CN103232938A

CN103232938A - 一种全自动定量节能的物料调度系统

Info

Publication number: CN103232938A
Application number: CN2013101751183A
Authority: CN
Inventors: 靳强
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103232938B

Abstract

本发明涉及一种全自动定量节能的物料调度系统，包括依次上下设置的好养耦合光生物反应器、呼吸除氧器、沼气发酵罐，所述的好养耦合光生物反应器通过管路a连接呼吸除氧器，呼吸除氧器通过管路b连接沼气发酵罐，沼气发酵罐通过管路c连接储气罐，并通过回流管路d连接好养耦合光生物反应器；所述的管路a、管路b、管路c、回流管路d均连接液位控制机构。与现有技术相比，本发明通过沼气压力、流体重力与液位控制的耦合，实现了仅仅依靠系统内部的沼气压力能量，几乎不需系统外部能量，也不需人工干预，即可驱动整个系统的全自动运行，以及所有物料的定量输送。

Description

一种全自动定量节能的物料调度系统

技术领域

本发明涉及新能源领域，具体地说，涉及的是一种全自动定量节能的物料调度系统。

背景技术

在过去几十年中，化石燃料对于世界经济和工业化过程起到了重要的推动作用，然而，供应短缺和价格上涨开始使其成为制约发展的反作用力。与此同时，大量化石燃料的使用产生了严重的环境问题，其中大气中CO₂浓度急剧升高导致了威胁人类生存的气候变化。在此背景下，寻找和开发可再生能源成为世界各国的一项重要战略。

专利申请201310151302.4公开了一种实现太阳能利用的生物化工新工艺，该方法包括以下步骤：(1)在光生物反应器中，水中微藻在太阳光照射下通过光合作用将无机物二氧化碳、水和营养元素合成自身的有机质，得到含微藻的悬浮液，太阳能转化为生物质能；(2)为了避免下一步厌氧发酵微生物产甲烷菌氧中毒，含微藻的悬浮液进入呼吸除氧器，在避光条件下通过微藻自身的呼吸作用除去水中的溶解氧，得到除去溶解氧的微藻悬浮液；(3)除去溶解氧的微藻悬浮液不经分离直接进入厌氧发酵罐，经厌氧发酵后得到可燃性生物气，作为能源进行收集、储存和备用，生物质能转化为甲烷化学能；(4)厌氧发酵后的酵液进入好氧生物反应器，经好氧生物氧化后，酵液中简单有机物氧化成二氧化碳和水，营养元素矿化至微藻可利用的无机形态，所得产物返回步骤(1)循环利用。由于好氧菌和微藻都能够在有氧条件下生存，所以步骤(4)和步骤(1)可以在同一空间同时实现，也就是，好氧生物反应器和光生物反应器在空间上可以合并成一个反应器，即好氧耦合光生物反应器。好氧菌的产物二氧化碳和氮、磷、硫等无机营养元素，正是微藻光合作用所需要的基本物质；微藻的产物氧气也正是好氧菌代谢的必要物质。如此将两个过程耦合在一起，不仅避免了好氧生物反应器内充氧曝气，而且增加了光生物反应器内的二氧化碳浓度，实现了好氧菌与微藻的协同互利共生，相互提高了彼此的生化效率。与现有技术相比，此专利实现了太阳光能的有效利用，工艺系统非常简洁。

专利申请201310151302.4中的工艺过程在物料调度方面并没有给出具体方案。对于工艺过程中的流体调度问题，目前主要采用泵和气体输送机械来完成。但是，使用泵和气体输送机械必然增加整个工艺系统的固定成本，而且，在工作过程中需要消耗系统外部能量。另外，对悬浮液中的各类微生物活动也会产生不利影响，从而降低工艺系统的生产效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过沼气压力、流体重力与液位控制的耦合，实现了仅仅依靠系统内部的沼气压力能量，几乎不需系统外部能量，也不需人工干预，即可驱动整个系统的全自动运行，以及所有物料的定量输送的全自动定量节能的物料调度系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，包括依次上下设置的好养耦合光生物反应器、呼吸除氧器、沼气发酵罐，所述的好养耦合光生物反应器通过管路a连接呼吸除氧器，呼吸除氧器通过管路b连接沼气发酵罐，沼气发酵罐通过管路c连接储气罐，并通过回流管路d连接好养耦合光生物反应器；所述的管路a、管路b、管路c、回流管路d均连接液位控制机构；

