CN103184147B - 生产沼气的干式厌氧发酵系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产沼气的干式厌氧发酵系统及方法，该系统包括：发酵罐、供料装置、混料提升器和气体动力搅拌装置，当所述气体动力搅拌装置向发酵罐内喷射气体并且所述供料装置向所述混料提升器中供应新鲜物料时，所述发酵罐底部的已发酵物料在喷射气体的推动下进入混料提升器内并与从供料装置供应到混料提升器内的新鲜物料混合，混合后的混合物料从所述混料提升器的上部进入所述发酵罐中。因此，本发明可以方便地使发酵罐内的已发酵物料与从供料装置供应的新鲜物料充分和均匀地混合，从而省掉在发酵罐外部设置的大型回流混合装置。

Description

生产沼气的干式厌氧发酵系统及方法

技术领域

本发明涉及一种生产沼气的干式厌氧发酵系统及方法。

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合较为困难，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合装置，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，而且发酵罐罐体通体混合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合困难且不充分问题，中国专利，公开号CN 101381674A中，所述厌氧发酵罐内不设置任何混合搅拌装置，而是通过在厌氧发酵罐外的接种混合槽将新鲜物料与立式厌氧发酵罐内的已发酵物料混合接种，混合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。所述接种物与发酵物料的混合质量比为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。

由于上述专利中，混合物提供至干式发酵罐中不再混合，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合，如专利中每单位新鲜物料混合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，同时大量物料的混合也增加能耗。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合装置，以达到新鲜物料与回流的发酵物料充分混合、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，该种外部混合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，该种罐体外混合装置的设置所产生的热量散失的问题会更为突出，这样当混合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

本发明的一个目的是需要解决传统的干式厌氧消化系统内物料混合困难且混合不充分的问题。

本发明的另一个目的在于解决传统的干式厌氧消化系统的进料预热问题，本发明通过改进厌氧发酵罐的结构，解决了现有技术外部接种热量损失的缺陷，降低厌氧发酵装置的运行能耗，同时提高发酵材料的利用率及其产气速率。

根据本发明的一个方面，提供一种生产沼气的干式厌氧发酵系统，包括：发酵罐；和供料装置，用于向所述发酵罐中供应物料。其中，所述干式厌氧发酵系统还包括：混料提升器，所述混料提升器的下部和上部分别与所述发酵罐的下部和上部连通，并且所述混料提升器的下部还与所述供料装置连通；和气体动力搅拌装置，所述气体动力搅拌装置与所述发酵罐的底部连通。其中，当所述气体动力搅拌装置向发酵罐内喷射气体并且所述供料装置向所述混料提升器中供应新鲜物料时，所述发酵罐底部的已发酵物料在喷射气体的推动下进入混料提升器内并与从供料装置供应到混料提升器内的新鲜物料混合，混合后的混合物料从所述混料提升器的上部进入所述发酵罐中。

根据本发明的一个优选实施例，所述混料提升器内置于所述发酵罐中。

根据本发明的另一个优选实施例，所述混料提升器的至少一部分与所述发酵罐的外壁连接和固定在一起。

根据本发明的另一个优选实施例，所述混料提升器的下部通过一个下部侧开口与所述供料装置连通。

根据本发明的另一个优选实施例，所述供料装置包括：进料斗，用于在其中容纳新鲜物料；和进料泵，其入口与进料斗连通，其出口通过第一管路与所述发酵罐连通，并通过第二管路与所述混料提升器的下部连通。其中，在所述第一管路和第二管路上分别设置有第一开关阀和第二开关阀。

根据本发明的另一个优选实施例，所述发酵罐的顶部设置有排气口，并且所述发酵罐的底部设置有排料口。

根据本发明的另一个优选实施例，所述发酵罐的顶部通过第三管路与排气口连通，并且在所述第三管路上设置有第三开关阀。

根据本发明的另一个优选实施例，所述气体动力搅拌装置包括：第四管路，在其上设置有第四开关阀；换热器，连接在所述第四管路上，用于对流经第四管路的气体进行加热；和空压机，连接在所述第四管路上，用于对经第四管路输送来的气体进行增压，从而提高喷射到发酵罐内的气体的压力。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第四管路与所述发酵罐的顶部连通，用于将发酵罐内产生的沼气输送到所述换热器和空压机；或者所述第四管路与额外的气源设备连通，用于将额外的气源设备内的气体输送到所述换热器和空压机。

