CN106434764A - 天然气与有机肥的联合生产方法与反应炉 - Google Patents

天然气与有机肥的联合生产方法与反应炉 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种天然气与有机肥联合生产方法，包括：将煤类原料送入反应炉；向煤类原料喷淋营养液，使营养液与煤类原料发生反应；收集生成天然气，直至不再产生天然气为止；收集生成的有机肥。本发明还提供了一种反应炉，包括炉体；原料进料口，位于炉体上部；营养液进料口，通过管道与炉体内壁以及炉体底部的喷嘴相连；外部收集管，位于炉体顶部，用于收集天然气；以及出料沟，位于炉体底部，用于收集有机肥。

Description

天然气与有机肥的联合生产方法与反应炉
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，尤其涉及一种天然气与有机肥的联合生产方法以及实施该方法的设备。
背景技术
目前的煤制生物有机肥主要以动植物残体(例如畜禽粪便等)为来源，并经过无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。煤厂在对原煤处理时会产生大量价格低廉的劣质煤炭，当前还没有对这些劣质煤炭资源进行有效利用。
此外，现在的煤制天然气主要把反应液体直接灌注到大地的煤层中，这种方法会对大地煤层的生态系统形成整体性、无法控制性的破坏，并且产生的气体无法有效全面的收集。并且，存储设备从温度、进料到出料都不能提供煤和营养液有效反应的反应环境和安全收集天然气和有机肥的功能。
因此，如何设计一种能够利用劣质煤炭来同时生产天然气和有机肥的方法，以及如何设计一种能够安全有效的实施该方法的设备，是当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种天然气与有机肥联合生产方法，以及实施该方法的反应炉。
一方面，本发明提供了一种天然气与有机肥联合生产方法，包括如下步骤：
(1)将煤类原料送入反应炉；
(2)向煤类原料喷淋营养液，使营养液与煤类原料发生反应；
(3)收集生成的天然气，直至不再产生天然气为止；
(4)收集生成的有机肥。
前述的生产方法，其中，所述煤类原料是煤粉、煤泥、草炭、褐煤、半烟煤和烟煤中的任一种或多种；优选地，所述煤类原料是褐煤和/或半烟煤。
前述的生产方法，其中，所述煤类原料为颗粒状，粒径是80-300目(泰勒标准筛)。
前述的生产方法，其中，所述煤类原料的含水量是20wt％-30wt％，挥发份含量是15wt％-25wt％，灰分含量是40wt％-50wt％。
前述的生产方法，其中，所述煤类原料与所述营养液的质量比是800-1100:1，优选是1000:1。
前述的生产方法，其中，所述营养液中含有水解发酵菌、酸化细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌。
前述的生产方法，其中，所述营养液的pH值是6-8，优选是7。
前述的生产方法，其中，在步骤(1)中，以0.15MPa-0.25MPa的压力将煤类原料送入反应炉；在步骤(2)中，以0.6MPa-0.7MPa的压力喷淋营养液。
前述的生产方法，其中，所述煤类原料在反应炉中的停留时间是70-75天。
前述的生产方法，其中，在步骤(2)和步骤(3)中，反应炉内的温度是30-45℃，优选是35-40℃。
另一方面，本发明提供了一种反应炉，包括：炉体；炉体侧壁上设置有原料进料口和营养液进料口，煤类原料通过原料进料口进入炉体内，营养液通过营养液进料口进入炉体内与煤类原料发生反应生成天然气和有机肥；炉体顶部设置有具有气体收集装置的出气口，天然气通过出气口排出炉体进入气体收集装置；炉体底部设置有出料沟，有机肥通过出料沟排出炉体。
前述的反应炉，其中，所述反应炉进一步包括动力组件，该动力组件包括设置在炉体底部的渣浆泵和水泵，其中，渣浆泵用于提供煤类原料进入反应炉时所需的压力，水泵用于提供营养液进入反应炉时所需的压力。
前述的反应炉，其中，所述反应炉进一步包括保温组件，该保温组件包括：设置在炉体底部的地暖盘管，设置在炉体内壁且依次设置的墙体保温材料层和墙体保温铝箔层，以及设置在顶盖上且依次设置的顶盖保温材料层和顶盖保温铝箔层。
