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1、10申请公布号CN102004452A43申请公布日20110406CN102004452ACN102004452A21申请号201010256140722申请日20100817G05B19/04200601C10L3/10200601G01N15/0620060171申请人浙江大学地址310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号72发明人胡宝兰沈李东叶天强郑平陆慧峰陈小光蔡琛74专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人张法高54发明名称甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统及方法57摘要本发明公开了一种基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统及方法。它包。
2、括沼气脱硫反应区气体含量控制系统和沼气排放区气体含量检测系统。沼气脱硫反应区气体含量控制系统设有空气进气自动调节阀、甲烷进气自动调节阀、气体流量计、溶解氧探头、氧气探头、氧气报警器和数据采集分析调控装置；沼气排放区气体含量检测系统设有硫化氢探头、氧气探头、硫化氢报警器、氧气报警器和沼气外排自动调节阀。本发明具有以下优点通过对沼气脱硫反应区气体含量进行实时监控，实现高效、安全的沼气脱硫；通过对沼气排放区气体气含量进行在线监测，进一步保障净化后沼气可安全使用；通过自动化控制实现沼气脱硫连续运行，可回收硫单质。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图。
3、2页CN102004465A1/1页21一种基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统，其特征在于包括沼气脱硫反应区气体含量控制系统和沼气排放区气体含量检测系统，沼气脱硫反应区气体含量控制系统包括空气气体流量计1、空气进气自动调节阀2、沼气进气自动调节阀3、沼气气体流量计4、第一氧气探头5、第一氧气报警器6、溶解氧探头7和数据采集分析调控装置8，空气气体流量计1经空气进气自动调节阀2与沼气脱硫反应区相连，沼气气体流量计4经沼气进气自动调节阀3与沼气脱硫反应区相连，沼气脱硫反应区内设有第一氧气探头5和溶解氧探头7，第一氧气报警器6一端与第一氧气探头5相连，沼气排放区气体含量检测系统包。
4、括硫化氢报警器9、硫化氢探头10、第二氧气探头11、沼气外排自动调节阀12和第二氧气报警器13，沼气排放区内设有硫化氢探头10、第二氧气探头11，硫化氢报警器9一端与硫化氢探头10相连，第二氧气报警器13一端与第二氧气探头11相连，沼气外排自动调节阀12一端与沼气排放区相连，沼气排放区与沼气脱硫反应区相连，数据采集分析调控装置8分别与第一氧气报警器6另一端、硫化氢报警器9另一端、第二氧气报警器13另一端、空气进气自动调节阀2、沼气进气自动调节阀3、溶解氧探头7和沼气外排自动调节阀12相连。2根据权利要求1所述的一种基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统，其特征在于所述的数据采集。
5、分析调控装置的内部模连接关系为主控处理器分别与模拟量输入模块、开关量输入调理模块、传感器无限通讯模块、电源电路、电动调节阀控制模块、数字量输出模块和数字量输入模块相连接，传感器无限通讯模块与传感器供电接口、电源电路和电动调节阀控制模块相连接。3一种使用如权利要求1所述系统的基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制方法，其特征在于通过溶解氧探头7实时监测沼气脱硫反应区内液相中溶解氧的含量，并根据数据采集分析调控装置8控制空气进气自动调节阀2和沼气进气自动调节阀3调整甲烷和空气的进气流量及比例，使沼气脱硫反应区液相部分溶解氧的浓度维持在005010MG/L之间；通过第一氧气探头5实时监测。