根据本发明的另一个优选实施例，所述空压机串联在所述换热器的下游，并且所述空压机的出口通过管路与所述发酵罐的底部连通。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第二管路的内径与所述混料提升器的内径比为1∶1～1∶10。

根据本发明的另一方面，提出了一种使用干式厌氧发酵系统制造沼气的方法，包括如下步骤：进料步骤，其中新鲜物料经供料装置进入混料提升器，在混料提升器中自下而上推流到混料提升器上部，进入发酵罐；混料提升步骤，气体动力搅拌装置向混料提升器内喷射气体并且供料装置向混料提升器中供应新鲜物料时，发酵罐底部的已发酵物料在喷射气体的推动下进入混料提升器内并与从供料装置供应到混料提升器内的新鲜物料混合，混合后的混合物料从所述混料提升器的上部进入发酵罐中；干式发酵步骤，其中混合后的混合物料在发酵罐中自上而下运动，停留预定时间，发生干式厌氧发酵反应产生沼气；出渣步骤，其中从发酵罐底部的排料口排出发酵罐中的反应后产物；出气步骤，其中从发酵罐顶部的排气口排出发酵罐中的沼气。

可选地，气体动力搅拌装置向混料提升器内喷射气体的位置为混料提升器底部1/4处。

可选地，出气步骤中，沼气从发酵罐顶部的排气口排出后，其中一部分经第四开关阀到达第四管路，经换热器加热后，经空压机增压，输入发酵罐的底部，喷射入发酵罐中。

本发明设置有混料提升器和气体动力搅拌装置，可以方便地使发酵罐内的已发酵物料与从供料装置供应的新鲜物料充分和均匀地混合，省掉在发酵罐外部设置的大型回流混合装置。

附图说明

图1显示根据本发明的第一优选实施例的生产沼气的干式厌氧发酵系统的结构示意图；和

图2显示根据本发明的第二优选实施例的生产沼气的干式厌氧发酵系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

[第一实施例]

图1显示根据本发明的第一优选实施例的生产沼气的干式厌氧发酵系统的结构示意图。

如图1所示，图示的生产沼气的干式厌氧发酵系统主要包括发酵罐10、混料提升器20A、能够分别向发酵罐10和混料提升器20A内供应新鲜物料的供料装置(稍后加以详细说明)、和使发酵罐10内的已发酵物料与新鲜物料混合的气体动力搅拌装置(稍后加以详细说明)。

在图1所示的实施例中，混料提升器20A内置于发酵罐10中。

在本发明的一个优选实施例中，发酵罐10可以为大致的圆筒体，并且罐体底部呈向下圆锥形，内置的混料提升器20A也可以为大致的圆筒体。

在本发明的一个实施例中，发酵罐10的体积例如可以为100m³，例如其直径和高度可以分别为4m x 8m。内置的混料提升器20A的直径和高度可以分别为0.2m x 4m。

但是，需要说明的是，本发明的发酵罐10和混料提升器20A的形状和尺寸不局限于此图示的实施例，其可以是任何合适的形状和尺寸。

如图1所示，供料装置主要包括进料斗30和进料泵40。在进料斗30中容纳新鲜物料，例如秸秆和青草收集后切碎青贮，并添加适量生活污水、厨余、污泥等其余有机垃圾后形成的待发酵的新鲜物料。

进料泵40，其入口与进料斗30连通，其出口通过第一管路1与发酵罐10连通，并通过第二管路2与混料提升器20A的下部连通。这样，就可以通过进料泵40分别向发酵罐10和混料提升器20A中供应新鲜物料。

