CN103173349B - 使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备，包括：一个主发酵罐体，所述主发酵罐体的底部设置有发酵后物料排出口，所述主发酵罐体的顶部设置有生物燃气出口；至少一个预接种混和罐体，所述预接种混和罐体均与所述主发酵罐体一体地设置在所述主发酵罐体的侧壁上，所述预接种混和罐体的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口，所述预接种混和罐体的上部设置有物料的溢出口，所述溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口。本发明还涉及一种使用干式厌氧发酵制造生物燃气的方法。

Description

使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备及方法

技术领域

本发明涉及生物燃气的制造，特别是涉及使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备和方法。

背景技术

生物燃气又名沼气，是多种微生物在厌氧条件下对有机物质(如秸秆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥等)进行分解代谢的产物，其主要成分是甲烷和二氧化氮，还有硫化氢等少量的其他气体，沼气产生的过程也称为厌氧发酵。按照总固体含量多少，厌氧消化技术可分为湿式厌氧消化(含固率＜15％)与干式厌氧消化(含固率20～40％)。干式厌氧工艺具有以下明显的优势：1)可以适应各种来源的固体有机废弃物；2)运行费用低，容积产气率高；3)需水量低或不需水，残渣后续处理费用低；4)运行过程稳定，无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题。

而在实际工程运用中，由于在干式厌氧发酵中的物料不加水或者只加很少的水稀释，干式厌氧消化系统内物料的充分混和较为困难，造成沼气产率降低。搅拌的目的是使发酵原料均匀分布，加强新鲜物料的接种效果，增加微生物与原料的接触面，加快发酵速度。发酵液面经常处于活动状态，经常搅拌回流沼气池内的发酵原料，不仅可以破除池内浮壳，而且能使原料与沼气细菌充分接触，促进沼气细菌的新陈代谢，使其迅速生长繁殖，加快发酵速度，提高产气量。

沼气工程中常用的搅拌方法有机械搅拌、沼气回流搅拌(气体搅拌)和发酵液回流搅拌(液体搅拌)。机械搅拌是在沼气池内安装机械搅拌装置，每1～2天搅拌一次，每次5～10min，搅拌有利于沼气的释放；气体搅拌是将沼气池内的沼气抽出来，通过输送管道(中心管)从沼气池底下部送进去，使池内产生较强的气体回流，达到搅拌的目的；液体搅拌是用抽渣器从沼气池的出料间将发酵液抽出，再通过进料管注入沼气池内，产生较强的料液回流以达到搅拌和菌种回流的目的。

关于液体搅拌及沼气搅拌鉴于对其搅拌效果、强度及能耗的考虑，所述两种方法更适于湿式厌氧发酵及一些小型的干式厌氧发酵；而机械搅拌，目前采用的多为发酵罐内全混式搅拌方式，由于整个罐体设置了混和装置，罐内料液处于完全均匀或基本均匀状态，因此微生物能和物料充分接触，接种效果好，但是该方法较易增加部分新进入罐体内的新鲜有机物料发酵时间不够而直接由排渣口排出的风险，而且发酵罐罐体整体混和装置的设置能耗是非常大的。

为了解决上述干式发酵方法中存在的混和困难且不充分问题，中国专利CN101381674A中，所述厌氧发酵罐内不设置任何混和搅拌装置，而是通过在厌氧发酵罐外的接种混和槽将新鲜物料与立式厌氧发酵罐内的已发酵物料混和接种，混和接种后的物料再输送至立式厌氧发酵罐内进行干式厌氧反应，反应过程中物料在罐内从上至下呈推流形式移动。所述接种物与新鲜物料的混和质量比为4～10∶1。该方法避免了传统的上述全混式搅拌方式中会使得部分新鲜物料发酵时间不够而直接由排渣口排出的风险。

但是，在上述专利中，混和物提供至干式发酵罐中不再混和，因此为了使接种物料和新鲜物料充分接触，充足量的发酵物料必须在发酵罐外与新供应的物料混和，如专利中每单位新鲜物料混和4～10单位的发酵物料，但是这样的方式影响了发酵罐的处理能力，同时大量物料的混和也增加能耗。特别是当对每吨具有较高的沼气产量的新鲜有机物料进行发酵时，在发酵罐中的平均停留时间需要增加至更多天，新鲜物料的进料速度会更慢，不利于干式发酵器大量装载新鲜物料，如玉米之类高能作物进行发酵时，导致更多的能量损失。

