CN101624565B - 制取甲烷反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制取甲烷反应堆，主要由甲烷反应堆(1)、酸化池(2)、二氧化碳转化器(3)、气水分离器(4)、支架(16)和吸热膜(35)组成。甲烷反应堆设在酸化池与二氧化碳转化器中间，将制取过程分为酸化、生成和净化三个阶段；用循环泵强制料液循环加速甲烷气生成，提高了产气率；用二氧化碳转化器去除甲烷气中的二氧化碳，使甲烷含量提高到90％以上；核心设备甲烷反应堆用软体材料制作，产品可折叠，运输方便可工厂化生产。本发明可广泛应用于有机污水、生活垃圾、人畜粪便、农作物秸秆等有机物的处理。

Description

制取甲烷反应堆

一、技术领域

本发明涉及一种制取甲烷反应堆，属于新能源和环保的技术领域，是一种人工制取甲烷的成套装置，是一种块装环流分级制取甲烷新技术。可广泛应用于工业有机污水、生活污水、生活垃圾、畜禽粪便、农作物秸秆等有机物的甲烷化处理。

二、背景技术

目前，还没有这种形式的制取甲烷反应堆产品及技术，现有的近似于该技术的沼气发生器，也没有类似该技术的产品及技术类型。沼气发生器(工程)目前仅有三种类型：一、水泥池，现场手工用水泥制作，沼气池施工技术要求高，施工速度慢，漏气现象普遍存在，且由于沼气中的硫化氢腐蚀，沼气池的使用寿命短，难以适应推广规模的需求；二、钢质类发生器，目前分为三种主流工艺，即利蒲罐、搪瓷板罐、钢板罐，均为制作、焊接或一张一张板现场装配，同样存在着施工强度大、难度高、时间长、安全性差等问题，难以广泛推广和应用。三、由本人率先发明(有多项外观设计专利)的折叠式软体系列沼气发生器，可批量实现工厂化生产，但由于材质性能的局限，难以将沼气发生器单体做到近百立方米，甚至上万立方米。上述三种类型的沼气发生器，目前还存在着产气率低(如寒冷地区冬季不产气)、沼气中甲烷含量普遍在60％以下等诸多缺陷。因此，也限制了沼气在工农业生产和人们生活中的大规模推广应用。

我国发展沼气已有几十年的历史了，近年来连续六年中央1号文件中要求推广沼气，把沼气推广列入为三农项目和民生工程的内容。我国目前户用沼气已有近2500万口，大中型沼气工程近30000处，在世界经济危机的今天，我国政府又把沼气项目列入扩内需、保增长项目之中，仅09年中央财政投入沼气项目就达80亿元，未来三年国家发展规划中每年将安排800亿元建设推广沼气项目。随着发展速度日益加快，对沼气新产品、新技术的需求越来越为迫切。

近年来，我国城镇建设、工业、农业和养殖业的规模都在迅猛扩大，城镇生活垃圾和污水总量发展很快，年增长速度约5％～8％，但治理利用率却很低，如北京和上海等大城市对生活垃圾的无害化治理仅为2％～5％，较好的城市也只有5％～10％；工业排污水的企业约有近百万家，大中型养殖企业约有三十万家，农作物秸秆每年约8亿吨，这些废弃有机物目前的治理和利用的总量也还不到30％，这不仅浪费了资源，污染了水源和环境，也危害了人们的身体健康。另外，随着经济的发展和人们生活水平的提高，环境恶化加剧，污染日益严重，全球增温加快；能源紧张短缺的形势越来越严峻，世界性争夺能源成了全球主要不安定因素，开发新的环境治理装置和替代能源技术迫在眉睫。

据不完全统计，我们如能将上述这些资源采用甲烷化处理，每年把所产生的甲烷用于发电，所发的电量相当于我国目前发电总量的20％以上，同时也治理了环境，还提供了大量的优质有机肥。因此，开发新型的制取甲烷反应堆势在必行，迫切需要。

三、发明内容

本发明是要提供一种制取甲烷反应堆，将甲烷反应堆制成螺旋软体折叠式，这样便于生产、运输和现场装配，从而实现甲烷反应堆的工厂化、模块化、标准化、规模化生产制造。使制取甲烷系统的效率大大提高，且常年恒温产气，所产生的气体中甲烷含量在90％以上。

本发明为达到上述目的，是用这样的方式实现的：制取甲烷反应堆，主要是由甲烷反应堆、酸化池、二氧化碳转化器、气水分离器、进料泵、循环泵、单流阀、支架、燃料电池或燃气发电机、电动排渣阀、吸热膜、水封、太阳能集热器、中空透光膜、燃气加热炉和热交换器等装置组成。将装置中的核心设备甲烷反应堆用塑料布制成螺旋结构、可折叠的单体，可单体使用，也可多个单体串联或并联使用，单体内设软体蜂窝状填料作菌床，甲烷反应堆上设有进口和出口。甲烷反应堆设置在支架的托带上，从而实现甲烷反应堆的工厂化、模块化、标准化、规模化生产制造。

甲烷反应堆成套装置中，甲烷气的制取过程分为三个阶段，首先将发酵原料投入酸化池进行酸化预处理；再由进料泵泵入甲烷反应堆中进行厌氧发酵产生甲烷气；甲烷气经过气水分离器自行流入二氧化碳转化器中进行净化提纯，系统中所设的二氧化碳转化器不仅可以提高甲烷的含量，还可去除硫化氢，可使甲烷含量从60％提高到90％以上，同时还可产生少量的微藻，可定期将微藻液排入酸化池作发酵原料使用。渣液经气水分离器分离后直接流入贮存池。

为提高系统的效率，系统中设有循环泵和作菌床的蜂窝状填料，将发酵原料从甲烷反应堆的出口处泵入进口，强制甲烷反应堆内料液流动，使反应器形成动态发酵，蜂窝状填料作菌床，增加甲烷菌寄生数量，与动态作用共同提高产气效率。

装置中采用太阳能给发酵原料加热增温，用中空透光膜给装置保温，用燃气加热炉给系统恒温，从而实现常年恒温产气。用吸热膜吸收阳光中的热能，减少系统恒温加热中的燃气用量，达到节能的目的。

本发明的实现，技术解决方案是一种制取甲烷反应堆，主要由甲烷反应堆1、酸化池2、二氧化碳转化器3、气水分离器4、进料泵9、循环泵10、单流阀11、放藻阀13、补水阀14、支架16、拉架17、托带18、气管19、进料管20、料液循环管21、连接管22、出料管23、燃料电池或燃气发电机28、电动排渣阀34、吸热膜35、螺丝37和水封39组成。其中，进料管20将进料泵9、单流阀11和甲烷反应堆1一一连起来；出料管23将甲烷反应堆1上出口33、水封39和贮存池24连成一起，水封39高度位于气水分离器4与甲烷反应堆1的出口33之间；气管19连接甲烷反应堆1和二氧化碳转化器3，并将二氧化碳转化器3与燃料电池或燃气发电机28等用气设备相连接；气水分离器4位于甲烷反应堆1的出口33上。其特征在于：甲烷反应堆1设在酸化池2与二氧化碳转化器3的中间，将甲烷制取的过程分为发酵原料酸化、甲烷生成和甲烷气净化三个阶段；循环泵10设在甲烷反应堆1的进口32与出口33间的料液循环管21上，用循环泵10强制料液循环加速生成甲烷气；用二氧化碳转化器3去除甲烷气中的二氧化碳和硫化物等，使产生的气体中的甲烷含量提高到90％以上；用自身所产生的甲烷给燃料电池或燃气发电机28发电，供装置中的所有用电设备使用；吸热膜35直接覆盖在甲烷反应堆1上，既可吸收热量又可遮挡阳光使其不直接照射甲烷反应堆1；放藻阀13和补水阀14设在二氧化碳转化器3的底部；支架16与拉架17的连接用螺丝37紧固，在现场装配。

甲烷反应堆1为螺旋结构、可折叠的单体，且设有进口32和出口33，并在内部设有蜂窝状填料27。

拉架17上设有挂架26。

托带18的两端均设有挂孔36。

本发明的实现，技术解决方案是在甲烷反应堆前设有酸化池，使原料在酸化池内进行一级酸化发酵，同时可沉砂和隔离有害杂物。

本发明的实现，技术解决方案是在甲烷反应堆内设有蜂窝状填料作菌床，起着增加甲烷菌寄生场所的作用，从而提高甲烷的产量。

本发明的实现，技术解决方案是甲烷反应堆中设有二氧化碳转化器3，起净化甲烷气的作用，可使甲烷气中的甲烷含量由50％～60％提高到90％以上。

本发明的实现，技术解决方案是在太阳能集热器5与热交换器8之间，料液循环管21上和酸化池2里均设有泵，分别起着热水循环、料液循环和泵入原料作用。

本发明的实现，技术解决方案是甲烷反应堆的支架16由单根组成，现场组装时用螺丝37连接，这样可方便生产和运输。

本发明的实现，技术解决方案是用中空透光膜6作保温和透光材料，即可保温又可透光。用吸热膜35覆盖在甲烷反应堆即可将太阳的热量吸收在中空膜内，又可遮挡阳光使其不直接照射甲烷反应堆。