在图示的实施例中，在第一管路1和第二管路2上分别设置有第一开关阀51和第二开关阀52。当需要向发酵罐10中供应新鲜物料时，打开第一开关阀51并关闭第二开关阀52。当需要向混料提升器20A中供应新鲜物料时，打开第二开关阀52并关闭第一开关阀51。

在本发明的一个实施例中，第二管路2的内径与混料提升器20A的内径比为1∶1～1∶10。

如图1所示，气体动力搅拌装置主要包括第四管路4、换热器80和空压机90。

在图示的实施例中，第四管路4与发酵罐10的顶部连通，用于输送发酵罐10内产生的沼气。换热器80连接在第四管路4上，用于对流经第四管路4的沼气进行加热。空压机90连接在第四管路4上，用于对经第四管路4输送来的沼气进行增压，从而提高喷射到发酵罐10内的沼气的压力。

在本发明的一个优选实施例中，空压机90串联在换热器80的下游，并且空压机90的出口通过管路与发酵罐10的底部连通，用于向发酵罐10内喷射增压的沼气r。

在图示的实施例中，在第四管路4上设置有第四开关阀54，当需要向换热器80和空压机90输送沼气时，只需打开第四开关阀54。当不需要向换热器80和空压机90输送沼气时，只需关闭第四开关阀54。

请注意，本发明不局限于图示的实施例，第四管路4也可以与额外的气源设备连通，用于将额外的气源设备内的气体(例如沼气、氮气或其它不含氧气的气体)输送到换热器80和空压机90，并喷射到发酵罐10内。增加额外的气源设备的作用是当发酵罐10内产生的气体不足时或需要提高物料混合速度时，可以增加向发酵罐10内喷射的气体量。

在图1所示的实施例中，发酵罐10的与空压机90的连通口邻近混料提升器20A的与进料泵40的连通口21，这是为了使得从空压机90喷射到发酵罐10内的气体r能够将发酵罐10底部的已发酵的物料j与从进料泵40进入混料提升器20A内的新鲜物料x更容易地混合在一起。

在图1所示的优选实施例中，在发酵罐10的顶部设置有排气口60，并且发酵罐10的底部设置有排料口70。

在一个优选实施例中，如图1所示，发酵罐10的顶部通过第三管路3与排气口60连通，并且在第三管路3上设置有第三开关阀53。因此，当需要向外供应沼气时，只需要打开第三开关阀53并关闭第四开关阀54。当需要向气体动力搅拌装置供应沼气时，只需要打开第四开关阀54。

在图1所示的一个优选实施例中，混料提升器20A的下部形成有一个突出的下部侧开口21，该下部侧开口21与所述发酵罐10的内壁固定连接，并通过第二管路2与进料泵40的出口连通。

下面借助图1，来详细说明本发明的干式厌氧发酵系统的工作过程：

(1)进料：将秸秆和青草收集后切碎青贮，并添加适量生活污水、厨余、污泥等其余有机垃圾，从而制成待发酵的新鲜物料，然后将新鲜物料放入进料斗30，在打开第一开关阀51、关闭第二开关阀52后，启动进料泵5，将新鲜物料供应到发酵罐10中；

(2)厌氧发酵第一阶段：当发酵罐10中的物料达到一定量后，停止进料，关闭第一开关阀51，开始厌氧发酵，产生沼气；

(3)厌氧发酵第二阶段：在厌氧发酵第一阶段持续一定时间后，并且产生的沼气达到一定量时，开启第二开关阀2和第四开关阀54，并关闭第一和第三开关阀51、53，此时，沼气r通过换热器80加热、空压机90增压后从发酵罐10的底部喷射到发酵罐10内，使得发酵罐10底部的已发酵物料j在喷射气体r的推动下从混料提升器20A的底部开口进入混料提升器20A内并与从进料泵40供应到混料提升器20A内的新鲜物料x混合，混合后的混合物料m从混料提升器20A的顶部开口进入发酵罐10中，这样，就使得新进物料和发酵罐10内已发酵的物料按一定比例混合后经混料提升器20A进入发酵罐10，在发酵罐10主体区域内进行厌氧发酵，在发酵过程中物料在发酵罐10内从上至下呈推流形式向发酵罐10底部循环移动；

