CN107683329A - 改进的生物气体生产系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物气体生产系统，其包括：至少一个用于产生生物气体和沼渣的消化池，以及进料系统。每个消化池包括：第一端部，第二端部，以及在两者之间的周边侧壁；一个或多个入口，其中至少一个入口设置成接收有机底物；一个或多个出口，其中至少一个出口设置成释放生物气体。所述进料系统包括设置成将所述有机底物接收并供应到消化池的凹坑，所述入口设置为邻近所述凹坑的下部，所述凹坑设置成使得在凹坑内的有机底物的重量将有机底物偏斜至消化池中。

Description

改进的生物气体生产系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物气体的制备，并且特别地涉及制备生物气体的系统和方法。
背景技术
通常，通过燃烧燃料如煤和柴油来产生电力。这些方法使世界的自然资源大为减少，并且产生对环境有不利影响的温室气体。
因为有许多与之关联的益处，所以由厌氧生物质消化来产生清洁可燃的生物气体(主要是甲烷和二氧化碳)正在成为越来越受欢迎的发电方法。重要的是，生物气体的制备在性质上被认为是无污染的，因为它利用垃圾填埋场、废物堆场和农场中寻得的废物材料，从而使得土壤和水的污染减少。此外，生物气体的制备不需要可燃的燃料和氧气，这意味着通过不使用任何另外的燃料和自然资源而使资源受到保护。
然而，现有生物气体生产系统的运行和维护面临着挑战。现有的生物气体生产系统使用马达驱动的螺旋输送器和/或强制进料机器向消化池提供有机底物的定期补给。为此，除了用于将有机底物从离散的地点(例如垃圾填埋场、废物堆场和农场)输送到生物气体生产设施中的设备之外，所述螺旋输送器和/或进料机器的运行和维护也需要大量的以及额外的能量负荷和人力，这反过来抬高了资本和运行支出。
另一种系统使用机械驱动的在消化池内和/或消化池上的混合器(例如桨式混合器)以及在消化池内和/或消化池上的加热元件，用于搅拌并在厌氧消化期间加热有机底物。这种设置使得有必要定期维护、修理和/或更换所述混合器和加热元件，以确保有效和平稳的厌氧消化。换言之，为了让路给定期的维护、修理和/或更换活动，排尽消化池和中断生物气体生产将是不可避免的。此外，运动机械部件的使用也会导致可靠性问题。
为此，由于成本、设计和操作方面的问题，现有的生物气体生产系统具有受限的工业部署。特别地，设计一种可靠、具有能源效率和成本效益以及易于操作和维护的生物气体生产系统仍然是一个挑战。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种生物气体生产系统，其包括：至少一个用于产生生物气体和沼渣的消化池，以及进料系统。每个消化池包括：第一端部，第二端部，以及在两者之间的周边侧壁；一个或多个入口，其中至少一个入口设置成接收有机底物；一个或多个出口，其中至少一个出口设置成释放生物气体。所述进料系统包括设置成将所述有机底物接收并供应到消化池的凹坑，所述入口设置为邻近所述凹坑的下部，所述凹坑设置成使得在凹坑内的有机底物的重量将有机底物偏斜至消化池中。
在本发明的实施方案中，生物气体生产系统还可以包括至少一个独立的混合单元，所述至少一个混合单元设置成从消化池中抽出部分有机底物，并将所述部分有机底物重新引入到有机底物的表面。
生物气体生产系统还可以包括设置成加热部分有机底物的至少一个独立的加热单元。
在本发明的特定实施方案中，加热单元可以包括一个或多个热交换器。
在本发明进一步的实施方案中，加热单元可以设置成在40℃至42℃的温度范围内加热部分有机底物。
仍在进一步的实施方案中，混合单元可以包括位于用于接收有机底物的入口上方的至少一个旋转喷嘴。
在本发明的一个实施方案中，至少一个混合单元和至少一个加热单元可以设置在便携式集装箱化的单元中。
在本发明的特定实施方案中，进料系统可以包括接近消化池第一端部的倾斜平台，所述平台设置成在用于接收有机底物的入口与消化池之间界定一个或多个流动路径以用于在重力作用下供应所述有机底物。
