CN107460120A

CN107460120A - 一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法

Info

Publication number: CN107460120A
Application number: CN201710935960.0A
Authority: CN
Inventors: 左东升; 马程; 陈宁
Original assignee: Enpr (beijing) Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Enpr (beijing) Environmental Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2017-12-12

Abstract

本发明公开了一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法，该装置包括预处理罐、搅拌器、热交换器、微氧曝气装置、调节阀、风机、切割机、循环泵、ORP仪、DO仪、温度计、控制系统；所述预处理罐依靠内部安装的搅拌器与外部设置的切割机、循环泵实现物料均匀混合、破碎及防止沉淀与结壳；所述热交换器与温度计连锁并控制罐体内物料温度；所述微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成微氧曝气系统，为木质素、纤维素水解提供适宜环境；所述控制系统接收并处理以上设备与仪表返回的信号，自动调节系统运行状态；该方法增强水解酶等兼氧微生物活性，提高水解效率，缩短预处理时间，提高厌氧体系稳定性与产气率，降低了投资及运行成本。

Description

一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法

技术领域

本发明属于固体废弃物处理及资源化领域，特别是纤维素、木质素类废弃物的处理与处置，具体涉及到一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法。

背景技术

我国秸秆类生物质资源丰富，每年产量可达7亿吨以上，除了少数秸秆被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外，大多数秸秆被堆置或直接粉碎还田或直接焚烧，这不仅造成资源浪费，也带来了严重的环境污染问题。如将秸秆类生物质进行厌氧发酵处理，废物通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲烷和CO₂产生的反应，其中甲烷俗称沼气是一种可再生利用的生物质能源。其发酵残余物--沼液、沼渣亦可作为肥料进行资源化，这样高品质资源化还可减少环境污染。

秸秆类农业废弃物主要由植物细胞壁组成，干化黄秸秆的基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等，还有少量的钾、镁、钙、硅等化合物的矿物质。纤维素和半纤维素由多糖构成，是产沼气的能量来源。目前，在国内大型沼气工程实践中，主要采用的预处理方式有物理粉碎预处理与碱液预处理。其中，物理粉碎预处理是通常采用的粉碎方式有切割破碎与研磨破碎，而实际应用中发现粉碎预处理效果很有限、不能从本质上改变秸秆的结晶结构。碱液预处理是利用NaOH等极性溶液可以作为润胀剂渗入纤维内部，使得纤维素部分氢键被破坏，部分酯键皂化反应消失，润胀作用提高了厌氧微生物系统可及度，一定程度上提高了原料可降解性。但其对于纤维素结晶区的影响极小，晶体类型没有本质改变，无法充分挖掘产气潜力且运行成本偏高。

使得目前工程化项目均在预处理方面存在着原料受限、预处理技术单一且效率低、发酵效率低且周期长、易发生堵塞与浮渣等问题急需解决。

发明内容

本发明提供了一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法，可以有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置，预处理罐、搅拌器、热交换器、微氧曝气装置、调节阀、风机、切割机、循环泵、ORP仪、DO仪、温度计、控制系统；

其中，所述预处理罐依靠内部安装的搅拌器与外部设置的切割机、循环泵实现物料均匀混合、破碎及防止沉淀与结壳；

所述热交换器与温度计连锁并控制罐体内物料温度；

所述微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成微氧曝气系统，为木质素、纤维素水解提供适宜环境；

所述控制系统接收并处理以上设备与仪表返回的信号，自动调节系统运行状态；

根据本发明的第二方面，在本发明的预处理罐为带保温、内部防腐的钢制罐或混凝土池，罐顶密封，底部呈锥斗状；预处理罐内部安装有搅拌器以实现罐体内含固率5-10％的物料能够均匀混合，搅拌器形式可以是中心垂直搅拌器、潜水搅拌器、中心倒流筒等；预处理罐外部设置了切割机、循环泵并通过管道连接，切割机、循环泵均为能够处理或输送大颗粒物料的设备，其中循环泵可将底部物料吸出并在切割机作用下进行二次切割破碎后喷射至预处理罐上部，以此实现物料于预处理罐外部循环，同时可有效防止物料罐底沉积与罐顶结壳；

