CN107779397A - 一种智能厌氧发酵反应系统及其反应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能厌氧发酵反应系统及其反应方法，智能厌氧发酵反应系统包括液体储罐、固体储罐、反应装置、液位变送器以及PLC控制器。反应装置包括装置主体和可调式搅拌装置，可调式搅拌装置设置在盖体上，可调式搅拌装置包括第一固定壳体、第二固定壳体、第一步进电机、第二步进电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、第二主动齿轮、第二从动齿轮、调节固定板、丝杆、第一固定环、第二固定环、固定转轴一级螺旋桨。智能厌氧发酵反应系统可智能化全自动操作，在反应过程中通过螺旋桨的旋转在反应物内形成强漩流，能够充分加速发酵反应进程，使发酵更加完全，极大程度的降低了成本，维修维护方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应系统及其反应方法，具体涉及一种智能厌氧发酵反应系统及其反应方法。
背景技术
全球气候变暖将给人类带来一系列严重后果，农业和畜牧业可能受到影响，森林和陆地生态系统可能受到威胁，有些物种可能因为气候变迁而灭绝，海平面上升可能淹没大片农田和一些沿海城市，给人类带来巨大经济损失；气候变暖可能导致一些地区积雪减少，融化提前，蒸发加剧，降水减少，从而加剧全球水资源供需矛盾；再者，气候变暖可能使传染病发病率提高，直接威胁到人类的健康和生命。因此，清洁能源是各国政府亟待解决的公共问题。
以厌氧发酵为核心环节的沼气技术在我国已经得到了广泛的应用。厌氧发酵是废物在厌氧条件下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；其中液化阶段主要是发酵细菌起作用，包括纤维素分解菌和蛋白质水解菌；产酸阶段主要是醋酸菌起作用；产甲烷阶段主要是甲烷细菌起作用，甲烷细菌将产酸阶段产生的产物降解成甲烷和CO2，同时利用产酸阶段产生的氢将CO2还原成甲烷。
现有的厌氧发酵过程是一个静态的发酵过程，在发酵中只需要将反应物静置发酵即可。现有的厌氧发酵方式无法保证发酵过程的完整性，也无法应用于规模化的工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺点并提供一种智能厌氧发酵反应系统，可智能化全自动操作，在反应过程中通过螺旋桨的旋转在反应物内形成强漩流，以充分加速发酵反应进程，使发酵更加完全，极大程度地降低了成本，维修维护方便。
为解决上述技术问题，本发明提供一种智能厌氧发酵反应系统，智能厌氧发酵反应系统包括液体储罐、固体储罐、反应装置、液位变送器以及PLC控制器。
反应装置包括装置主体和可调式搅拌装置，装置主体包括盖体、釜体和支撑柱，釜体包括中部釜体和底部釜体，中部釜体为中空的圆柱体结构，底部釜体为圆锥体结构，中部釜体和底部釜体连通，支撑柱固定在釜体底部，半球体结构的盖体固定在釜体的顶部，盖体上设有进料口和排气口，釜体上设有出料口。
可调式搅拌装置设置在盖体上，可调式搅拌装置包括第一固定壳体、第二固定壳体、第一步进电机、第二步进电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、第二主动齿轮、第二从动齿轮、调节固定板、丝杆、第一固定环、第二固定环、固定转轴和螺旋桨。中空的第一固定壳体固定在盖体上方，中空的第二固定壳体固定在第一固定壳体上方，第二固定壳体的内壁均匀地设有六个导条，第二固定壳体的上表面和下表面的中心处分别设有一个丝杆固定槽，丝杆可转动地固定在两个丝杆固定槽之间，第一从动齿轮固定在丝杆上，第一步进电机固定在第二固定壳体上，第一步进电机的转轴与第一主动齿轮固定连接，第一主动齿轮与第一从动齿轮相啮合，调节固定板上均匀设有六个滑槽，调节固定板通过滑槽与导条的配合作用可移动地设置在第二固定壳体内，调节固定板的中心处设有第一通道，第一通道的内壁上的内螺纹与丝杆的外螺纹相契合，第二步进电机固定在调节固定板上，第二步进电机的转轴与第二主动齿轮固定连接，固定转轴上设有第一固定卡槽和第二固定卡槽，第一固定环可转动地包覆在第一固定卡槽上，第二固定环可转动的包覆在第二固定卡槽上，固定转轴穿过第一固定壳体与第二固定壳体，第二从动齿轮设置于固定转轴的一端，固定转轴的另一端与固定转轴螺旋桨固定连接，第一固定环固定在第一固定壳体内，第二固定环固定在调节固定板上，第二从动齿轮与第二主动齿轮相啮合。