置于好养耦合光生物反应器中的微藻在太阳光照射条件下通过光合作用将无机物二氧化碳、水和营养元素合成自身的有机质，得到微藻悬浮液，液位控制机构控制打开管路a、管路b、管路c，关闭回流管路d，好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液在其自身重力的作用下经由管路a进入呼吸除氧器，同时呼吸除氧器中的悬浮液也在自身重力的作用下经由管路b进入沼气发酵罐，前一循环产生的沼气经由管路c进入储气罐；好氧耦合光生物反应器的液面下降，沼气发酵罐的液面上升。这一步骤仅仅依靠流体的自身重力就完成了，不需要系统外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼气及微藻和好氧菌悬浮液的自动化定量输送。如果使用泵和气体输送设备来输送沼气及微藻和好氧菌悬浮液，则会产生额外的能量消耗，且增加系统的固定投资。

当好氧耦合光生物反应器液位下降到整个反应器有效容积的10％～90％时，通过液位控制机构自动关闭管路a、管路b、管路c，打开回流管路d，此时，对于整个沼气发酵罐而言只有一个管路即就是回流管路d是打开的，且其他部分都是密封的。随着沼气发酵罐中沼气发酵的进行，沼气压力逐渐增大，沼液逐渐通过回流管路d被压入好氧耦合光生物反应器，沼气发酵罐的液面逐渐下降，好氧耦合光生物反应器逐渐上升；这个步骤仅仅依靠沼气产生的压力就能够完成沼液的输送，充分利用了系统内部的压强能，不需要外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼液的自动化定量输送。还减少了整个装置的复杂性、设备的固定投资。若使用泵输送沼液，则会产生额外的能量消耗，且增加系统的固定投资。

沼气发酵的同时，好氧耦合光生物反应器中的微藻在太阳光的照射下增殖，好氧菌将简单有机物氧化成二氧化碳和水，并将营养元素氧化成无机形态，呼吸除氧器中的微藻和好氧菌通过呼吸作用除去溶解氧，当好氧耦合光生物反应器中液位上升到整个反应器有效容积的100％时，通过液位控制机构自动关闭回流管路d、打开管路a、管路b、管路c，进入下一个循环。于是，整个工艺系统通过沼气压力、流体重力和液位控制的耦合，实现了所有物料的全自动定量节能调度。

所述的好养耦合光生物反应器为光生物反应器与好氧生物反应器耦合设立。

所述的好养耦合光生物反应器中含有微藻、好氧菌、营养元素和水。

所述的营养元素包括氮、磷和硫。

所述的呼吸耗氧器为避光的容器，其顶部液位低于好养耦合光生物反应器的底部液位，好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液在其自身重力的作用下经由管路a进入呼吸除氧器。

所述的沼气发酵罐为密封的沼气发酵罐，且沼气发酵罐与管路b、管路c、回流管路d的连接均为密封连接。

工艺系统中全自动定量节能的物料调度，是通过沼气压力、液体重力和液位控制的耦合来完成的，三者缺一不可。

液位控制机构为常规的液位控制机构，构成液位控制机构的器件可以是机械器件，也可以是电气器件，均可以直接购买。如果全部由机械器件构成，则无需系统外部能量；如果全部或部分由电气器件构成，则需要的能量也仅用于电子信号的瞬间传递和电气器件的瞬间开关，与泵和气体输送机械的所需能耗相比微乎其微，可以忽略不记。

