CN104560640A - 一种小型高效多功能沼气发酵装置及方法 - Google Patents

一种小型高效多功能沼气发酵装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小型高效多功能沼气发酵装置及方法，所述发酵装置包括：一发酵罐，一密封连接在所述发酵罐顶部的顶盖，一设置在所述顶盖上的沼气输出管，一设置在所述发酵罐下部的进料管，一设置在所述发酵罐侧壁上的出料管，一设置在所述发酵罐中心的沼气管，一可转动地套接在所述沼气管上的套管，一位于所述发酵罐内且紧固套接在所述套管上的压料板，多个紧固插设在所述压料板上的插管，以及一设置在所述发酵罐外侧的保温装置；其中，所述沼气管的上端连接一沼气压缩机的输出端，下端通过一支架固定支撑在所述发酵罐的底部；在位于所述发酵罐外部的所述套管上连接一旋转驱动装置。本发明可广泛用于小型沼气发酵过程中。

Description

一种小型高效多功能沼气发酵装置及方法
技术领域
本发明属于沼气发酵技术领域，具体涉及一种小型高效多功能沼气发酵装置及方法。
背景技术
随着我国新农村建设的快速发展，日益严重的生活垃圾污染令人担忧，生活垃圾和秸秆任意堆放，牲畜粪便随处可见，生活污水直流地下，这些环境污染问题如果不尽快科学治理，将会严重影响社会主义新农村建设的进程。治理有机废弃物常用的方法是厌氧发酵，该方法可以将有机废弃物经厌氧发酵生成沼气和沼渣液，从而变废为宝。沼气是一种可再生的新能源，沼渣液可以作为有机肥或生产有机复合肥的基质。目前厌氧发酵采用的常规装置一般采用全混式发酵罐(CSTR)，当前利用该装置所建沼气工程所存在的问题是：昼夜和四季产气不稳定，容积产气率低，尤其是在北方地区的晚秋、冬季和初春，发酵物料总固体含量(浓度)Ts≤6％,甲烷菌群在常温条件下繁殖速度慢，活性差，同时随着搅拌以及出料，菌群大量流失，从而影响产气的速率和产气量，产气率最大只能达到0.3～0.5m3/m3·d，降低了发酵装置的容积有效利用率，加大了装置的建造成本，性价比差，不利于使用和推广。
为了大幅度提高发酵装置的容积产气率和产气量，使之能够保持在中温条件下能够达到产气率≥1.5m3/m3·d，必须加强发酵物料的前期处理工作，做到“精料”(挥发性物料(VS)或直径≤0.5mm的固体颗粒物)进入厌氧发酵罐，目前采取的措施比较单一、不完善，因此，效果不明显，且造价较高。为了满足“四度一比”条件(即在严格的厌氧环境和发酵微生物旺盛繁殖与活性条件下，确保适宜的恒定的发酵温度t＝35℃～38℃，适宜的物料浓度Ts＝6％～8％，适宜的酸碱度PH＝7，适宜的均匀度(物料在发酵罐内分布均匀，需适度搅拌)，以及适宜的碳氮比C/N＝15～25)，必须采用综合措施，全面提升技术含量，充分满足其发酵的内因及外因条件，发挥设施的多功能性，降低建设成本，并且方便管理和维修，尽量做到组件装配化，以利于工厂化生产缩短安装时间和施工期。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种小型高效多功能沼气发酵装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，它包括：一发酵罐，一密封连接在所述发酵罐顶部的顶盖，一设置在所述顶盖上的沼气输出管，一设置在所述发酵罐下部的进料管，一设置在所述发酵罐侧壁上的出料管，一设置在所述发酵罐中心的沼气管，一可转动地套接在所述沼气管上的套管，一位于所述发酵罐内且紧固套接在所述套管上的压料板，多个紧固插设在所述压料板上的插管，以及一设置在所述发酵罐外侧的保温装置；其中，所述沼气管的上端连接一沼气压缩机的输出端，下端通过一支架固定支撑在所述发酵罐的底部；在位于所述发酵罐外部的所述套管上连接一旋转驱动装置。
所述保温装置包括包围在所述发酵罐外侧的空气夹层和外保温层，在所述空气夹层内设置有一热风管，所述热风管的输入端连接一热风机；所述外保温层采用彩钢板或喷涂发泡聚氨酯板。
在所述插管的外周通过支架固定一生物膜，在每一所述插管的外表面也包覆一生物膜，所述生物膜采用锦纶布折叠4～6层制成。
在所述发酵罐内设置一列管式散热器，所述列管式散热器的进水端和出水端分别连接设置在所述发酵罐外部的燃气锅炉或热电联产机组内的余热水的出水口和进水口。
所述进料管包括一水平连接在所述发酵罐下部的水平管和一连接在所述水平管中部的竖直管，所述竖直管的上端为进料口，在所述水平管的末端、竖直管上分别设置有控制阀。
所述压料板为布满扇形缝隙的缝隙板；在所述沼气管的下端设置有一叶轮；在所述发酵罐的内侧壁设置有一温度测量装置。