在本发明进一步的实施方案中，生物气体生产系统还可以包括至少一个沼渣处理单元，其设置成从沼渣中回收营养物以产生肥料。
仍在进一步的实施方案中，回收的营养物可以包含以下中的一种或组合：氮，钾和磷。
在本发明的特定实施方案中，沼渣处理单元可以包括一个或多个微滤器、超滤器和/或纳米过滤器。
在本发明的实施方案中，沼渣处理单元可以连接至一个或多个第三方地点和/或存储设施，所述生物气体生产系统还包括设置成切断向未付费第三方供应肥料的关闭系统。
在第二方面，本发明提供一种生物气体制备的方法，其包括以下步骤：提供至少一个用于产生生物气体和沼渣的消化池，每个消化池包括：第一端部，第二端部，以及在两者之间的周边侧壁；一个或多个入口，其中至少一个入口设置成接收有机底物；一个或多个出口，其中至少一个出口设置成释放生物气体；以及提供用于将有机底物供给到至少一个消化池的进料系统，所述进料系统包括设置成将所述有机底物接收并供应到消化池的凹坑，所述入口设置为邻近所述凹坑的下部，所述凹坑设置成使得在凹坑内的有机底物的重量将有机底物偏斜至消化池中。
在本发明的实施方案中，该方法还可以包括以下步骤：在进料步骤之后从消化池中抽出部分有机底物；以及将所述部分有机底物重新引入到有机底物的表面。
在本发明的一个实施方案中，该方法还可以包括在重新引入步骤之前加热部分有机底物的步骤。
在本发明进一步的实施方案中，可以在用于接收有机底物的入口上方的水平处重新引入部分有机底物。
仍在本发明进一步的实施方案中，该方法还可以包括处理沼渣以产生肥料的步骤。
在本发明的特定实施方案中，处理沼渣的步骤可以包括所述沼渣的微滤、超滤和/或纳米过滤。
在第三方面，本发明提供一种与包含有机底物的消化池一起使用的独立混合单元，所述混合单元设置成从消化池的基部抽出部分有机底物，并将所述部分有机底物重新引入到有机底物的表面。
在本发明的一个实施方案中，混合单元可以包括设置成加热部分有机底物的至少一个独立的加热单元。
附图说明
就举例说明本发明可能的设置的附图而言，其便于进一步描述本发明。本发明的其它设置也是可存在的，因此，附图的特殊性不应被理解为取代本发明的前述描述的一般性。
图1是根据本发明一个实施方案的生物气体生产系统的示意图；以及
图2是根据本发明一个实施方案的进料系统的侧视放大图；
图3是根据本发明一个实施方案的生物气体制备方法的流程图。
具体实施方式
在厌氧反应器或消化池(气密性)中，有机底物(纯单一底物或各种有机底物的混合物，伴随着水的存在)通过在氧气不存在下的复杂生物过程(被称为厌氧发酵或厌氧消化)被存在于有机底物中的各种微生物(发酵细菌，产乙酸细菌和产甲烷细菌)分解。厌氧消化的结果是形成生物气体和沼渣。
图1示出根据本发明一个实施方案的生物气体生产系统的示意图。在该实施方案中，生物气体生产系统5包括两个消化池10。每个消化池可以包括第一端部25，第二端部部分30，以及在两者之间的周边侧壁35。消化池10可以包括一个或多个入口和一个或多个出口。至少一个入口15可以设置成接收有机底物45，所述有机底物45可以包含但不限于：能量团(例如谷物、玉米、小米)，液体或固体粪(例如家畜粪和家禽粪)，生活有机废物(例如水果废物和蔬菜废物)，或它们的组合。至少一个出口20可以设置成释放生物气体。应当理解，出口20可以连接至一个或多个热电联产单元(也被称为联合热电单元)，以产生电力和有用的热量。
应当理解，生物气体生产系统中的消化池数量可以根据场地限制(例如土地大小)和预期应用(例如要处理的有机底物的量和类型以及期望的生物气体生产能力)而变化。
在本发明的任何实施方案中，可以使用任何合适的材料来构造消化池，所述合适的材料对于消化池中的反应环境而言是惰性的，并且其也耐腐蚀。例如，合适的材料可以包括但不限于：砖，混凝土，钢筋，或它们的组合。
