CN103387934B - 高固体浓度反应器全机械驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高固体浓度反应器全机械驱动装置，进料装置包括用于水平输送物料的横向螺旋送料器、用于向上提升物料的纵向螺旋送料器、用于向厌氧反应器内进料的纵向螺旋进料器、以及衔接纵向螺旋送料器上端和纵向螺旋进料器上端的转筒螺旋送料器；取样装置安设于厌氧反应器壁面上的厌氧反应器内需要取样的料液层位置，其包括有活塞缸，活塞缸开有取样口和出样口，活塞缸内设有之间形成取样腔的第一活塞和第二活塞，还包括有用于驱动第一活塞和第二活塞共同在活塞缸内移动的驱动系统。避免了利用液压和重力对高固体浓度厌氧发酵物料进行取样的方式所造成的如液多固少、不易控制取样量、堵塞管道、阀门锈蚀后不宜开启及关闭密封。

Description

高固体浓度反应器全机械驱动装置

技术领域

本发明涉及一种进料及取样的装置，更具体地说，本发明涉及一种主要应用于厌氧发酵工程，与高固体浓度(TS≥8％)厌氧反应器配套使用的全机械驱动装置。

背景技术

有机废弃物中含有大量的有机质成分，如碳水化合物、蛋白质、脂肪和纤维素等，是来源广泛、量大质优的生物质资源，建造大中型沼气工程——运用厌氧消化技术处理有机废弃物是促进城乡经济建设的持续发展，实现能源环保双重效益的重要手段。目前，在欧洲超过10％以上的有机固体废弃物采用厌氧发酵技术处理。

厌氧反应器包括其附属设备(进出料系统、工艺管道等)是沼气工程的核心处理装置，对工程的整体运行效率、使用寿命、经济效益等产生直接影响，应根据处理规模、原料种类、发酵工艺等综合因素进行设计和优化。厌氧发酵按发酵总固体浓度可分为液态发酵(TS≤8％)、高固体浓度发酵(8％<TS<20％)和固态发酵(TS≥20％)三类；按反应器设计类型可分为上流式、完全混合式和活塞式等。TS≥8％的高固体浓度厌氧发酵，凭借其高有机负荷、高池容产气率、高反应器利用率以及低用水量(降低沼液处理压力)等显著优势成为厌氧发酵处理有机废弃物的发展方向，对应的反应器多为完全混合式(CSTR)。目前欧洲发达国家(如瑞典、德国)多采用此类厌氧发酵工艺和反应器，在国内尚处于起步阶段。

在厌氧反应器方面，目前的研究和报道基本都是围绕反应器内部结构进行，作为附属设备的进料系统和取样装置则很少涉及。采用高固体浓度厌氧发酵工艺，尤其是以高纤维类植物(秸秆、能源草等)为原料，由于其密度低、易粘附等特性，其进料系统如采用传统的调节池+泵送的方式，则很容易出现原料挂池壁、料水泵送比例不当、泵堵塞等诸多问题；柱塞泵不适合松散原料的输送。国外对于此类原料的进料方式多采用料、水分别输送，而物料的输送基本采用螺旋输送机，但目前国内外采用的螺旋输送进料系统只有提升阶段采用机械驱动，之后则完全靠重力使原料自行滑落进入反应器内部，此方式的弊端在于：自行滑落阶段由于没有机械驱动，如果提升阶段输送原料(尤其是密度低且松散的高纤维类原料)的速度大于滑落阶段，则很容易形成进料下行段堵塞，从而导致进料系统运转失常，以至于整体运行停顿；如果利用降低提升阶段输送原料速度的方法来避免上述现象的发生，则会使进料系统效率低下。另外，目前国内外使用的螺旋输送系统，进料管与反应器上方直接连通，需要对螺旋输送系统采取必要的密封措施，以防止气体由原料输送系统泄漏，从而提高了成本；再者，原料是直接由反应器上部自由散落在厌氧发酵料液的上表面，即使反应器是CSTR，通过搅拌会使物料与发酵料液混为一体，但时间较长。必须有一种更先进的方法和装置被研发和应用，以解决以上的各种目前应用于高浓度厌氧发酵反应器(尤其是原料中包含高纤维类原料)的进料系统的缺点和弊端。