在所述空气夹层内间隔设置多个竖直方向布置的支撑板，每一所述支撑板的两边分别与所述发酵罐的外壁、外保温层的内壁紧固连接，在每一所述支撑板上由上至下开设多个圆孔。
一种沼气发酵方法，包括以下步骤：1)将发酵物料稀释到物料浓度Ts＝6％～8％，并预先加热到40℃，然后通过进料管注入到发酵罐内；2)将发酵产生的沼气一部分通过沼气输出管送入沼气收集装置，另一部分通过沼气压缩机和沼气管喷入发酵罐底部，连同插管的转动及压料板的共同作用保证发酵罐内料液的搅拌均匀。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在发酵罐的中心设置沼气管，其外部固定有套管，套管通过压料板紧固连接多个插管，套管可以带动压料板、插管转动从而起到搅拌装置的作用；另外插管上部伸出压料板且断面切口锋利，有利于保证搅拌过程中料液顶部表面的悬浮物料不结壳，进而可以保证排料畅通有利于沼气释放，也可以提高物料的利用率。2、本发明在发酵罐外设置一空气夹层和一外保温层，有利于保证发酵罐内的温度恒定处于适宜的温度下，使沼气产出稳定，提高容积产气率，相比于传统全混发酵装置能够显著降低能耗、节约能源。3、本发明的压料板采用布满缝隙的缝隙板，可以起到缓解悬浮物料结壳的作用，能够提高悬浮物的降解速率，且有利于沼气的释放。4、本发明在插管的外周设置有生物膜，同时在插管的表面包覆有生物膜，有利于截留和富集菌种，防止排料时菌种流失，提高菌群的附着和繁生能力及活性，同时死亡的菌体极易剥落，不影响新生菌群的附着与繁殖。5、本发明结构紧凑、安装便捷、能耗低、成本低、温度恒定、搅拌均匀，能保证发酵罐的厌氧环境，集多功能于一体的。本发明可广泛用于小型沼气发酵过程中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明提出了一种小型高效多功能沼气发酵装置，它包括一发酵罐1，在发酵罐1的顶部密封连接一顶盖2，在顶盖2上设置一沼气输出管3。在发酵罐1下部设置一用于填入料液的进料管4，在靠近顶盖2的发酵罐1侧壁上设置一用于输出沼渣液的出料管5。在发酵罐1的中心设置一沼气管7，在沼气管7的外部可转动地套接一套管6，套管6的上端穿出顶盖2且与顶盖2可转动密封连接以保证发酵罐1的密封性。沼气管的上端连接一沼气压缩机(图中未示出)的输出端，下端通过一支架8固定支撑在发酵罐1的底部，沼气管7的作用是将沼气导入发酵罐1用于料液的搅拌。在位于发酵罐1内部的套管6上紧固套接一压料板9，在压料板9上固定连接多个竖直布置的插管10。位于发酵罐1外部的套管6可连接一旋转驱动装置(图中未示出)，在旋转驱动装置的驱动下套管6可带动压料板9和插管10转动，对料液起到搅拌的作用，另一方面在搅拌过程中插管10上端通常高于料液面，可以缓解漂浮物料的结壳，有利于提高悬浮物料的降解速度以及沼气的排放。在发酵罐1的外侧设置有一保温装置11，以保证发酵罐1内的料液处于恒定适宜的温度下，从而节约能耗。
上述实施例中，保温装置11包括包围在发酵罐1外侧的空气夹层12和外保温层13，在空气夹层12内设置有一热风管14，热风管14的输入端连接一热风机(图中未示出)；外保温层13可采用彩钢板或喷涂发泡聚氨酯板。
上述实施例中，可以发酵罐1内设置一列管式散热器15作为对发酵罐1内的料液提供适宜温度的辅助增温装置，列管式散热器15进水端和出水端分别与设置在发酵罐1外部燃气锅炉或热电联产机组内的余热水的出水口和进水口相连。
上述实施例中，可以在发酵罐1内设置一生物膜16，生物膜16通过支架固定在插管10的外周，生物膜16采用高强、高密、耐腐蚀、不降解的锦纶布折叠4～6层制成，且锦纶布的微孔为80～120目，每层锦纶布的厚度为0.5～0.2mm，生物膜16的表面积比硬聚乙烯菌床增大8～12倍，有利于截留和富集菌种，防止排料时菌种流失，从而提高菌群的附着和繁生能力及活性，同时死亡的菌体极易剥落，不影响新生菌群的附着与繁生；在每一插管10的外表面也包覆上述生物膜，有利于截留和富集菌种，防止排料时菌种流失。
上述实施例中，进料管4包括一水平连接在发酵罐1下部的水平管41和一连接在水平管41中部的竖直管42，竖直管42的上端为进料口；竖直管42同时兼做液位管，而水平管41同时兼做排污泥管；在水平管41的末端和竖直管42上分别设置有控制阀。
上述实施例中，压料板9为缝隙板，其上布满扇形缝隙，可以阻挡降解缓慢的悬浮纤维物漂浮到液面形成结壳，提高纤维物料的降解效率和产气量。
上述实施例中，可以在沼气管6的下端设置一叶轮(图中未示出)，当沼气管6向发酵罐1内通入压缩沼气时，可以通过叶轮提高沼气对料液的气体搅拌效果；还可以在发酵罐1的内侧壁设置一温度测量装置17，以实时测量发酵罐1内的料液温度。