前述的反应炉，其中，所述反应炉进一步包括监控组件，该监控组件包括：温度探头，设置在炉体内壁上，用于检测反应物料的温度；pH探头，设置在炉体内壁上，用于检测反应物料的pH值；以及防爆观察窗，设置在反应炉的顶盖上，用于实时观察炉体内的物料反应情况。
前述的反应炉，其中，所述营养液进料口通过管道连接至炉体内壁和炉体底部设置的喷嘴。
相对于现有技术，本发明的天然气与有机肥联合生产方法与反应炉具有如下有益效果：
(1)本发明以洗煤厂废弃的价格低廉的劣质煤炭为原料，实现了对废弃物的循环利用，符合循环经济的理念。
(2)本发明的方法利用不同微生物之间的协同作用实现了同时生产天然气与有机肥，工艺简单、条件温和、易于大规模工业应用。
(3)本发明的反应炉的动力系统为不发生火花的动力系统，能够有效防止可燃气体遇到摩擦产生的火花而发生爆炸；同时，本发明的反应炉具有泄爆功能，使得整个生产过程更加安全。
(4)本发明的反应炉具有温度监控系统和pH监控系统，能够实现对物料温度与pH的实时监控，从而能够实现对整个生产过程的精确控制。
附图说明
图1是本发明的天然气与有机肥联合生产的反应炉的剖面图。
图2是本发明的天然气与有机肥联合生产的反应炉的底平面图。
图3是本发明的天然气与有机肥联合生产的反应炉的顶盖平面图。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
一方面，本发明提供了一种天然气与有机肥联合生产方法，该方法利用了价格低廉的劣质煤炭为原料，通过不同微生物之间的协同作用，将煤炭中复杂的有机质最终降解为可以被植物利用的营养物质，同时产生天然气。该方法包括如下：
第一步，将煤类原料送入反应炉。
其中，煤类原料为颗粒状，其粒径范围是80-300目，这样能够实现颗粒较大的比表面积，从而增大煤类原料与营养液的接触面积，有利于反应的进行。
其中，煤粉、煤泥、草炭、褐煤、半烟煤和烟煤均可用于本发明的方法。褐煤和半烟煤含有较高的甲氧基和醚键，这些官能团能够比较容易的在酶催化作用下从煤大分子结构中脱离从而被微生物利用。另外，褐煤、草炭和煤泥属于洗煤厂对原煤进行水洗清洁后的废弃物，其含水量是20wt％-30wt％，挥发份含量是15wt％-25wt％，灰分含量是40wt％-50wt％，将这类煤类原料用于本发明的方法，可实现对废弃物的循化利用，减轻环境负担。
第二步，向煤类原料喷淋营养液，使营养液与煤类原料发生反应。
其中，营养液包含微生物和供微生物生长所必需的矿物质和其它小分子化合物。所述微生物包括水解发酵菌、酸化细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌，通过这四种微生物的协同作用，能够实现煤类原料到天然气和有机肥的生物转化。具体地，产甲烷菌为厌氧细菌，其是天然气得以生成的首要条件；然而产甲烷菌并不能直接利用煤有机质生成天然气，而是需要依赖水解发酵菌和产氢产乙酸菌将复杂的煤有机质降解为二氧化碳和乙酸；这其中水解发酵菌可以降解复杂煤有机质，形成乙酸、长链脂肪酸、二氧化碳、NH4+和HS-等；产氢产酸菌将脂肪酸、乙醇、芳酸和氨基酸等转化为氢气、二氧化碳和乙酸；以氢为基质的产酸细菌可以利用氢气和二氧化碳产生更多的乙酸，并且同时将低分子的木质素、木聚糖等物质转化为乙酸；最终由产甲烷菌将乙酸和二氧化碳转化为CH4。现有已知的水解发酵菌、酸化细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌均可用于本发明的方法中，本领域技术人员根据实际生产的需要能够合理选择具体的菌株用于生产。
其中，每隔4-8小时搅拌反应物料一次，每次时长30分钟，反应物料在反应炉内的停留时间为70-75天。
其中，为了提高微生物生长的最适环境条件，营养液的pH值是6-8，且优选是7。在生产过程中，反应炉内的温度(即反应物料的温度)应控制在30-45℃，且优选是35-40℃。
其中，煤类原料与营养液的质量比是800-1100:1，且优选是1000:1，以提供最合理的原料与营养液的配比。
第三步，收集天然气。
将营养液喷淋至煤类原料，二者之间随即开始反应，在此过程中，从反应炉顶部及时收集生成的天然气。