取样是沼气工程中必不可少的一个环节，是获取厌氧发酵系统中料液参数的必要手段。在目前国内外的大中型沼气工程中，基本都是采用“阀门+管道”的方式，利用液压和重力排出反应器内部料液，收集后进行分析。但该方式应用在TS≥8％甚至更高的高固体浓度厌氧发酵系统中，会有如下弊端：①收集的液体多、固体少，不能反应取样层的真实组成；②阀门(常用的有蝶阀和闸阀)非常容易锈蚀，从而使得操作难度变大，甚至无法取样，且锈蚀后的阀门容易导致密封不良；③高固体浓度物料在管道中的流动性差，容易形成暂留，并可能堵塞管道；④不易控制取样量。因此，研发一种能够反映取样反应层的真实料液组成，且密封性好、不易锈蚀、操作简便、易于控制取样量的取样方法和装置就成为了解决问题的关键。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种全机械驱动式进料及取样的方法及其装置，为厌氧发酵系统，尤其是高固体浓度厌氧发酵系统及其反应器提供高效率、低成本、易操作、故障率低、结构更科学、配套更合理的附属装置。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：高固体浓度反应器全机械驱动式进料及取样的装置，包括全机械驱动式进料装置和全机械驱动式取样装置，所述全机械驱动式进料装置包括用于水平输送物料的横向螺旋送料器、用于向上提升物料的纵向螺旋送料器、用于向厌氧反应器内进料的纵向螺旋进料器、以及衔接纵向螺旋送料器上端和纵向螺旋进料器上端的转筒螺旋送料器；全机械驱动式取样装置安设于厌氧反应器壁面上的厌氧反应器内需要取样的料液层位置，其包括有活塞缸，活塞缸一部分处于厌氧反应器内并开有取样口，另一部分处于厌氧反应器外并开有出样口，活塞缸内设有之间形成取样腔的第一活塞和第二活塞，还包括有用于驱动第一活塞和第二活塞共同在活塞缸内移动的驱动系统。

本套进料装置全部由机械动力驱动，完全避免了单纯靠重力的原料滑落阶段。横向螺旋送料器和纵向螺旋送料器是作为水平输送和提升单元，采用目前技术较为成熟的螺旋输送机组合而成。本发明中全机械驱动式进料装置的新颖性和创造性主要体现在转筒螺旋送料器和纵向螺旋进料器。转筒螺旋送料器为本全机械驱动式进料装置中连接纵向螺旋送料器和纵向螺旋进料器的重要部件，其主要由一转筒、一电机(含减速机)及齿轮传动装置构成，并通过法兰盘将转筒两端分别与纵向螺旋送料器和纵向螺旋进料器进行密封连接。电机(含减速机)输出轴端部装配齿轮，与固定在转筒外壁的大齿圈啮合，带动转筒旋转，转筒内壁设置螺旋带，在转筒旋转过程中由螺旋带将转筒内部的原料输送至纵向螺旋进料器。纵向螺旋进料器为一纵向螺旋输送机，其进料口设置在反应器发酵液面的下方，在纵向螺旋进料至出料的过程中，通过机械力强制原料进入发酵液内浸润，再通过进料口排出到反应器内与发酵料液混合；同时进料口设置在发酵液面下方，有效地利用了液封作用，将反应器内部环境与进料装置进行了隔离，在保证反应器内部厌氧环境的同时，增加了原料与发酵液接触的时间，而且降低了进料装置与外界之间的密封成本。

