CN105695309A - 一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置及包括该装置的生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，包括旋转搅拌轴及电机；旋转搅拌轴上设置有具有进气口的缓冲进气室，旋转搅拌轴与缓冲进气室之间的衔接处密封设置；旋转搅拌轴的搅拌部上设有斜叶圆盘涡轮搅拌器，底端设有微孔曝气装置；在缓冲进气室内的旋转搅拌轴的轴壁上设有通气孔道，该通气孔道通过旋转搅拌轴内设置的进气腔室与微孔曝气装置连通设置。本发明通过增加缓冲进气室用于降低进气速度波动时对微生物的冲击作用，且采用微孔曝气装置增加细小气泡与微生物反应的接触面积，同时配合多层斜叶圆盘涡轮搅拌器，能够使生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环强化了气体的生物转化过程。

Description

一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置及包括该装置的生物反应器

技术领域

本发明涉及一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置及包括该装置的生物反应器。

背景技术

以H₂和CO为主要成分的合成气来源广泛，包括生物质热解气化燃气、人工煤气、焦炉煤气等，其产量巨大，可以作为燃料使用从而缓解能源压力，具有良好的开发前景。但是，其应用存在以下问题：H₂密度小、难液化、易泄露，不易存储和运输；CO具有生物毒害性，安全隐患大。将以H₂和CO为主要成分的合成气甲烷化转化为天然气，不仅易于存储运输和使用，也提高了安全性，利于其推广应用。

合成气甲烷化的方法主要包括化学法、物理法和生物法。其中化学法是利用高温高压和催化剂把合成气中除甲烷外的其他成分转化为甲烷，物理法是采用变压吸附分离、深冷分离、膜分离等方法对合成气中的甲烷进行提纯。生物法是利用厌氧发酵微生物将H₂和CO转化为甲烷，和化学法和物理法相比具有投资运行成本低、H₂和CO转化率高、无二次污染等优势，更重要的是生物法可同时完成餐厨粪便等有机废弃物的甲烷化过程，实现多原料的同步处理，对发展和推广合成气高品位利用技术具有重要意义。

中国专利：“一种气液混合搅拌装置”(申请号：201510119968.0，申请公布号CN104772083A)；其公开了一种气液混合搅拌装置，其包括机架和机座，所述机座固定在机架上，所述机架上固定安装有减速机，所述减速机的输入端连有电机，输出端连有搅拌轴，所述搅拌轴内部中空，搅拌轴的上端连有进气管，下端设有圆盘涡轮式弯叶搅拌器，所述搅拌轴底端位于圆盘涡轮式弯叶搅拌器中心，并开有通气的曝气孔。该专利主要特点是在进气时将气体打散与液体混合，对于气泡大小和分散程度没有要求，不能有效增加气体停留时间，也无法充分混合固体浓度相对较高的反应物料，只适用于一些反应速率快的气液化学反应。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置；该装置针对H₂和CO在厌氧生物反应器内的生物转化过程，增加缓冲进气室用于降低进气速度波动时对微生物的冲击作用，且采用微孔曝气装置增加细小气泡与微生物反应的接触面积，同时配合多层斜叶圆盘涡轮搅拌器，能够使生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环，不仅实现了厌氧反应物料的充分混合，也有效增加了气体与微生物接触反应的时间，强化了气体的生物转化过程。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种包括上述用于气体输送及物料搅拌的一体化装置的生物反应器；所述生物反应器配合上述的一体化装置，能够使生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环，不仅实现了厌氧反应物料的充分混合，也有效增加了气体与微生物接触反应的时间，且该生物反应器上设有气体循环管路，该气体循环管路能够适应不同的进气成分，并通过反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间的循环作用实现高效彻底的转化。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，所述装置包括旋转搅拌轴及用于驱动旋转搅拌轴旋转的电机；