由于采用了上述微生物的组合，并采用了上述的pH值、反应温度等条件，使得生成的天然气中甲烷含量极高，可达到57％-78％(体积)，其余为少量的二氧化碳和氮气，而氧气、硫化氢和其它烷烃类等杂质的气体的含量极低。
第四步，收集有机肥。
待煤类原料与营养液的反应结束，不再生成天然气之后，从反应炉的底部收集生成的有机肥。
采用本发明的方法，特别是采用了上述微生物的组合，以及上述的pH值、反应温度等条件，能够使煤类原料转换为有机肥的转换率达到0.9，并且获得的有机肥富含各种养分，可直接用作各种作物的底肥，其具有固氮、解磷、解钾、缓解土地板结、提高土壤保水保肥能力等作用，并且还能杀死土壤内的病虫虫卵，减少病虫害，减少化肥农药的使用量。
具体的，经检测，获得的有机肥的成分为：有机质含量51wt％-67wt％，总养分(N+P2O5+K2O)为17wt％-26wt％，总氮含量为7wt％-15wt％，P2O5含量为4wt％-9wt％，K2O含量为3wt％-8wt％，水分含量0.2wt％-1.3wt％，腐殖酸含量为41wt％-56wt％。该有机肥的pH值为5.5-5.8，蛔虫死亡率为81％-99％，大肠菌群数为62-87个/克。
另一方面，本发明提供了一种反应炉。图1是本发明的反应炉的剖面图，该反应炉包括炉体，炉体侧壁上设置有原料进料口5和营养液出料口4，煤类原料1和营养液2分别从原料进料口5和营养液出料口4进入炉体内，炉体顶部设置有具有气体收集装置6的出气口，生成的天然气3通过出气口排出炉体进入气体收集装置，炉体底部设置有出料沟13，用于将生成的有机肥排出炉体并进行收集。优选地，该反应炉还进一步包括动力组件、保温组件和监控组件。
炉体优选是圆柱形，用于盛装反应物料。原料进料口5和营养液出料口4设置在炉体内壁上，可以是炉体内壁上的任何位置，且优选是炉体内壁的上部。煤类原料1通过原料进料口5进入炉体内，营养液2通过营养液出料口4进入炉体内与煤类原料1发生反应生成天然气3和有机肥。优选地，营养液出料口4通过管道与设置在炉体内壁和炉体底部的多个喷嘴7(本领域技术人员根据实际需要可以确定喷嘴的数量)连接，使营养液2均匀的喷洒在煤类原料1上，从而有利于炉体内反应的进行。炉体内壁上设置的喷嘴7与内壁具有一定的角度(例如60度)，炉体底部设置的喷嘴7与炉体底部垂直。生成的天然气3从炉体顶部设置的出气口排出炉体，经由气体外部收集管6进入气体收集装置。生成的有机肥经由炉体底部设置的出料沟13排出炉体，并进行收集。
动力组件的作用是提供煤类原料1和营养液2进入反应炉时所需的动力，以及反应炉内物料搅动所需的动力。该动力组件包括渣浆泵20和水泵21，所采用的是液体冲力，所以不发生火花，可以防止可燃气体遇到火花发生爆炸。渣浆泵20和水泵21设置在反应炉的底部，如图2所示，渣浆泵20用于提供压力以将煤类原料1从原料进料口5泵送入反应炉内；水泵21用于提供压力将液体箱19中的营养液2经由营养液出料口4通过喷嘴7从炉体内壁、底部立体式泵送入反应炉内。因为炉体内壁上设置的喷嘴7与内壁具有一定的角度，从而使液体形成一定的旋转涡流，进而形成立体式高压冲力将反应炉内的原料搅拌起来。
保温组件的作用是在整个生产过程中使反应炉内保持一定的温度。该保温组件包括设置在炉体底部的地暖盘管11，设置在炉体侧壁的墙体保温材料11以及包覆在墙体保温材料11外侧的保温铝箔，和设置在顶盖上的顶盖保温材料15以及包覆在顶盖保温材料15外侧的保温铝箔。其中，地暖盘管11除了保温功能之外，还具有加热的作用，可以保证反应炉内达到反应所需的温度。
监控组件的作用是监控反应炉内物料的反应情况，对物料的pH值和温度进行全程监控。该监控组件包括pH探头8、温度探头9和防爆观察窗18。pH探头8和温度探头9可以设置在炉体内壁的任何位置上，优选的，pH探头8和温度探头9到炉体底部的距离是炉体内物料高度的1/5-4/5。pH探头8和温度探头9分别用于实时监测反应物料的pH值和温度。如图3所示，防爆观察窗18设置在反应炉的顶盖14上，可以是一个或多个，从而可以通过防爆观察窗18从多角度观察炉内的反应情况。
此外，在生产过程中，本发明的反应炉为密闭系统，顶盖14自重比气体重，所以不会被顶走，同时顶盖14与炉体内壁之间有液体的水封作用，所以天然气3不会从顶盖14与炉体内壁之间缝隙渗透出去。