本取样装置的运行方式是“机械驱动按部位整体取样”，完全避免了利用液压和重力对高固体浓度厌氧发酵物料进行取样的方式所造成的如液多固少、不易控制取样量、堵塞管道、阀门锈蚀后不宜开启及关闭密封等诸多难题。本发明取样装置实现“机械驱动按部位整体取样”的步骤：在厌氧反应器需要取样的料液层对应的反应器壁上安装本取样装置。活塞缸沿反应器壁的曲面法向布置，取样口为一个位于活塞缸侧壁将活塞缸内部与反应器内部连通的开口，出样口为一个位于活塞缸侧壁将活塞缸内部与反应器外部连通的开口，两个活塞与活塞缸内壁之间的空间是取样腔。由驱动装置带动活塞杆和活塞运动，当需要取样时，将取样腔向反应器内部移动，使取样腔经取样口与反应器内部连通，取样层的料液受压，由取样口灌入取样腔，在取样过程中，由于连通后的取样腔已成为反应器内部空间的一部分，从而保证了取样腔中的料液样品与该取样层整体的一致性；取样完毕后，将取样腔向反应器外部移动，料液样品由活塞驱动，整体随取样腔移至出样口，由出样口排出。取样装置与厌氧反应器之间靠双活塞进行密封，避免了使用法兰、阀门等密封装置，结构简单且可靠性强，而且能够避免过多空气进入反应器内；取样腔容积是确定的，易于对取样量进行控制；驱动力输入采用人力、电机、液压等均可，适应各种操作和控制环境。

转筒螺旋送料器包括固定于纵向螺旋送料器上端开口位置的上连接法兰、与上连接法兰连接的上连接弯头法兰盘、固定在纵向螺旋进料器上端开口位置的下连接法兰、与下连接法兰连接的下连接弯头法兰盘、用于为转筒螺旋送料器提供机械驱动式物料输送通道的转筒，转筒连接于上连接法兰和下连接法兰之间，转筒由位于两端的上轴承和下轴承进行支承或导向，上轴承由上轴承定位法兰和大齿圈共同进行定位,下轴承由下轴承定位法兰和下轴承定位套共同进行定位,大齿圈与转筒通过顶螺丝连接，转筒的内壁设有与转筒同步转动的螺旋带，在上轴承定位法兰和下轴承定位法兰之间设有螺杆；还包括用于为转筒螺旋送料器提供机械驱动动力的电机或减速机，在电机或减速机的输出轴端部带有小齿轮,其与大齿圈啮合。

在所述活塞缸内设有活塞杆，所述第一活塞和第二活塞固定于该活塞杆上，第一活塞和第二活塞之间由活塞定位套定位连接。

所述第一活塞和第二活塞包括间隔排列组成的塑料板和橡胶密封垫，橡胶密封垫与活塞缸的内壁过盈配合。密封性能更加优良。

所述驱动系统包括传动齿轮、摇臂、传动齿条，所述传动齿条穿过活塞缸内与活塞杆连接，传动齿轮设于传动齿条位于活塞缸外的端部上，摇臂与传动齿轮驱动连接。机械传统更加简单，方便使用，成本低。

活塞缸处于厌氧反应器内的部分的端部内壁面上设有用于抵挡所述第二活塞的取样定位器，在活塞缸处于厌氧反应器外的部分的端部内壁面上设有用于抵挡第一活塞的出样定位器。通过两个定位器的设置，能方便使用者在进行取样时，不会让取样腔超过取样和出样的位置。

在第一活塞和处于厌氧反应器外的活塞缸封闭端之间的活塞缸侧壁上设有气孔。避免了第一活塞和活塞缸封闭端之间形成密闭空间(密闭空间会形成高压和负压阻力)，保证本全机械驱动式取样装置的连续顺畅运行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本套进料装置全部由机械动力驱动，完全避免了单纯靠重力的原料滑落阶段。本取样装置的运行方式是“机械驱动按部位整体取样”，完全避免了利用液压和重力对高固体浓度厌氧发酵物料进行取样的方式所造成的如液多固少、不易控制取样量、堵塞管道、阀门锈蚀后不宜开启及关闭密封等诸多难题。

附图说明

图1是本发明装置运行流程图；

图2是本发明全机械驱动式进料装置整体结构示意图；

图3是本发明全机械驱动式进料装置中转筒螺旋送料器结构详图；

图4是本发明全机械驱动式取样装置的结构示意图。

附图标记说明：

全机械驱动式进料装置整体：横向螺旋送料器01、纵向螺旋送料器02、转筒螺旋送料器03、纵向螺旋进料器04、进料口05、厌氧反应器06、喂料口07；

全机械驱动式进料装置中转筒螺旋送料器：上连接法兰1、上连接弯头法兰盘2、下连接弯头法兰盘3、下连接法兰4、上轴承定位法兰5、电机或减速机6、小齿轮7、大齿圈8、上轴承9、下轴承定位法兰10、下轴承定位套11、下轴承12、螺杆13、转筒14、顶螺丝15、螺旋带16；

