CN102250760B - 一种秸秆沼气反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明秸秆沼气反应器，包括料液搅拌罐和反应器，料液搅拌罐的出料管通过进料泵和反应器的进料管连通；反应器的顶部设有PH值与温度检测装置、水平反冲口、倾斜反冲口、人孔、负压保护口、溢流堰和正压保护装置；正压保护装置通过输料管与料液搅拌罐的上部连通；反应器内设有中心管，中心管的上端设有浮渣收集口和浮渣吸口，中心管的下端设有导流锥；中心管上设有分支管，分支管通过切换阀与料液搅拌罐的出料管连通；反应器的底部设有增温装置、排渣装置和料液分布管，料液分布管通过分配器与料液循环泵连通，分配器通过循环管与水平反冲口和倾斜反冲口连通；料液循环泵通过吸水管与设置在反应器上部的循环水吸口连通。本发明产气平稳、效率高，适合大型化、连续化以秸秆为原料发酵沼气。
Description
技术领域本发明属于以秸秆为原料发酵生产沼气的大型设备技术领域，涉及一种秸秆沼气反应器。
背景技术秸秆作为农业生产的主要废弃物，我国每年约产生6.4亿吨。目前主要以焚烧的手段进行处理，大量秸秆的露天燃烧，不仅不能有效利用这部分资源，还导致CO2，SO2等气体的排放，污染了空气，加重了全球气候变暖。因此，研究可行的秸秆处理利用方法，实现其资源化，既是农业可持续发展的需要，也是缓解当今中国面临的资源、能源、环境危机的重要途径。以农作物秸秆和畜粪为发酵原料，以沼气反应器为主要形式，建立以沼气为中心的新的能量——物质循环装置，使秸杆中的生物能以沼气这种可燃气体的形式缓慢地释放出来，实现农作物秸秆等生物质资源的高效洁净能源化利用，已经成为我国循环经济发展的重要组成部分。农作物秸秆经厌氧发酵制取沼气，把副产物沼渣和沼液作高效有机肥和养殖营养饵料，既利用了秸秆资源，又从饲料、燃料、肥料这三方面实现良性循环，这是秸秆最科学、最合理的利用技术之一。我国沼气工程技术从80年代以来日益完善，已形成较为完善的高效的且具有多种功能的工程技术装置。据统计，到2005年底，已建养殖场沼气工程3500处，年可处理畜禽粪便等废弃物8700万吨。至2010年，国家支持新建大中型沼气工程4000处左右。但是，我国在以秸秆为发酵原料的大型工业化制取沼气工程建设方面，几乎还是空白。国内仅有几家纯粹以秸秆为发酵原料的沼气工程，规模较小，能够正常运行的寥寥无几，究其原因，除了秸秆在收购、预处理、运输等方面成本太高以外，缺少真正适合以秸秆为发酵物料的沼气反应器技术也是制约秸秆沼气发展的重要原因。
目前，我国大型沼气工程技术包括USR、CSTR和HCF工艺，应用较多的是USR和CSTR工艺，小部分采用HCF。USR工艺是先对各类畜禽粪便和其它有机物进行预处理，除去大颗粒和粗纤维物质(进料TS浓度3-6％)后，进入USR反应器，USR反应器采用上流式污泥床原理，不使用机械搅拌，在中温条件下，视原料不同产气率在0.3-0.8之间。沼渣沼液COD浓度含量很高，一般用于农田施肥进行生态化处理，是典型的能源生态型工艺。CSTR工艺流程是先对各类畜禽粪便及其它有机物进行粉碎处理，调整进料TS浓度8-13％范围内，进入CSTR反应器，CSTR反应器采用上进料下出料方式，并带有机械搅拌，产气率视原料和温度不同在1.2-5.0之间。沼渣沼液COD浓度和TS浓度含量高，一般不经固液分离即可直接用于农田施肥，是典型的能源生态型沼气工程工艺。我国以秸秆为发酵物的工程主要以USR为主，少量采用CSTR工艺。但无论USR工艺和CSTR工艺，都是应用于以粪便为主要发酵物料的沼气工程，在以秸秆为发酵物的沼气工程中存在下述缺陷：
1、进料出料非常困难，管道堵塞严重；
2、浮渣结壳现象严重；
3、沼渣排出困难，难以将新鲜物料与沼渣有效区分；
4、搅拌强度难以控制，能耗太高；
5、产气率低，厌氧消化效率低下。
总之，现有技术以秸秆为发酵原料的沼气工程、清洁能源工程中厌氧反应器存在效率低下、运行困难、进出料难度大、产气不平稳等技术问题，研制一种大型工业化生产秸秆沼气的厌氧反应器是目前亟待解决的课题。
发明内容本发明的目的是解决现有技术存在效率低下、运行困难、进出料难度大、产气不平稳等技术问题，提供一种秸秆沼气反应器，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明秸秆沼气反应器，它包括料液搅拌罐和反应器，所述料液搅拌罐的出料管通过进料泵和反应器的进料管连通；所述反应器的顶部设有PH值与温度检测装置、水平反冲口、倾斜反冲口、中心人孔、负压保护口、工艺人孔、溢流堰和正压保护装置；正压保护装置通过输料管与料液搅拌罐的上部连通；所述反应器内设有中心管，中心管的上端设有中心浮渣收集喇叭口和浮渣吸口，中心管的下端设有导流锥；所述中心管上设有分支管，分支管通过切换阀与料液搅拌罐底部的出料管连通；反应器的底部设有增温装置、排渣装置和料液分布管，料液分布管通过分配器与料液循环泵连通，分配器通过循环管与水平反冲口和倾斜反冲口连通；料液循环泵通过吸水管与设置在反应器上部的循环水吸口连通。所述循环管通过循环与反冲洗切换阀门与分配器连接。
所述中心人孔上设有沼气管和沼气放空管。
所述反应器与料液搅拌罐的罐外壁上设有保温层。
所述反应器内设加热盘管，盘管沿罐内壁敷设。
本发明运行成本低廉、操作简单、安全可靠、运行平稳。能有效的防止进出料管道堵塞、减少反应器结壳、消除浮渣、降低能耗、提高沼气产率。解决了现有技术存在效率低下、运行困难、进出料难度大、产气不平稳等技术问题。尤其是适合大型化、工业化、连续化以秸秆为原料发酵生产沼气。
附图说明附图是本发明的工艺原理图。
图中 1、料液搅拌罐 2、出料管 3、进料泵 4、进料管 5、增温装置 6、排渣装置 7、反应器 8、导流锥 9、料液分布管 10、分配器 11、料液循环泵 12、吸水管 13、循环与反冲洗切换阀门 14、循环管 15、循环水吸口 16、pH值与温度检测装置 17、水平反冲口 18、倾斜反冲口 19、中心人孔 20、沼气管 21、沼气放空管 22、中心浮渣收集喇叭口 23、浮渣吸口 24、负压保护口 25、工艺人孔 26、溢流堰 27、正压保护装置 28、中心柱 29、分支管 30、输料管 31、切换阀
具体实施方式参照附图，本发明秸秆沼气反应器，它包括料液搅拌罐1和反应器7，料液搅拌罐1的出料管2通过进料泵3和反应器7的进料管4连通；反应器7的顶部设有PH值与温度检测装置16、水平反冲口17、倾斜反冲口18、中心人孔19、负压保护口24、工艺人孔25、溢流堰26和正压保护装置27；正压保护装置27通过输料管30与料液搅拌罐1的上部连通；反应器7内设有中心管28，中心管28的上端设有中心浮渣收集喇叭口22和浮渣吸口23，中心管的下端设有导流锥8；所述中心管上设有分支管29，分支管29通过切换阀31与料液搅拌罐1底部的出料管2连通；反应器7的底部设有增温装置5、排渣装置6和料液分布管9，料液分布管9通过分配器10与料液循环泵11连通，分配器10通过循环管14与水平反冲口17和倾斜反冲口18连通；料液循环泵11通过吸水管12与设置在反应器上部的循环水吸口15连通；循环管14通过循环与反冲洗切换阀门13与分配器10连接；中心人孔19上设有沼气管20和沼气放空管21；反应器7与料液搅拌罐7的罐外壁上设有保温层。
本发明秸秆厌氧反应器7采用圆柱体设计，用碳钢焊接制作，罐顶采用球形封头或椭圆形封头，反应器高径比为2∶1；料液搅拌罐1采用圆柱体设计，底部设锥底，罐内设立式搅拌机；秸秆厌氧反应器7与料液搅拌罐罐1均进行保温处理，设有保温层，防止热量散失；秸秆厌氧反应器7与料液搅拌罐1之间用管道连接；进料泵3抽取搅拌罐1底部物料输送至秸秆沼气反应器料液分布管上方，秸秆沼气反应器上清液经输料管30回流至搅拌罐1，与新鲜秸秆进行搅拌混合；秸秆沼气反应器沼液不外排，在搅拌罐与反应器之间实现闭路循环。
秸秆沼气反应器进料管4采用大通道设计，反应器进料口置于距反应器罐底2米位置，根据反应器容积大小，分别按2个、4个、6个沿圆周均匀分布设置。
秸秆沼气反应器排渣装置6采用管道排渣，沿罐壁设置环形排渣管，排渣管均匀分布多个吸泥口，吸泥口开口于管道下方，排渣管采用大通道设计；反应器内沉淀的沼渣在反应器内重力作用下，排至沼渣池。
反应器排渣装置6与反应器进料口分设于罐内竖向不同位置，可将新料与沼渣有效区分，杜绝排出新料，减少原料浪费，增加原料利用率。
为提高反应器内物料与菌种的传质效果，秸秆厌氧反应器7底部设有料液循环搅拌装置；循环搅拌装置包括料液循环泵11、循环料液分配器10、循环料液分布管9、循环吸水管12、循环水吸口15、循环与循环与反冲洗切换阀门门13、循环管14、罐顶水平反冲口17和倾斜反冲口18，可分别实现反应器底部与顶部的料液搅拌。料液循环泵11经循环吸水管12吸取沼气反应器中上部上清液，通过循环料液分配器10、循环料液分布管9将料液在反应器底部进行均匀分布，对反应器底部料液与厌氧污泥进行充分搅拌；当开启循环与反冲洗切换阀门13后，料液循环泵11输出的料液还可对厌氧反应器顶部浮渣层进行搅拌、水力破除和反冲洗；料液循环泵11设有变频调速装置，可对反应器7内搅拌强度进行控制。
秸秆沼气反应器7上部设置排除浮渣装置，结合厌氧反应器顶部反冲洗装置，可将上部浮渣轻易排出反应器。反冲洗装置所用液体由料液循环泵11供给，当排除浮渣时开启循环与反冲洗阀门13，排浮渣装置包括中心浮渣收集喇叭口22、浮渣吸口23和分支管29，分支管与进料泵3连接，通过进料装置二次输送至秸秆沼气反应器7内进行深度厌氧发酵处理，进一步降解产生沼气；进行排浮渣操作时，首先利用反冲洗装置将浮渣破除，然后利用排浮渣装置排出浮渣，再利用进料装置将排出浮渣循环至反应器底部，实现浮渣在反应器的内部循环，以提高固形物在反应器内的停留时间，提高沼气产量。
秸秆沼气反应器采用上部出料，沼液经溢流堰收集后，通过大通道U型管道流出反应器，经输料管30全部回流至料液搅拌罐1用来进行新进秸秆的混合搅拌，沼气反应器其上部设有检修孔，能够非常方便进行管道的疏通和检修。
反应器7内设加热盘管，盘管沿罐内壁敷设，由导热性能良好的不锈钢或薄壁无缝管制作，加热盘管从反应器底部接出，与进水管和回水管相连，所需热源由锅炉提供。
反应器安全防护装置有正压保护装置、负压保护装置、沼气排空装置、防雷接地装置等。反应器检测装置有PH值在线检测装置、温度监控装置、压力显示装置等。