本发明针对专利201310151302.4工艺过程中的物料调度问题，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：通过沼气压力、流体重力与液位控制的耦合，实现了仅仅依靠系统内部的沼气压力能量，几乎不需系统外部能量，也不需人工干预，即可驱动整个系统的全自动运行，以及所有物料的定量输送。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.通过沼气压力、流体重力与液位控制的耦合，实现了仅仅依靠系统内部的沼气压力能量，即可驱动整个系统全自动运行，以及沼气、沼液及微藻和好氧菌悬浮液的定量输送。整个过程既不需系统外部能量，也不需人工干预。

2.本发明避免了泵和气体输送设备的使用，不仅实现了节能的目的，而且大大减少了操作过程的复杂性，降低了整体设备的固定投资。

3.泵和气体输送设备在使用过程中难免产生噪声，本发明有效地避免了噪声的产生，改善了用户的环境条件。

4.泵工作过程中的空化效应，会对悬浮液中的微生物活产生影响，降低产气效率，本发明为微生物活动提供了一个温和的环境，提高了产气效率。

附图说明

图1为本发明系统处于微藻和好氧菌悬浮液进入呼吸除氧器除氧后的悬浮液进入厌氧发酵器沼气进入储气罐的示意图；

图2为本发明系统沼液回流至微藻耦合光生物反应器的示意图。

图中标号：1-管路a、2-管路b、3-管路c、4-回流管路d、5-好养耦合光生物反应器、6-呼吸除氧器、7-沼气发酵罐、8-储气罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1～2所示，全自动定量节能的物料调度系统，包括依次上下设置的好养耦合光生物反应器5、呼吸除氧器6、沼气发酵罐7，所述的好养耦合光生物反应器5通过管路a1连接呼吸除氧器6，呼吸除氧器6通过管路b2连接沼气发酵罐7，沼气发酵罐7通过管路c3连接储气罐8，并通过回流管路d4连接好养耦合光生物反应器5；所述的管路a1、管路b2、管路c3、回流管路d4均连接液位控制机构；

其中，所述的好养耦合光生物反应器5为光生物反应器与好氧生物反应器耦合设立。所述的好养耦合光生物反应器中含有水、微藻生长需要的营养元素和好氧菌。所述的微藻生长需要的营养元素包括氮、磷和硫。

所述的呼吸耗氧器6为避光的容器，其顶部液位低于好养耦合光生物反应器的底部液位，好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液在其自身重力的作用下经由管路a进入呼吸除氧器。

所述的沼气发酵罐7为密封的沼气发酵罐，且沼气发酵罐与管路b、管路c、回流管路d的连接均为密封连接。

上述设备用于实现专利201310151302.4中工艺过程的全自动定量节能的物料调度问题，具体包括以下步骤：

步骤1：置于有效容积为400L好养耦合光生物反应器5中的微藻在太阳光照射条件下通过光合作用将无机物二氧化碳、水和营养元素合成自身的有机质，得到微藻悬浮液，液位控制机构控制打开管路a1、管路b2、管路c3，关闭回流管路d4，好氧耦合光生物反应器5中的微藻和好氧菌悬浮液在其自身重力的作用下经由管路a1进入容积为40L呼吸除氧器6，同时呼吸除氧器6中的悬浮液也在自身重力的作用下经由管路b2进入有效容积为1000L的沼气发酵罐7，前一循环产生的沼气经由管路c3进入储气罐8；好氧耦合光生物反应器5的液面下降，沼气发酵罐7的液面上升。这一步骤仅仅依靠流体的自身重力就完成了，不需要系统外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼气及微藻和好氧菌悬浮液的自动化定量输送。如果使用泵和气体输送设备来输送沼气及微藻和好氧菌悬浮液，则会产生额外的能量消耗，且增加系统的固定投资。