而且，最为关键的是该方法中的厌氧发酵系统中需要在发酵罐体外设置一个混和装置，以达到新鲜物料与回流的发酵物料充分混和、接种的目的。厌氧发酵微生物只有在一定的温度条件下才能生长繁殖，进行正常的代谢活动，因此发酵温度是影响厌氧发酵制生物燃气的重要因素。但是，该种外部混和装置的设置会导致已具有合适温度的新鲜物料与发酵物料在该搅拌装置处的热量散失，特别是在冬天及采用高温发酵时，该种罐体外混和装置的设置所产生的热量散失的问题会更为突出，这样当混和后物料进入发酵罐体时，由于物料达不到所需要的温度，会延缓物料的发酵启动，影响物料的实际发酵时间，减少物料的利用率及产气率。

发明内容

为解决现有技术中问题的至少一个方面，提出本发明。本发明的目的在于通过改进厌氧发酵罐体的结构，以解决现有技术中外部接种热量损失较多的缺陷，从而在提高发酵材料的利用率及其产气速率的同时降低厌氧发酵设备的运行能耗。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备，包括：一个主发酵罐体，具有限定主发酵空间的底部、顶部和侧壁，所述主发酵罐体的底部设置有发酵后物料排出口，所述主发酵罐体的顶部设置有生物燃气出口；至少一个预接种混和罐体，所述预接种混和罐体均与所述主发酵罐体一体地设置在所述主发酵罐体的侧壁上，所述预接种混和罐体的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口，所述预接种混和罐体的上部设置有物料的溢出口，所述溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口。

可选地，所述设备包括沿所述主发酵罐体的侧壁布置的多个所述预接种混和罐体。进一步地，多个所述预接种混和罐体围绕所述主发酵罐体的侧壁等间隔布置。

可选地，所述预接种混和罐体的设置溢出口的侧壁同时作为所述主发酵罐体的侧壁。

可选地，所述主发酵罐体的底部设置有回流泵，所述回流泵经由连接到回流泵的出口的回流管路将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体内，优选地，通入到预接种混和罐体内的下部。

可选地，所述主发酵罐体的底部形成为渐缩的锥形，所述发酵后物料排出口设置在所述锥形的下部。

可选地，所述预接种混和罐体内部设置有使得新鲜物料与预接种混和罐体内部的已发酵物料混和的机械混和装置。

根据本发明的另一方面，提出了一种使用干式厌氧发酵制造生物燃气的方法，包括如下步骤：(1)提供主发酵罐体以及与所述主发酵罐体一体设置的至少一个预接种混和罐体，所述预接种混和罐体的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口，所述预接种混和罐体的上部设置有物料的溢出口，所述溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口，所述主发酵罐体的底部设置有回流泵，回流泵的出口设置回流管路；(2)利用所述回流泵经由所述回流管路将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体内；(3)从所述预接种混和罐体下部向所述预接种混和罐体内供给新鲜物料，所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料进行预接种混和；(4)接种后的物料经由所述溢出口溢流到所述主发酵罐体内进行厌氧发酵；(5)从主发酵罐体的底部排出发酵后的物料，以及在主发酵罐体的上部收集生物燃气。

可选地，在所述步骤(1)中，沿所述主发酵罐体的侧壁布置多个所述预接种混和罐体。

可选地，多个所述预接种混和罐体围绕所述主发酵罐体的侧壁等间隔布置。

可选地，在所述步骤(1)中，所述预接种混和罐体的设置溢出口的侧壁同时作为所述主发酵罐体的侧壁。

可选地，在所述步骤(3)中，利用机械混和装置搅拌所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料。

可选地，在所述步骤(3)中，在新鲜物料进入到所述预接种混和罐体内体积的十分之一至二分之一时，所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料进行预接种混和。

可选地，在所述步骤(4)中，物料在发酵过程中在主发酵罐体内从上到下呈推流形式向主发酵罐体的底部移动。

可选地，所述方法还包括步骤：(6)将加热至50～60℃的生物燃气由主发酵罐体的底部通入至主发酵罐体内。该步骤有利于物料的加热保温，物料的温度更均衡，同时也保证已产生沼气的快速逸出。

