪音
(db） 重量
(Kg) 電容
(uF/v) 軸承形式
86FLJ2 220 50 1 22 0.18 2500 1.5 120 52 1.25 / G

2、小型電動水泵：

型號 電壓（V） 功率（kw） 重量（kg） 口徑（mm） 最大吸程（m）
1DK-14 220 0.33 8 25 8
3 工作原理及性能分析
3.1基于模型的理論設(shè)計計算及性能分析

圖3簡化的理想模型

假定初始情況為常溫常壓，R為普適氣體常數(shù)，

沼氣平均相對質(zhì)子質(zhì)量為25
初始條件：



根據(jù)上面的初始條件，計算可得：

研究動態(tài)過程可得：
產(chǎn)氣速率C1和C2 罐體積 V1 ,V2


因為

由此可得：


對沼氣發(fā)酵裝置I部分



同理可得II部分壓強與步距，產(chǎn)氣速率關(guān)系為：

得出壓強與產(chǎn)氣的轉(zhuǎn)換關(guān)系

壓強與時間的關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)氣速率與時間的關(guān)系，運用Matlab仿真可以分別得出傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣速率隨時間變化關(guān)系圖與新型沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣速率隨時間變化關(guān)系圖。
如下所示：

圖4傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣速率與時間關(guān)系表

圖5新型沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣速率與時間關(guān)系表
由圖表可知，新型沼氣發(fā)酵裝置實現(xiàn)了高效、無間斷產(chǎn)氣，保證了沼氣穩(wěn)定供應(yīng)，具有傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵裝置無法比擬的優(yōu)勢。

3.2 動畫模擬圖及裝置實物

圖6動畫模擬圖

圖7模型正面圖

圖8模型背面圖
4 技術(shù)經(jīng)濟分析

該新型沼氣發(fā)酵裝置整體造價約為800～950元，包括其中小型電動風機為100元，小型電動水泵220元，上下雙層罐體300元，儲氣罐85元，入料漏斗、導(dǎo)管及導(dǎo)管聯(lián)接部件、閥門等150元。
由上可知，一次反應(yīng)池反應(yīng)時間為2天，第一、二天的產(chǎn)氣量能達到整個反應(yīng)周期的峰值，約占反應(yīng)周期總產(chǎn)氣量的50%，第三天到第十天產(chǎn)氣均衡，在整個反應(yīng)周期內(nèi)每千克廚余垃圾產(chǎn)生沼氣0.32立方米[8]，按此計算，一次反應(yīng)池兩天產(chǎn)氣4.8立方米（ ），平均每天產(chǎn)氣2.4立方米，二次反應(yīng)池十天產(chǎn)氣9.64立方米，平均每天產(chǎn)氣0.864立方米，那么該沼氣發(fā)酵裝置每天總產(chǎn)氣量3.264立方米，換算成天然氣每天可產(chǎn)氣2.18立方米（天然氣熱值約為沼氣的1.5倍），一年可節(jié)省天然氣795.7立方米，按照廣州天然氣每立方米3.45元的價格，每年可產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為2745元，按此計算四個月左右回收成本，該裝置具有相當大的社會效益和經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)城市廚余垃圾年產(chǎn)生量為6000萬噸左右，若總量中的10%采用該裝置處理，則一年能夠減少排放600萬噸（ ）的廚余垃圾，極大減輕了環(huán)境污染。經(jīng)過濾篩選處理約25%可作為投料，反應(yīng)之后，一年能產(chǎn)生沼氣量為2.18*108立方米（ ）的沼氣，按照沼氣（ 含量為65%）熱值4500千卡/立方米，標準煤的熱值為7000千卡/千克，每年可節(jié)約標準煤14.01萬噸（ 噸），具有顯著的節(jié)能效果。

5創(chuàng)新點及應(yīng)用
5.1創(chuàng)新點
（1）將傳統(tǒng)一室式低產(chǎn)氣率的沼氣池改進為擁有兩個反應(yīng)池結(jié)構(gòu)的高效沼氣發(fā)酵裝置；
（2）克服傳統(tǒng)沼氣池一次性大量投料間斷式產(chǎn)氣的弊端并針對廚余垃圾的產(chǎn)生特點，實現(xiàn)連續(xù)投料和不間斷產(chǎn)氣；
（3）設(shè)有曝氣裝置，以將原料均勻混合及帶出原料中生成的沼氣，達到無需外力攪拌和高效產(chǎn)氣的效果。
（4）設(shè)有過濾回流裝置，讓沼液循環(huán)利用，實現(xiàn)發(fā)酵的快速啟動和高效反應(yīng)。
5.2應(yīng)用價值
該作品解決了傳統(tǒng)沼氣池在處理餐飲有機垃圾時出現(xiàn)的問題，可以長期無間斷投料、無間斷高效產(chǎn)氣，不但降低了有機垃圾處理的成本，還變廢為寶，產(chǎn)生的沼氣可以替代不可再生能源，達到了節(jié)能減排的效果，特別是在中小城市以及城鎮(zhèn)有較好的市場前景。該作品結(jié)構(gòu)新穎，操作方便，成本較低，有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，在技術(shù)成熟的情況下可大規(guī)模的生產(chǎn)、應(yīng)用和推廣。隨著沼氣技術(shù)的日益成熟和完善，相信在不久的將來一定會得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻
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第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎
1、作品在2009年12月至2010年12月，順利通過了國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃驗收。2、獲省挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎。