高温厌氧消化系统及其控制方法与流程

1.本技术涉及生产设备，特别是一种高温厌氧消化系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前，利用利用秸秆、粪便等常见的农业废弃物制取生物质能源是环保技术发展的方向之一。目前高温厌氧消化系统主要以小型设备为主，小型设备自动化程度不高，人工参与度高，转化率较低，不适合大规模生产。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高温厌氧消化系统及其控制方法，以实现自动化大规模生产。
4.一方面，本技术实施例提供了一种高温厌氧消化系统，包括：
5.储存间，用于储存原料；
6.储热罐，用于储存热量；
7.预处理池，内置有搅拌机，用于对原料进行预处理；
8.水解酸化罐，用于将预处理后的料液进行酸化，以获取酸液；
9.厌氧消化罐，用于将酸液进行厌氧消化以产生沼气；
10.沼液池，用于储存厌氧消化罐排除的料液，其中，沼液回流至预处理池；
11.储气罐，用于厌氧消化罐产生的沼气；
12.螺杆泵，用于在储存间、预处理池、水解酸化罐、厌氧消化罐之间运输液料；
13.储热罐循环水泵，用于输送储热罐中的热水以实现温度控制；
14.传感器系统，用于采集预处理池、水解酸化罐、厌氧消化罐、沼液池之中的酸碱度、温度、液位、流量和氧化还原电位中的一种或者多种；
15.控制器，根据所述传感器系统采集的数据，控制螺杆泵和储热罐循环水泵。
16.在一些实施例中，所述控制器还用于提供配置界面，所述配置界面用于厌氧反应罐和水解酸化罐的目标液位、水解酸化罐温度、反应罐温度的工作温度、料液加入量和储热罐阀位控制目标。
17.在一些实施例中，所述控制器还用于提供配置界面，所述配置界面用于厌氧反应罐和水解酸化罐的目标液位、水解酸化罐温度、反应罐温度的工作温度、料液加入量和储热罐阀位控制目标。
18.在一些实施例中，所述预处理池为砖混材质，所述预处理池底部设置有不锈钢加热盘管，所述预处理池依靠储热罐所输送的热水维持池内温度。
19.在一些实施例中，所述水解酸化罐、厌氧消化罐内部设置均有碳钢防腐涂层，底部均设置有不锈钢加热盘，水解酸化罐依靠储热罐所输送的热水维持池内温度。
20.在一些实施例中，所述传感器系统包括设置在预处理池中的第一温度传感器、第一酸碱度传感器、第一氧化还原电位orp传感器；设置在水解酸化罐中的第一液位传感器、
第二温度传感器、第二酸碱度传感器、第二氧化还原电位orp传感器；设置在厌氧消化反应罐中的第二液位传感器、第三温度传感器、第三酸碱度传感器、第三氧化还原电位orp传感器；设置在沼液池中的第四温度传感器。
21.在一些实施例中，所述水解酸化罐沿内侧壁的纵向方向设置有多个传感器监测点，各监测点在罐底上方0.5米到罐顶下方0.5米均匀分布，其中，每个传感器监测点均布置有第一液位传感器、第二酸碱度传感器、第二氧化还原电位orp传感器。
22.在一些实施例中，所述厌氧消化反应罐沿内侧壁的纵向方向设置有多个传感器监测点，各监测点在罐底上方0.5米到罐顶下方0.5米均匀分布，其中，每个传感器监测点均布置有第二液位传感器、第三酸碱度传感器、第三氧化还原电位orp传感器。
23.另一方面，本技术实施例提供了一种高温厌氧消化系统的控制方法，包括:
24.控制预处理池中料液经24小时预处理后进入水解酸化罐，同时水解酸化罐中相同流量的料液进入厌氧反应罐，厌氧反应罐中相同流量料液进入沼液池；
25.沼液池中沼液与新原料重新混入预处理池；
26.在此过程中通过检测各阶段进料流量泵和各罐体中液位高度来确定进料情况。
27.在部分实施例中，还包括：