此外，顶盖14与炉体内壁之间没有固定连接件，如果在生产过程中由于意外出现气体爆炸，那么爆炸冲力会将顶盖14整体冲起来，从而起到从顶盖14泄压的作用。
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下面实施例中采用的煤类原料为褐煤，粒径80-300目(泰勒标准筛)，主要组成是：含水量24.8wt％，挥发份含量25.1wt％，灰分含量47.5wt％。
营养液是将水解发酵菌、酸化细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌以常规方法培养获得的培养液等比例混合获得的。
实施例1
(1)渣浆泵20以0.20MPa的压力将褐煤由原料进料口5泵送入反应炉内。
(2)水泵21以0.65MPa的压力将液体箱19中的营养液立体式泵入反应炉内，并通过喷嘴7向反应炉内的褐煤喷淋营养液，使营养液与褐煤发生反应，其中褐煤与营养液的质量比是1000:1；反应炉内的温度保持在35-40℃，使反应物料在反应炉内停留70天。
(3)从气体外部收集管6收集生成的天然气，从出料沟13收集生成的有机肥。
(4)对天然气和有机肥的成分进行测定。
经检测，按重量百分比计，有机肥的主要成分为：有机肥的质量分数(以烘干基计)56％，总养分(N+P2O5+K2O)为22％，总氮含量为10.07％，P2O5含量为6.56％，K2O含量为5.38％，水分(鲜样)的质量分数：0.42％。酸碱度(PH)为5.6，腐植酸含量为48％，蛔虫卵死亡率为96％，粪大肠菌群数为70个/克。总砷(以烘干基计)为0.8mg/kg；总汞(以烘干基计)为0.2mg/kg；总铅(以烘干基计)为22.4mg/kg；总铬(以烘干基计)为7.6mg/kg；总镉(以烘干基计)为2.4mg/kg。
按体积百分比计，天然气主要组成：CO2 29.4％，C2H6 0.2％，CH4 65.326％，O20.3％，N2 2.1％。
实施例2
(1)渣浆泵20以0.15MPa的压力将褐煤由原料进料口5泵送入反应炉内。
(2)水泵21以0.60MPa的压力将液体箱19中的营养液立体式泵入反应炉内，并通过喷嘴7向反应炉内的褐煤喷淋营养液，使营养液与褐煤发生反应，其中褐煤与营养液的质量比是800:1；反应炉内的温度保持在35-40℃，使反应物料在反应炉内停留75天。
(3)从气体外部收集管6收集生成的天然气，从出料沟13收集生成的有机肥。
(4)对天然气和有机肥的成分进行测定。
经检测，按重量百分比计，有机肥的主要成分为：有机肥的质量分数(以烘干基计)57％，总养分(N+P2O5+K2O)为21％，总氮含量为12.07％，P2O5含量为7.01％，K2O含量为5.02％，水分(鲜样)的质量分数：0.40％。酸碱度(PH)为5.8，腐植酸含量为49％，蛔虫卵死亡率为96％，粪大肠菌群数为71个/克。总砷(以烘干基计)为0.8mg/kg；总汞(以烘干基计)为0.2mg/kg；总铅(以烘干基计)为22.3mg/kg；总铬(以烘干基计)为7.6mg/kg；总镉(以烘干基计)为2.5mg/kg。
按体积百分比计，天然气主要组成：CO2 29.5％，C2H6 0.18％，CH4 65.36％，O20.3％，N2 2.1％。
实施例3
(1)渣浆泵20以0.25MPa的压力将褐煤由原料进料口5泵送入反应炉内。
(2)水泵21以0.7MPa的压力将液体箱19中的营养液立体式泵入反应炉内，并通过喷嘴7向反应炉内的褐煤喷淋营养液，使营养液与褐煤发生反应，其中褐煤与营养液的质量比是1100:1；反应炉内的温度保持在35-40℃，使反应物料在反应炉内停留70天。
(3)从气体外部收集管6收集生成的天然气，从出料沟13收集生成的有机肥。
(4)对天然气和有机肥的成分进行测定。
经检测，按重量百分比计，有机肥的主要成分为：有机肥的质量分数(以烘干基计)57％，总养分(N+P2O5+K2O)为23％，总氮含量为11.07％，P2O5含量为6.89％，K2O含量为5.26％，水分(鲜样)的质量分数：0.45％。酸碱度(PH)为6，腐植酸含量为47％，蛔虫卵死亡率为95％，粪大肠菌群数为73个/克。总砷(以烘干基计)为0.7mg/kg；总汞(以烘干基计)为0.2mg/kg；总铅(以烘干基计)为22.8mg/kg；总铬(以烘干基计)为7.4mg/kg；总镉(以烘干基计)为2.3mg/kg。
