CN107245448A - 一种甲烷生产设备及其系统 - Google Patents

Abstract

一种甲烷生产设备及其系统，其涉及农业废弃物资源化利用及环境保护技术领域。该设备通过设置依次连通的热碱预处理装置、酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器，使得生产甲烷的原料底物能够先后进行热碱预处理、酶水解和厌氧消化，从而达到高效率持续产出甲烷的目的；通过在热碱预处理装置与酶水解装置之间设置紫外消毒器，实现了酶水解前后的两次灭菌处理，保证了底物原料的甲烷转化率。因此，上述的甲烷生产设备及其系统，不但具备较高的甲烷生产的工艺效率，而且其可以将作物秸秆和畜粪作为甲烷生产的原料进行加工利用，减少了环境污染，提高了资源利用率。

Description

一种甲烷生产设备及其系统

技术领域

本发明涉及农业废弃物资源化利用及环境保护技术领域，具体而言，涉及一种甲烷生产设备及其系统。

背景技术

随着全世界能源的需求不断增长以及化石能源的逐渐匮乏，寻求可替代再生能源并提高能源利用率已迫在眉睫。甲烷是一种能量高的可燃气体，其具有可再生、成本低、污染小等特点。如富含木质纤维素的植物秸秆或者富含蛋白质的动物粪便都有望作为产甲烷的原材料。我国农作物秸秆年产量高达8亿多吨，但是，我国的秸秆综合利用率只有30％左右，过剩的秸秆主要以焚烧和废弃的形式处理，导致了环境的污染也浪费了资源。同时，另外一种农业废弃物——畜禽粪便每年约产生二十亿吨，如果处置不当会造成水体和土壤的污染，而畜禽粪便同样被认为是一种重要的能源载体有机废物。

因此，采用畜粪秸秆消化产沼气成为了一种操作简单、成本较低的甲烷生产方式，但是目前畜粪秸秆厌氧消化产沼气仍存在工艺耗时长、甲烷产率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种甲烷生产设备，其能够提升厌氧消化产甲烷的效率，大幅缩短厌氧消化的停留时间。

本发明的另一目的在于提供一种甲烷生产系统，其包括上述的甲烷生产设备，其能够在提高畜粪和秸秆利用率的同时，提升厌氧消化产甲烷的效率，并且还能起到减少环境污染的效果。

本发明的实施例是这样实现的：

一种甲烷生产设备，其包括热碱预处理装置、酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器，热碱预处理装置、酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器依次连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述热碱预处理装置包括用于进行秸秆热碱预处理的第一预处理池、用于进行畜粪热碱预处理的第二预处理池以及碱液罐，碱液罐均与第一预处理池和第二预处理池连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述酶水解装置包括与第一预处理池和第二预处理池对应的第一酶水解池和第二酶水解池，第一酶水解池和第二酶水解池均设置有搅拌器。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述第一预处理池、第二预处理池、第一酶水解池和第二酶水解池均设置有温控装置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述第二预处理池和第二酶水解池之间还设置有紫外消毒装置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述甲烷生产设备还包括过滤回流装置，过滤回流装置均与酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述第一酶水解池和第二酶水解池均是由碳钢材料制成的。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述第一预处理池和第二预处理池均是由水泥筑成的。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器由双层碳钢制成，且厌氧膨胀颗粒污泥床反应器内部设置有三相分离器；厌氧膨胀颗粒污泥床反应器外部还设置有洗气罐和集气罐，洗气罐分别与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器和集气水瓶连通。

一种甲烷生产系统，其包括上述的甲烷生产设备。

本发明实施例的有益效果是：上述的甲烷生产设备通过设置依次连通的热碱预处理装置、酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器，使得甲烷生产的原料能够先后进行热碱预处理、酶水解和厌氧消化，从而高效率的持续产出甲烷。因此，本发明实施例提供的上述甲烷生产设备及其系统，不但具备较高的甲烷生产工艺效率，而且其可以将作物秸秆和畜粪作为甲烷生产的原料进行加工利用，减少了这些废弃物对环境的污染，也提高了资源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供甲烷生产设备的平面结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供甲烷生产系统的结构模块连接示意图；