28.当水解酸化罐的实际液位恒大于设定高液位时，开启反应罐进料螺杆泵，使液位降低；
29.当实际液位小于设定低液位时，停止反应罐进料螺杆泵；
30.当反应罐的实际液位恒大于设定高液位时，开启沼液回流螺杆泵，使反应罐液位降低；
31.当实际液位小于设定低液位时，停止沼液回流螺杆泵；
32.当设定进料量后，进料螺杆泵自动启动，当料液流量表显示流量等于设定进料量数值后，进料螺杆泵自动停止。
33.在部分实施例中，还包括：
34.当水解酸化罐内温度高于40.2℃时，关闭通向水解酸化罐的储热罐循环水泵；当水解酸化罐内温度低于40.0℃时，开启通向水解酸化罐的储热罐循环水泵，以控制水解酸化罐内温度不低于39℃；
35.当厌氧反应罐内温度高于53.2℃时，关闭通向厌氧反应罐的储热罐循环水泵；当厌氧反应罐内温度低于53.0℃时，开启通向厌氧反应罐的储热罐循环水泵，以控制厌氧反应罐内温度不低于52.0℃；
36.当厌氧反应罐处于52.9℃-52.0℃范围内，储热罐循环水泵的电动调节阀的开启程度按0.1℃对应10％的调节程度依次调节至100％阀门开度，其中，温度越高对应的电动调节阀的开度越低。
37.本技术实施例设置了储存间、储热罐、预处理池、水解酸化罐、厌氧消化罐、沼液池、储气罐、螺杆泵、储热罐循环水泵、传感器系统和控制器，利用螺杆泵可以实现各单元之间的液料传送，控制器可以基于传感器采集的信号控制螺杆泵实现液料自动输送，除了储存间需要加料以外，可以实现自动化控制，同时设置了储热罐和循环水泵，控制器可以基于传感器采集的信号控制循环水泵将储热罐中的热量通过热水的形式在各单元自动化地传递，因此，通过实施本技术可以减少人工介入程度，实现较高程度的自动化生产，适合应用
在大规模生产之中。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本技术实施例高温厌氧消化系统的结构示意图；
40.图2是本技术实施例提供的功能配置界面；
41.图3是本技术实施例提供的控制方法流程图；
42.图4是步骤s3的子步骤流程图；
43.图5是温控步骤流程图；
44.图6是液位以及温度控制的原理示意图。
具体实施方式
45.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本技术实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本技术的技术方案，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.参照图1，一种高温厌氧消化系统，包括：
47.储存间，用于储存原料；存储玉米秸秆与粪便原料，为工业提供原料基础，工人可以向储存间投料。储存间采用混凝土地面，采用砖混结构。结构简单，容易实施，成本低廉。
48.储热罐，用于储存热量，为高温厌氧消化系统提供恒温热源；采用电压380v，50hz的三相电压进行加热。储热罐主要采用水作为储热介质，水比热容大，容易输送。
49.预处理池，内置有搅拌机，用于对原料进行预处理。所述预处理池为砖混材质，所述预处理池底部设置有不锈钢加热盘管，所述预处理池依靠储热罐所输送的热水维持池内温度。预处理池中的第一温度传感器、第一酸碱度传感器、第一氧化还原电位orp传感器。通过设置传感器可以使得控制器感知池内的物理状态。氧化还原电位(简称orp)，反映溶液宏观的氧化-还原性。氧化还原电位越高，氧化性越强，电位越低，氧化性越弱，orp的测量原理与ph类似。
50.水解酸化罐，用于将预处理后的料液进行酸化，以获取酸液。水解酸化罐内部设置有碳钢防腐涂层，底部设置有不锈钢加热盘。水解酸化罐中的第一液位传感器、第二温度传感器、第二酸碱度传感器、第二氧化还原电位orp传感器。