根据本发明，设置通过溢流口与主发酵罐体直接相通的预接种混和罐体，可以使得新鲜物料在预接种混和罐体内与已发酵一定时间的发酵物料充分混和接种，有利于新鲜物料发酵的快速启动；而且，因为预接种混和罐体内的物料混和就可以达到菌种接种的目的，所以避免传统的整体搅拌在混和物料时所需的大能耗，而且降低了整体搅拌带来的新鲜物料与其余的发酵物料一起立即经由排料口离开主发酵罐体的风险以保证了新鲜物料有一定的发酵时间。此外，本发明可以进一步减少物料在预混和过程中的物料热量损失，提高产气速率。

另外，根据本发明，因为所述预接种混和罐体的溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口，所以可以避免如专利CN101381674A中的大量发酵后物料的回送到主发酵罐体中所需要的能量损耗，还增加发酵罐的实际处理能力。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的结构示意图。

图2为根据本发明的第二实施例的截面示意图，其中一个主发酵罐体上设置有多个预接种混和罐体。

图3为根据本发明的第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面参照附图1-3描述使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备1。如图中所示，使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备1包括：一个主发酵罐体B，具有限定主发酵空间的底部、顶部和侧壁，所述主发酵罐体的底部设置有发酵后物料排出口5，所述主发酵罐体的顶部设置有生物燃气出口3；至少一个预接种混和罐体A，所述预接种混和罐体A均与所述主发酵罐体B一体地设置在所述主发酵罐体的侧壁上，所述预接种混和罐体A的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口2，所述预接种混和罐体A的上部设置有物料的溢出口4，所述溢出口4同时作为所述主发酵罐体B的进料口。

如图2中所示，所述设备可以包括沿所述主发酵罐体B的侧壁布置的多个所述预接种混和罐体A。进一步地，多个所述预接种混和罐体A可以围绕所述主发酵罐体B的侧壁等间隔布置。多个，例如2～10个(优选6个)，预接种混合罐体A均匀设置在主发酵罐体B外部的情况下，可以达到分散进料、接种充分、均匀进料的目的。

如图3中所示，所述主发酵罐体B的底部设置有回流泵7，所述回流泵7经由连接到回流泵的出口的回流管路8将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体A内，有利地，泵送到预接种混和罐体A内的底部，以进行发酵液回流搅拌，从而加强对新鲜物料的接种效果。

有利地，如图1、3中所示，所述主发酵罐体B的底部形成为渐缩的锥形，所述发酵后物料排出口5设置在所述锥形的下部。

虽然没有示出，所述预接种混和罐体A内部可以设置有使得新鲜物料与预接种混和罐体内部的已发酵物料混和的机械混和装置。

下面描述使用干式厌氧发酵制造生物燃气的方法，该方法包括如下步骤：(1)提供主发酵罐体以及与所述主发酵罐体一体设置的至少一个预接种混和罐体，所述预接种混和罐体的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口，所述预接种混和罐体的上部设置有物料的溢出口，所述溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口，所述主发酵罐体的底部设置有回流泵，回流泵的出口设置回流管路；(2)利用所述回流泵经由所述回流管路将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体内；(3)从所述预接种混和罐体下部向所述预接种混和罐体内供给新鲜物料，所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料进行预接种混和；(4)接种后的物料经由所述溢出口溢流到所述主发酵罐体内进行厌氧发酵；(5)从主发酵罐体的底部排出发酵后的物料，以及在主发酵罐体的上部收集生物燃气。

在所述步骤(1)中，可以沿所述主发酵罐体B的侧壁布置多个所述预接种混和罐体A。有利地，多个所述预接种混和罐体A围绕所述主发酵罐体B的侧壁等间隔布置。

如图1、3中所示，在所述步骤(1)中，所述预接种混和罐体A的设置溢出口4的侧壁可以同时作为所述主发酵罐体B的侧壁。

如图3所示，所述主发酵罐体B的底部设置有回流泵7，回流泵7的出口设置回流管路8，所述方法还可包括步骤：利用所述回流泵7经由所述回流管路8将发酵液从主发酵罐体B的底部泵送到预接种混和罐体A内。依次方式，可以实现发酵液回流搅拌。

在所述步骤(3)中，还可以利用机械混和装置搅拌所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料。

有利地，可以将加热至50～60℃的生物燃气由主发酵罐体的底部通入至主发酵罐体内。

有利地，在所述步骤(3)中，在新鲜物料进入到所述预接种混和罐体内体积的十分之一至二分之一时，所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料进行预接种混和。

