CN104357322B - 一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，包括集气储气腔、送料腔、发酵腔和沼渣沼液腔；发酵腔内设有发酵罐、发酵温度控制仪和立式搅拌机，立式搅拌机的搅拌杆上安装有搅拌叶片和电加热元件，发酵罐罐体侧壁上设有多个取料口；送料腔内设有送料管，送料管上连接有循环泵和排气管；集气储气腔内设有储气罐，储气罐中下部通过集气管与发酵罐上部连通，集气管上连接有气体流量计、管道阀门、气体压缩机、进气阀和取气管；沼渣沼液腔内设有沼渣沼液存储罐，沼渣沼液存储罐中上部通过排废管和翻板阀与发酵罐中上部相连通，沼渣沼液存储罐底部设有废液取料口。本发明发酵原料可以随时加入发酵罐，能够在实验室平台下实现连续式沼气厌氧发酵。

Description

一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置
技术领域
本发明属于发酵技术领域，具体涉及一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置。
背景技术
近年来，能源问题成为国家发展的制约性问题，煤炭、石油、天然气等不可再生能源由于过度开采已影响到国家未来的发展。因此，寻求和发展新型可再生能源已迫在眉睫。沼气作为一种可再生能源与国家的可持续发展战略十分吻合，并且其作为新兴燃料已经在一些发达国家实现规模化利用。我国的沼气工程虽早在上世纪60年代就已起步，但直到如今我们的生产技术依旧十分落后，主要问题在于：第一，产气率低下。沼气中甲烷的含量仅为60％左右，且含有少量氢气和硫化氢，除此之外，沼气中的不可燃气体包括二氧化碳占到20％～45％,导致沼气火力不足。第二，产气不稳定。这也是目前制约沼气技术发展的关键问题，而解决这个问题离不开实验室的实验验证和突破。
目前实验室用沼气发酵装置中，大多数属于间歇式或不连续的发酵装置，此类装置虽然具有设备投资费用低、操作简单、发生菌种变异的概率低等优点。但是相比以上优点，其缺点更加突出，主要体现在以下方面。
间歇式发酵是一次性调配好原料注入密闭式发酵罐内，在恒定温度下进行不间断的一个周期的发酵，期间不能进行注料和出料。日产气量会随着发酵时间的推移出现若干高峰值，之后进入发酵后期，日产气量大幅降低，产气量不稳定，不利于实验观察。再者，由于发酵装置中发酵罐内的原料不能做到随时添加新料和及时排除废料，所以不能保证罐体内甲烷菌的数量和活性，并且不能实时测量罐内pH，不利于保障罐内发酵在最适宜的条件下进行。
沼气发酵属于厌氧发酵，厌氧发酵只有维持消化液在有效的发酵温度区间，才能维持甲烷菌的浓度最大，活性最高。因此，维持发酵罐内的恒定温度是产生沼气的关键。对于中温发酵而言，最理想的温度是35℃左右，罐内温差波动不能超过2℃，通常实验室用沼气发酵装置采用外置水浴加热或内置单一元件加热，相比外置间接加热方式，内置直接加热热量损失小，能耗低；然而单一的元件加热却难以实现发酵罐罐内原料温度的均匀。
就当前所有的实验室用沼气发酵装置来看，大多数是以间歇式发酵装置为主，因此，研发一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其使用操作方便，既能保证反应原料的均匀加热，又能最大程度的地保证发酵环境的均一性，而且反应原料可以随时进入发酵罐，能够实现连续式沼气厌氧发酵，提高了发酵料液的发酵效率和产气率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：包括间隔设置的第一空间、第二空间和第三空间，所述第一空间的中部设置有用于将第一空间的上下部隔开形成上部的集气储气腔和下部的送料腔的隔板，所述第二空间为发酵腔，所述第二空间的外围设置有保温层，所述第三空间为沼渣沼液腔；所述发酵腔内设置有发酵罐、发酵温度控制仪和安装在发酵罐上的立式搅拌机，所述立式搅拌机的搅拌杆插入发酵罐罐体内部，所述立式搅拌机的电动机支撑在发酵罐罐体顶部，所述立式搅拌机的搅拌杆底部安装有搅拌叶片，所述立式搅拌机的搅拌杆中下部安装有设置在搅拌叶片外围的电加热元件，所述发酵罐罐体的侧壁上从上到下排列设置有多个取料口；所述立式搅拌机的电动机的供电回路中串联有搅拌开关，所述发酵温度控制仪的温度检测探头穿过发酵罐罐体的中上部侧壁伸入了发酵罐罐体内部，所述发酵温度控制仪的输出端接有加热控制继电器，所述