高寒地区家用沼气发酵罐的实用性改进研究
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摘 要：主要是针对我国东北地区冬季恶劣的气候条件而提出的对于发酵罐罐体结构的适用性改进。介绍了相对于旧式发酵罐的改进与罐体关键部位的设计方案。经试验表明，该设计方案可基本达到家庭自给自足的标准。
关键词：高寒地区;家用;沼气发酵罐
中图分类号：S216.4 文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.009
0 引言
中国既是粮食生产大国，也是秸秆生产大国。然而，长期以来中国只注重农作物的果实而忽视农作物的秸秆利用。中国每年生产超过 5 亿 t 粮食，秸秆理论资源量超过8亿t。[1]素以“大粮仓”之美誉的东北，是我国重要的商品粮基地，粮食产量在 2017 年就达到11 875 万t，约占全国 19.2%（国家发改委，2018）。[2]这些秸秆不到 1/3 实现了还田，秸秆肥料化利用率不足 20%，被焚烧或废弃的秸秆达 20%以上。秸秆燃烧会造成严重的雾霾，产生大量有毒有害气体，危害人体健康，且极易引发火灾。[3]并且由于秸秆综合利用的出口不畅，加之受农户传统生产生活习惯的影响，秸秆违规露天焚烧的现象屡禁不止、愈演愈烈。2017 年春秋两季，哈尔滨市周边共出现疑似火点1731处，10 月 18 日至 20日党的十九大召开期间，因秸秆焚烧致使全市持续出现重度及以上污染天气，空气质量长时间“爆表”。[4]但是受限于地方气候因素，利用秸秆生产生物能源的方案在东北地区的冬季或是无法实行或是效能低下无法满足基本的使用要求，影响了农户使用秸秆沼气的积极性。
1 结构方案设计
为了实现沼气发酵罐在我国东北地区的家用化，该沼气发酵罐选择采用较小的罐体，以适应我国东北地区冬季在满足农户自家使用并使其可以被安置在室内，既方便了罐体的管理也有利于沼气的使用，并在结构上整合改进便于操作。
（1）整体结构：该装置由外罐、内罐、顶盖、螺旋搅龙以及粉碎刀与破壳刀构成，破壳刀以及粉碎刀以单向轴承连接在传动轴上，既可以保证在使用破壳功能时不会影响到粉碎刀，又能保证在使用粉碎功能时不会影响到破壳刀。
（2）整体控制：罐体内设置有温度、压力以及水位传感器来获取罐体内各项指标的数据。在内罐壁上由上到下设置有数个温度传感器监控发酵物的温度情况，当上下温差达到一定数值时，螺旋搅龙启动，对物料进行搅拌，当温度数值整体低于一定数值时，电热器启动，对整个罐体进行加热;当压力传感器下降且温度传感器示数并未低于标准范围时，传动軸启动破壳刀对物料进行破壳;水位传感器监控水位保持在一个适合的范围上。
2 整体结构设计
高寒地区家用沼气发酵罐由内外双层罐体、螺旋搅龙、破壳刀与粉碎刀等部件组成，可实现在我国东北地区冬季正常供给农户自家沼气达到自给自足。高寒地区家用沼气发酵罐整体设计方案如图所示。
下面结合附图对本实用新型实施方案进行详细描述。一种高寒地区家用沼气发酵罐，在外桶体内部套配安装内桶体，在外桶体内侧壁面与内桶体外侧壁面之间部位处从外至内依次安装保温层和电热器，在外桶体和内桶体的上端部密封安装带有沼气出口和加料阀的上盖，在内桶体腔内的上侧部位和下侧部位分别固装杆式支撑安装架，螺旋叶片式搅龙轴总成立向配置且可转动的配装在上、下部位的杆式支撑安装架上，在螺旋叶片式搅龙轴总成上侧部从上至下依次通过单向轴承A和单向轴承B分别安装粉碎刀盘和破壳刀盘，粉碎刀盘位于上侧部的杆式支撑安装架的上方，破壳刀盘位于上侧部的杆式支撑安装架的下方，粉碎刀盘的旋转方向与破壳刀盘的旋转方向相反，在上盖上方配装电动机，电动机与螺旋叶片式搅龙轴总成连接，在内桶体和外桶体的底端部配装排料阀。
作业使用时，打开加料阀，根据需要将农作物秸秆和粪便按比例从加料阀加入到内桶体内，在充填加料过程中，旋转的电动机通过螺旋叶片式搅龙轴总成和单向轴承A带动粉碎刀盘转动，此时破壳刀盘不转动，连续完成对加入的农作物秸秆和粪便的粉碎加工;物料加满后，关闭加料阀，开启电热器使内桶体内的物料升温、发酵，在发酵过程中，根据物料状态，可开启电动机反向旋转，通过螺旋叶片式搅龙轴总成和单向轴承B带动破壳刀盘转动，此时粉碎刀盘不转动，在螺旋叶片式搅龙轴总成对物料进行搅动和上下翻动的同时，破壳刀盘对结壳物料进行破壳作业，以保证发酵质量和沼气产气效率。当沼气产量可以满足使用时，可停止电热器的加热工作;产出沼气由沼气出口输出;当内桶体内的物料需要更换时，打开排料阀，在反向转动的螺旋叶片式搅龙轴总成配合下，即可完成清桶排料作业。
3 结论
本文主要是根据目前我国东北地区沼气发酵罐实际存在的问题与局限，设计研制的小型家用沼气发酵罐，用以解决大型沼气发酵罐、发酵池受限于地理气候环境的问题。经测试，其效率可达到华北地区使用的大型水泥罐体发酵罐冬季效率的80%～85%，已足够支持我国东北农户家庭自给自足。
参考文献：
[1]朱立志，冯伟，邱君.秸秆产业的国外经验与中国的发展路径[J].世界农业，2013（3）：114-117.
[2]张伟明，陈温福，孟军，等.东北地区秸秆生物炭利用潜力、产业模式及发展战略研究[J].中国农业科学，2019，52（14）：2406-2424.
[3]王后晴. 提高秸秆综合利用率的建议[N]. 中国县域经济报，2019-08-19（006）.
[4]韩卓，宋颖，王彦文.哈尔滨市做好秸秆禁烧和综合利用的对策研究[J].哈尔滨市委党校学报，2019（4）：59-63.
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