全机械驱动式取样装置：活塞缸17、取样口18、出样口19、传动齿轮20、摇臂21、传动齿条22、第一活塞23、第二活塞24、活塞定位套25、取样腔26、塑料板27、橡胶密封垫28、活塞杆29、取样装置固定法兰盘30、取样定位器31、出样定位器32、气孔33。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一：

请参阅图1和图2所述，高固体浓度反应器全机械驱动式进料及取样的装置，包括全机械驱动式进料装置和全机械驱动式取样装置，本实施例中的全机械驱动式进料装置主要包括：用于水平输送物料的横向螺旋送料器01、用于向上提升物料的纵向螺旋送料器02、用于向厌氧反应器06内进料的纵向螺旋进料器04、以及衔接纵向螺旋送料器02上端和纵向螺旋进料器04上端的关键机械输送设备——转筒螺旋送料器03；全机械驱动式取样装置安设于厌氧反应器06壁面上的厌氧反应器06内需要取样的料液层位置，其包括有活塞缸17，活塞缸17一部分处于厌氧反应器06内并开有取样口18，另一部分处于厌氧反应器06外并开有出样口19，活塞缸17内设有之间形成取样腔26的第一活塞23和第二活塞24，还包括有用于驱动第一活塞23和第二活塞24共同在活塞缸17内移动的驱动系统。

物料由喂料口07送入横向螺旋送料器01，由螺旋08送入纵向螺旋送料器02，物料在纵向螺旋送料器02中由螺旋09向上提升并送入转筒螺旋送料器03。

请参阅图3所示，转筒螺旋送料器03是本发明全机械驱动式进料装置中的核心装置，主要包括上连接法兰1、上连接弯头法兰盘2、下连接弯头法兰盘3、下连接法兰4、上轴承定位法兰5、用于为转筒螺旋送料器03提供机械驱动动力的电机或减速机6、小齿轮7、大齿圈8、上轴承9、下轴承定位法兰10、下轴承定位套11、下轴承12、螺杆13、转筒14、顶螺丝15、螺旋带16。其中，上连接法兰1通过焊接等方式固定在纵向螺旋送料器02上端开口位置，上连接弯头法兰盘2通过紧固件等与上连接法兰1进行连接，形成转筒螺旋送料器03的进料通道；下连接法兰4通过焊接等方式固定在纵向螺旋进料器04的上端开口位置，下连接弯头法兰盘3通过紧固件等与下连接法兰4进行连接，形成转筒螺旋送料器03的送(出)料通道，转筒14连接于上连接法兰1和下连接法兰4之间，电机或减速机6为转筒螺旋送料器03的机械驱动动力输出装置，固定在上连接弯头法兰盘2上，电机或减速机6的输出轴端部带有一小齿轮7，与小齿轮7啮合进行动力传输的是大齿圈8，由顶螺丝15将大齿圈8与转筒14形成机械连接，从而带动转筒14转动。转筒14为转筒螺旋送料器03的机械驱动式物料输送通道，由位于两端的上轴承9和下轴承12进行支承或导向，上轴承9是由上轴承定位法兰5和大齿圈8共同进行定位，下轴承12由下轴承定位法兰10和下轴承定位套11共同进行定位。螺旋带16位于转筒14的内壁，与转筒14同步转动，在转动过程中将进入转筒14的物料进行螺旋输送，从而避免了松散物料堵塞、粘稠物料粘连等问题的发生，保证了进料系统的运行效率。螺杆13位于上轴承定位法兰5和下轴承定位法兰10之间，数量在≥2，其作用主要是保证转筒螺旋送料器03的刚度和运行稳定性。