加热控制继电器的输出端接有串联在电加热元件的供电回路中的交流接触器，所述电加热元件的供电回路中还串联有加热开关；所述送料腔内设置有与发酵罐的中下部相连通的送料管，所述送料管上从靠近送料腔到靠近发酵罐的方向依次连接有循环泵和排气管，所述排气管内设置有过滤网；所述集气储气腔内设置有储气罐，所述储气罐的中下部通过集气管与发酵罐的上部相连通，所述集气管上从靠近发酵罐到靠近储气罐的方向依次连接有气体流量计、管道阀门、气体压缩机和进气阀，位于所述气体流量计和管道阀门之间的一段集气管上连接有取气管，所述取气管上连接有取气阀，所述储气罐的中上部设置有出气管，所述出气管上连接有出气阀，所述储气罐上连接有用于对储气罐内的气压进行检测并显示的气压表；所述沼渣沼液腔内设置有沼渣沼液存储罐，所述沼渣沼液存储罐的中上部通过排废管和连接在排废管上的翻板阀与发酵罐的中上部相连通，所述排废管倾斜向下设置，所述沼渣沼液存储罐的底部设置有废液取料口。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述发酵罐罐体的内壁上紧贴排废管的上部安装有用于对发酵罐罐体内的沼渣沼液的液位进行检测的液位计，所述循环泵顶部安装有循环泵控制器，所述液位计与循环泵控制器的输入端相接，所述循环泵控制器的输出端接有用于对循环泵的通断电进行控制的循环泵控制继电器，所述循环泵控制继电器串联在循环泵的供电回路中。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述保温层由内层的岩棉缝毡和外层的保温复合板组成。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述电加热元件包括上下间隔设置的上加热环和下加热环，以及竖直连接在上加热环和下加热环之间的竖直加热杆，所述上加热环位于搅拌叶片的上方，所述下加热环位于搅拌叶片的下方，所述下加热环上固定连接有多根竖直向上设置的加热柱。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述加热柱的数量为三根，三根所述加热柱均匀设置在下加热环上。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述发酵罐罐体顶部安装有开关安装面板，所述搅拌开关和加热开关均安装在开关安装面板上。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述取料口的数量为三个。
上述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述翻板阀包括中间设置有圆管状通道的阀体，所述阀体上固定连接有阀轴，所述阀轴上套装有能够绕其转动的转动环，所述转动环的一端固定连接有位于圆管状通道内且用于封堵或打开圆管状通道的阀板，所述转动环的另一端固定连接有位于阀体外部的重锤柄，所述重锤柄上连接有重锤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明发酵罐采用了内置的电加热元件进行加热，且电加热元件设置在搅拌叶片外围，这样能够在反应原料进行加热的同时辅以搅拌，既能保证反应原料的均匀加热，又能最大程度的地保证发酵环境的均一性。
2、本发明在发酵罐罐体的侧壁上从上到下排列设置有多个取料口，便于在各个取料口处实时监测发酵罐内发酵原料的pH、甲烷菌活性等数据，这种监测简单准确且容易操作，且在取料时不会掺杂入空气，维持发酵罐内的厌氧环境。
3、本发明完全解决了间歇式发酵装置中只能周期性加料换料的缺陷，反应原料可以随时进入发酵罐，保持发酵罐内的原料始终处于定量状态下，维持发酵罐内的有机负荷率在适宜范围内，能够实现连续式沼气厌氧发酵，从而保证了每天稳定而充足的沼气产量。
4、本发明通过设置发酵温度控制仪，能够确保发酵罐内的发酵温度始终处于最佳温度范围内，保证了甲烷菌种具有较高的活性，提高了发酵料液的发酵效率和产气率。
5、本发明在集气管上连接了气体流量计，能够方便地获得沼气产量。
6、本发明在集气管上连接了取气管，便于随时取气检验沼气各组分及浓度。
综上所述，本发明使用操作方便，既能保证反应原料的均匀加热，又能最大程度的保证发酵环境的均一性，而且反应原料可以随时被加入发酵罐，能够实现连续式沼气厌氧发酵，提高了发酵料液的发酵效率和产气率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明立式搅拌机、电加热元件和搅拌叶片的连接关系示意图。
