以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置

1.本实用新型涉及农牧废弃物发酵热回收供暖技术领域，更具体的说是涉及一种以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置。


背景技术：

2.取暖是北方居民生活的必需，散煤燃烧是目前北方农村冬季供暖的主要方式。但散煤燃烧易产生大量粉尘颗粒、no
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和so2，同时化石燃料功能也增加碳排放。为了清洁供暖和减少碳排放，目前鼓励采用清洁能源供暖方式，主要分为电取暖、热泵取暖及太阳能取暖。根据农村调查结果，电采暖因为其高成本和技术的不成熟仅适合农村少量用户在特殊条件下使用，未来几年普及推广的可能性很小；热泵是将低位热源的热能转移到高位热源的装置，因其通过电驱动等提取环境热能，故可利用可再生能源，减少矿物能源的消耗。由于其场地条件、地质条件和施工条件要求较高发展受限；太阳能具有取之不尽、成本低廉等优势，但其受到天气变化、昼夜交替、冬季日照时间短等自然因素的影响，难以满足长周期、持续、稳定供暖的需求，因此需要另辟奇路寻找持续稳定、场地要求小且低成本的热源。
3.随着农业技术的不断发展，粮食产量也逐年增收。农业固体废弃物产量大，农作物秸秆产量达8～9亿吨，包括玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆等。我国农作物秸秆的综合利用率达到90％，主要以直接还田为主，占比达39％左右，其中秸秆堆肥处理占比仅为12％左右，堆肥的优势被大大忽视。针对秸秆资源化的问题，我国目前采用的解决方案为秸秆的“五化”处理方案。分别为能源化、肥料化、饲料化、原料化和基料化。但是，目前这些方法都存在着一定的问题矛盾。例如，在能源化的过程中，无论是产沼气还是燃料乙醇，都需要有一定的规模才能维持处理厂营收的平衡，而大规模的秸秆收集与储运需要很高的成本。市场对于生物质燃料的疲软与化石燃料的竞争很大程度上限制了能源化的发展。据分析，目前的处理方法与秸秆分布及体量的主要矛盾在于：能源化利用市场疲软、利用方式与农村农田的实际环境脱节、缺乏华北、东北地区因地制宜的秸秆利用方案、缺少秸秆的清洁化利用措施。
4.生物质好氧堆肥(发酵)产热技术，是一种通过微生物在有氧条件下催化降解有机质产生水、co2和有机肥，并将化学能以热能形式释放的技术。传统堆肥(发酵)一般是利用多种微生物的作用，将各种植物残体(作物秸秆、杂草、树叶、泥炭、垃圾以及其他废弃物等)进行矿质化、腐殖化和无害化，使各种复杂的有机态的养分，转化为可溶性养分和腐殖质，同时利用堆积时所产生的高温(60～70℃)来杀死原材料中所带来的病菌、虫卵和杂草种子，达到无害化的目的。但其实在常规堆肥中，生物质中大约有60％～70％的化学能转化成热能，而只有30％～40％的能量保留到肥料中。若能用废弃的农牧固体废物释放的热能替代化石燃料的燃烧，对北方冬季供暖需热量进行补充，那将是“北方农村冬季清洁供暖”和“农牧废弃物清洁处理”双向需求的高效解决方案。
5.目前学者们对固体有机废弃物堆肥主要关注于原料的高效转化及肥堆的肥效提升，而对发酵过程的产热关注较少。而在国内外过往的研究中，多数是以易腐有机质为发酵
原料，而玉米秸秆这类降解缓慢、c/n高和孔隙度大的生物质用于发酵产热及热回收的研究不多。同时，由于秸秆发酵热的温度一般低于70℃，生物发酵过程既产热又利用热，过程复杂，因此，市场上缺乏相关秸秆发酵热回收利用的工艺和设备。
6.对于整个好氧发酵产热过程的热损失来说，热对流和热辐射是最主要的两个热损失因素，同时也是利用换热的方法供热的最主要途径。对于热对流的计算主要是包含热空气从发酵基质中离开所带走的热量，这一部分的热量也叫做显热；另一部分为发酵产热过程中堆体表面所蒸发出的水蒸气，水蒸气中所带有的热量，这一部分也叫做潜热。常压下相同温度液态水的汽化潜热约是其平均显热比热的近600倍。据估计，堆肥产热中潜热占比约为60％
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80％。同时，好氧发酵产热过程的热损失有相当一部分以热辐射的形式散失掉了。虽然在总量上不高，但是这一部分能量是最难以避免和减少的。现有的技术大多是单一的对潜热或显热的回收，也没有对热辐射的损失加以重视，热回收率不高。即便有一些技术利用了到了发酵过程中的显热和潜热，但仍旧存在热利用效率低的问题。例如，申请号为cn202020606940.6的实用新型专利公开的堆肥热利用回收系统对显热的利用仅为发酵系统边缘的热量，对于反应系统内部多余的热量并没有加以利用。申请号为cn202111328350.7的发明专利公开的好氧发酵热回收利用设备虽然对显热和潜热都有充分利用，但其设备复杂，且物料和多组换热水管及多个蓄热水箱均设置在发酵罐内，处在同一空间，对设备材质要求高，且不易检修和更换。
