[发明专利]太阳能-沼液余热回收式热泵高温厌氧发酵加温系统与运行控制方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源开发与节能应用领域，具体涉及一种应用于高温厌氧发酵中的太阳能-沼液余热回收式热泵加温系统与运行控制方法。

背景技术

随着经济的快速发展，能源安全、气候变暖、环境污染等问题日益严峻,使世界各国开始将目光聚集到新能源领域，积极探索可持续能源技术。沼气作为一种绿色清洁可再生能源具有极大的开发利用潜力。

近年来，我国沼气事业发展迅速，党中央、国务院高度重视农村沼气建设。2004年至2010年，连续7个中共中央一号文件都对加快农村沼气发展提出了具体要求；2006年安排支持农村沼气建设的财政资金超过15亿元，2008年户用沼气池65亿元，2009年在沼气项目建设管理和配套产品招标工作中新增130亿元。到2010年，我国户用沼气池达到4000万，规模化养殖场大中型沼气工程达到4700处，分别达到适宜总数的30%和39%。

沼气发酵对温度要求严格，在适宜的温度范围内才能达到较高的产气率，温度过低微生物活性降低，温度过高微生物失活，都会导致产气率降低，且对发酵池内日温度波动要求不大于3℃。沼气发酵温度可以分为常温发酵（10-26）、中温发酵(28-38)和高温发酵(46-60)三个阶段。对同一种沼气原料在35℃ 条件下一个月的沼气产气总量相当于15℃条件下12个月的产气总量；Borchardt JA、Cook EC和Owen WF的研究表明在水力停留时间为30至40天时，传统中温厌氧发酵过程VSS去除率一般为40%；H. Bouallagui研究表明处理的水果和蔬菜废弃物TS为10%，水力停留时间20天，发酵温度为35℃和55℃时，产气量分别为0.83l/l/d和3.17l/l/d,净能产量为189.23和891.83kJ/d； Zupancic的研究得到高温厌氧发酵CSTR在水力停留时间为10天时，VSS去除率可以达到50%；高温厌氧发酵比中温厌氧发酵反应速度快的多，在一定的料液下，所需的高温厌氧发酵池体积仅是中温厌氧发酵池的30%。

尽管高温厌氧发酵具有高VSS去除率，高产气量、反应速度快和减少发酵池体积等的特点，我国大中型沼气工程普遍采用中温发酵，很少采用高温厌氧发酵。其中最主要的原因之一是为了维持高温厌氧发酵条件，需要向系统输入较多的热量；同时排放的高温沼液携带大量的热量，没有采取有效的回收利用方式，耗散在环境中，易造成热污染。

目前，常见的沼气池加温方式有：燃池式加温、电加热、化石能源热水锅炉加热、沼气锅炉加温、沼气发电余热加温、太阳能加热和地源热泵加热等多种方式。燃池式加温是一种设置在地下的进行燃料阴燃的地坑，这种方法的特点是一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬季，无需人工管理，比较适用于户用型沼气工程；电加温技术以消耗高品位电能为代价，节能性不高；化石能源热水锅炉污染环境，能量利用率低；沼气锅炉对设备和操作技术要求比较高；沼气发电余热加温主要和沼气热电联产工程结合，一般只应用于大型沼气工程，应用于高温发酵出现余热不足的情况；太阳能加温系统是通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，该系统节能环保、操作简单，可实现自动运行，但易受天气状况的影响，加热不稳定；地源热泵加温具有很好的节能效果，但地源热泵长期单一加热模式的运行使得地下温度降低，导致地源热泵COP降低。以上各方法均不适用于高温厌氧发酵系统。

因此，探索一种加温技术使得高温厌氧发酵输入的能量和中温厌氧发酵输入的能量相当是目前高温厌氧发酵工程化亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于为高温厌氧发酵系统提供一种多模式自动切换运行的太阳能-沼液余热回收式热泵加温系统及运行控制方法。

本发明基于余热回收利用、能源梯级综合利用和系统能效系数（COPs）的理念，将太阳能集热技术、沼液余热回收与中高温热泵技术相结合，用来解决单独的沼液余热回收式热泵加温系统提供的能量不足的问题与单独的太阳能加温系统在阴雨天、冬天不能满足沼气池加温要求的问题。所提出的系统运行控制方法，解决了不同气候条件下各系统模式自动切换最优运行问题，以达到整个系统从设计到运行的经济、节能、环保的目的。

本发明提出的高温厌氧发酵太阳能-沼液余热回收式热泵加温系统，包括太阳能集热系统、太阳能低位热源系统、沼液余热回收系统和高温厌氧发酵池加温系统，具体如下：