步骤2：当好氧耦合光生物反应器液位下降到整个反应器有效容积的90％时，通过液位控制机构自动关闭管路a1、管路b2、管路c3，打开回流管路d4，此时，对于整个沼气发酵罐而言只有一个管路即就是回流管路d4是打开的，且其他部分都是密封的。随着沼气发酵罐7中沼气发酵的进行，沼气压力逐渐增大，沼液逐渐通过回流管路d4被压入好氧耦合光生物反应器5，沼气发酵罐7的液面逐渐下降，好氧耦合光生物反应器5逐渐上升；这个步骤仅仅依靠沼气产生的压力就能够完成沼液的输送，充分利用了系统内部的压强能，不需要外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼液的自动化定量输送。还减少了整个装置的复杂性、设备的固定投资。若使用泵输送沼液，则会产生额外的能量消耗，且增加系统的固定投资。

沼气发酵的同时，好氧耦合光生物反应器中的微藻在太阳光的照射下增殖，好氧菌将简单有机物氧化成二氧化碳和水，并将营养元素氧化成无机形态，呼吸除氧器中的微藻和好氧菌通过呼吸作用除去溶解氧。

步骤3：当好氧耦合光生物反应器中液位上升到整个反应器有效容积的100％时，通过液位控制机构自动关闭回流管路d4、打开管路a1、管路b2、管路c3，进入下一个循环。于是，整个工艺系统通过沼气压力、流体重力和液位控制的耦合，实现了所有物料的全自动定量节能调度。

本实施例实施效果：完成了所有物料的全自动定量节能调度，避免了泵和气体输送设备的使用，降低了工艺系统的固定投资，避免了噪声的产生，改善了用户的环境条件，为微生物活动提供了一个温和的环境，提高了产气效率。

实施例2

如图1所示，本实施例中采用的设备包括独立设置的好氧耦合光生物反应器、呼吸除氧器、厌氧发酵罐和液位控制机构。

上述设备用于实现专利201310151302.4中工艺过程的全自动定量节能的物料调度问题，具体包括以下步骤(如图1所示)：

步骤1：管路a1、管路b2、管路c3打开，回流管路d4关闭。有效容积为60000L好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液，在其自身重力的作用下经由管路a1进入容积为30000L的呼吸除氧器，同时呼吸除氧器中的悬浮液也在自身重力的作用下，经由管路b2进入有效容积为90000L的沼气发酵罐。于是，前一循环产生的沼气经由管路c3进入储气罐，好氧耦合光生物反应器的液面下降，沼气发酵罐的液面上升。这一步骤仅仅依靠流体的自身重力就完成了，不需要系统外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼气及微藻和好氧菌悬浮液的全自动化定量输送。

步骤2：当好氧耦合光生物反应器液位下降到整个反应器有效容积的50％时，依靠液位控制机构自动关闭管路a1、管路b2、管路c3，打开回流管路d4。随着沼气发酵的进行，沼气压力逐渐增大，沼液逐渐被压入好氧耦合光生物反应器，沼气发酵罐的液面逐渐下降，好氧耦合光生物反应器逐渐上升。这个步骤仅仅依靠沼气产生的压力就能够完成沼液的输送，充分利用了系统内部的压强能，不需要系统外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼液的自动化定量输送。

步骤3：当好氧耦合光生物反应器中液位上升到整个反应器有效容积的100％时，依靠液位控制机构自动关闭回流管路d4、打开管路a1、管路b2、管路c3，进入下一个循环。于是，整个工艺系统通过沼气压力、流体重力和液位控制的耦合，实现了所有物料的全自动定量节能调度。

实施例3

步骤1：管路a1、管路b2、管路c3打开，回流管路d4关闭。有效容积为5000L好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液，在其自身重力的作用下经由管路a1进入容积为4500L的呼吸除氧器，同时呼吸除氧器中的悬浮液也在自身重力的作用下，经由管路b2进入有效容积为8000L的沼气发酵罐。于是，前一循环产生的沼气经由管路c3进入储气罐，好氧耦合光生物反应器的液面下降，沼气发酵罐的液面上升。这一步骤仅仅依靠流体的自身重力就完成了，不需要系统外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼气及微藻和好氧菌悬浮液的全自动化定量输送。