51.厌氧消化罐，用于将酸液进行厌氧消化以产生沼气；厌氧消化罐内部设置有碳钢防腐涂层，底部设置有不锈钢加热盘，水解酸化罐依靠储热罐所输送的热水维持池内温度。厌氧消化反应罐中的第二液位传感器、第三温度传感器、第三酸碱度传感器、第三氧化还原电位orp传感器。采用碳钢防腐涂层能够在本酸化环境下良好地对抗腐蚀，增加设备寿命。所述水解酸化罐、厌氧消化反应罐沿内侧壁的纵向方向设置有多个传感器监测点，各监测点在罐底上方0.5米到罐顶下方0.5米均匀分布，其中，每个传感器监测点均布置有液位传
感器、酸碱度传感器、氧化还原电位orp传感器。通过这样设置传感器，可以在液位不同的情况下准确检测到罐内数据。其中，ph值、温度值、orp值的确定方法为：5个测量值，两两之间做差值，去掉最大差值的两个测量值，剩下三个测量值再取均值作为罐体的监测参数。
52.沼液池，用于储存厌氧消化罐排除的料液，其中，沼液回流至预处理池。沼液池采用砖混结构。结构简单，适合现场按需求搭建。设置有沼液池中的第四温度传感器。
53.储气罐，用于厌氧消化罐产生的沼气。可以采用独立式三层膜气柜，配套增压风机。采用三相，380v，50hz电源。
54.螺杆泵，用于在储存间、预处理池、水解酸化罐、厌氧消化罐之间运输液料。需要理解的是，螺杆泵可以根据需要设置多个，以满足多个单元之间的液料输送。
55.储热罐循环水泵，用于输送储热罐中的热水以实现温度控制。
56.传感器系统，用于采集预处理池、水解酸化罐、厌氧消化罐、沼液池之中的酸碱度、温度、液位、流量和氧化还原电位中的一种或者多种。
57.控制器，根据所述传感器系统采集的数据，控制螺杆泵和储热罐循环水泵。参照图2，所述控制器还用于提供配置界面，所述配置界面用于厌氧反应罐和水解酸化罐的目标液位、水解酸化罐温度、反应罐温度的工作温度、料液加入量和储热罐阀位控制目标。控制器的检测对象包括各设备单元的ph值、温度、氧化还原电位orp，各设备单元之间运输的料液流量，储气柜的进气流量。当点击系统自动控制按钮后，进入自动工作界面，程序进入自动工作模式，能够实现厌氧反应罐和水解酸化罐(预反应罐)的液位自动控制，水解酸化罐温度、反应罐温度自动控制，自动料液加入控制，储热罐阀位自动调节控制，以及热水泵自动联锁控制。在自动控制调试模式下，可设定水解酸化罐和厌氧反应罐的温度，自动调节周期和每周期内的调节强度，同时反应罐和水解酸化罐(预反应罐)具有自动液位控制功能，可设定罐体的高低液位，通过超声波液位计，实时检测罐内液位。
58.参照表1，示出了各单元的功能：
59.[0060][0061]
表1
[0062]
参照图3，本实施例提供了一种高温厌氧消化系统的控制方法，包括:
[0063]
s1、控制预处理池中料液经24小时预处理后进入水解酸化罐，同时水解酸化罐中相同流量的料液进入厌氧反应罐，厌氧反应罐中相同流量料液进入沼液池；
[0064]
s2、沼液池中沼液与新原料重新混入预处理池；
[0065]
s3、在此过程中通过检测各阶段进料流量泵和各罐体中液位高度来确定进料情况。具体地在本实施例中通过液位传感器来监控液位的情况，这样可以通过控制器来保持液位在恒定的目标值附近，有利于生化反映的效率。
[0066]
其中，参照图4，在步骤s3之中，还包括：
[0067]
s41、当水解酸化罐的实际液位恒大于设定高液位时，开启反应罐进料螺杆泵，使液位降低。
[0068]
s42、当实际液位小于设定低液位时，停止反应罐进料螺杆泵。
[0069]
s43、当反应罐的实际液位恒大于设定高液位时，开启沼液回流螺杆泵，使反应罐液位降低。
[0070]
s44、当实际液位小于设定低液位时，停止沼液回流螺杆泵。
[0071]
