戶(hù)用沼氣池儲(chǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)及性能分析

甘福丁 魏世清 伍琪 甘偉玲

摘要

介紹了常見(jiàn)戶(hù)用沼氣池儲(chǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)氣方式及存在的優(yōu)缺點(diǎn)。特別介紹了一種新型戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)及使用性能。該沼氣儲(chǔ)氣罐根據(jù)“氣壓水、水壓氣”原理儲(chǔ)存和輸出沼氣。儲(chǔ)氣罐制作容易，安裝方便，有效儲(chǔ)氣容積可達(dá)3～20 m3，儲(chǔ)氣壓力達(dá)1 000～1 500Pa。該儲(chǔ)氣罐無(wú)需定期維護(hù)，節(jié)省勞力，壽命長(zhǎng)，適合農(nóng)村沼氣戶(hù)使用。

關(guān)鍵詞 沼氣池；儲(chǔ)氣罐；塑料；結(jié)構(gòu)；性能

中圖分類(lèi)號(hào)S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09993-02

沼氣是一種高效、清潔、無(wú)污染的綠色能源。目前農(nóng)村沼氣的生產(chǎn)一般是一戶(hù)一池，沼氣池的儲(chǔ)氣空間有限[1]。沼氣的生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，當(dāng)不需要用氣時(shí)，氣壓上升可能會(huì)使得水壓間沼液溢出污染環(huán)境；當(dāng)需要有用氣時(shí)，由于沼氣池的存儲(chǔ)量有限，而使得供氣不足。國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)村戶(hù)用沼氣池儲(chǔ)氣裝置設(shè)計(jì)研究，在過(guò)去的10年里有許多報(bào)道[2-8]。該文對(duì)這方面的研究進(jìn)行了梳理，介紹了常見(jiàn)戶(hù)用沼氣池儲(chǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)氣方式及存在的優(yōu)缺點(diǎn)，特別是介紹了項(xiàng)目組研制的戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐，以期為農(nóng)村沼氣工程的推廣與應(yīng)用提供參考。

1農(nóng)村戶(hù)用沼氣池儲(chǔ)氣裝置的作用

農(nóng)村戶(hù)用沼氣池儲(chǔ)氣裝置的主要作用是解決厭氧發(fā)酵過(guò)程中沼氣均衡生產(chǎn)與用戶(hù)對(duì)沼氣不均勻使用之間的矛盾，保證沼氣均衡供應(yīng)，保證供氣管網(wǎng)和沼氣燃具的壓力穩(wěn)定，滿(mǎn)足用戶(hù)要求[9]。

2戶(hù)用沼氣池常見(jiàn)儲(chǔ)氣裝置的結(jié)構(gòu)

根據(jù)沼氣池結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)氣方式不同，農(nóng)村戶(hù)用沼氣池常見(jiàn)儲(chǔ)氣裝置一般分為發(fā)酵儲(chǔ)氣一體式、分離浮罩式和氣袋式3大類(lèi)。

2.1水壓式沼氣池

水壓式沼氣池是農(nóng)村應(yīng)用最為普遍的一種發(fā)酵儲(chǔ)氣一體式池型，以地埋式為主，建池材料為混凝土、磚等。一般由發(fā)酵間、儲(chǔ)氣室、水壓間以及進(jìn)料口、進(jìn)料管、出料口、蓄水圈、導(dǎo)氣管等部分組成（圖1）。發(fā)酵間和儲(chǔ)氣室是沼氣池的主體部分，發(fā)酵間的幾何形狀為圓筒形，發(fā)酵原料在這里發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣逸出液面進(jìn)入上部的削球形儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存。水壓間主要功能是為了儲(chǔ)存沼氣維持正常氣壓等[10]。這種沼氣池具有結(jié)構(gòu)合理，施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低，管理使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在氣壓不穩(wěn)定，儲(chǔ)存沼氣占用空間，使沼氣池發(fā)酵有效容積變小，料液液面之上容易產(chǎn)生浮渣結(jié)殼等缺點(diǎn)。因此，也有一些沼氣池采用柔性頂蓋儲(chǔ)氣罩來(lái)替代儲(chǔ)氣室，揭開(kāi)頂蓋，就可以清理池中的浮渣。

2.2分離儲(chǔ)氣浮罩式沼氣池

分離儲(chǔ)氣浮罩式沼氣池由進(jìn)料口、進(jìn)料管、發(fā)酵間、導(dǎo)氣管、水壓間、儲(chǔ)肥池、浮罩、水封池等部分組成（見(jiàn)圖2）。儲(chǔ)氣浮罩主要作用是儲(chǔ)存沼氣，穩(wěn)定氣壓，增加發(fā)酵池有效容積。水封池為儲(chǔ)氣浮罩的水封裝置。浮罩為分離式，可采用水泥砂漿、紅泥塑料、GRC等價(jià)格便宜、密封性能好、經(jīng)久耐用的材料制作。根據(jù)沼氣用具（灶、燈）的設(shè)計(jì)額定壓力要求，加上輸氣管路的沿程壓力降來(lái)設(shè)計(jì)浮罩的重量。浮罩容積一般按每天產(chǎn)氣量的50%～60%計(jì)算。浮罩內(nèi)沼氣壓力的大小，取決于浮罩的重量，設(shè)計(jì)壓力一般在3 000 Pa左右。采用浮罩儲(chǔ)氣，儲(chǔ)氣量大，而且不占用發(fā)酵空間，使發(fā)酵間可滿(mǎn)池發(fā)酵，有效容積可達(dá)到總?cè)莘e的95%～98%[11]。沼氣池產(chǎn)氣率高，氣壓變化，能滿(mǎn)足電子打火沼氣灶、沼氣熱水器等用氣要求，發(fā)酵間內(nèi)壓力小，沼氣池使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是占用地方較大，制作安裝比較困難，浮罩的氣密性檢測(cè)比較麻煩。為了少占用地方，也可將浮罩設(shè)置在水壓間里。