6、沼气脱硫反应区内氧气的含量，使沼气脱硫反应区内气相中氧气体积百分比含量小于10，若沼气脱硫反应区中氧气体积百分比含量大于10，第一氧气报警器6发出报警，数据采集分析调控装置8将进一步控制空气进气自动调节阀2和沼气进气自动调节阀3调整甲烷和空气的进气流量及比例，使沼气脱硫反应区气相中氧气体积百分比含量小于10，第一氧气报警器6停止报警；通过硫化氢探头10测定沼气排放区气体含量检测系统中的硫化氢含量，设定检测到的硫化氢含量大于20MG/M3，硫化氢报警器9发出报警，通过数据采集分析调控装置8使沼气外排自动调节阀12处于关闭状态，并调控沼气脱硫反应区内沼气的进气量，直至沼气排放区所测硫化氢含量小于2。
7、0MG/M3，硫化氢报警器9停止报警；通过第二氧气探头11测定沼气排放区气体含量检测系统中的氧气含量，设定检测到的氧气含量大于10，第二氧气报警器13发出报警，通过数据采集分析调控装置8使沼气外排自动调节阀12处于关闭状态，并调控沼气脱硫反应区内空气的进气量，直至沼气排放区所测氧气含量小于10，第二氧气报警器13停止报警，当硫化氢报警器9和第二氧气报警器13都未发出报警时，数据采集分析调控装置8控制沼气外排自动调节阀12处于打开状态，沼气得以外排。权利要求书CN102004452ACN102004465A1/4页3甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统及方法技术领域0001本发明涉。
8、及一种基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统及方法，适用于沼气脱硫工程。背景技术0002沼气作为一类清洁的能源，在当今世界能源短缺的情况下，充分利用沼气能，可以缓解我国能源紧缺带来的压力。沼气是一种可燃性混合气体，一般含甲烷、二氧化碳、以及少量的氨气、氢气和一氧化碳等，不同的原料制成的沼气中往往含有不同含量的硫化氢H2S。H2S是一种剧毒的有害气体，它对管道、仪表及设备有强烈的腐蚀作用，泄漏在空气中将污染大气，危害人体健康。因此，为了保护人体健康，延长设备使用寿命，必须采取有效措施进行沼气脱硫。我国环保标准严格规定利用沼气能源时，沼气气体中H2S含量不得超过20MG/M3。沼气。
9、中的H2S质量浓度一般为112G/M3，远远高于我国环保标准的规定。所以，H2S的脱除成为沼气使用过程中必不可少的一个环节。0003沼气脱硫的方法有化学法、物化法和生物法。常用的物化法一般可分为直接脱硫和间接脱硫两大类。沼气直接脱硫方法的原理可分为湿式法和干式法两类。湿法脱硫是利用特定的溶剂与气体逆流接触而脱除其中的H2S，溶剂通过再生后重新进行吸收；干法脱硫是以O2使H2S氧化成硫或硫氧化物的一种方法，也可称为干式氧化法。0004沼气的生物脱硫是利用微生物的代谢作用将沼气中的硫化氢转化为单质硫或硫酸盐。其过程可分为3个阶段一是H2S气体的溶解过程，即由气相转移到液相；二是溶解后的H2S被微生。
10、物吸收，转移至微生物的体内；三是进人微生物细胞内的H2S作为营养被微生物分解、转化和利用，从而达到去除H2S的目的。沼气脱硫的主要优点为不需要化学催化剂，没有二次污染；耗能少，处理成本低；H2S去除率高，并可回收单质硫。0005目前，国内脱硫技术已比较成熟，脱硫方法及脱硫工艺众多。但无论是生物脱硫还是物化法脱硫，都存在安全隐患。当空气中沼气含量达到515时，遇明火会发生爆炸，并且脱硫后沼气中氧气含量超过1时，同样会带来安全危险。另外，脱硫后沼气中若仍含有较多量的H2S气体，会破坏后期沼气的利用装置。为此，沼气脱硫装置的安全控制系统作为脱硫装置的智能控制单元，是保障沼气脱硫反应的安全运行和沼气脱。
11、硫技术应用推广的关键所在。此外，如何通过自动化控制合理的曝气量，使生物脱硫后的终产物控制为硫单质，实现单质硫的回收利用是目前沼气脱硫技术的难点。发明内容0006本发明的目的是针对沼气脱硫安全控制系统的空白，提供一种基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统及方法。0007基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统包括沼气脱硫反应区气体含量控制系统和沼气排放区气体含量检测系统，沼气脱硫反应区气体含量控制系统说明书CN102004452ACN102004465A2/4页4包括空气气体流量计、空气进气自动调节阀、沼气进气自动调节阀、沼气气体流量计、第一氧气探头、第一氧气报警器。