本发明的实现，技术解决方案是在甲烷反应堆的进口32前设有电动排渣阀34，可定时排放渣泥。出口33上设有出料管23，当进料时，等量的料液从这里排入贮存池24。

本发明与现有常规的类似装置相比具有以下优点：

1.适应广。由于本发明设有一级酸化池，可处理生活垃圾、秸秆、粪便等各类有机物，并可实现规模化处理，因此，可在生活垃圾、秸秆、粪便等各类有机物甲烷化处理中广泛推广适应。

2.自身耗能少。由于本发明设有太阳能集热器、中空透光膜和吸热膜，可使装置运行时自身耗能减少70％，从而减少运行成本。

3.产气效率高。循环泵使料液产生流动，实现动态发酵，提高产气率；蜂窝状填料增加甲烷菌的寄生数量，加速了甲烷的产生，因此，由循环泵和蜂窝状填料共同的作用而提高了产气效率。

4.甲烷反应堆可实现工厂化生产。由于本发明的核心设备甲烷反应堆采用软体折叠材料制作，产品可折叠运输，可以完全在工厂制成完整的产品。这样便于在工厂内工厂化、标准化、模块化、规模化生产。

5.清渣和维护安全。由于本发明为螺旋式结构，模块化集成，且单体产品直径小，维护及清渣时操作人员不用进入体内，可直接在外部操作。避免了像同类产品(沼气工程)操作人员进入池内维护或清渣时造成人员伤亡等事故的发生，可确保管理操作人员的安全。

四、附图说明

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的原理结构图，图2是本发明的甲烷反应堆的单体立体视图，图3是本发明的甲烷反应堆的剖视放大图，图4是本发明的托带展开图。实施时不受本图限制。

图中：1甲烷反应堆，2酸化池，3二氧化碳转化器，4气水分离器，5太阳能集热器，6中空透光膜，7燃气加热炉，8热交换器，9进料泵，10循环泵，11单流阀，12热水泵，13放藻阀，14补水阀，15补光灯，16支架，17拉架，18托带，19气管，20进料管，21料液循环管，22连接管，23出料管，24贮存池，25热水循环管，26挂架，27蜂窝状填料，28燃料电池或燃气发电机，29电线，30用气管，31燃气设备，32进口，33出口，34电动排渣阀，35吸热膜，36挂孔，37螺丝，38棚架，39水封。

参照图1，本发明的工作路线是这样的：发酵原料先进入酸化池2，进行一级酸化反应，在酸化池内可同时去砂、石、泥、金属和漂浮物(这些杂物定期人工清出)，酸化后的有机物和污水经进料泵9泵入甲烷反应堆1中进行产生甲烷反应，甲烷经气水分离器4分离后经气管19排入二氧化碳转化器3中去除二氧化碳及硫化物等，然后再供燃气设备使用；料液从出口33处经水封39后排入贮存池24里，作优质有机肥使用。

参照图1，本发明用太阳能集热器5和燃气加热炉7互补加热，确保发酵原料所需的热能；用中空透光膜6给系统保温，同时还可透过阳光给系统内环境空间加热恒温；用吸热膜35来吸收透过中空透光膜6内的阳光中的热能，减少向外反射，提高阳光的热能利用率。

参照图1，本发明用燃料电池或燃气发电机28供给进料泵9、热水泵12、循环泵10、电动排渣阀34和智能自动控制台(本发明中未作详细描述)所需的电力。

参照图3，本发明甲烷反应堆1内设有蜂窝状填料27起着加速甲烷生成的作用。

参照图1，支架16和拉架17是用螺丝37一一连接和固定的。

参照图1，二氧化碳转化器3的底部设有补水阀14和放藻阀13，用来补充水源和排放藻液；侧面设有补光灯15，夜晚给二氧化碳转化器3补光。二氧化碳转化器3所产生的少量微藻液排入酸化池2里作发酵原料使用。

参照图1，料液循环管21上设有循环泵10，可实现甲烷反应堆1内的动态发酵，进一步提高产气量。

参照图1，甲烷反应堆1上设有气水分离器4，将出来的甲烷和料液在这里进行分离。

五、具体实施方式

本发明实例是这样实现的：

本发明的甲烷反应堆1和托带18是用市场买来的塑料布(如EVA涂层布、PVC涂层布、红泥塑料布等)经高频焊机热合而成的，且甲烷反应堆1上设有进口32和出口33，内部还设有蜂窝状填料27，蜂窝状填料27也是用同类材料热合而成的，托带18上钻有挂孔36。二氧化碳转化器3是玻璃管或玻璃钢管焊接或粘接制成的。气水分离器4是塑料管(如PVC管、PE管、PPR管等管材)热熔焊接制成的。支架16和拉架17用市场买来的钢管下料、钻孔、镀锌制成的，拉架17上设有挂架26。这些产品均是定制的。