3 戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐

3.1戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)

為克服以上各種沼氣儲(chǔ)氣裝置的不足，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，項(xiàng)目組研制出適合農(nóng)村沼氣戶(hù)使用的塑料儲(chǔ)氣罐。

戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐是一種水壓式儲(chǔ)氣罐，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由高強(qiáng)度塑料（如高密度聚丙烯等）板材及管材焊接而成。儲(chǔ)氣罐分隔為上下兩部分的空間，上部分的空間為水壓間4，下部分的空間為儲(chǔ)水間11。儲(chǔ)水間內(nèi)的液面至儲(chǔ)氣室頂板9之間形成的密閉空間為儲(chǔ)氣室3，儲(chǔ)氣室頂板9的底部固定有接通水壓間與儲(chǔ)水間的連通管2，儲(chǔ)氣室頂板9連接伸出儲(chǔ)氣罐罐體頂部的進(jìn)氣管5及出氣管7，進(jìn)氣管5和出氣管7的底端與儲(chǔ)氣室3相通，儲(chǔ)水間11底部接有伸出儲(chǔ)氣罐罐體10之外的排水管1。儲(chǔ)氣罐的頂部開(kāi)有觀察孔6，進(jìn)氣管5和出氣管7穿過(guò)水壓間4后經(jīng)觀察孔6穿出。限壓管8上部高出儲(chǔ)氣罐頂部，下部穿過(guò)罐頂板、儲(chǔ)氣室頂板9，伸入儲(chǔ)水間11的水中。限壓管8的底端位置比連通管2的底端位置高。

3.2塑料儲(chǔ)氣罐使用性能分析

使用時(shí)，先向水壓間4、儲(chǔ)水間11注入一定量的水，從沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣由進(jìn)氣管5進(jìn)入儲(chǔ)氣室3。隨著沼氣量的增多，儲(chǔ)氣室3內(nèi)氣壓增大，沼氣壓力會(huì)壓向水面，儲(chǔ)水間11的水面壓力相應(yīng)增大，壓力可將儲(chǔ)水間11里的水通過(guò)連通管2壓入水壓間4，使水壓間4的水位升高。當(dāng)沼氣壓力達(dá)到設(shè)計(jì)額定壓力時(shí)，儲(chǔ)水間11的水位最低，限壓管8的底端高出儲(chǔ)水間11的液面，沼氣可從限壓管8自動(dòng)排出到大氣中，完成一個(gè)“氣壓水”的過(guò)程。同時(shí)，設(shè)置限壓管8對(duì)沼氣池和儲(chǔ)氣罐也起到保護(hù)作用。當(dāng)用戶(hù)用氣時(shí)，儲(chǔ)氣室3內(nèi)沼氣量會(huì)減少，沼氣壓力下降，水壓間4里的水在重力作用下會(huì)通過(guò)連通管2流到儲(chǔ)水間11，儲(chǔ)水間11 的液面會(huì)上升。液面的上升，進(jìn)一步擠壓儲(chǔ)氣室3里的沼氣，沼氣壓力會(huì)提高，完成一個(gè)“水壓氣”的過(guò)程。這樣循環(huán)往復(fù)，儲(chǔ)氣室3的沼氣壓力會(huì)保持基本穩(wěn)定。

3.3戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐優(yōu)缺點(diǎn)

戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐有3項(xiàng)主要優(yōu)點(diǎn)：（1）與儲(chǔ)氣罐配套的沼氣池可滿(mǎn)池發(fā)酵，輸出沼氣壓力比較穩(wěn)定；（2）具有較好的化學(xué)性能，耐酸、耐堿，加工性能好，可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，專(zhuān)業(yè)化制作。有效儲(chǔ)氣容積一般為3～20 m3，沼氣出口壓力可達(dá)1 000～1 500 Pa；（3）儲(chǔ)氣罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，取材容易，制作安裝方便，無(wú)需定期維護(hù)，壽命長(zhǎng)，可遷移，適合農(nóng)村沼氣戶(hù)及城鎮(zhèn)、機(jī)關(guān)、工廠等處理有機(jī)廢棄物沼氣儲(chǔ)氣使用[13]。同時(shí)也有缺點(diǎn)：（1）增加沼氣儲(chǔ)氣罐會(huì)提高農(nóng)戶(hù)沼氣設(shè)施建造成本；（2）塑料沼氣儲(chǔ)氣罐會(huì)老化，罐內(nèi)的水易結(jié)冰，在北方地區(qū)使用需采取保溫措施。

4結(jié)論

（1）儲(chǔ)氣裝置是戶(hù)用沼氣池的重要組成部分，儲(chǔ)氣裝置一般分為發(fā)酵儲(chǔ)氣一體式、分離浮罩式和氣袋式3大類(lèi)。不同類(lèi)型儲(chǔ)氣裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（2）與其他沼氣儲(chǔ)氣裝置相比，戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，無(wú)需定期維護(hù)，堅(jiān)固耐用，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。而且戶(hù)用沼氣池塑料儲(chǔ)氣罐可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，專(zhuān)業(yè)化制作，有效容積一般為3～20 m3，適合于農(nóng)村沼氣戶(hù)使用。

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