在所述步骤(4)中，物料在发酵过程中在主发酵罐体内从上到下呈推流形式向主发酵罐体的底部移动。

下面以实例的方式描述本发明的使用干式厌氧发酵制造生物燃气的方法。该方法包括如下步骤：

进料步骤：秸秆和青草收集后切碎，并添加适量生活污水、厨余、污泥等其余有机垃圾。

预接种混合步骤：将所述物料经由预接种混合罐体A的底部进料口2连续泵入预接种混合罐体A内，当新鲜物料进入至厌氧预接种混合罐体A内体积的十分之一至二分之一时，启动预接种混合罐体A中的混合装置进行物料的混合，使得新鲜物料在预接种混合罐体A内可以与已发酵一定时间的物料均匀混合接种。预接种混合罐体A可均匀设置在厌氧反应罐体或主发酵罐体B外部，根据干式发酵物料的高干物质含量，预接种混合罐体A可设置2～10个，优选6个，达到分散进料、接种充分、均匀进料的目的。

厌氧发酵步骤：接种后物料由预接种混合罐体A的溢出口4溢流至主发酵罐体B的主体区域内进行厌氧发酵，发酵过程中物料在主发酵罐体B内从上至下呈推流形式向主发酵罐体的底部移动。

排料及沼液回流步骤：发酵后物料从消化罐或主发酵罐体B的底部出料口5排出，沼气经罐体上部排气口3收集。可根据情况，在主发酵罐体B内部底端设置回流泵7，将发酵液回流至各个预接种混合罐体A内，加强对物料的接种效果，同时达到对物料进行搅拌的目的。

下面结合图1及图2对本发明的更具体的实施方案进行详细描述。

按秸秆干式厌氧发酵制造生物燃气的技术性能设计使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备1，其包括6个预接种混和罐体A和1个主发酵罐体B。每个预接种混和罐体A具有4m³的有效容积，主发酵罐体B具有400m³有效容积，主发酵罐体B的罐身为圆柱型，底部呈向下圆锥形。在预接种混和罐体A的底部侧外面设有新鲜物料进料口2，在预接种混和罐体A的上部设有接种后物料溢流口4，主发酵罐体B底部设有发酵后物料排出口5，顶部设有生物燃气出口3。

本生物燃气工程资源量：玉米秸秆5.2t/d，青草、厨余及其他1t/d，生活污水5t/d，日处理废弃物总量11.2t(TS2.8t/d，TS含量25％)，产气量约为1000m³。本工程采用高温发酵，将加热至50～60℃的沼气由罐体底部通入至厌氧发酵罐内的方式对罐内物料进行加热保温。

具体作业操作过程如下：

进料：将5.2吨秸秆和青草收集后将其切碎至1～2cm，并添加适量生活污水、厨余、污泥等其余有机垃圾。

预接种混合：将所述新鲜物料经由预接种混和罐体A底部的进料口2连续泵入预接种混和罐体A内。当新鲜物料进入至预接种混和罐体A内体积的三分之一时，启动预接种混和罐体A中的机械混合装置，使得新鲜物料在预接种混和罐体A内可以与已发酵一定时间的发酵物料均匀混合接种。

厌氧发酵：接种后物料由预接种混和罐体A的溢出口4溢流至主发酵罐体B内进行厌氧发酵，发酵过程中物料在主发酵罐体B内从上至下呈推流形式向主发酵罐体B底部移动。

排料：发酵后物料从主发酵罐体B底部出料口5排出，生物燃气经由排气口3收集。

下面结合图3对本发明的更具体的实施方案进行详细描述。

本实施例的设备同图1中相比，只是在主发酵罐体B的圆锥形底部设置一发酵液回流泵7及回流管道8。回流泵7及回流管道8在每吨具有较高的生物燃气产量的新鲜有机物料，如玉米之类高能作物，进行发酵时使用，以加强对新鲜物料的接种效果，达到快速启动高效制生物燃气的目的。具体作业操作过程如下：

进料：将5.2吨秸秆和青草，收集后将其切碎至1～2cm，并添加适量生活污水、厨余、污泥等其余有机垃圾。

预接种混合：将所述新鲜物料经由厌氧发酵罐1的预接种混和罐体A底部的进料口2连续泵入预接种混和罐体A内。当新鲜物料进入至预接种混和罐体A内体积的三分之一时，启动预接种混和罐体A中的机械混合装置进行物料的混合，使得新鲜物料在预接种混和罐体A内可以与已发酵一定时间的发酵物料均匀混合接种。