7.因此，现有技术中仍旧没有既能充分利用发酵过程中产生的显热和潜热，又能方便使用和清洁的热回收装置。另外好氧发酵需要在有氧条件下进行，因此考虑到堆体内微生物的需求，翻堆也是必不可少的。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型旨在提供一种以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置，以至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
9.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
10.一种以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置，包括：包括发酵池、用于盛放发酵堆的发酵筒、换热水管、蓄热水箱及液体收集器；
11.所述发酵筒位于所述发酵池内部且与所述发酵池之间具有环形腔；所述换热水管位于环形腔内且螺旋绕设在所述发酵筒外壁；所述蓄热水箱安装在所述发酵筒上方的所述发酵池内部，所述蓄热水箱的进出水口分别连接所述换热水管两端，形成液体回路；
12.所述发酵池顶部有顶盖；所述发酵堆内部设置有多孔排气管且其下端连接管道抽气机，所述管道抽气机安装在所述发酵筒底部，其进气口连通环形腔；所述发酵堆底部中间设有搅拌器；所述发酵筒下方设有多孔隔板，所述多孔隔板与所述发酵池底壁之间为废液排出层；所述液体收集器位于所述发酵池外且通过管道连通所述废液排出层。
13.采取上一步技术方案的有益效果：微生物好氧催化降解秸秆及禽畜粪便，发酵堆产生大量热能，并随湿热蒸汽扩散在发酵池内，热蒸汽在环形腔与换热水管接触进行换热，形成气体回路，换热水管螺旋式排布可以有效吸收发酵堆的热辐射。蓄热水箱安装在发酵池内部，发酵堆产生的热蒸汽对蓄热水箱起到一层保温作用。管道抽气机将发酵堆产生的热蒸汽通过多孔排气管循环均匀进入发酵堆中。发酵堆内部的搅拌器将发酵堆上下翻动，
促进好氧发酵产热。发酵堆下方有多孔隔板用以承受发酵堆的重量，同时发酵产生的渗滤液和冷凝液通过多孔隔板的孔隙流入下方废液排出层，进入液体收集器，实现废液的收集。
14.优选的，还包括喷洒装置，所述喷洒装置位于所述发酵堆上方的所述发酵池内，且与所述液体收集器通过管道连通，管道上靠近液体收集器的一端设有第二水泵。
15.采取上一步技术方案的有益效果：利用第二水泵提供的压力将收集的废液通过喷洒装置均匀地重新排放到发酵堆中，继续进行发酵，实现废液重复利用，减少污水排放。
16.优选的，所述发酵池外壁安装有通气管和排气机；所述通气管安装在所述发酵池外壁下部，且所述通气管上设有阀门；所述排气机安装在所述发酵池壁上部。
17.采取上一步技术方案的有益效果：通过控制排气机，排放池内产生的二氧化碳，通过调节通气管上的阀门，管道抽气机间歇式从外界吸入新空气，为发酵堆供氧，外界冷空气和热蒸汽混合后进行循环，对堆体温度影响较小。
18.优选的，所述多孔排气管竖直布置在所述发酵堆内，所述多孔排气管设有多个且环形均布在所述发酵堆内。
19.采取上一步技术方案的有益效果：管道抽气机可以将发酵堆产生的热蒸汽通过多孔排气管循环进入发酵堆，也可将通气管内进入的新空气通过多孔排气管均匀排入发酵堆中，为发酵堆均匀提供氧气。
20.优选的，所述蓄热水箱的进水口在所述蓄热水箱侧壁上部，且靠近进水口的一端设有第一水泵，出水口在所述蓄热水箱底部，进出水口分别连接所述换热水管的两端。
21.采取上一步技术方案的有益效果：换热水管为一根螺旋排布的水管，温度低的水从出水口自然流出，通过换热水管进行换热，换热后温度较高的水在第一水泵的作用下从进水口流回到蓄热水箱内，形成液体回路。
22.优选的，所述废液排出层和所述液体收集器连接的管道上设有阀门。
23.采取上一步技术方案的有益效果：发酵堆产生的废水通过多孔隔板的孔隙流入废液排出层，经过管道最终汇集到发酵池外的液体收集器内，设置阀门防止液体回流。
24.优选的，所述搅拌器上装有波浪形搅拌桨。
25.采取上一步技术方案的有益效果：搅拌桨上下翻动发酵堆，减少了人工成本，同时促进好氧发酵产热。