物料经转筒螺旋送料器03的输送，进入纵向螺旋进料器04，并由螺旋010向厌氧反应器06内进料。位于纵向螺旋进料器04下端的进料口05设置在厌氧反应器06的发酵液面下方，在螺旋010将物料向下输送至进料口05的过程中，通过机械力强制原料进入发酵液内浸润，再通过进料口05排出到厌氧反应器06内与发酵料液混合；同时进料口05设置在发酵液面下方，有效地利用了液封作用，将反应器内部与进料装置进行了隔离，在保证反应器内部厌氧环境的同时，增加了原料与发酵液接触的时间，而且降低了进料装置与外界之间的密封成本。

请参阅图4所示，本实施例中的全机械驱动式取样装置的运行方式是“机械驱动按部位整体取样”，其外形为一细长圆柱形筒体，主要包括：活塞缸17、取样口18、出样口19、传动齿轮20、摇臂21、传动齿条22、第一活塞23、第二活塞24、活塞定位套25、取样腔26、塑料板27、橡胶密封垫28、活塞杆29、取样装置固定法兰盘30、取样定位器31、出样定位器32和气孔33。

在反应器06需要取样位置的外壁上设置取样装置固定法兰盘30，按曲面法向将活塞缸17安装在取样装置固定法兰盘30上，约1/2位于反应器06内部，其余部分位于反应器06外部，作为全机械驱动式取样装置的取样输送通道。取样口18是一个位于活塞缸17侧壁将活塞缸17内部与反应器06内部连通的开口，用于提取反应器06内部物料的样品；出样口19是一个位于活塞缸17侧壁将活塞缸17内部与反应器06外部连通的开口，用于排出取得的样品。第一活塞23、第二活塞24固定在活塞杆29上，主要由塑料板27和橡胶密封垫28间隔排列组成，橡胶密封垫28与活塞缸17内壁过盈配合，从而起到密封的作用，而间隔配置的塑料板27的作用是提高活塞的刚度，以及降低橡胶密封垫28整体厚度，以减小摩擦力，降低能耗。第一活塞23和第二活塞24之间由活塞定位套25进行定位，第一活塞23和第二活塞24与活塞缸17内壁之间的空间形成取样腔26。本全机械驱动式取样装置的“驱动系统”主要包括传动齿轮20、摇臂21、传动齿条22等，也可采用电机、液压等驱动系统，本实施例仅介绍最简单易行的人工驱动的一种形式。

通过转动摇臂21驱动传动齿轮20转动，传动齿条22与传动齿轮20啮合，传动齿轮20设于传动齿条22位于活塞缸17外的端部上，将齿轮的圆周运动变为直线运动；传动齿条22穿过活塞缸17与活塞杆29与连接，随传动齿条22做直线运动，同时带动第一活塞23和第二活塞24在活塞缸17内运动，从而使得取样腔26前后运动，实现取样和出样过程。

当需要取样时，驱动系统带动取样腔26向反应器06内部移动，使取样腔26经取样口18与反应器06内部连通，在活塞缸17处于厌氧反应器06内的部分的端部内壁面上设有用于抵挡第二活塞24的取样定位器31，由取样定位器31对取样腔26进行取样定位，当第二活塞24受阻于取样定位器31时，表示取样腔26已到达取样的最佳位置，取样层的料液受压，由取样口18灌入取样腔26，在取样过程中，由于连通后的取样腔26已成为反应器06内部空间的一部分，从而保证了取样腔26中的料液样品与该取样层整体的一致性；

取样结束即进入出样过程，驱动系统带动取样腔26向反应器06外部移动，取样腔26中的料液样品由第二活塞24向前推动，整体随取样腔26移至出样口19，在活塞缸17处于厌氧反应器06外的部分的端部内壁面上设有出样定位器32，由出样定位器32对取样腔26进行出样定位，当第一活塞23受阻于出样定位器32时，表示取样腔26已到达出样的最佳位置，此时打开出样口19的封板，将样品取出。在第一活塞23和处于厌氧反应器06外的活塞缸17封闭端之间的活塞缸17侧壁上设置气孔33，其主要作用是避免第一活塞23和活塞缸17封闭端之间形成密闭空间(密闭空间会形成高压和负压阻力)，保证本全机械驱动式取样装置的连续顺畅运行。