按体积百分比计，天然气主要组成：CO2 29.8％，C2H6 0.2％，CH4 64.253％，O20.28％，N2 2.2％。

Claims (15)

1.一种天然气与有机肥联合生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将煤类原料送入反应炉；
(2)向煤类原料喷淋营养液，使营养液与煤类原料发生反应；
(3)收集生成的天然气，直至不再产生天然气为止；
(4)收集生成的有机肥。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述煤类原料是煤粉、煤泥、草炭、褐煤、半烟煤和烟煤中的任一种或多种；优选地，所述煤类原料是褐煤和/或半烟煤。
3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述煤类原料为颗粒状，粒径是80-300目。
4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述煤类原料的含水量是20wt％-30wt％，挥发份含量是15wt％-25wt％，灰分含量是40wt％-50wt％。
5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述煤类原料与所述营养液的质量比是800-1100:1，优选是1000:1。
6.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述营养液中含有水解发酵菌、酸化细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌。
7.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述营养液的pH值是6-8，优选是7。
8.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，在步骤(1)中，以0.15MPa-0.25MPa的压力将煤类原料送入反应炉；在步骤(2)中，以0.6MPa-0.7MPa的压力喷淋营养液。
9.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述煤类原料在反应炉中的停留时间是70-75天。
10.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，在步骤(2)和步骤(3)中，反应炉内的温度是30-45℃，优选是35-40℃。
11.一种反应炉，其特征在于，包括：炉体；炉体侧壁上设置有原料进料口和营养液进料口，煤类原料通过原料进料口进入炉体内，营养液通过营养液进料口进入炉体内与煤类原料发生反应生成天然气和有机肥；炉体顶部设置有具有气体收集装置的出气口，天然气通过出气口排出炉体进入气体收集装置；炉体底部设置有出料沟，有机肥通过出料沟排出炉体。
12.根据权利要求11所述的反应炉，其特征在于，所述反应炉进一步包括动力组件，该动力组件包括设置在炉体底部的渣浆泵和水泵，其中，渣浆泵用于提供煤类原料进入反应炉时所需的压力，水泵用于提供营养液进入反应炉时所需的压力。
13.根据权利要求11所述的反应炉，其特征在于，所述反应炉进一步包括保温组件，该保温组件包括：设置在炉体底部的地暖盘管，设置在炉体内壁且依次设置的墙体保温材料层和墙体保温铝箔层，以及设置在顶盖上且依次设置的顶盖保温材料层和顶盖保温铝箔层。
14.根据权利要求11所述的反应炉，其特征在于，所述反应炉进一步包括监控组件，该监控组件包括：温度探头，设置在炉体内壁上，用于检测反应物料的温度；pH探头，设置在炉体内壁上，用于检测反应物料的pH值；以及防爆观察窗，设置在反应炉的顶盖上，用于实时观察炉体内的物料反应情况。
15.根据权利要求11所述的反应炉，其特征在于，所述营养液进料口通过管道连接至炉体内壁和炉体底部设置的喷嘴。
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