本发明的太阳能集热器5、燃气加热炉7、热交换器8、进料泵9、循环泵10、单流阀11、热水泵12、放藻阀13、补水阀14、补光灯15、燃料电池或燃气发电机28、燃气设备31和电动排渣阀34都是从市场上买来的标准产品。

本发明的气管19、进料管20、料液循环管21、连接管22、出料管23、热水循环管25、用气管30、电线29、吸热膜35和螺丝37均是从市场上买来的标准材料。

本发明的棚架38是从专业厂家定制的标准棚架。

本发明的酸化池2和贮存池24是用砖、砂、石和水泥在现场施工形成的。

用户使用时，先将本发明中所述的所有定制装置及标准棚架、标准化产品及标准化材料运入使用现场，在现场进行装配。装配时参照图1，先将支架(16)、拉架17用螺丝37一一组装起来，挂上托带18，接着将甲烷反应堆1摆放到托带18上摆放平整；将进料泵9放入预先做好的酸化池2内，用进料管20把进料泵9、单流阀11和甲烷反应堆1连在一起，并在单流阀11与进口32间装有电动排渣阀34和料液循环管21；在甲烷反应堆1的出口33上装上气水分离器4，将水封39装在甲烷反应堆1出口33与气水分离器4之间，用出料管23将水封39与贮存池24连接起来；气管19将气水分离器4与二氧化碳转化器3连接起来；用气管30将二氧化碳转化器3与各用气设备连接；将进料泵9、循环泵10、热水泵12、补光灯15、电动排渣阀34用电线29将它们一同与燃料电池或燃气发电机28连接到一起；再用热水循环管25连接好太阳能集热器5、燃气加热炉7、热水泵12和热交换器8；所有装置及设备装完后，再将吸热膜35覆盖在甲烷反应堆1上，将中空透光膜6覆盖在棚架38上，就全部安装完毕了。

安装好装置、设备后即可投料运行。

在运行前期，启动时所有电器设备所用的电力先用外来电源启动，装置产生出甲烷后，再用燃料电池或燃气发电机28发电自用。

本发明的燃气设备31可以是发电机、锅炉、液化装置等，也可直接输送给居民做生活用能或采暖用能使用。

本发明装置所排出的料液是优质的有机肥料，可直接作肥料使用，不会造成二次污染或资源浪费。

Claims (3)

1.一种制取甲烷反应堆，主要由甲烷反应堆(1)、酸化池(2)、二氧化碳转化器(3)、气水分离器(4)、进料泵(9)、循环泵(10)、单流阀(11)、放藻阀(13)、补水阀(14)、支架(16)、拉架(17)、托带(18)、气管(19)、进料管(20)、料液循环管(21)、连接管(22)、出料管(23)、贮存池(24)、燃料电池或燃气发电机(28)、电动排渣阀(34)、吸热膜(35)、螺丝(37)和水封(39)组成。其中，进料管(20)将进料泵(9)、单流阀(11)和甲烷反应堆(1)一一连起来；出料管(23)将甲烷反应堆(1)上出口(33)、水封(39)和贮存池(24)连成一起，水封(39)高度位于气水分离器(4)与甲烷反应堆(1)的出口(33)之间；气管(19)连接甲烷反应堆(1)和二氧化碳转化器(3)，并将二氧化碳转化器(3)与燃料电池或燃气发电机(28)等用气设备相连接；气水分离器(4)位于甲烷反应堆(1)的出口(33)上。其特征在于：甲烷反应堆(1)设在酸化池(2)与二氧化碳转化器(3)的中间，将甲烷制取的过程分为发酵原料酸化、甲烷生成和甲烷气净化三个阶段；循环泵(10)设在甲烷反应堆(1)的进口(32)与出口(33)间的料液循环管(21)上，用循环泵(10)强制料液循环加速生成甲烷气；用二氧化碳转化器(3)去除甲烷气中的二氧化碳和硫化物等，使产生的气体中的甲烷含量提高到90％以上；用自身所产生的甲烷给燃料电池或燃气发电机(28)发电，供装置中的所有用电设备使用；吸热膜(35)直接覆盖在甲烷反应堆(1)上，既可吸收热量又可遮挡阳光不直接照射甲烷反应堆(1)；放藻阀(13)和补水阀(14)设在二氧化碳转化器(3)的底部；支架(16)与拉架(17)的连接用螺丝(37)紧固，在现场装配。

2.根据权利要求1所述的制取甲烷反应堆，其特征是：拉架(17)上设有挂架(26)。

3.根据权利要求1所述的制取甲烷反应堆，其特征是：托带(18)的两端均设有挂孔(36)。

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