图3为本发明翻板阀的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
附图标记说明:
1—出气阀；2—储气罐；3—气压表；
4—进气阀；5—气体压缩机；6—管道阀门；
7—取气管；8—气体流量计；9—保温复合板；
10—岩棉缝毡；11—集气管；12—立式搅拌机；
13—开关安装面板；14—排废管；15—废液取料口；
16—沼渣沼液存储罐；17—翻板阀；17-1—圆管状通道；
17-2—阀体；17-3—阀轴；17-4—转动环；
17-5—阀板；17-6—重锤柄；17-7—重锤；
18—取料口；19—发酵罐；20—电加热元件；
20-1—上加热环；20-2—下加热环；20-3—竖直加热杆；
20-4—加热柱；21—发酵温度控制仪；22—排气管；
23—过滤网；24—送料管；25—循环泵；
26—隔板；26—集气储气腔；28—送料腔；
29—发酵腔；30—沼渣沼液腔；31—搅拌叶片；
32—搅拌开关；33—加热控制继电器；34—交流接触器；
35—加热开关；36—出气管；37—液位计；
38—循环泵控制器；39—循环泵控制继电器。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括间隔设置的第一空间、第二空间和第三空间，所述第一空间的中部设置有用于将第一空间的上下部隔开形成上部的集气储气腔27和下部的送料腔28的隔板26，所述第二空间为发酵腔29，所述第二空间的外围设置有保温层，所述第三空间为沼渣沼液腔30；所述发酵腔29内设置有发酵罐19、发酵温度控制仪21和安装在发酵罐19上的立式搅拌机12，所述立式搅拌机12的搅拌杆插入发酵罐19罐体内部，所述立式搅拌机12的电动机支撑在发酵罐19罐体顶部，所述立式搅拌机12的搅拌杆底部安装有搅拌叶片31，所述立式搅拌机12的搅拌杆中下部安装有设置在搅拌叶片31外围的电加热元件20，所述发酵罐19罐体的侧壁上从上到下排列设置有多个取料口18；所述立式搅拌机12的电动机的供电回路中串联有搅拌开关32，所述发酵温度控制仪21的温度检测探头21-1穿过发酵罐19罐体的中上部侧壁伸入了发酵罐19罐体内部，所述发酵温度控制仪21的输出端接有加热控制继电器33，所述加热控制继电器33的输出端接有串联在电加热元件20的供电回路中的交流接触器34，所述电加热元件20的供电回路中还串联有加热开关35；所述送料腔28内设置有与发酵罐19的中下部相连通的送料管24，所述送料管24上从靠近送料腔28到靠近发酵罐19的方向依次连接有循环泵25和排气管22，所述排气管22内设置有过滤网23；所述集气储气腔27内设置有储气罐2，所述储气罐2的中下部通过集气管11与发酵罐19的上部相连通，所述集气管11上从靠近发酵罐19到靠近储气罐2的方向依次连接有气体流量计8、管道阀门6、气体压缩机5和进气阀4，位于所述气体流量计8和管道阀门6之间的一段集气管11上连接有取气管7，所述取气管7上连接有取气阀，所述储气罐2的中上部设置有出气管36，所述出气管36上连接有出气阀1，所述储气罐2上连接有用于对储气罐2内的气压进行检测并显示的气压表3；所述沼渣沼液腔30内设置有沼渣沼液存储罐16，所述沼渣沼液存储罐16的中上部通过排废管14和连接在排废管14上的翻板阀17与发酵罐19的中上部相连通，所述排废管14倾斜向下设置，所述沼渣沼液存储罐16的底部设置有废液取料口15。
如图1所示，本实施例中，所述发酵罐19罐体的内壁上紧贴排废管14的上部安装有用于对发酵罐19罐体内的沼渣沼液的液位进行检测的液位计37，所述循环泵25顶部安装有循环泵控制器38，所述液位计37与循环泵控制器38的输入端相接，所述循环泵控制器38的输出端接有用于对循环泵25的通断电进行控制的循环泵控制继电器39，所述循环泵控制继电器39串联在循环泵25的供电回路中。具体实施时，所述循环泵控制器38可以采用单片机来实现。
本实施例中，所述保温层由内层的岩棉缝毡10和外层的保温复合板9组成。
如图2所示，本实施例中，所述电加热元件20包括上下间隔设置的上加热环20-1和下加热环20-2，以及竖直连接在上加热环20-1和下加热环20-2之间的竖直加热杆20-3，所述上加热环20-1位于搅拌叶片31的上方，所述下加热环20-2位于搅拌叶片31的下方，所述下加热环20-2上固定连接有多根竖直向上设置的加热柱20-4。具体而言，所述加热柱20-4的数量为三根，三根所述加热柱20-4均匀设置在下加热环20-2上。