在本发明的一个实施方案中，消化池10的第一端部25可以是圆顶形的盖或顶部。作为厌氧消化的结果，在消化池中形成生物气体，其开始聚集在圆顶形顶部中。特别地，对于给定的表面积而言，与具有扁平顶部的消化池相比，具有圆顶形顶部的消化池能够容纳更大体积的生物气体，并且因此使构造消化池所需的材料量和由此的成本最小化。以这种方式，具有圆顶形顶部的消化池可以用作用于生物气体的更具成本效益的压力容纳装置。
图2描绘出根据本发明实施方案设置成将有机底物或原料供应至消化池的进料系统。进料系统40可以包括接近消化池第一端部25的凹部或凹坑42，其设置成将有机底物供应到消化池10。进料系统40可以构造成使得入口15位于凹坑42的下部57。这种设置有利于创建一种自动供给系统，其中在凹坑42的底部52处的原料在其自身重量WFS的作用下流到或偏斜43到消化池10中。这可以发生在从消化池10中抽出部分的有机底物45和/或沼渣时。然后使以下的过量原料47在其自身重量的作用下偏斜以在凹坑的底部处形成下批原料，所述过量原料47为在凹坑42的底部52处的原料上方堆叠的原料堆。
可以使用任何合适的方法或机械将供应的有机底物或原料从相邻或离散的地点(例如垃圾填埋场、废物堆场和农场)输送到进料系统40。合适的机械包括但不限于前端式装载机或拖拉机。
在本发明的一个实施方案中，进料系统40可以包括接近消化池10的第一端部25的倾斜平台50。通过将平台50倾斜至竖直面55，有机底物或原料借助于重力可以从平台50的引导边缘60通过平台50并经由入口15移动到消化池10。以这种方式，可以在入口15与消化池10之间界定一个或多个流动路径以用于在重力作用下供应有机底物45。
为此，本发明的进料系统40有利地减少了对消化池强制进料所涉及的工作、能量和成本。
可以使用任何合适的材料来形成平台50，所述合适的材料对于消化池中的反应环境而言是惰性的，并且其也耐腐蚀。例如，合适的材料可以包括但不限于：砖，金属(例如不锈钢)，混凝土，或它们的组合。
另外，在图1所示的实施方案中的消化池可以包括截头圆锥形的周边侧壁35。通过利用重力，可以在消化池10内装填和压实由进料系统40引入的有机底物或原料45。优选地，消化池10可以在地下并且设置成使得入口15恰好在平台50的尾端57上方。应当理解，在地上的消化池也可以与设在升高的平台上的进料系统共同使用，从而适用于在重力作用下供应有机底物。
因此，本发明进料系统40通过使用较少的用于向消化池供应有机底物的机械和设备而在操作、维护和修理方面具有超越常规生物气体生产系统的优势。
在图1中所示的蒸煮器10可以设置有至少一个独立的或在消化池外边的混合单元65以用于混合和/或搅拌消化池10内的有机底物45。特别地，混合单元65确保活性生物质(即经历厌氧消化的有机底物)与新引入的有机底物或原料之间的接触，以使微生物更快地起作用并有助于消化过程。混合单元65还用于确保活性生物质与原料之间的温度均一性，从而防止形成温度梯度。此外，混合单元65可以促进有机底物上方由厌氧消化产生的生物气体的积聚。
消化池10可以设置有接近第二端部30的出口75，以用于连接到图1中所示的混合单元65的管道80。混合单元65可以包括在所述出口75下游的泵85以用于从消化池10的底部或基底抽出有机物底物或活性生物质。应当理解，可以使用任何合适的泵。例如，合适的泵可以包括但不限于：离心泵，正排量泵，或它们的组合。应当理解，所使用的泵类型可以根据要处理的有机底物的类型而变化。例如，正排量泵更适合于具有较高固体含量的底物。
此外，混合单元65可以在所述泵85的下游设置有独立的或在消化池外边的加热单元90。加热单元90设置成在将所述的有机底物返回到消化池10之前，在预定温度下加热抽出的有机底物或活性生物质，以使生物气体生产所需的微生物活性有效。可以使用任何合适的加热元件。合适的加热元件可以包括但不限于在消化池/反应器外边(ex-digester/reactor)的热交换器。在温度较高并且日照时间较长的国家，太阳能加热的水可以是一种经济有效的供热方案。优选地，加热单元90设置成在40℃至42℃的温度范围内加热抽出的有机底物或活性生物质。