26.优选的，还包括呈l型的多孔支撑板，所述多孔支撑板固定在所述发酵池上端内壁上，所述蓄热水箱放置在多孔支撑板上，所述多孔支撑板支撑于所述蓄热水箱底部和侧面。
27.采取上一步技术方案的有益效果：发酵堆产生的50℃以上的热蒸汽通过支撑板的孔隙传递到蓄热水箱，这种热传递对蓄热水箱起到一层保温的作用。
28.优选的，所述发酵筒顶部设有多孔排气板。
29.采取上一步技术方案的有益效果：多孔排气板可以对发酵筒有一定的保温效果，并且可以使渗滤液和冷凝液通过喷洒装置洒入到发酵堆中。
30.优选的，所述多孔支撑板另一端上固定有旋转轴，所述顶盖包括左顶盖和右顶盖，所述左顶盖和右顶盖均与所述多孔支撑板顶端合页铰接，同时所述顶盖和所述发酵池之间通过密封圈对所述发酵池进行密闭处理。
31.采取上一步技术方案的有益效果：两边的顶盖都可以翻开，左侧空间用于添料，右侧用于检查蓄热水箱，采用密封圈密闭处理，防止热量损失，加强保温效果。
32.优选的，还包括保温层，所述保温层包覆所述发酵池外壁和所述顶盖以及所述蓄热水箱的侧面、顶部外壳和蓄热水箱的进水口处的换热水管。
33.采取上一步技术方案的有益效果：对热回收系统和外部环境存在大量热交换的部位设置保温层，减少热量流失，最大程度的实现保温效果。
34.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供的一种以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置，具有以下有益效果:
35.1、本实用新型可以在实现物料翻堆与确保微生物活性的前提上，对系统运行过程中产生的热蒸汽、冷凝液和渗滤液进行循环利用，通过独特的环形夹层间壁式换热方式对发酵堆产生的显热、潜热以及热辐射进行高效回收，对废弃秸秆及禽畜粪便堆肥产生的热量具有非常高的热回收效率，可以为北方农村提供清洁的热源。
36.2、本实用新型用废弃的农牧固体废物释放的热能替代化石燃料的燃烧，对北方冬季供暖需热量进行补充，可以适用于农村多种场合，包括蔬菜大棚、禽畜养殖场和农户住所，同时稍加改动可以助力牛粪和垃圾干化，解决了散煤燃烧所带来的严重的空气污染问题，提供了一种方便、清洁、低成本的热源和相关秸秆发酵热回收利用的设备，并提出了一种因地适宜的农牧业固体有机废弃物的利用方案。
37.3、本实用新型用秸秆和禽畜粪便进行好氧发酵，发酵后产生的固体腐熟物具有非常高的营养价值，可作为有机肥进行还田，实现农业废弃物和禽畜粪便的清洁处理及生物质能的循环利用，同时可助力碳减排。
附图说明
38.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
39.图1为本实用新型提供的以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置结构示意图；
40.图2为发酵池内部的横切面视图；
41.图中：
42.1-发酵池；2-发酵筒；3-换热水管；4-蓄热水箱；5-顶盖；6-发酵堆； 7-多孔排气管；8-管道抽气机；9-搅拌器；10-多孔隔板；11-废液排出层； 12-液体收集器；13-喷洒装置；14-通气管；15-排气机；16-第一水泵；17
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第二水泵；18-波浪形搅拌桨；19-支撑板；20-合页铰链；21-密封圈；22-多孔排气板。
具体实施方式
43.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
44.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
45.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
46.参见图1和图2，本实用新型实施例公开了一种以废弃秸秆耦合禽畜粪便好氧发酵热为热源的水暖装置，包括：发酵池1、用于盛放发酵堆6的发酵筒 2、换热水管3、蓄热水箱4及液体收集器12；
47.发酵筒2在发酵池1内部且与发酵池1中间具有环形腔；换热水管3位于环形腔内且螺旋绕设在发酵筒2外壁；蓄热水箱4安装在发酵筒2上方的发酵池1内部，蓄热水箱4的进出水口分别连接换热水管3两端，形成液体回路；
48.发酵池1顶部有顶盖5；发酵堆6内部设置有多孔排气管7且其下端连接管道抽气机8，管道抽气机8安装在发酵筒2底部，其进气口连通环形腔；发酵堆6底部中间设有搅拌器9；发酵筒下方设有多孔隔板10，多孔隔板10与发酵池1底壁之间为废液排出层11；液体收集器12位于发酵池1外且通过管道连通废液排出层11。