上述实施例中，可以在空气夹层12内间隔设置多个竖直方向布置的用以增加整体结构强度的支撑板18，每一支撑板18的两边分别与发酵罐1的外壁、外保温层13的内壁紧固连接，在每一支撑板18上由上至下开设多个圆孔19，以保证空气夹层12内的空气流通，从而使热风管14传入到空气夹层12中的热量能够扩散。
基于上述小型高效多功能沼气发酵装置，本发明还提出了一种沼气发酵方法，包括以下步骤：
1)将发酵物料稀释到适宜的物料浓度Ts＝6％～8％并预先加热到40℃，然后通过进料管4注入到发酵罐1内；
2)将发酵产生的沼气一部分通过沼气输出管3送入沼气收集装置，另一部分通过沼气压缩机和沼气管7喷入发酵罐1底部，连同插管10的转动及压料板9的共同作用保证发酵罐1内料液的搅拌均匀。
上述过程中，发酵罐1内的发酵物料在空气夹层12和外保温层13及列管式散热器15的共同作用下保证发酵物料的温度恒定在t＝35℃～38℃，在生物膜16和插管外包裹的生物膜的作用下提高甲烷菌的活性，提高产气率。本发明装置内的发酵物料浓度(TS％)在中温(≈35℃)情况下的水力滞留期HRT≤20d，依据上述条件来计算发酵罐的体积和结构尺寸，视物料降解速度加以计算和调整，最后以产气量最大化条件予以确定。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，它包括：
一发酵罐，
一密封连接在所述发酵罐顶部的顶盖，
一设置在所述顶盖上的沼气输出管，
一设置在所述发酵罐下部的进料管，
一设置在所述发酵罐侧壁上的出料管，
一设置在所述发酵罐中心的沼气管，
一可转动地套接在所述沼气管上的套管，
一位于所述发酵罐内且紧固套接在所述套管上的压料板，
多个紧固插设在所述压料板上的插管，以及
一设置在所述发酵罐外侧的保温装置；
其中，所述沼气管的上端连接一沼气压缩机的输出端，下端通过一支架固定支撑在所述发酵罐的底部；在位于所述发酵罐外部的所述套管上连接一旋转驱动装置。
2.如权利要求1所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，所述保温装置包括包围在所述发酵罐外侧的空气夹层和外保温层，在所述空气夹层内设置有一热风管，所述热风管的输入端连接一热风机；所述外保温层采用彩钢板或喷涂发泡聚氨酯板。
3.如权利要求1所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，在所述插管的外周通过支架固定一生物膜，在每一所述插管的外表面也包覆一生物膜，所述生物膜采用锦纶布折叠4～6层制成。
4.如权利要求2所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，在所述插管的外周通过支架固定一生物膜，在每一所述插管的外表面也包覆一生物膜，所述生物膜采用锦纶布折叠4～6层制成。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，在所述发酵罐内设置一列管式散热器，所述列管式散热器的进水端和出水端分别连接设置在所述发酵罐外部的燃气锅炉或热电联产机组内的余热水的出水口和进水口。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，所述进料管包括一水平连接在所述发酵罐下部的水平管和一连接在所述水平管中部的竖直管，所述竖直管的上端为进料口，在所述水平管的末端、竖直管上分别设置有控制阀。
7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，所述压料板为布满扇形缝隙的缝隙板；在所述沼气管的下端设置有一叶轮；在所述发酵罐的内侧壁设置有一温度测量装置。
8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的一种小型高效多功能沼气发酵装置，其特征在于，在所述空气夹层内间隔设置多个竖直方向布置的支撑板，每一所述支撑板的两边分别与所述发酵罐的外壁、外保温层的内壁紧固连接，在每一所述支撑板上由上至下开设多个圆孔。
9.一种采用如权利要求1至8任一项所述的小型高效多功能沼气发酵装置的沼气发酵方法，包括以下步骤：
1)将发酵物料稀释到物料浓度Ts＝6％～8％，并预先加热到40℃，然后通过进料管注入到发酵罐内；
2)将发酵产生的沼气一部分通过沼气输出管送入沼气收集装置，另一部分通过沼气压缩机和沼气管喷入发酵罐底部，连同插管的转动及压料板的共同作用保证发酵罐内料液的搅拌均匀。
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