此外，消化池10可以设置有入口95，以用于连接到混合单元65的管道100和多个出口105。管道100和出口105用于将所述加热的有机底物或活性生物质重新引入到新供给的有机底物或原料的表面110。多个出口105可以包括位于入口15上方的一个或多个旋转喷嘴。优选地，一个或多个喷嘴在24小时内逐渐以90度角转动。
更进一步地，根据本发明任一实施方案的消化池10可以设置有绝缘层(例如通过用泥土覆盖消化池)，以便非常适合于温带区域中的生物气体生产系统。
虽然已经为图1中所示的混合单元65确定了泵和加热单元的上述设置，但是本领域技术人员将理解，也可以使用其它设置。根据生物气体生产系统的操作条件和工艺参数(例如所需的运行时间、通过混合单元的底物量、混合单元的加热和/或抽出能力)，可以使用包括一个或多个备用泵和一个或多个加热元件的替代设置。特别地，替代设置可以包括附加的备用泵，从而使得当一个泵出现故障时，该双泵设置可以使得从故障泵切换到备用泵，并由此避免中断生物气体生产过程。
在本发明的实施方案中，混合单元65和加热单元90可以设置在便携式集装箱化的单元中，以使得将所述混合单元和加热单元容易且快速地安装到生物气体生产系统的消化池，并且在生物气体工程地点之间容易运输。
因此，上述在消化池外边的混合单元65和加热单元90的运行用于立即在新引入的原料表面上方堆积活性生物质。以这种方式，在外部环境与消化池10的入口15之间有利地形成天然的气密屏障。这防止了氧气进入消化池，从而为厌氧消化创造有益的环境。
关于本发明的混合单元和加热单元的另一优点是消化池内的马达和机械设备减少。与具有在消化池内/消化池上的混合器和/或加热元件的常规生物气体生产系统相比，通过具有在消化池外边的混合单元和加热元件，要求保护的生物气体生产系统的维护和更换活动容易得多。特别地，要求保护的生物气体生产系统使得易于安装、维护和修理，同时减少生物气体生产的停机时间。
在图1的实施方案中，通过设在消化池10中提供的出口115移出经消化的有机底物或沼渣。沼渣可以经受进一步处理以符合当地环境法规，其中在排入接收体和/或限制营养负荷的农田之前需要去除营养物和有机物质。此外，应当理解，沼渣可以就其植物营养物(例如氮、磷、钾和硫)的含量而言进行稀释。这导致在处理、运输和存储低营养浓度的大量沼渣上的成本很高。
图1的生物气体生产系统5可以设置有沼渣处理系统120，根据有机底物原料和沼渣的含量，所述沼渣处理系统120包括一个或多个沼渣处理单元130。为此，本发明的沼渣处理系统120用于：
·从沼渣中回收营养物，以产生比未经处理的沼渣具有更高植物营养物浓度的最终产品(用于农业、园艺、林业的肥料和/或土壤调节剂)，并减少处理、运输和存储成本；以及
·在例如排到接收水体中和/或用在农田上之前，调节所述沼渣以符合当地环境法规。
沼渣处理系统120可以包括在沼渣处理单元130上游的一个或多个保存罐125，由此可以存储从消化池10产生的沼渣，并根据供应和需求对其进行处理。
在本发明的任一实施方案中，沼渣处理单元130可以利用任何合适的方法和/或设备来实现营养物回收和沼渣调节的期望水平。合适的方法和/或设备包括但不限于：倾析式离心机，不连续离心机，带式压滤机，真空压榨机，螺旋压榨分离机，浮式离心，干燥，蒸发，振动筛分离器，或它们的组合。
在本发明的一个实施方案中，沼渣处理单元130可以包括一个或多个微滤器、超滤器和/或纳米过滤器(膜净化技术)以用于产生营养浓缩物或肥料以及净化水。根据沼渣的含量，膜净化技术可与上述沼渣处理方法和/或设备中的一种或组合一起使用，所述沼渣处理方法和/或设备用以实现营养物回收和消化物调节的期望水平。
在进一步处理/加工沼渣的技术中，膜净化是能够实现一定程度的净化的唯一方法，其能够使得净化水直接排放到接收水域中。此外，较简单的方法膜净化具有的另一优点在于产生的营养浓缩物具有该行业中无法比拟的氮、磷和钾水平。