49.微生物好氧催化降解秸秆及禽畜粪便，发酵堆6产生大量热能，并随湿热蒸汽扩散在发酵池1内，热蒸汽在环形腔与换热水管3接触进行换热，形成气体回路，换热水管3螺旋式排布可以有效吸收发酵堆6的热辐射。蓄热水箱4安装在发酵池1内部，发酵堆6产生的热蒸汽对蓄热水箱4起到一层保温作用。管道抽气机8将发酵堆6产生的热蒸汽通过多孔排气管5循环均匀进入发酵堆6中。发酵堆6内部的搅拌器9将发酵堆6上下翻动，促进好氧发酵产热。发酵堆6下方有多孔隔板10用以承受发酵堆6的重量，同时发酵产生的渗滤液和冷凝液通过多孔隔板10的孔隙流入下方废液排出层11，进入液体收集器12，实现废液的收集。
50.进一步的，还包括喷洒装置13，喷洒装置13位于发酵堆6上方的发酵池 1内，且与液体收集器12通过管道连通，管道上靠近液体收集器12的一端设有第二水泵17。
51.进一步的，发酵池1外壁安装有通气管14和排气机15；通气管14安装在发酵池1外壁下部，且通气管14上设有阀门；排气机15安装在发酵池1 壁上部。
52.进一步的，多孔排气管7竖直布置在发酵堆6内，多孔排气管7包括多个且环形均布在发酵堆6内。
53.进一步的，蓄热水箱4的进水口在蓄热水箱4侧壁上部，且靠近进水口的一端设有第一水泵16，出水口在蓄热水箱4底部，进出水口分别连接换热水管3的两端。
54.进一步的，废液排出层11和液体收集器12连接的管道上设有阀门。
55.进一步的，搅拌器9上装有波浪形搅拌桨18，搅拌器9连接发酵池1外部的驱动装置。本实施例中，搅拌器9采用液压缸，通过油管连接至发酵池1 外部的液压泵。
56.进一步的，还包括呈l型的多孔支撑板19，多孔支撑板19固定在发酵池 1上端内壁上，蓄热水箱4放置在多孔支撑板19上，多孔支撑板19支撑于蓄热水箱4底部和侧面。
57.进一步的，发酵筒2顶部设有多孔排气板22。
58.进一步的，顶盖5包括左顶盖和右顶盖，左顶盖和右顶盖均与多孔支撑板19顶端通过合页铰链20铰接，同时顶盖5和发酵池1之间通过密封圈21 对发酵池1进行密闭处理。
59.进一步的，还包括保温层，保温层包覆发酵池1外壁和顶盖5以及蓄热水箱4的侧面、顶部外壳和蓄热水箱4的进水口处的换热水管3。
60.其中，发酵堆6的原料一般包括作物秸秆(玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆)和禽畜粪便(主要包括牛粪、猪粪以及鸡粪等)，用液体粪肥浸泡秸秆来调节物料的理化性质，使得其c/n值达到微生物发酵要求的c/n值25～30，同时添加水保持物料含水率达到65％左右。该实用新型是基于微生物在降解秸秆过程中会产生大量热能这一原理进行的工程化扩展。主要是使用可以降解纤维素、半纤维素和木质素的微生物如芽孢杆菌、乳杆菌及真菌等菌类对当地的农牧有机废弃物进行好氧发酵。在好氧发酵的中期，由于微生物的剧烈繁殖和有机物的积累性降解使得整个堆体的温度有较大的上升，通常可上升至55℃以上，而这样的温度可以杀灭物料中的虫卵和病原菌，实现无害化处理。
61.并且本实用新型的发酵装置可设置在北方农村居民住宅或温室大棚周边，可以设置在地上或地下区域。为了减少系统对外热损失，提高热能回收效率，对热回收系统和外部环境存在大量热交换的部位设置保温层。对实验室规模的发酵热回收工艺优化实验和户外中试实践进行分析，在室外环境为
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15℃至-30℃情况下，发酵池1外壁和顶盖5所用保温材料可为岩棉、橡塑板或聚氨酯，面积热阻设置在2～3(m2·
℃)/w。在发酵池1内部，蓄热水箱4 侧面、顶部外壳和蓄热水箱4的进水口处的换热水管3需加强保温，当其所处环境温度为15℃至23℃时，所用保温材料可为气凝胶毡或铝箔气泡隔热膜，面积热阻设置在1～1.5(m2·
℃)/w。根据不同的环境情况，发酵池1底壁外也可设置保温层。在发酵池1外壁可设置可拆卸的检修门，方便对换热水管3 等结构进行检查和维修。支撑板19可采用多孔高强度材料，用来支撑蓄热水箱4及其内部水的重量。发酵池1的顶盖5为翻盖设置，方便发酵中途添加原料以及检查发酵情况，同时在蓄热水箱4和堆体中心、底部、内壁以及顶端设置温度传感器，在堆体上空处以及发酵池1顶端和底端设置温湿度传感器，用于检测发酵堆6和蓄热水箱4的温度情况以及系统内部不同位置热蒸汽的温湿度。
62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
63.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。