根据本发明的第三方面，在本发明的热交换器可根据罐体材质与形式布置与罐体内壁、罐外保温层中，热交换器形式可以采用盘管式、混合式及直接加热式等，其与罐内安装的温度计进行温控连锁控制，为物料水解提供较佳的温度环境；环境温度根据物料形式不同可控制在35-50℃间；

根据本发明的第四方面，在本发明的微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成微氧曝气系统，为木质素、纤维素水解提供适宜环境，即溶解氧浓度控制在0.3-0.7mg/L、氧化还原电位控制在-300～-150mV；其中，微氧曝气装置可采用穿孔管、膜片式、盘式等形式，安装于罐体底部；风机采用高压、低噪型鼓风机，风压根据罐体高度确定；调节阀安装在风机与微氧曝气装置连接的管路上，其开度可调整；ORP仪、DO仪安装与罐体上并实时反映罐体内物料的氧化还原电位与溶解氧浓度，其信号通过线缆传至控制系统；

根据本发明的第五方面，在本发明的控制系统接收ORP仪、DO仪、温度计的信号，以此判断预处理罐内物料反应状态，并通过内部数据处理模型来调整搅拌器、热交换器、调节阀、风机、切割机、循环泵等运行状态；即通过调整搅拌器、切割机、循环泵的运行状态以确保物料均匀混合及防止沉淀与结壳，以温度计数据为依据通过调整热交换器以确保预处理罐处于最佳运行温度，以ORP仪、DO仪数据为依据通过调整调节阀、风机来确保木质素、纤维素最佳水解环境；

本发明还提供了一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理的方法，该方法利用根据前述一个方面或者多个方面所述的微氧预处理装置，所述方法包括：经过初步粉碎的纤维素、木质素类物质进入预处理罐内与回流沼液或营养液混合成含固率5-10％物料，利用内部安装的搅拌器实现罐体内均匀混合，同时通过外部设置的切割机、循环泵亦可将物料从底部吸出并二次粉碎后喷至罐体顶部以实现物料破碎、防止物料罐底沉淀与罐顶结壳；罐体配套设置的热交换器与温度计连锁并控制罐体内物料反应温度，由微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成的微氧曝气系统可为木质素、纤维素水解提供适宜环境，即溶解氧浓度0.3-0.7mg/L、氧化还原电位-300～-150mV；这个过程均是利用控制系统接收ORP仪、DO仪、温度计的信号，以此判断预处理罐内物料反应状态，并通过内部数据处理模型来调整搅拌器、热交换器、调节阀、风机、切割机、循环泵等运行状态来达到；预处理后的物料即可进入厌氧发酵系统中进行产甲烷，最终将纤维素、木质素类物质转化为沼气、沼肥等具有一定经济价值的产品。

通过利用根据本发明的设备和方法，可以获得的有利之处至少在于：

本发明能够增强水解酶等兼氧微生物活性、提高水解预处理的效率、缩短预处理时间、提高厌氧体系稳定性与产气率，近而降低了整个工程的投资及运行成本。

附图说明

图1为本发明专利提供的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置示意图。

附图标记说明；

1：预处理罐；2：搅拌器；3：热交换器；4：微氧曝气装置；5：调节阀；6：风机；7：切割机；8：循环泵；9：ORP仪；10：DO仪；11：温度计；12：控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明：

实施例一：

某生物质能源项目地处山东农产区，由于该项目所在地几十公里范围内没有大型的牛羊养殖牧场，原有秸秆基本上以露天焚烧、粉碎还田为主，秸秆资源化有限。本项目以当地小麦、玉米等农作物秸秆为原料进行厌氧发酵处理，年处理秸秆约6万吨，日产沼气3.6万Nm³，年发电1200万度，年生产有机肥3万吨。根据本工程规模，项目设置4条沼气发酵生产线，每条生产线各设置1座有效容积300m³的微氧预处理装置和1座有效容积6000m³的高温厌氧发酵罐，还配套了常规的上料计量装置和沼渣、沼液与沼气处理与利用系统，以此形成了完整的生物质能源系统。其中，纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置为整个体系稳定性与效率核心部分。

