1.1 沼气及其产生过程
沼气是有机物质在厌氧环境中,在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下,通过微生物发酵作用,产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的,所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体,主要成分是甲烷(CH4)。沼气细菌分解有机物,产生沼气的过程,叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用,沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌,它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等 。它们当中有专门分解纤维素的,叫纤维分解菌;有专门分解蛋白质的,叫蛋白分解菌;有专门分解脂肪的,叫脂肪分解菌;第二类细菌叫含甲烷细菌,通常叫甲烷菌,它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。因此,有机物变成沼气的过程,就好比工厂里生产一种产品的两道工序:首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品——结构简单的化合物;再就是在甲烷细菌的作用下,将简单的化合物加工成产品—— 即生成甲烷。
1.2 沼气的成分
沼气是一种混合气体,它的主要成分是甲烷,其次有二氧化碳、硫化氢(H2S)、氮 及其他 一些成分。沼气的组成中,可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体;不可燃成分 包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为0.034%。
1.3 沼气的理化性质
甲烷是简单的有机化合物,是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰,最高温度可达1400℃左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦,相当于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析,每立方米沼气所能利用的热量,相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。
2.家用沼气池的类型
随着我国沼气科学技术的发展和农村家用沼气的推广,根据当地使用要求和气温、地质等条件,家用沼气池有固定拱盖的水压式沼气池、大揭盖水压式沼气池、吊管式水压式沼气池、曲流布料水压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式沼气池。形式虽然多种多样,但是归总起来大体由水压式沼气池、浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型变化形成的。与四位一体生态型大棚模式配套的沼气池一般为水压式沼气池,它又有几种不 同形式。
2.1 固定拱盖水压式沼气池
固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形三种池型。这种池型的池体上部气室完全封闭,随着沼气的不断产生,沼气压力相应提高。这个不断增高的气压,迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内,使得水压间内的液面升高。 这样一来,水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差,这个水位差就叫做“水压”(也就是U形管沼气压力表显示的数值)。用气时,沼气开关打开,沼气在水压下排出 ;当沼气减少时,水压间的料液又返回池体内,使得水位差不断下降,导致沼气压力也随之相应降低。这种利用部分料液来回串动,引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型,就称 之为水压式沼气池。
水压式沼气池,是我国推广最早、数量最多的池型,是在总结“三结合”、“圆、小、浅”、“活动盖”、“直管进料”、“中层出料”等群众建池的基础上,加以综合提高而形成的。“三结合”就是厕所、猪圈和沼气池连成一体,人畜粪便可以直接打扫到沼气池里进行发酵。“圆、小、浅”就是池体圆、体积小、埋深浅。“活动盖”就是沼气池顶加活动盖板。
2.1.1水压式沼气池型的优点
2.1.1.1池体结构受力性能良好,而且充分利用土壤的承载能力,所以省工省料,成本比较低。
2.1.1.2适于装填多种发酵原料,特别是大量的作物秸秆,对农村积肥十分有利。
2.1.1.3为便于经常进料,厕所、猪圈可以建在沼气池上面,粪便随时都能打扫进池。
2.1.1.4沼气池周围都与土壤接触,对池体保温有一定的作用。
2.1.2水压式沼气池型的缺点
2.1.2.1由于气压反复变化,而且一般在4～16千帕(即40～160厘米汞柱)压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。
2.1.2.2由于没有搅拌装置,池内浮渣容易结壳,又难于破碎,所以发酵原料的利用率不高,池容产气率(即每立方米池容积一昼夜的产气量)偏低,一般产气率每天仅为0.15米3 左右。
2.1.2.3由于活动盖直径不能加大,对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说,大出料工作比较困难。因此,出料的时候最好采用出料机械。
2.2变型的水压式沼气池
中心吊管式沼气池是将活动盖改为钢丝网水泥进、出料吊管,使其有一管三用的功能(代替进料管、出料管和活动盖),简化了结构,降低了建池成本,又因料液使沼气池拱盖经常处于潮湿状态,有利于其气密性能的提高。而且,出料方便,便于人工搅拌。但是,新鲜的原料常和发酵后的旧料液混在一起,原料的利用率有所下降。
2.3无活动盖底层出料水压式沼气池
无活动盖底层出料水压式沼气池是一种变型的水压式沼气池。该池型将水压式沼气池活动盖取消,把沼气池拱盖封死,只留导气管,并且加大水压间容积,这样可避免因沼气池活动盖密封不严带来的问题,在我国北方农村,与“模式”配套新建的沼气池提倡采用这种池型。沼气池为圆柱形,斜坡池底。它由发酵间、贮气间、进料口、出料口、水压间、导气管等组成。
2.3.1进料口与进料管 进料口与进料管分别设在猪舍地面和地下。厕所、猪舍及收集的人畜粪便,由进料口通过进料管注入沼气池发酵间。
2.3.2出料口与水压间 出料口与水压间设在与池体相连的日光温室内。其目的是便于蔬菜生产施用沼气肥,同时出料口随时放出二氧化碳进入日光温室内促进蔬菜生长。水压间的下端通过出料通道与发酵间相通。出料口要设置盖板,以防人、畜误入池内。
2.3.3池底 池底呈锅底形状,在池底中心至水压间底部之间,建一U型槽,下返坡度5%,便于底层出料。
2.3.4工作原理 未产气时,进料管、发酵间、水压间的料液在同一水平面上;产气时, 经微生物发酵分解而产生的沼气上升到贮气间,由于贮气间密封不漏气,沼气不断积聚,便产生压力。当沼气压力超过大气压力时,便把沼气池内的料液压出,进料管和水压间内水位上升,发酵间水压下降,产生了水位差,由于水压气而使贮气间内的沼气保持一定的压力;用气时,沼气从导气管输出,水压间的水流回发酵间,即水压间水位下降,发酵间水位上升。依靠水压间水位的自动升降,使贮气间的沼气压力能自动调节,保持燃烧设备火力的稳定;产气太少时,如果发酵间产生的沼气跟不上用气需要,则发酵间水位将逐渐与水压间水位相平,最后压差消失,沼气停止输出。
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