所述旋转搅拌轴上设置有具有进气口的缓冲进气室，所述旋转搅拌轴可相对缓冲进气室旋转，且所述旋转搅拌轴与所述缓冲进气室之间的衔接处密封设置；

所述旋转搅拌轴的搅拌部置于所述缓冲进气室外，且该旋转搅拌轴的搅拌部上设有斜叶圆盘涡轮搅拌器，所述旋转搅拌轴的底端设有微孔曝气装置；微孔曝气装置用于增加细小气泡与微生物反应的接触面积，并配合多层斜叶圆盘涡轮搅拌器，能够使生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环，实现了厌氧反应物料的充分混合，有效的增加了气体与微生物接触反应的时间，强化了气体的生物转化过程。

在所述缓冲进气室内的旋转搅拌轴的轴壁上设有通气孔道，该通气孔道通过旋转搅拌轴内设置的进气腔室与所述微孔曝气装置连通设置。

进一步的，所述缓冲进气室为箱体结构。

进一步的，所述旋转搅拌轴与所述缓冲进气室之间的衔接处通过油性石墨填料箱密封设置，且该油性石墨填料箱环绕所述旋转搅拌轴设置。油性石墨填料箱，一处设置在缓冲进气室外的顶面上；一处设置在缓冲进气室的内腔底部上；在所述缓冲进气室的内腔与外部相对密封隔离下，穿过该油性石墨填料箱的旋转搅拌轴能够进行自如的旋转。

进一步的，所述电机通过机架固设在所述缓冲进气室上方，且该电机的主轴与所述旋转搅拌轴连接，且所述电机的主轴的轴线与所述旋转搅拌轴的轴线为同一轴线。该种传动结构相对简单、能量利用效率高，避免了出现机械问题的可能。

进一步的，所述斜叶圆盘涡轮搅拌器中叶片的倾斜角度θ相同，且该倾斜角度θ为30°～45°。现有技术中所采用的是垂直叶片，其只能起到径向的分散和搅拌作用，而本专利采用具有倾斜角度θ的叶片，其可实现径向和轴向的混合，并增加生物反应器中气体的停留时间。

进一步的，所述旋转搅拌轴的搅拌部上设有至少三层斜叶圆盘涡轮搅拌器，三层斜叶圆盘涡轮搅拌器规格相同，层与层之间的间距相同；所述旋转搅拌轴的搅拌部的上部留有1/5～1/4的长度未安装斜叶圆盘涡轮搅拌器，其作用在于，需充分使得搅拌部上的斜叶圆盘涡轮搅拌器须位于反应物料内，且保证每层的斜叶圆盘涡轮搅拌器上下都有一定的物料，这样在旋转搅拌轴旋转搅拌时，才能能够使得生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环，实现厌氧反应物料的充分混合。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种包括上述一体化装置的生物反应器，所述生物反应器包括一具有内腔的反应器主体，所述缓冲进气室设置在所述反应器主体上方，所述旋转搅拌轴的搅拌部位于所述反应器主体的内腔中；

所述反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间通过旋转搅拌轴内设置的进气腔室连通设置。通过该设置使得缓冲进气室内的气体只能从旋转搅拌轴的轴壁上所设的通气孔道进入反应器主体的内腔中。

进一步的，所述反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间还设有气体循环管路。该气体循环管路能够适应不同的进气成分，并通过反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间的循环作用实现高效彻底的转化。

进一步的，位于所述反应器主体的内腔中的斜叶圆盘涡轮搅拌器，其直径为反应器主体内径的20％～50％。起这样设置的目的在于，便于生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环。

进一步的，在所述缓冲进气室的内腔中环绕所述旋转搅拌轴设置有油性石墨填料箱；该处设置的油性石墨填料箱的作用在于，相对密封封隔所述缓冲进气室的内腔与外部空间，进而相对密封隔离反应器主体的内腔与缓冲进气室的内腔。

所述反应器主体上设有进料口、出料口和出气口。进料口用于进厌氧反应物料，出料口用于出反应完的物料，出气口用于输出述反应器主体的内腔中反应转化后的气体。

所述进料口位于所述反应器主体的下部，所述出料口和出气口分别位于所述反应器主体的上部。所述进料口设置在反应器主体的下部，避免了刚进入生物反应器主体内的物料直接溢流从出料口出去。