本发明的工作原理：粉碎后的新鲜秸秆输送至料液搅拌罐1内，在搅拌机的作用下，与经输料管30回流的沼液混合，混合后的物料通过进料泵3经进料管4输送到反应器7内，进入反应器7内的物料与菌种充分接触，在厌氧菌的作用下，秸秆与菌种进行厌氧反应产生沼气；厌氧消化后的混合物料和反应生成的沼气沿反应器筒体底部向上缓慢上升，到达反应器上部时，沼气溢出，经罐顶封头收集后经沼气管20排出反应器输送至水封器后由用户使用。反应器内的上清液通过溢流堰26收集后经正压保护装置27排出反应器，排出的沼液经输料管30自流到料液搅拌罐1与新进秸秆进行搅拌混合，然后用进料泵输送至反应器内厌氧发酵，实现连续进料。经输料管30流出的沼液全部回流至料液搅拌罐1，基本不外排。为提高反应器的产气速率，需对对反应器进行充分搅拌，秸秆反应器设料液循环泵11，秸秆反应器上部上清液由循环水吸口15和吸水管12吸入料液循环泵11，经料液循环泵加压后进入循环料液分配器10，由循环料液分布管9在罐内进行均匀分配，每根循环料液分布管对应一个布水喷头，喷头沿反应器圆周切向分布，能够带动区域内混合物料形成旋流，强化物料与菌种的传质效果；料液循环泵11还能够为反应器上部浮渣部位提供反冲水源，切换循环与反冲洗切换阀门13后，经循环泵11加压的料液沿反冲洗管道分别经罐顶水平反冲口17和倾斜反冲口188对浮渣层进行反冲，罐顶反冲的有益作用是：在水平反冲口17和倾斜反冲口18的共同作用下，罐顶形成的浮渣层不会结壳，流动性很好，能够轻易流入中心浮渣收集喇叭口22和浮渣吸口23，经中心柱28、分支管29排出沼气反应器，经进料泵3加压后重新回流到反应器内进行二次厌氧消化，实现浮渣在反应器内部循环；进行排浮渣操作时切换浮渣回流切换阀31，厌氧反应器内产生的沼渣在旋流作用下，大部分沉淀于反应器底部靠近罐壁的部位，反应器内在这一区域设排渣装置6，定期将沼渣排出反应器外；反应器顶部设置简单实用的负压保护装置与正压保护装置，在反应器超压或出现负压的情况下，自动泄压，为反应器提供全方位的安全防护；厌氧反应器正常高效运行需要相对稳定的温度条件，我们采取罐壁罐顶保温及罐内敷设增温装置的措施，来满足这一条件，以免影响厌氧反应的正常进行。另外，反应器设置了PH值、温度、压力、沼气流量等仪表检测装置，防雷与接地等安全防护装置，为厌氧反应器正常稳定运行提供保障。
Claims (3)
1.一种秸秆沼气反应器，它包括料液搅拌罐和反应器，其特征是所述料液搅拌罐的出料管通过进料泵和反应器的进料管连通；所述反应器的顶部设有pH值与温度检测装置、水平反冲口、倾斜反冲口、中心人孔、负压保护口、工艺人孔、溢流堰和正压保护装置；正压保护装置通过输料管与料液搅拌罐的上部连通；所述反应器内设有中心管，中心管的上端设有中心浮渣收集喇叭口和浮渣吸口，中心管的下端设有导流锥；所述中心管上设有分支管，分支管通过切换阀与料液搅拌罐底部的出料管连通；反应器的底部设有增温装置、排渣装置和料液分布管，料液分布管通过分配器与料液循环泵连通，分配器通过循环管与水平反冲口和倾斜反冲口连通；料液循环泵通过吸水管与设置在反应器上部的循环水吸口连通；所述循环管通过循环与反冲洗切换阀门与分配器连接；所述中心人孔上设有沼气管和沼气放空管。
2.根据权利要求1所述的秸秆沼气反应器，其特征是所述反应器与料液搅拌罐的罐外壁上设有保温层。
3.根据权利要求1所述的秸秆沼气反应器，其特征是所述反应器内设加热盘管，盘管沿罐内壁敷设。
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