本全机械驱动式取样装置与反应器06之间靠双活塞进行密封，取样阶段由第一活塞23密封，出样阶段由第二活塞24密封，结构简单、可靠性强，保证了反应器06内部的环境不受外界影响。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.高固体浓度反应器全机械驱动装置，包括全机械驱动式进料装置和全机械驱动式取样装置，其特征在于：所述全机械驱动式进料装置包括用于水平输送物料的横向螺旋送料器(01)、用于向上提升物料的纵向螺旋送料器(02)、用于向厌氧反应器(06)内进料的纵向螺旋进料器(04)、以及衔接纵向螺旋送料器(02)上端和纵向螺旋进料器(04)上端的转筒螺旋送料器(03)；全机械驱动式取样装置安设于厌氧反应器(06)壁面上的厌氧反应器(06)内需要取样的料液层位置，其包括有活塞缸(17)，活塞缸(17)一部分处于厌氧反应器(06)内并开有取样口(18)，另一部分处于厌氧反应器(06)外并开有出样口(19)，活塞缸(17)内设有之间形成取样腔(26)的第一活塞(23)和第二活塞(24)，还包括有用于驱动第一活塞(23)和第二活塞(24)共同在活塞缸(17)内移动的驱动系统；

所述转筒螺旋送料器(03)包括固定于纵向螺旋送料器(02)上端开口位置的上连接法兰(1)、与上连接法兰(1)连接的上连接弯头法兰盘(2)、固定在纵向螺旋进料器(04)上端开口位置的下连接法兰(4)、与下连接法兰(4)连接的下连接弯头法兰盘(3)、用于为转筒螺旋送料器(03)提供机械驱动式物料输送通道的转筒(14)，转筒(14)连接于上连接法兰(1)和下连接法兰(4)之间，转筒(14)由位于两端的上轴承(9)和下轴承(12)进行支承或导向，上轴承(9)由上轴承定位法兰(5)和大齿圈(8)共同进行定位,下轴承(12)由下轴承定位法兰(10)和下轴承定位套(11)共同进行定位,大齿圈(8)与转筒(14)通过顶螺丝(15)连接，转筒(14)的内壁设有与转筒(14)同步转动的螺旋带(16)，在上轴承定位法兰(5)和下轴承定位法兰(10)之间设有螺杆(13)；还包括用于为转筒螺旋送料器(03)提供机械驱动动力的电机或减速机(6)，在电机或减速机(6)的输出轴端部带有小齿轮(7)，其与大齿圈(8)啮合；

所述纵向螺旋进料器(04)下端的进料口(05)设置在厌氧反应器(06)的发酵液面下方；

在所述活塞缸(17)内设有活塞杆(29)，所述第一活塞(23)和第二活塞(24)固定于该活塞杆(29)上，第一活塞(23)和第二活塞(24)之间由活塞定位套(25)定位连接；

活塞缸(17)处于厌氧反应器(06)内的部分的端部内壁面上设有用于抵挡所述第二活塞(24)的取样定位器(31)，在活塞缸(17)处于厌氧反应器(06)外的部分的端部内壁面上设有用于抵挡第一活塞(24)的出样定位器(32)；

在第一活塞(23)和处于厌氧反应器(06)外的活塞缸(17)封闭端之间的活塞缸(17)侧壁上设有气孔(33)。

2.如权利要求1所述的高固体浓度反应器全机械驱动装置，其特征在于：所述第一活塞(23)和第二活塞(24)包括间隔排列组成的塑料板(27)和橡胶密封垫(28)，橡胶密封垫(28)与活塞缸(17)的内壁过盈配合。

3.如权利要求2所述的高固体浓度反应器全机械驱动装置，其特征在于：所述驱动系统包括传动齿轮(20)、摇臂(21)、传动齿条(22)，所述传动齿条(22)穿过活塞缸(17)内与活塞杆(29)连接，传动齿轮(20)设于传动齿条(22)位于活塞缸(17)外的端部上，摇臂(21)与传动齿轮(20)驱动连接。

4.如权利要求1所述的高固体浓度反应器全机械驱动装置，其特征在于：所述螺杆(13)的数量为至少二根。