(4)排料：已经充分发酵后的废弃物料从发酵罐10底部的排料口70排出，产生的沼气可以经发酵罐10顶部的排气口60收集。

下面列举本发明的一个应用实例：

(1)进料：将1.4吨秸秆和青草收集后切碎青贮，并添加适量生活污水、厨余、污泥等其余有机垃圾，从而制成待发酵的新鲜物料，然后将新鲜物料放入进料斗30，在打开第一开关阀51、关闭第二开关阀52后，启动进料泵5，将新鲜物料供应到发酵罐10中；

(2)厌氧发酵第一阶段：当发酵罐10中的物料达到发酵罐总体积2/3后，停止进料，关闭第一开关阀51，开始厌氧发酵，产生沼气；

(3)厌氧发酵第二阶段：在厌氧发酵第一阶段持续一定时间后，并且产生的沼气达到一定量时，开启第二开关阀2和第四开关阀54，并关闭第一和第三开关阀51、53，此时，沼气r通过换热器80加热、空压机90增压后从发酵罐10的底部喷射到发酵罐10内，使得发酵罐10底部的已发酵物料j在喷射气体r的推动下从混料提升器20A的底部开口进入混料提升器20A内并与从进料泵40供应到混料提升器20A内的新鲜物料x混合，混合后的混合物料m从混料提升器20A的顶部开口进入发酵罐10中，这样，就使得新进物料和发酵罐10内已发酵的物料按一定比例混合后经混料提升器20A进入发酵罐10，在发酵罐10主体区域内进行厌氧发酵，在发酵过程中物料在发酵罐10内从上至下呈推流形式向发酵罐10底部循环移动；

(4)排料：已经充分发酵后的废弃物料从发酵罐10底部的排料口70排出，产生的沼气可以经发酵罐10顶部的排气口60收集，产沼气量可达125m3/d。

本发明至少具有如下优点：

本发明的干式厌氧发酵罐10设有混合进料区，并设置沼气提升系统，省掉在发酵罐外部设置的大型回流混合装置，同时厌氧发酵罐主体区域内不设置任何混合装置。

另外，物料进入发酵罐10内，当物料体积达到预接种混合腔体积的例如十分之一至二分之一任一值时，停止进料，开始厌氧发酵。产气量达到一定值时，沼气经加热、增压回至混料提升区20A，提升和混合新鲜物料和发酵罐内已发酵物料至发酵罐10的主体区域内。该种内置混合区、沼气提升装置，可以使得进来的新鲜物料与主体区域内已发酵一定时间内的物料充分混合接种，解决了外部接种造成的热量损失问题和秸秆预热问题，避免传统全混式搅拌在混合物料时所需的大能耗。

[第二实施例]

图2显示根据本发明的第二优选实施例的生产沼气的干式厌氧发酵系统的结构示意图。

图2所示的第二实施例与图1所示的第一实施例的最大不同点在于：在图2所示的第二实施例中，混料提升器20B的外壁与发酵罐10的内壁固定连接，用于将混料提升器20B固定在发酵罐10内。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (12)

1.一种生产沼气的干式厌氧发酵系统，包括：

发酵罐(10)；和

供料装置(30、40)，用于向所述发酵罐(10)中供应物料，

其特征在于，

所述干式厌氧发酵系统还包括：

混料提升器(20A、20B)，所述混料提升器(20A、20B)内置于所述发酵罐(10)中，所述混料提升器(20A、20B)的下部和上部分别与所述发酵罐(10)的下部和上部连通，并且所述混料提升器(20A、20B)的下部还与所述供料装置(30、40)连通；和

气体动力搅拌装置(4、80、90)，所述气体动力搅拌装置(4、80、90)与所述发酵罐(10)的底部连通；其中，当所述气体动力搅拌装置(4、80、90)向所述发酵罐(10)内喷射气体并且所述供料装置(30、40)向所述混料提升器(20A、20B)中供应新鲜物料时，所述发酵罐(10)底部的已发酵物料在喷射气体的推动下进入所述混料提升器(20A、20B)内并与从所述供料装置(30、40)供应到所述混料提升器(20A、20B)内的新鲜物料混合，混合后的混合物料从所述混料提升器(20A、20B)的上部进入所述发酵罐(10)中。