步骤2：当好氧耦合光生物反应器液位下降到整个反应器有效容积的10％时，依靠液位控制机构自动关闭管路a1、管路b2、管路c3，打开回流管路d4。随着沼气发酵的进行，沼气压力逐渐增大，沼液逐渐被压入好氧耦合光生物反应器，沼气发酵罐的液面逐渐下降，好氧耦合光生物反应器逐渐上升。这个步骤仅仅依靠沼气产生的压力就能够完成沼液的输送，充分利用了系统内部的压强能，不需要系统外部能量，且与液位控制机构耦合实现了沼液的自动化定量输送。

步骤3：当好氧耦合光生物反应器中液位上升到整个反应器有效容积的100％时，依靠液位控制机构自动关闭管路4、打开管路a1、管路b2、管路c3，进入下一个循环。于是，整个工艺系统通过沼气压力、流体重力和液位控制的耦合，实现了所有物料的全自动定量节能调度。

Claims

1.一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，包括依次上下设置的好养耦合光生物反应器、呼吸除氧器、沼气发酵罐，所述的好养耦合光生物反应器通过管路a连接呼吸除氧器，呼吸除氧器通过管路b连接沼气发酵罐，沼气发酵罐通过管路c连接储气罐，并通过回流管路d连接好养耦合光生物反应器；所述的管路a、管路b、管路c、回流管路d均连接液位控制机构；

置于好养耦合光生物反应器中的微藻在太阳光照射条件下通过光合作用将无机物二氧化碳、水和营养元素合成自身的有机质，得到微藻悬浮液，液位控制机构控制打开管路a、管路b、管路c，关闭回流管路d，好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液在其自身重力的作用下经由管路a进入呼吸除氧器，同时呼吸除氧器中的悬浮液也在自身重力的作用下经由管路b进入沼气发酵罐，前一循环产生的沼气经由管路c进入储气罐；

当好氧耦合光生物反应器液位下降到整个反应器有效容积的10％～90％时，通过液位控制机构自动关闭管路a、管路b、管路c，打开回流管路d，随着沼气发酵罐中沼气发酵的进行，沼气压力逐渐增大，沼液逐渐通过回流管路d被压入好氧耦合光生物反应器，沼气发酵罐的液面逐渐下降，好氧耦合光生物反应器逐渐上升；沼气发酵的同时，好氧耦合光生物反应器中的微藻在太阳光的照射下增殖，好氧菌将简单有机物氧化成二氧化碳和水，并将营养元素氧化成无机形态，呼吸除氧器中的微藻和好氧菌通过呼吸作用除去溶解氧，当好氧耦合光生物反应器中液位上升到整个反应器有效容积的100％时，通过液位控制机构自动关闭回流管路d、打开管路a、管路b、管路c，进入下一个循环。

2.根据权利要求1所述的一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，所述的好养耦合光生物反应器为光生物反应器与好氧生物反应器耦合设立。

3.根据权利要求1或2所述的一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，所述的好养耦合光生物反应器中含有微藻、好氧菌、营养元素和水。

4.根据权利要求3所述的一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，所述的营养元素包括氮、磷和硫。

5.根据权利要求1所述的一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，所述的呼吸耗氧器为避光的容器，其顶部液位低于好养耦合光生物反应器的底部液位，好氧耦合光生物反应器中的微藻和好氧菌悬浮液在其自身重力的作用下经由管路a进入呼吸除氧器。

6.根据权利要求1所述的一种全自动定量节能的物料调度系统，其特征在于，所述的沼气发酵罐为密封的沼气发酵罐，且沼气发酵罐与管路b、管路c、回流管路d的连接均为密封连接。