设置在所述反应器主体内的斜叶圆盘涡轮搅拌器的高度位置低于所述出料口的位置。由于斜叶圆盘涡轮搅拌器在搅拌时，上下均有物料，进而当生物反应器主体内的物料液面高度就是出料口的高度时，便于出料口溢流出料。

本发明的工作原理如下：

物料由进料口添加进入生物反应器主体内，通过斜叶圆盘涡轮搅拌器实现充分的混合，反应后的剩余物料由出料口排出；需要处理的合成气进入缓冲进气室后，通过旋转搅拌轴的轴壁上所设的通气孔道进入生物反应器主体的内腔中，合成气由微孔曝气装置形成微孔气泡进入生物反应器主体内，在旋转搅拌轴的作用下分散并与微生物充分接触反应转化，产生的气体最终与生物反应器自身生成的沼气一起从出气口排出，根据进入的合成气成分的不同可通过气体循环处理实现合成气的有效转化。

本发明与现有技术相比，具有如下积极有益的效果：

1、本发明中所提供的一体化装置，针对H₂和CO在厌氧生物反应器内的生物转化过程，增加缓冲进气室用于降低进气速度波动时对微生物的冲击作用。

2、本发明中所提供的生物反应器上设有气体循环管路，该气体循环管路能够适应不同的进气成分，并通过反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间的循环作用实现高效彻底的转化。

3、本发明中所采用的微孔曝气装置增加了细小气泡与微生物反应的接触面积，同时配合多层斜叶圆盘涡轮搅拌器，能够使生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环，不仅实现了厌氧反应物料的充分混合，也有效增加了气体与微生物接触反应的时间，强化了气体的生物转化过程。

4、本发明通过旋转搅拌轴底端的微孔曝气装置和微孔曝气装置上方的斜叶圆盘涡轮搅拌器的设计，在旋转搅拌轴开始旋转时使生物反应器主体内的物料在搅拌区内由上向下移动到底部后，再沿反应器主体内腔的内壁由下向上移动循环，实现生物反应器内物料的搅拌混合，同时使从微孔曝气装置进入生物反应器主体内的合成气随着物料移动分散开后再向上浮起，不再局限于反应器主体内中心区域，实现了良好的气液传质效果。

5、本发明中通过缓冲进气室、微孔曝气装置与多层斜叶圆盘涡轮搅拌器的配合，可以同时实现对合成气气体的输送和对气液混合物料的搅拌功能，有效分散了合成气气体并增加合成气气体与微生物的反应时间，提升系统生物法甲烷化作用。

6、本发明在降低系统结构复杂性的情况下，通过向生物反应器内通入合成气气体，并使其有效分散，增加合成气气体在发酵物料中的传质效果和停留时间，同时对系统物料混合搅拌，以充分实现生物法甲烷化过程。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明第二实施例的整体结构示意图。

图3为本发明第二实施例中搅拌时气体及物料的运动方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1所示，一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，所述装置包括旋转搅拌轴1及用于驱动旋转搅拌轴1旋转的电机2；所述电机2通过机架21固设在所述缓冲进气室3上方，且该电机2的主轴与所述旋转搅拌轴1通过联轴器连接，且所述电机2的主轴的轴线与所述旋转搅拌轴1的轴线为同一轴线。

所述旋转搅拌轴1上设置有具有进气口31的缓冲进气室3，所述缓冲进气室为箱体结构，所述旋转搅拌轴1可相对缓冲进气室3旋转，且所述旋转搅拌轴1与所述缓冲进气室3之间的衔接处通过油性石墨填料箱6密封设置，该油性石墨填料箱6环绕所述旋转搅拌轴1设置。本实施例中设有两个油性石墨填料箱6，一个设置在缓冲进气室3外的顶面上；一个设置在缓冲进气室3的内腔32底部上；在所述缓冲进气室3的内腔32与外部相对密封隔离下，穿过该油性石墨填料箱6的旋转搅拌轴1能够进行自如的旋转。