图3为本发明第二实施例提供甲烷生产设备的平面结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供甲烷生产系统的结构模块连接示意图。

图标：10-甲烷生产系统；100-甲烷生产设备；20-甲烷生产系统；200-甲烷生产设备；110-控制系统；112-手动控制系统；114-智能控制系统；120-热碱预处理装置；121-搅拌器；122-第一预处理池；123-碱液罐；124-第二预处理池；224-第二预处理池；125-温控装置；140-酶水解装置；141-搅拌器；142-第一酶水解池；144-第二酶水解池；244-第二酶水解池；145-温控装置；147-电动泵；149-电动泵；150-过滤回流装置；152-反冲洗装置；157-电动泵；160-厌氧膨胀颗粒污泥床反应器；162-三相分离器；164-洗气罐；166-集气罐；230-紫外线消毒器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种甲烷生产设备100，其主要应用于热碱-酶水解-厌氧消化产甲烷工艺中使用，并且其待加工原料可以是畜粪和作物秸秆。需要说明的是，本实施例提供的甲烷生产设备100，不但能够高效率的产出甲烷，而且其使得畜粪和秸秆的可资源化的利用率得以提升，有利于节约资源和减少环境污染。

进一步地，本实施例提供的甲烷生产设备100包括依次连通的热碱预处理装置120、酶水解装置140和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160，即通过热碱预处理装置120、酶水解装置140和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160的设置，使得甲烷生产的原料底物能够先后进行热碱预处理、酶水解和厌氧消化，从而高效率持续产出甲烷。

进一步地，本实施例提供的热碱预处理装置120包括用于进行秸秆热碱预处理的第一预处理池122、用于进行畜粪热碱预处理的第二预处理池124以及碱液罐123，碱液罐123均与第一预处理池122和第二预处理池124连通。需要说明的是，通过碱液罐123可以将碱液分别输送到第一预处理池122和第二预处理池124，以便于第一预处理池122和第二预处理池124进行热碱预处理。

另外，具体地，第一预处理池122由水泥构筑而成，其上端与碱液罐123连通，并且顶部还设置了进料口，底部设有出料口。需要说明的是，为了达到很好的热碱预处理效果，本实施例提供的第一预处理池122的内部设置有搅拌器121，池壁自带有温控装置125，故通过搅拌器121，能够在原料进行热碱预处理的过程中对原料进行持续的搅拌，以达到充分热碱化的目的；通过温控装置125可以对第一预处理池122内部温度进行控制，以便于在热碱预处理过程中进行温度的精准实时控制。

进一步地，需要强调的是，本实施例提供的第二预处理池124与第一预处理池122结构上大致相同，本实施例不再赘述，不同之处在于，第二预处理池124主要进行热碱预处理的原料底物为畜粪，并且甲烷生产设备100正常工作时，第一预处理池122和第二预处理池124相对于碱液罐123并联设置，同时工作，分别将作物秸秆和畜粪作为底物进行热碱预处理。

进一步地，不同原料底物在第一预处理池122和第二预处理池124中经过热碱预处理后，分别进入到第一酶水解池142和第二酶水解池144进行酶水解。具体地，由于第一酶水解池142和第二酶水解池144大致相同，因此，以介绍第一酶水解池142为例：

第一酶水解池142由碳钢水箱制成，其上端设置有密封盖和出料口，水箱中设置有搅拌器141，底部设置有进料口并与第一预处理池122的出料口连通，另外，第一酶水解池142碳钢的主体部位还设置有温控装置145，以便于在进行酶水解过程中对其内部进温度的实时精准控制。