12、、溶解氧探头和数据采集分析调控装置，空气气体流量计经空气进气自动调节阀与沼气脱硫反应区相连，沼气气体流量计经沼气进气自动调节阀与沼气脱硫反应区相连，沼气脱硫反应区内设有第一氧气探头和溶解氧探头，第一氧气报警器一端与第一氧气探头相连，沼气排放区气体含量检测系统包括硫化氢报警器、硫化氢探头、第二氧气探头、沼气外排自动调节阀和第二氧气报警器，沼气排放区内设有硫化氢探头、第二氧气探头，硫化氢报警器一端与硫化氢探头相连，第二氧气报警器一端与第二氧气探头相连，沼气外排自动调节阀一端与沼气排放区相连，沼气排放区与沼气脱硫反应区相连，数据采集分析调控装置分别与第一氧气报警器另一端、硫化氢报警器另一端、第二氧气。
13、报警器另一端、空气进气自动调节阀、沼气进气自动调节阀、溶解氧探头和沼气外排自动调节阀相连。0008所述的数据采集分析调控装置的内部模连接关系为主控处理器分别与模拟量输入模块、开关量输入调理模块、传感器无限通讯模块、电源电路、电动调节阀控制模块、数字量输出模块和数字量输入模块相连接，传感器无限通讯模块与传感器供电接口、电源电路和电动调节阀控制模块相连接。0009基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制方法是通过溶解氧探头实时监测沼气脱硫反应区内液相中溶解氧的含量，并根据数据采集分析调控装置控制空气进气自动调节阀和沼气进气自动调节阀调整甲烷和空气的进气流量及比例，使沼气脱硫反应区液相部分。
14、溶解氧的浓度维持在005010MG/L之间；通过第一氧气探头实时监测沼气脱硫反应区内氧气的含量，使沼气脱硫反应区内气相中氧气体积百分比含量小于10，若沼气脱硫反应区中氧气体积百分比含量大于10，第一氧气报警器发出报警，数据采集分析调控装置将进一步控制空气进气自动调节阀和沼气进气自动调节阀调整甲烷和空气的进气流量及比例，使沼气脱硫反应区气相中氧气体积百分比含量小于10，第一氧气报警器停止报警；通过硫化氢探头测定沼气排放区气体含量检测系统中的硫化氢含量，设定检测到的硫化氢含量大于20MG/M3，硫化氢报警器发出报警，通过数据采集分析调控装置使沼气外排自动调节阀处于关闭状态，并调控沼气脱硫反应区内沼。
15、气的进气量，直至沼气排放区所测硫化氢含量小于20MG/M3，硫化氢报警器停止报警；通过第二氧气探头测定沼气排放区气体含量检测系统中的氧气含量，设定检测到的氧气含量大于10，第二氧气报警器发出报警，通过数据采集分析调控装置使沼气外排自动调节阀处于关闭状态，并调控沼气脱硫反应区内空气的进气量，直至沼气排放区所测氧气含量小于10，第二氧气报警器停止报警，当硫化氢报警器和第二氧气报警器都未发出报警时，数据采集分析调控装置控制沼气外排自动调节阀处于打开状态，沼气得以外排。0010本发明的有益效果有通过对沼气脱硫反应区气体含量进行实时监控，实现沼气脱硫的高效、安全运行；通过利用沼气排放区气体气含量检测系统。
16、，控制沼气内硫化氢和氧气含量，进一步保障净化后沼气可安全使用；通过自动化控制实现沼气脱硫连续运行，并可回收硫单质；本沼气脱硫自动化控制系统既适合于沼气的物化法脱硫，也适合于沼气的生物脱硫。附图说明0011图1是基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统示意图；说明书CN102004452ACN102004465A3/4页50012图2是本发明的数据采集分析调控装置的电路框图；0013图3是基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制方法流程图；0014图中空气气体流量计1、空气进气自动调节阀2、沼气进气自动调节阀3、沼气气体流量计4、第一氧气探头5、第一氧气报警器6、溶解氧探。
17、头7、数据采集分析调控装置8、硫化氢报警器9、硫化氢探头10、第二氧气探头11、沼气外排自动调节阀12、第二氧气报警器13。具体实施方式0015如图1所示，基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制系统包括沼气脱硫反应区气体含量控制系统和沼气排放区气体含量检测系统，沼气脱硫反应区气体含量控制系统包括空气气体流量计1、空气进气自动调节阀2、沼气进气自动调节阀3、沼气气体流量计4、第一氧气探头5、第一氧气报警器6、溶解氧探头7和数据采集分析调控装置8，空气气体流量计1经空气进气自动调节阀2与沼气脱硫反应区相连，沼气气体流量计4经沼气进气自动调节阀3与沼气脱硫反应区相连，沼气脱硫反应区内设有。