如图1所示，项目采用外部保温、内部防腐的钢制预处理罐1，其有效容积300m³，罐顶密封、底部呈倾角为60°的锥斗状；其内部安装有中心垂直搅拌器及辅助中心倒流筒以均匀搅拌含固率为5-10％的秸秆与水混合物料；

预处理罐1内壁安装有与热源连接的盘管式热交换器3，其与温度计11连锁并控制罐体内物料温度为38±1℃；

预处理罐1外部设置了能够处理粉碎玉米秸秆块的管道式切割机7和循环泵8，并通过不锈钢耐磨管道连接，循环泵8可将预处理罐1底部物料吸出并在切割机作用下进行二次切割破碎后喷射至预处理罐1上部20-50cm，可有效防止物料罐底沉积与罐顶结壳；预处理罐1

内底部安装有穿孔管式微氧曝气装置4，并通过管道与调节阀5、风机6连接；其外壁上安装有ORP仪10、DO仪11；

控制系统12接收ORP仪9、DO仪10、温度计11的信号，以此判断预处理罐1内物料反应状态，并通过内部数据处理模型来调整搅拌器2、热交换器3、调节阀5、风机6、切割机7、循环泵8等运行状态，为秸秆的木质素、纤维素水解提供适宜环境，即溶解氧浓度0.3-0.7mg/L、氧化还原电位-300～-150mV。其中，风机6可连续或间歇运行以保证预处理罐1内物料的溶解氧浓度；切割机7、循环泵8可根据预处理罐1内物料粒径、含固率、底部沉积与罐顶结壳情况进行运行。

经过微氧预处理后的秸秆已完成水化，纤维素、木质素等大部分水解为多糖，以便于后续产甲烷。该纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置后进入高温厌氧发酵罐进行产甲烷，发酵温度为48℃；产生的沼气用于发电机发电，发出的电经升压后上网，发酵后的沼渣用于生产固态有机肥，沼液分离后返回至预处理罐与秸秆混合进行内部循环。

本实例解决了富含纤维素、木质素秸秆预处理效率低、发酵效率低且周期长、易发生堵塞与浮渣等问题，增强了水解酶等兼氧微生物活性，水解预处理效率提高了20-30％，总发酵时间由40-60天缩短至27以内，产气率提高了15-30％，提高了厌氧体系稳定性，与传统秸秆厌氧发酵系统相比降低了整个工程的投资及运行成本。

实施例二：

江苏省某生物质能源项目以当地玉米秸秆、牛粪等农业废弃物为原料进行厌氧发酵处理，年处理秸秆约64.5万吨和存栏量为6万头肉牛的粪便，年产沼气1610万Nm³，年发电3570万度，年生产有机肥4.2万吨。根据本工程规模，项目设置了8座有效容积250m³的微氧预处理装置和8座有效容积5000m³的高温厌氧发酵罐，还配套了常规的上料计量装置和沼渣、沼液与沼气处理与利用系统，以此形成了完整的生物质能源系统。其中，纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置为整个体系稳定性与效率核心部分。

如图1所示，项目采用外部保温、内部防腐的钢制预处理罐1，其有效容积250m³，罐顶密封、底部呈倾角为60°的锥斗状；其内部安装有中心垂直搅拌器及辅助中心倒流筒以均匀搅拌含固率为5-10％的秸秆与水混合物料；

本实例解决了富含纤维素、木质素秸秆预处理效率低、发酵效率低且周期长、易发生堵塞与浮渣等问题，增强了水解酶等兼氧微生物活性，水解预处理效率提高了25-30％，总发酵时间由40-60天缩短至27以内，产气率提高了20-30％，提高了厌氧体系稳定性，与传统秸秆厌氧发酵系统相比降低了整个工程的投资及运行成本。