根据图1中的实施方案，沼渣处理系统120还可以包括在沼渣处理单元130下游的一个或多个存储罐135。这些存储罐135用于容纳经处理的营养浓缩物或肥料。存储罐135可以连接至一个或多个第三方地点(例如农业或园艺农场)以供应所述营养浓缩物或肥料。
在本发明的任一实施方案中，生物气体生产系统10和沼渣处理系统120可以包括设置成切断向未付费第三方供应肥料的关闭系统。
此外，沼渣处理系统120可以在沼渣处理单元130的下游设置有一个或多个存储罐140，以用于容纳净化水。存储罐140可以通过排水管和排污管连接至一个或多个接收体。
在本发明的任一实施方案中，生物气体生产系统10和沼渣处理系统120可以在本领域技术人员已知的条件下设有所需的电力供应，以用于运行单元的正常工作。
在本发明的具体实施方案中，生物气体生产系统10和沼渣处理系统120的管道可以是不锈钢管道，以保护所述管道免受消化池中的腐蚀性元素和/或化学物质的影响。
在本发明的任何实施方案中，生物气体生产系统10和沼渣处理系统120可以设有一个或多个阀(用于减少和/或避免危险或污染的关闭和隔离元件)，用以保证安全并且便于维护和修理。可以使用任何合适的阀。例如，合适的阀可以包括但不限于与T型接头一起的球阀和/或旋塞阀。
图3示出根据本发明一个实施方案的生物气体生产方法的流程图。这里，方法200开始于提供至少一个消化池以产生生物气体和沼渣210。消化池可以是常规的消化池或根据本发明任何实施方案的消化池。接下来，在重力作用下，利用进料系统将有机底物或原料供给给消化池215。进料系统可以是常规的原料分配系统或根据本发明任何实施方案的进料系统。
在进料步骤215之后，从消化池中抽出有机底物或原料220，并将其重新引入到消化池内新引入的有机底物或原料的表面230以促进有机底物的混合和/或搅拌。在重新引入步骤230之前，将抽出的有机底物加热225。优选地，将经加热的有机底物经由以下入口重新引回消化池，所述入口位于用于接收有机底物或原料的入口上方的水平处。这种设置使得立即在新引入的原料表面上方堆积活性生物质。以这种方式，在外部环境与消化器之间有利地形成天然的气密屏障。这防止了氧气进入消化池，从而为厌氧消化创造有益的环境。
消化池产生的沼渣可以通过沼渣处理系统经受进一步处理235，以产生肥料或营养浓缩物。沼渣处理系统可以包括常规处理方法(例如倾析式离心机、带式压滤机、真空压榨机、螺旋压榨分离机、浮式离心、干燥)中的任何一种或组合，或者可以是根据本发明任何实施方案的沼渣处理系统。优选地，沼渣处理系统可以包括微滤、超滤和/或纳米过滤以产生营养浓缩物或肥料以及净化水的方法。
实施例1
将包含家畜粪(25％干质量)、高粱青贮料(28％干质量)、经压碎和研磨的谷物和谷粒(87％干质量)的混合物的32.8吨(加权平均)有机底物与水一起引入消化池中，这是根据图1的生物气体生产系统设计的。有机底物含有用于厌氧消化的微生物。
所产生的生物气体中的甲烷含量为约52.3吨(加权平均)。生物气体制备过程在40℃至42℃的温度范围内进行。
基于上述结果，根据图1实施方案的生物气体生产系统为具有2462kW电力的热电厂产生足够的能量。
实施例2
将包含家畜粪(25％干质量)、高粱青贮料(28％干质量)、家禽粪(40％干质量)、经压碎和研磨的谷物和谷粒(87％干质量)的混合物的29.5吨(加权平均)有机底物与水一起引入消化池中，这是根据图1的生物气体生产系统设计的。有机底物含有用于厌氧消化的微生物。
所产生的生物气体中的甲烷含量为约52.6吨(加权平均)。生物气体制备过程在40℃至42℃的温度范围内进行。
基于上述结果，根据图1实施方案的生物气体生产系统为具有2245kW电力的热电厂产生足够的能量。

Claims (20)

1.一种生物气体生产系统，其包括：
至少一个用于产生生物气体和沼渣的消化池，每个消化池包括：
第一端部，第二端部，以及在两者之间的周边侧壁；
一个或多个入口，其中至少一个入口设置成接收有机底物；
一个或多个出口，其中至少一个出口设置成释放生物气体；以及