如图1所示，本实施例中，所述发酵罐19罐体顶部安装有开关安装面板13，所述搅拌开关32和加热开关35均安装在开关安装面板13上。所述取料口18的数量为三个。
如图3和图4所示，本实施例中，所述翻板阀17包括中间设置有圆管状通道17-1的阀体17-2，所述阀体17-2上固定连接有阀轴17-3，所述阀轴17-3上套装有能够绕其转动的转动环17-4，所述转动环17-4的一端固定连接有位于圆管状通道17-1内且用于封堵或打开圆管状通道17-1的阀板17-5，所述转动环17-4的另一端固定连接有位于阀体17-2外部的重锤柄17-6，所述重锤柄17-6上连接有重锤17-7。所述翻板阀17的工作原理为：当发酵罐19内的反应废料从排废管14中排出时，在翻板阀17处形成堆积，而当排出的反应废料达到一定量时，由于反应废料的重力增大，阀板17-5自发打开，阀板17-5带动转动环17-4绕阀轴17-3转动，转动环17-4带动重锤柄17-6压起；当反应废料基本排完后，由于反应废料的重力不足，重锤17-7自然下落，阀板17-5恢复原始状态。
本发明的工作过程是：被驯化好的反应原料(如畜禽粪便、餐厨垃圾、污泥等)被循环泵25抽入送料管24中，再通过送料管24被打入发酵罐19内；新鲜反应原料密度较大沉入发酵罐19内底层，反应废料由于密度较低将会漂浮于发酵罐19内液面上，随着新鲜反应原料的不断加入，发酵罐19内液面逐渐上升，反应废料自发流入排废管14，当流入排废管14内的反应废料达到一定量时，在反应废料重力的作用下，翻板阀17中的阀板17-5自发打开，反应废料通过翻板阀17排出到沼渣沼液存储罐16内，液位计37对发酵罐19罐体内的沼渣沼液的液位进行实时检测并将所检测到的液位信号输出给循环泵控制器38，循环泵控制器38将液位计37检测到的液位信号与预先设定的液位阈值相比对，当液位计37检测到的液位信号低于预先设定的液位阈值时，循环泵控制器38控制循环泵控制继电器39导通，循环泵控制继电器39接通循环泵25的供电回路，循环泵25开始加料，当液位计37检测到的液位信号高于预先设定的液位阈值时，循环泵控制器38控制循环泵控制继电器39断开，循环泵控制继电器39断开循环泵25的供电回路，循环泵25停止加料，这样就能够保持发酵罐19内的原料始终处于定量状态下，维持发酵罐19内的有机负荷率在适宜范围内，能够实现连续式沼气厌氧发酵，从而保证了每天稳定而充足的沼气产量。当需要进行搅拌时，按下搅拌开关32，立式搅拌机12的电动机接通电源并开始工作，带动立式搅拌机12的搅拌叶片31对反应原料进行搅拌，搅拌完成后，再次按下搅拌开关32，立式搅拌机12停止搅拌。
另外，本发明还能够实现对反应原料的自动加热，具体原理为：按下加热开关35后，就进行如自动加热的工作状态，发酵温度控制仪21的温度检测探头21-1对发酵罐19罐体内的发酵温度进行实时检测，发酵温度控制仪21将温度检测探头21-1检测到的发酵温度与预先设定的加热温度上限值和加热温度下限值进行比对，当发酵温度低于加热温度下限值时，发酵温度控制仪21控制加热控制继电器33接通，加热控制继电器33再控制交流接触器34接通，电加热元件20的供电回路接通，电加热元件20开始加热；当发酵温度高于加热温度上限值时，发酵温度控制仪21控制加热控制继电器33断开，加热控制继电器33再控制交流接触器34断开，电加热元件20的供电回路断开，电加热元件20停止加热。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：包括间隔设置的第一空间、第二空间和第三空间，所述第一空间的中部设置有用于将第一空间的上下部隔开形成上部的集气储气腔(27)和下部的送料腔(28)的隔板(26)，所述第二空间为发酵腔(29)，所述第二空间的外围设置有保温层，所述第三空间为沼渣沼液腔(30)；所述发酵腔(29)内设置有发酵罐(19)、发酵温度控制仪(21)和安装在发酵罐(19)上的立式搅拌机(12)，所述立式搅拌机(12)的搅拌杆插入发酵罐(19)罐体内部，所述立式搅拌机(12)的电动机支撑在发酵罐(19)罐体顶部，所述立式搅拌机(12)的搅拌杆底部安装有搅拌叶片(31)，所述立式搅拌机(12)的搅