进一步地，经过在第一酶水解池142水解过后的原料底物第一次酶水解后，会通过电动泵147将水解液从出料口处传输到过滤回流装置150中的滤布滤池中，滤布滤池底部设置排泥口，并通过电动泵149进行残渣回流，即水解液在滤布滤池中经过过滤后会形成水解液和剩余残渣，过滤得到的水解液会在电动泵157的作用下被输送到厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160进行厌氧消化，而剩余残渣会在电动泵149的作用下被输送回第一酶水解池142继续水解，另外，为了防止滤布滤池中的滤布因为堵塞而影响使用，本实施例提供的滤布滤池中的还设置有反冲洗装置152，通过反冲洗装置152间歇式的对滤布进行冲洗，保证了滤布时刻保持较佳的过滤效果。需要说明的是，第一酶水解池142和第二酶水解池144对应均有各自的过滤回流装置150，因为其结构功能基本相同，因此，本实施例不再赘述。

进一步地，在两个过滤回流装置150中经过滤布滤池过滤得到的水解液被输送到厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160后，主要进行厌氧消化反应。具体地，本实施例提供的厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160由双层碳钢制成，且厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160内部设置有三相分离器162，通过三相分离器162使得进入到厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160的水解液在厌氧消化过程中产生的甲烷能够被及时的分离输送出去。

进一步地，厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160外部还设置有洗气罐164和集气罐166，洗气瓶164分别与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160和集气罐166连通，即当甲烷被厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160中的三相分离器162分离出来后，会首先被输送到洗气罐164中进行净化，然后，再进入到集气罐166中进行收集。

本实施例提供的甲烷生产设备100的工作原理是：向甲烷生产设备100的第一预处理池122和第二预处理池124中加入对应的底物，通过碱液罐123将碱液输送到第一预处理池122和第二预处理池124中进行热碱预处理，在热碱预处理过程中，可以通过搅拌器121来对底物进行搅拌，可以通过温控装置125来控制热碱预处理过程中的温度。

进一步地，经过热碱预处理过后，底物被输送到对应的酶水解池中进行酶水解，需要说明的是，同样的，在酶水解过程中，可以通过搅拌器141来对底物进行搅拌，使得水解速度加快，可以通过温控装置145来控制水解过程中的温度，以实现实时精准的酶水解参数控制。

进一步地，经过酶水解过后，水解液被输送到对应的过滤回流装置150内进行过滤和回流再水解。其中，过滤得到的残渣回流再水解，过滤得到的水解液被输送到厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160进行厌氧消化反应，产生甲烷。另外，在过滤回流装置150内部中，可以通过设置的反冲洗装置152对滤布进行及时的清洗，以保证过滤回流装置150正常工作。

进一步地，经过滤布滤池过滤得到的水解液被输送到厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160后，在三相分离器162的作用下发生厌氧消化反应，产生的甲烷被及时分离处理，并输送到洗气罐164中进行净化，最后，再进入到集气罐166中进行收集。

另外，需要强调的是，本实施例的甲烷生产设备100通过设置依次连通的热碱预处理装置120、酶水解装置140和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器160，使得生产甲烷的原料底物能够先后进行热碱预处理、酶水解和厌氧消化，从而高效率持续产出甲烷。因此，本实施例提供的甲烷生产设备100，不但具备较高的甲烷生产工艺效率，而且还减少了废弃物对环境的污染，提高了资源利用率。

请结合参照1和图2，本实施例还提供了一种甲烷生产系统10，其包括上述的甲烷生产设备100和用于控制甲烷生产设备100的控制系统110。需要说明的是，此控制系统110包括手动控制系统112和智能控制系统114，且两者并联设置。需要说明的是，其中，手动控制系统112为备用系统，智能控制系统114为甲烷生产设备100正常使用时的工作控制方式。因此，通过设置多样化的控制系统110，不但确保了甲烷生产设备100的智能化控制和高效率运转，而且还降低了甲烷生产设备100的故障率，进一步提高了甲烷生产的工艺效率。