进料系统，所述进料系统包括设置成将所述有机底物接收并供应到消化池的凹坑，所述入口设置为邻近所述凹坑的下部，所述凹坑设置成使得在凹坑内的有机底物的重量将有机底物偏斜至消化池中。
2.根据权利要求1所述的生物气体生产系统，其还包括至少一个独立的混合单元，所述至少一个混合单元设置成从消化池中抽出部分有机底物，并将所述部分有机底物重新引入到有机底物的表面。
3.根据权利要求2所述的生物气体生产系统，其还包括设置成加热部分有机底物的至少一个独立的加热单元。
4.根据权利要求3所述的生物气体生产系统，其中加热单元包括一个或多个热交换器。
5.根据权利要求3或4所述的生物气体生产系统，其中加热单元设置成在40℃至42℃的温度范围内加热部分有机底物。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的生物气体生产系统，其中混合单元包括位于用于接收有机底物的入口上方的至少一个旋转喷嘴。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的生物气体生产系统，其中至少一个混合单元和至少一个加热单元设置在便携式集装箱化的单元中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的生物气体生产系统，其中所述进料系统包括接近消化池第一端部的倾斜平台，所述平台设置成在用于接收有机底物的入口与消化池之间界定一个或多个流动路径以用于在重力作用下供应所述有机底物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的生物气体生产系统，其还包括至少一个沼渣处理单元，所述沼渣处理单元设置成从沼渣中回收营养物以产生肥料。
10.根据权利要求9所述的生物气体生产系统，其中所回收的营养物包含以下中的一种或组合：氮，钾和磷。
11.根据权利要求9或10所述的生物气体生产系统，其中沼渣处理单元包括一个或多个微滤器、超滤器和/或纳米过滤器。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的生物气体生产系统，其中沼渣处理单元连接至一个或多个第三方地点和/或存储设施，所述生物气体生产系统还包括设置成切断向未付费第三方供应肥料的关闭系统。
13.一种生物气体制备的方法，其包括以下步骤：
提供至少一个用于产生生物气体和沼渣的消化池，每个消化池包括：
第一端部，第二端部，以及在两者之间的周边侧壁；
一个或多个入口，其中至少一个入口设置成接收有机底物；
一个或多个出口，其中至少一个出口设置成释放生物气体；
以及
提供用于将有机底物供给到至少一个消化池的进料系统，所述进料系统包括设置成将所述有机底物接收并供应到消化池的凹坑，所述入口设置为邻近所述凹坑的下部，所述凹坑设置成使得在凹坑内的有机底物的重量将有机底物偏斜至消化池中。
14.根据权利要求13所述的生物气体制备的方法，其还包括以下步骤：
在进料步骤之后从消化池中抽出部分有机底物；以及
将所述部分有机底物重新引入到有机底物的表面。
15.根据权利要求14所述的生物气体制备的方法，其还包括在重新引入步骤之前加热部分有机底物的步骤。
16.根据权利要求14或15所述的生物气体制备的方法，其中在用于接收有机底物的入口上方的水平处重新引入部分有机底物。
17.根据权利要求15或16所述的生物气体制备的方法，其还包括处理沼渣以产生肥料的步骤。
18.根据权利要求17所述的生物气体制备的方法，其中处理沼渣的步骤包括所述沼渣的微滤、超滤和/或纳米过滤。
19.一种与包含有机底物的消化池一起使用的独立的混合单元，所述混合单元设置成从消化池的基部抽出部分有机底物，并将所述部分有机底物重新引入到有机底物的表面。
20.根据权利要求19所述的混合单元，其还包括设置成加热部分有机底物的至少一个独立的加热单元。
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