拌杆中下部安装有设置在搅拌叶片(31)外围的电加热元件(20)，所述发酵罐(19)罐体的侧壁上从上到下排列设置有多个取料口(18)；所述立式搅拌机(12)的电动机的供电回路中串联有搅拌开关(32)，所述发酵温度控制仪(21)的温度检测探头(21-1)穿过发酵罐(19)罐体的中上部侧壁伸入了发酵罐(19)罐体内部，所述发酵温度控制仪(21)的输出端接有加热控制继电器(33)，所述加热控制继电器(33)的输出端接有串联在电加热元件(20)的供电回路中的交流接触器(34)，所述电加热元件(20)的供电回路中还串联有加热开关(35)；所述送料腔(28)内设置有与发酵罐(19)的中下部相连通的送料管(24)，所述送料管(24)上从靠近送料腔(28)到靠近发酵罐(19)的方向依次连接有循环泵(25)和排气管(22)，所述排气管(22)内设置有过滤网(23)；所述集气储气腔(27)内设置有储气罐(2)，所述储气罐(2)的中下部通过集气管(11)与发酵罐(19)的上部相连通，所述集气管(11)上从靠近发酵罐(19)到靠近储气罐(2)的方向依次连接有气体流量计(8)、管道阀门(6)、气体压缩机(5)和进气阀(4)，位于所述气体流量计(8)和管道阀门(6)之间的一段集气管(11)上连接有取气管(7)，所述取气管(7)上连接有取气阀，所述储气罐(2)的中上部设置有出气管(36)，所述出气管(36)上连接有出气阀(1)，所述储气罐(2)上连接有用于对储气罐(2)内的气压进行检测并显示的气压表(3)；所述沼渣沼液腔(30)内设置有沼渣沼液存储罐(16)，所述沼渣沼液存储罐(16)的中上部通过排废管(14)和连接在排废管(14)上的翻板阀(17)与发酵罐(19)的中上部相连通，所述排废管(14)倾斜向下设置，所述沼渣沼液存储罐(16)的底部设置有废液取料口(15)；
所述发酵罐(19)罐体的内壁上紧贴排废管(14)的上部安装有用于对发酵罐(19)罐体内的沼渣沼液的液位进行检测的液位计(37)，所述循环泵(25)顶部安装有循环泵控制器(38)，所述液位计(37)与循环泵控制器(38)的输入端相接，所述循环泵控制器(38)的输出端接有用于对循环泵(25)的通断电进行控制的循环泵控制继电器(39)，所述循环泵控制继电器(39)串联在循环泵(25)的供电回路中；
所述翻板阀(17)包括中间设置有圆管状通道(17-1)的阀体(17-2)，所述阀体(17-2)上固定连接有阀轴(17-3)，所述阀轴(17-3)上套装有能够绕其转动的转动环(17-4)，所述转动环(17-4)的一端固定连接有位于圆管状通道(17-1)内且用于封堵或打开圆管状通道(17-1)的阀板(17-5)，所述转动环(17-4)的另一端固定连接有位于阀体(17-2)外部的重锤柄(17-6)，所述重锤柄(17-6)上连接有重锤(17-7)。
2.按照权利要求1所述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述保温层由内层的岩棉缝毡(10)和外层的保温复合板(9)组成。
3.按照权利要求1所述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述电加热元件(20)包括上下间隔设置的上加热环(20-1)和下加热环(20-2)，以及竖直连接在上加热环(20-1)和下加热环(20-2)之间的竖直加热杆(20-3)，所述上加热环(20-1)位于搅拌叶片(31)的上方，所述下加热环(20-2)位于搅拌叶片(31)的下方，所述下加热环(20-2)上固定连接有多根竖直向上设置的加热柱(20-4)。
4.按照权利要求3所述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述加热柱(20-4)的数量为三根，三根所述加热柱(20-4)均匀设置在下加热环(20-2)上。
5.按照权利要求1所述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述发酵罐(19)罐体顶部安装有开关安装面板(13)，所述搅拌开关(32)和加热开关(35)均安装在开关安装面板(13)上。
6.按照权利要求1所述的一种实验室用连续式沼气厌氧发酵装置，其特征在于：所述取料口(18)的数量为三个。
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