s45、当设定进料量后，进料螺杆泵自动启动，当料液流量表显示流量等于设定进料量数值后，进料螺杆泵自动停止。
[0072]
在该实施例中，基于各单元的液位传感器来控制对应的螺杆泵作业，从而实现液面控制在设定值的目标。其中，当反应罐实际液位恒定大于(超过设定时间)设定液位的时候，直接通过回流螺杆泵将沼液引流到反应罐。
[0073]
参照图5，在部分实施例中，还包括温控的步骤：
[0074]
s51、当水解酸化罐内温度高于40.2℃时，关闭通向水解酸化罐的储热罐循环水泵；当水解酸化罐内温度低于40.0℃时，开启通向水解酸化罐的储热罐循环水泵，以控制水解酸化罐内温度不低于39℃。在本实施例中，实际上控制温度是40摄氏度，当超过40.2摄氏度时，通过关闭储热罐循环水泵来达到自然冷却的目的。当温度较低的时候，可以重新打开水泵来使得温度升高。
[0075]
s52、当厌氧反应罐内温度高于53.2℃时，关闭通向厌氧反应罐的储热罐循环水泵；当厌氧反应罐内温度低于53.0℃时，开启通向厌氧反应罐的储热罐循环水泵，以控制厌氧反应罐内温度不低于52.0℃。在本步骤中原理类似，都是利用循环水泵输送储热罐的热水来控制温度恒定在53℃附近。
[0076]
当厌氧反应罐处于52.9℃-52.0℃范围内，储热罐循环水泵的电动调节阀的开启程度按0.1℃对应10％的调节程度依次调节至100％阀门开度，其中，温度越高对应的电动调节阀的开度越低。本实施例将阀门的开度与温差做联动，可以以简单的方式实现自动化。具体地，52.9℃对应10％的开度，52.8℃对应20％开度，52.1℃对应90％开度，52℃对应100％开度。
[0077]
可以理解的是，采取上述的控制方法，可以实现自动化温控，温控精度在1℃以内，能够满足大规模生产的需求。
[0078]
参照图6，在图6中各变量如下：
[0079]
sp1:原料液位设定值；
[0080]
sp2:料液温度设定值；
[0081]
pv1:原料液位；
[0082]
pv2:原料温度；
[0083]
g1(s)：以罐内料液高度作为控制对象的传递函数；
[0084]
g2(s)：以罐内料液温度作为控制对象的传递函数；
[0085]
g3(s)：进料对罐内温度扰动的传递函数；
[0086]
f(x):液位高度修正值；
[0087]
本系统的控制原理如下：
[0088]
原料液位控制系统(上闭环回路)：原料液位设定值与实际液位高度产生偏差，经
液位控制器，通过控制进量螺杆泵启停进而控制液位，实际当中，需要对液位高度值进行判断，当液位高度值低于设定液位范围时，需要继续进料，当此值高于设定范围，需要打开出料螺杆泵排出部分沼液。进料量会对罐内的料液温度产生扰动，这一扰动是通过函数g3(s)来描述的。
[0089]
温度控制系统(下闭环回路)：温度值设定值与温度实际值产生偏差，经温度控制器，通过控制加热盘管的进水阀门开度来控制温度。当罐内原料温度设定值与原料实际温度偏差过大时，会对原料料液高度设定值做修正。比如，原料温度设定值为53度，料液实际温度降到52度了，温度偏差较大，此时一方面通过调节进水阀门开度来升温，另一方面使料液的高度变低，即减少了进料量，加快罐体原料升温。其中预处理向水解酸化罐进料时，两者温度分别是35℃和40℃，此部分进料量约是水解酸化罐总料液容积的7分之1，混合后理论温度是39.3℃。而水解酸化罐向厌氧反应罐进料量约是厌氧反应罐总容积的4％-5％，5％的40℃料液加入95％的53℃料液后，混合温度理论值为52.35℃。
[0090]
注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本技术的范围由所附的权利要求范围决定。