Claims

1.一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法，其特征在于，所述装置包括：

预处理罐、搅拌器、热交换器、微氧曝气装置、调节阀、风机、切割机、循环泵、ORP仪、DO仪、温度计、控制系统；

所述预处理罐依靠内部安装的搅拌器与外部设置的切割机、循环泵实现物料均匀混合、破碎及防止沉淀与结壳；

所述热交换器与温度计连锁并控制罐体内物料温度；

所述控制系统接收并处理以上设备与仪表返回的信号，自动调节系统运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置，其特征在于，所述预处理罐为带保温、内部防腐的钢制罐或混凝土池，罐顶密封，底部呈锥斗状；预处理罐内部安装有搅拌器以实现罐体内含固率5-10％的物料能够均匀混合，搅拌器形式可以是中心垂直搅拌器、潜水搅拌器、中心倒流筒等；预处理罐外部设置了切割机、循环泵并通过管道连接，切割机、循环泵均为能够处理或输送大颗粒物料的设备，其中循环泵可将底部物料吸出并在切割机作用下进行二次切割破碎后喷射至预处理罐上部，以此实现物料于预处理罐外部循环，同时可有效防止物料罐底沉积与罐顶结壳。

3.根据权利要求1所述的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置，其特征在于，所述热交换器可根据罐体材质与形式布置与罐体内壁、罐外保温层中，热交换器形式可以采用盘管式、混合式及直接加热式等，其与罐内安装的温度计进行温控连锁控制，为物料水解提供较佳的温度环境；环境温度根据物料形式不同可控制在35-50℃间。

4.根据权利要求1所述的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置，其特征在于，所述微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成微氧曝气系统，为木质素、纤维素水解提供适宜环境，即溶解氧浓度控制在0.3-0.7mg/L、氧化还原电位控制在-300～-150mV；其中，微氧曝气装置可采用穿孔管、膜片式、盘式等形式，安装于罐体底部；风机采用高压、低噪型鼓风机，风压根据罐体高度确定；调节阀安装在风机与微氧曝气装置连接的管路上，其开度可调整；ORP仪、DO仪安装与罐体上并实时反映罐体内物料的氧化还原电位与溶解氧浓度，其信号通过线缆传至控制系统。

5.根据权利要求1所述的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置，其特征在于，所述控制系统接收ORP仪、DO仪、温度计的信号，以此判断预处理罐内物料反应状态，并通过内部数据处理模型来调整搅拌器、热交换器、调节阀、风机、切割机、循环泵等运行状态；即通过调整搅拌器、切割机、循环泵的运行状态以确保物料均匀混合及防止沉淀与结壳，以温度计数据为依据通过调整热交换器以确保预处理罐处于最佳运行温度，以ORP仪、DO仪数据为依据通过调整调节阀、风机来确保木质素、纤维素最佳水解环境。

6.一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法，其特征在于，该方法包括：

采用上述权利要求1～5任一项所述的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置；

经过初步粉碎的纤维素、木质素类物质进入预处理罐内与回流沼液或营养液混合成含固率5-10％物料，利用内部安装的搅拌器实现罐体内均匀混合，同时通过外部设置的切割机、循环泵亦可将物料从底部吸出并二次粉碎后喷至罐体顶部以实现物料破碎、防止物料罐底沉淀与罐顶结壳；罐体配套设置的热交换器与温度计连锁并控制罐体内物料反应温度，由微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成的微氧曝气系统可为木质素、纤维素水解提供适宜环境，即溶解氧浓度0.3-0.7mg/L、氧化还原电位-300～-150mV；这个过程均是利用控制系统接收ORP仪、DO仪、温度计的信号，以此判断预处理罐内物料反应状态，并通过内部数据处理模型来调整搅拌器、热交换器、调节阀、风机、切割机、循环泵等运行状态来达到；预处理后的物料即可进入厌氧发酵系统中进行产甲烷，最终将纤维素、木质素类物质转化为沼气、沼肥等具有一定经济价值的产品。该系统及方法增强了水解酶等兼氧微生物活性、提高了水解预处理的效率、缩短了预处理时间、提高厌氧体系稳定性与产气率，近而降低了整个工程的投资及运行成本。