18、第一氧气探头5和溶解氧探头7，第一氧气报警器6一端与第一氧气探头5相连，沼气排放区气体含量检测系统包括硫化氢报警器9、硫化氢探头10、第二氧气探头11、沼气外排自动调节阀12和第二氧气报警器13，沼气排放区内设有硫化氢探头10、第二氧气探头11，硫化氢报警器9一端与硫化氢探头10相连，第二氧气报警器13一端与第二氧气探头11相连，沼气外排自动调节阀12一端与沼气排放区相连，沼气排放区与沼气脱硫反应区相连，数据采集分析调控装置8分别与第一氧气报警器6另一端、硫化氢报警器9另一端、第二氧气报警器13另一端、空气进气自动调节阀2、沼气进气自动调节阀3、溶解氧探头7和沼气外排自动调节阀12相连。001。
19、6如图2所示，数据采集分析调控装置的内部模连接关系为主控处理器分别与模拟量输入模块、开关量输入调理模块、传感器无限通讯模块、电源电路、电动调节阀控制模块、数字量输出模块和数字量输入模块相连接，传感器无限通讯模块与传感器供电接口、电源电路和电动调节阀控制模块相连接。0017模拟量输入模块的型号为R802X，开关量输入调理模块的型号为SAGS/XD2600，传感器无限通讯模块的型号为STR30，电动调节阀控制模块的型号为CPA101220，数字量输出模块的型号为EM223CN，数字量输入模块的型号为EM222CN。0018如图3所示，通过硫化氢探头读取硫化氢含量，通过第一氧气探头和和第二氧气探头读。
20、取氧气含量，通过沼气流量计和空气流量计分别读取沼气流量和空气流量，通过溶解氧探头读取溶解氧DO浓度。当硫化氢探头检测到的硫化氢浓度超过报警阈值20MG/M3时，硫化氢报警器启动报警，关闭沼气外排自动调节阀，并同时关闭沼气进气自动调剂阀和空气进气自动调节阀；当硫化氢探头检测到的硫化氢浓度小于20MG/M3时，硫化氢报警器关闭报警，开启沼气外排自动调节阀；当硫化氢探头检测到的硫化氢浓度大于调节阈值110MG/M3时，适当减小沼气进气自动调节阀；当硫化氢探头检测到的硫化氢浓度小于调节阈值25MG/M3时，适当增大沼气进气自动调节阀。当第一氧气探头测得的氧气含量超过报警阈值10时，第一氧气报警器开启报。
21、警，直至第一氧气探头测得的氧气含量小于10，第一氧气报警器停止报警。当第二氧气探头测得的氧气含量超过报警阈值10说明书CN102004452ACN102004465A4/4页6时，第二氧气报警器开启报警，并关闭沼气外排自动调节阀，直至第二氧气探头测得的氧气含量小于10，第二氧气报警器停止报警，并开启沼气外排自动调节阀。当溶解氧探头测得的溶解氧浓度超过调节阈值101MG/L时，减小空气进气自动调节阀；当溶解氧探头测得的溶解氧浓度小于调节阈值205MG/L时，加大空气自动调节阀。0019基于甲烷、硫化氢和氧气含量检测的沼气脱硫自动化控制方法是通过溶解氧探头7实时监测沼气脱硫反应区内液相中溶解氧的含。
22、量，并根据数据采集分析调控装置8控制空气进气自动调节阀2和沼气进气自动调节阀3调整甲烷和空气的进气流量及比例，使沼气脱硫反应区液相部分溶解氧的浓度维持在005010MG/L之间；通过第一氧气探头5实时监测沼气脱硫反应区内氧气的含量，使沼气脱硫反应区内气相中氧气体积百分比含量小于10，若沼气脱硫反应区中氧气体积百分比含量大于10，第一氧气报警器6发出报警，数据采集分析调控装置8将进一步控制空气进气自动调节阀2和沼气进气自动调节阀3调整甲烷和空气的进气流量及比例，使沼气脱硫反应区气相中氧气体积百分比含量小于10，第一氧气报警器6停止报警；通过硫化氢探头10测定沼气排放区气体含量检测系统中的硫化氢含。
23、量，设定检测到的硫化氢含量大于20MG/M3，硫化氢报警器9发出报警，通过数据采集分析调控装置8使沼气外排自动调节阀12处于关闭状态，并调控沼气脱硫反应区内沼气的进气量，直至沼气排放区所测硫化氢含量小于20MG/M3，硫化氢报警器9停止报警；通过第二氧气探头11测定沼气排放区气体含量检测系统中的氧气含量，设定检测到的氧气含量大于10，第二氧气报警器13发出报警，通过数据采集分析调控装置8使沼气外排自动调节阀12处于关闭状态，并调控沼气脱硫反应区内空气的进气量，直至沼气排放区所测氧气含量小于10，第二氧气报警器13停止报警，当硫化氢报警器9和第二氧气报警器13都未发出报警时，数据采集分析调控装置8控制沼气外排自动调节阀12处于打开状态，沼气得以外排。说明书CN102004452ACN102004465A1/2页7图1图2说明书附图CN102004452ACN102004465A2/2页8图3说明书附图CN102004452A。