2.根据权利要求1所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于：所述混料提升器(20A、20B)的至少一部分与所述发酵罐(10)的外壁连接和固定在一起。

3.根据权利要求1所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，所述供料装置(30、40)包括：

进料斗(30)，用于在其中容纳新鲜物料；和

进料泵(40)，其入口与进料斗(30)连通，其出口通过第一管路(1)与所述发酵罐(10)连通，并通过第二管路(2)与所述混料提升器(20A、20B)的下部连通；

其中，在所述第一管路(1)和第二管路(2)上分别设置有第一开关阀(51)和第二开关阀(52)。

4.根据权利要求3所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，所述第二管路(2)的内径与所述混料提升器(20A、20B)的内径比为1:1～1:10。

5.根据权利要求1所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，所述发酵罐(10)的顶部设置有排气口(60)，并且所述发酵罐(10)的底部设置有排料口(70)。

6.根据权利要求5所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，所述发酵罐(10)的顶部通过第三管路(3)与所述排气口(60)连通，并且在所述第三管路(3)上设置有第三开关阀(53)。

7.根据权利要求1所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，所述气体动力搅拌装置(4、80、90)包括：

第四管路(4)，在其上设置有第四开关阀(54)；

换热器(80)，连接在所述第四管路(4)上，用于对流经第四管路(4)的气体进行加热；和

空压机(90)，连接在所述第四管路(4)上，用于对经第四管路(4)输送来的气体进行增压，从而提高喷射到发酵罐(10)内的气体(r)的压力。

8.根据权利要求7所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，

所述第四管路(4)与所述发酵罐(10)的顶部连通，用于输送发酵罐(10)内产生的沼气；和/或

所述第四管路(4)与额外的气源设备连通，用于输送额外的气体。

9.根据权利要求7所述的生产沼气的干式厌氧发酵系统，其特征在于，

所述空压机(90)串联在所述换热器(80)的下游，并且所述空压机(90)的出口通过管路与所述发酵罐(10)的底部连通。

10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的干式厌氧发酵系统制造沼气的方法，包括如下步骤：

进料步骤，其中新鲜物料经供料装置(30、40)进入混料提升器(20A、20B)，在混料提升器(20A、20B)中自下而上推流到混料提升器(20A、20B)上部，进入发酵罐(10)；

混料提升步骤，气体动力搅拌装置(4、80、90)向混料提升器(20A、20B)内喷射气体(r)并且供料装置(30、40)向混料提升器(20A、20B)中供应新鲜物料(x)时，发酵罐(10)底部的已发酵物料(j)在喷射气体(r)的推动下进入混料提升器(20A、20B)内并与从供料装置(30、40)供应到混料提升器(20A、20B)内的新鲜物料(x)混合，混合后的混合物料(m)从所述混料提升器(20A、20B)的上部进入发酵罐(10)中；

干式发酵步骤，其中混合后的混合物料(m)在发酵罐(10)中自上而下运动，发生干式厌氧发酵反应产生沼气；

出渣步骤，其中从发酵罐(10)底部的排料口(70)排出发酵罐(10)中的反应后产物；

出气步骤，其中从发酵罐(10)顶部的排气口(60)排出发酵罐(10)中的沼气。

11.根据权利要求10所述的使用干式厌氧发酵系统制造沼气的方法，其特征在于，气体动力搅拌装置(4、80、90)向混料提升器(20A、20B)内喷射气体(r)的位置为混料提升器(20A、20B)底部1/4处。

12.根据权利要求10所述的使用干式厌氧发酵系统制造沼气的方法，其特征在于，所述出气步骤中，沼气从发酵罐(10)顶部的排气口(60)排出后，其中一部分经第四开关阀(54)到达第四管路(4)，经换热器(80)加热后，经空压机(90)增压，输入发酵罐(10)的底部。