厌氧发酵：接种后物料由预接种混和罐体A的溢出口4溢流至主发酵罐体B内进行厌氧发酵，发酵过程中物料在主发酵罐体B内从上至下呈推流形式向主发酵罐体B底部移动。

排料及沼液回流：发酵后物料从主发酵罐体B出料口5排出。在主发酵罐体B内部底端设置回流泵7，将发酵液经回流管路8回流至预接种混和罐体A内，加强对物料的接种效果，生物燃气经由排气口3收集。

本发明节省热量计算：

厌氧消化反应过程受温度影响很大。本发明的主发酵罐体B在50～55℃温度范围内工作。为保证发酵过程在50℃条件下正常运行，需要对物料进行增温。每天按加温11.2t混合物料计算。根据当地冬季最冷月气温情况，物料温度取5℃，假设物料比热容和清水相当，考虑散热(3℃)和增温热损失(30％)，上述物料增温至53℃，则每天需要热量：

11.2×1000×(53-5)/70％＝7.68×10⁵kcal/d

如果在罐体外设置混合搅拌装置，则物料经过罐外混合搅拌装置搅拌后温度冬季至少下降至10℃，则平均每天增加的热量损失至少为：

11.2×1000×(53-10)＝4.82×10⁵kcal/d

则根据本发明节省的热量为罐体外设置混合搅拌装置整体工艺热耗的38.56％(4.82×10⁵kcal/d/(7.68×10⁵kcal/d+4.82×10⁵kcal/d)×％＝38.56％)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种使用干式厌氧发酵制造生物燃气的设备，包括：

一个主发酵罐体，具有限定主发酵空间的底部、顶部和侧壁，所述主发酵罐体的底部设置有发酵后物料排出口，所述主发酵罐体的顶部设置有生物燃气出口，

其特征在于：

所述设备还包括至少一个预接种混和罐体，所述预接种混和罐体均与所述主发酵罐体一体地设置在所述主发酵罐体的侧壁上，所述预接种混和罐体的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口，所述预接种混和罐体的上部设置有物料的溢出口，所述溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口；

所述主发酵罐体的底部设置有回流泵，所述回流泵经由连接到回流泵的出口的回流管路将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体内。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述预接种混和罐体围绕所述主发酵罐体的侧壁等间隔布置。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：

所述预接种混和罐体的设置溢出口的侧壁同时作为所述主发酵罐体的侧壁。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其特征在于：

所述预接种混和罐体内部设置有使得新鲜物料与预接种混和罐体内部的已发酵物料混和的机械混和装置。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述回流泵经由连接到回流泵的出口的回流管路将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体内的底部。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其特征在于：

所述主发酵罐体的底部形成为渐缩的锥形，所述发酵后物料排出口设置在所述锥形的下部。

7.一种使用干式厌氧发酵制造生物燃气的方法，包括如下步骤：

(1)提供主发酵罐体以及与所述主发酵罐体一体设置的至少一个预接种混和罐体，所述预接种混和罐体的下部设置有供给新鲜物料的新鲜物料进口，所述预接种混和罐体的上部设置有物料的溢出口，所述溢出口同时作为所述主发酵罐体的进料口，所述主发酵罐体的底部设置有回流泵，回流泵的出口设置回流管路；

(2)利用所述回流泵经由所述回流管路将发酵液从主发酵罐体的底部泵送到预接种混和罐体内；

(3)从所述预接种混和罐体下部向所述预接种混和罐体内供给新鲜物料，所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料进行预接种混和；

(4)接种后的物料经由所述溢出口溢流到所述主发酵罐体内进行厌氧发酵；

(5)从主发酵罐体的底部排出发酵后的物料，以及在主发酵罐体的上部收集生物燃气。

8.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述预接种混和罐体围绕所述主发酵罐体的侧壁等间隔布置。

9.根据权利要求7所述的方法，其中：

在所述步骤(1)中，所述预接种混和罐体的设置溢出口的侧壁同时作为所述主发酵罐体的侧壁。

10.根据权利要求7所述的方法，其中：

在所述步骤(3)中，利用机械混和装置搅拌所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料。

11.根据权利要求7所述的方法，其中：

在所述步骤(3)中，在新鲜物料进入到所述预接种混和罐体内体积的十分之一至二分之一时，所述新鲜物料与预接种混和罐体内的已发酵物料进行预接种混和。

12.根据权利要求7所述的方法，其中：

在所述步骤(4)中，物料在发酵过程中在主发酵罐体内从上到下呈推流形式向主发酵罐体的底部移动。