进一步的，所述旋转搅拌轴1的搅拌部11置于所述缓冲进气室3外，且该旋转搅拌轴1的搅拌部11上设有三层斜叶圆盘涡轮搅拌器4，所述旋转搅拌轴1的底端设有微孔曝气装置5，在所述缓冲进气室3内的旋转搅拌轴1的轴壁上设有通气孔道12，该通气孔道12通过旋转搅拌轴1内设置的进气腔室与所述微孔曝气装置5连通设置。

进一步的，所述旋转搅拌轴1的搅拌部11上所设置的三层斜叶圆盘涡轮搅拌器4规格相同，层与层之间的间距相同，且所述斜叶圆盘涡轮搅拌器4中叶片的倾斜角度θ相同，且该倾斜角度θ为30°～45°，同时所述旋转搅拌轴1的搅拌部11的上部留有1/5～1/4的长度未安装斜叶圆盘涡轮搅拌器4，通过上述设置，使得搅拌部11上的斜叶圆盘涡轮搅拌器4位于反应物料内，且保证了每层的斜叶圆盘涡轮搅拌器4上下都有一定的物料，这样在旋转搅拌轴1旋转搅拌时，使得生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体的四周内壁向上循环，实现厌氧反应物料的充分混合。

实施例2：

如图1、2、3所示，一种包括上述一体化装置的生物反应器，所述生物反应器包括一具有内腔71的反应器主体7，所述反应器主体7上设有进料口72、出料口73和出气口74，其中所述进料口72位于所述反应器主体7的下部，所述出料口73和出气口74分别位于所述反应器主体7的上部；所述缓冲进气室3设置在所述反应器主体7上方，所述旋转搅拌轴1的搅拌部11位于所述反应器主体7的内腔71中。

所述反应器主体7的内腔71与所述缓冲进气室3的内腔32之间通过旋转搅拌轴1内设置的进气腔室连通设置。通过该设置使得缓冲进气室3内的气体只能从旋转搅拌轴1的轴壁上所设的通气孔道12进入反应器主体7的内腔71中。

进一步的，在所述缓冲进气室3的内腔32中环绕所述旋转搅拌轴1设置有油性石墨填料箱6。该处所设置的油性石墨填料箱6的作用在于，相对密封封隔所述缓冲进气室3的内腔32与外部空间，进而相对密封隔离反应器主体7的内腔71与缓冲进气室3的内腔32。

进一步的，所述反应器主体7的内腔71与所述缓冲进气室3的内腔32之间设有气体循环管路8，本实施例中，气体循环管路8与缓冲进气室3上的进气口31连通设置，该气体循环管路8能够适应不同的进气成分，并通过反应器主体7的内腔71与所述缓冲进气室3的内腔32之间的循环作用实现高效彻底的转化。

进一步的，设置在所述反应器主体7内的斜叶圆盘涡轮搅拌器4的高度位置低于所述出料口73的位置，且位于所述反应器主体7的内腔71中的斜叶圆盘涡轮搅拌器4，其直径为反应器主体7内径的20％～50％。起这样设置的目的在于，便于生物反应器内的物料由中心向下再沿生物反应器主体7的四周内壁向上循环。

本发明具体工作流程如下：

合成气从进气口31进入缓冲进气室3后，由缓冲进气室3内的旋转搅拌轴1轴壁上的通气孔道12进入旋转搅拌轴1内，并由旋转搅拌轴1底端的微孔曝气装置5形成微孔气泡进入反应器主体7的内腔71中，在斜叶圆盘涡轮搅拌器4的作用下，合成气长时间停留并均匀分布在反应器主体7的内腔71中，并在微生物作用下实现合成气的甲烷化，生成最终以甲烷和二氧化碳为主的生物质气从出气口74离开。