第二实施例

请参照图3，本实施例提供了一种甲烷生产设备200，其与第一实施例提供的甲烷生产设备100大致相同，不同之处在于，本实施例提供的甲烷生产设备200在第二预处理池224和第二酶水解池244之间设置了紫外线消毒器230。

具体地，由于第二预处理池224中添加的底物为畜粪，而畜粪中含有多种微生物(如病原体和孢子)，其可以利用酶水解的碳水化合物进行繁殖生长，导致水解液中的碳水化合物浓度降低，从而影响后续产甲烷的能力，因此，本实施例中设置紫外线消毒器230将热碱预处理后的畜粪先进行紫外灭菌，然后进入第二酶水解池244中进行水解，酶水解结束后，畜粪水解液再循环到紫外线消毒器230中进行二次紫外灭菌。需要说明的是，通过紫外线消毒器230的设置，使得酶水解前后能够进行两次的紫外灭菌处理，从而保证了原料底物的甲烷转化率，提高了资源利用率。

另外，结合参照图3和图4，本实施例还提供了一种甲烷生产系统20，其与第一实施例提供的甲烷生产系统10大致相同，不同之处在于，本实施例提供的甲烷生产系统20中采用的是本实施提供的甲烷生产设备200，其通过设置紫外线消毒器230，实现了酶水解前后的两次灭菌处理，保证了原来底物的甲烷转化率。

综上所述，本发明实施例提供的甲烷生产设备通过设置依次连通的热碱预处理装置、酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器，使得生产甲烷的原料底物能够先后进行热碱预处理、酶水解和厌氧消化，从而达到高效率长时间产出甲烷的目的；通过在热碱预处理装置与酶水解装置之间设置紫外消毒器，实现了酶水解前后的两次灭菌处理，保证了底物原料的甲烷转化率。因此，本发明实施例提供的上述甲烷生产设备及其系统，不但具备较高的甲烷生产的工艺效率，而且其可以将作物秸秆和畜粪作为甲烷生产的原料进行加工利用，减少了环境污染，提高了资源利用率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种甲烷生产设备，其特征在于，其包括热碱预处理装置、酶水解装置和厌氧膨胀颗粒污泥床反应器，所述热碱预处理装置、所述酶水解装置和所述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器依次连通。

2.根据权利要求1所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述热碱预处理装置包括用于进行秸秆热碱预处理的第一预处理池、用于进行畜粪热碱预处理的第二预处理池以及碱液罐，所述碱液罐均与所述第一预处理池和所述第二预处理池连通。

3.根据权利要求2所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述酶水解装置包括与所述第一预处理池和所述第二预处理池对应的第一酶水解池和第二酶水解池，所述第一酶水解池和所述第二酶水解池均设置有搅拌器。

4.根据权利要求3所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述第一预处理池、所述第二预处理池、所述第一酶水解池和所述第二酶水解池均设置有温控装置。

5.根据权利要求3或4所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述第二预处理池和所述第二酶水解池之间还设置有紫外消毒装置。

6.根据权利要求5所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述甲烷生产设备还包括过滤回流装置，所述过滤回流装置均与所述酶水解装置和所述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器连通。

7.根据权利要求3所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述第一酶水解池和所述第二酶水解池均是由碳钢材料制成的。

8.根据权利要求2所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述第一预处理池和所述第二预处理池均是由水泥筑成的。

9.根据权利要求1所述的甲烷生产设备，其特征在于，所述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器由双层碳钢制成，且所述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器内部设置有三相分离器；所述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器外部还设置有洗气罐和集气罐，所述洗气罐分别与所述厌氧膨胀颗粒污泥床反应器和所述集气罐连通。

10.一种甲烷生产系统，其特征在于，其包括如权利要求1-9任意一项所述的甲烷生产设备。