本发明提供的生物反应器中的气体循环管路8可以根据最终生物质气的成分的不同和处理效果的要求开关，当最终生物质气中含有较多杂质(如包括H₂及CO)时，开启气体循环管路8，部分产气由气体循环管路8通过进气口31进行循环进入反应器主体7内，再次发生甲烷化作用，实现转化率的进一步提升。

维持生物反应器主体7内微生物系统的物料包括有机废弃物混合液(如，污水厂污水污泥、餐厨、垃圾、有机废水、禽畜粪便)及有机营养液，物料由进料口72进入反应器主体7的内腔71中，在斜叶圆盘涡轮搅拌器4的作用下形成由中心向下后沿内腔71四周内侧壁向上的循环运动，这样不仅使微生物与物料充分混合反应从而维持微生物系统活性，也使微生物与合成气充分混合并延长甲烷化反应时间，最终反应完的物料由出料口73离开。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，其特征在于：所述装置包括旋转搅拌轴及用于驱动旋转搅拌轴旋转的电机；

所述旋转搅拌轴上设置有具有进气口的缓冲进气室，所述旋转搅拌轴可相对缓冲进气室旋转，且所述旋转搅拌轴与所述缓冲进气室之间的衔接处密封设置；

所述旋转搅拌轴的搅拌部置于所述缓冲进气室外，且该旋转搅拌轴的搅拌部上设有斜叶圆盘涡轮搅拌器，所述旋转搅拌轴的底端设有微孔曝气装置；

在所述缓冲进气室内的旋转搅拌轴的轴壁上设有通气孔道，该通气孔道通过旋转搅拌轴内设置的进气腔室与所述微孔曝气装置连通设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，其特征在于：优选的，所述缓冲进气室为箱体结构。

3.根据权利要求1所述的一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，其特征在于：优选的，所述旋转搅拌轴与所述缓冲进气室之间的衔接处通过油性石墨填料箱密封设置，且该油性石墨填料箱环绕所述旋转搅拌轴设置。

4.根据权利要求1所述的一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，其特征在于：优选的，所述电机通过机架固设在所述缓冲进气室上方，且该电机的主轴与所述旋转搅拌轴连接，且所述电机的主轴的轴线与所述旋转搅拌轴的轴线为同一轴线。

5.根据权利要求1所述的一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，其特征在于：优选的，所述斜叶圆盘涡轮搅拌器中叶片的倾斜角度θ相同，且该倾斜角度θ为30°～45°。

6.根据权利要求1所述的一种用于气体输送及物料搅拌的一体化装置，其特征在于：优选的，所述旋转搅拌轴的搅拌部上设有至少三层斜叶圆盘涡轮搅拌器，三层斜叶圆盘涡轮搅拌器规格相同，层与层之间的间距相同；所述旋转搅拌轴的搅拌部的上部留有1/5～1/4的长度未安装斜叶圆盘涡轮搅拌器。

7.一种包括如权利要求1至6所述一体化装置的生物反应器，其特征在于：所述生物反应器包括一具有内腔的反应器主体，所述缓冲进气室设置在所述反应器主体上方，所述旋转搅拌轴的搅拌部位于所述反应器主体的内腔中；

所述反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间通过旋转搅拌轴内设置的进气腔室连通设置。

8.根据权利要求7所述的一种生物反应器，其特征在于：优选的，所述反应器主体的内腔与所述缓冲进气室的内腔之间还设有气体循环管路。

9.根据权利要求7所述的一种生物反应器，其特征在于：优选的，位于所述反应器主体的内腔中的斜叶圆盘涡轮搅拌器，其直径为反应器主体内径的20％～50％。

10.根据权利要求7所述的一种生物反应器，其特征在于：优选的，在所述缓冲进气室的内腔中环绕所述旋转搅拌轴设置有油性石墨填料箱；所述反应器主体上设有进料口、出料口和出气口，且所述进料口位于所述反应器主体的下部，所述出料口和出气口分别位于所述反应器主体的上部；设置在所述反应器主体内的斜叶圆盘涡轮搅拌器的高度位置低于所述出料口的位置。