液体储罐设有第一管道，固体储罐设有第二管道，液体储罐通过第一管道与进料口相连通，固体储罐通过第二管道与进料口相连通，第一管道上设有第一电磁阀，第二管道上设有第二电磁阀，液位变送器设置在反应装置上，第一电磁阀、第二电磁阀、液位变送器、第一步进电机、第二步进电机分别与PLC控制器相连接。
根据本发明一实施例，出料口上设有取样管道，取样管道上设有取样阀。
根据本发明一实施例，釜体的体积小于或等于100m3。
根据本发明的；另一方面，本发明进一步提供上述智能厌氧发酵反应系统的反应方法，所述反应方法包括以下步骤：
A、在液体储罐内储存溶剂，在固体储罐内储存反应用的固体颗粒，通过PLC控制器分别控制第一电磁阀和第二电磁阀开启以使溶剂和固体颗粒通过进料口进入反应装置内得到反应混合物，并使螺旋桨浸没在反应混合物中；
B、通过液位变送器检测反应混合物的液面高度，PLC控制器根据检测到的反应混合物的液面高度的数值控制第一步进电机转动，以述螺旋桨与反应混合物的液面之间的距离等于中部釜体的高度的十五分之一；
C、通过PLC控制器控制第二步进电机转动，以使螺旋桨进行转动；
D、通过位变送器实时检测反应混合物的液面高度，当液面高度的变化值大于设定值时，通过PLC控制器关闭第二步进电机，通过开启第一步进电机以重新调整螺旋桨的位置，以使螺旋桨与反应混合物的液面之间的距离等于中部釜体的高度的十五分之一，再重复步骤C。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
第一，本发明应用于体积小于或等于100m3的中小型反应装置，经过顶置式螺旋桨旋转，在反应物混合物内形成强漩流，使反应物充分混合，从而提高了发酵效率。
第二，本发明通过PLC控制器控制螺旋桨与反应混合物的液面之间的距离等于中部釜体的高度的十五分之一，根据这一要求设置的螺旋桨在转动过程中造成的强漩流能够带动整个釜体内的反应物匀速转动。
第三，本发明适用性广，反应装置内温度分布均匀，全自动智能化控制，能耗低，运行管理方便，利用厌氧发酵解决了因养殖规模扩大带来的环境恶化问题，极大地改善了农业的生态环境，提高了人们的生活质量，促进了可持续发展，有着丰富的资源和广阔的前景。
附图说明
图1为本发明提供的智能厌氧发酵反应系统剖视图；
图2为本发明提供的智能厌氧发酵反应系统的电气控制图；
图3为本发明提供的智能厌氧发酵反应系统的固定转轴结构示意图；
图4为本发明提供的智能厌氧发酵反应系统的可调式搅拌装置结构示意图；
图5为本发明提供的智能厌氧发酵反应系统的第二固定壳体的剖视图；
图6为本发明提供的智能厌氧发酵反应系统的调节固定板结构示意图。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明提供一种智能厌氧发酵反应系统，所述智能厌氧发酵反应系统包括液体储罐1、固体储罐2、反应装置3、液位变送器4以及PLC(可编程控制器)控制器5。
所述反应装置3包括装置主体6和可调式搅拌装置7，所述装置主体6包括盖体8、釜体9和支撑柱10，所述釜体9的体积小于或等于100m3，釜体9包括中部釜体11和底部釜体12，中部釜体11为中空的圆柱体结构，底部釜体12为圆锥体结构，中部釜体11和底部釜体12连通。支撑柱10固定在釜体9底部，半球体结构的盖体8固定在釜体9顶部，所述盖体8上设有进料口13和排气口14，釜体9上设有出料口15，出料口15上设有第三电磁阀16，所述出料口15上设有取样管道17，取样管道17上设有取样阀18。
所述可调式搅拌装置7设置在盖体8上，所述可调式搅拌装置7包括第一固定壳体19、第二固定壳体20、第一步进电机21、第二步进电机22、第一主动齿轮23、第一从动齿轮24、第二主动齿轮25、第二从动齿轮26、调节固定板27、丝杆28、第一固定环29、第二固定环30、固定转轴31和螺旋桨32。中空的第一固定壳体19固定在盖体8上方，中空的第二固定壳体20固定在第一固定壳体19上方。第二固定壳体19内壁均匀地设有六个导条33，第二固定壳体19的上表面和下表面的中心处分别设有一个丝杆固定槽34。丝杆28可转动地固定在两个丝杆固定槽34之间。所述第一从动齿轮24固定在丝杆28上。第一步进电机21固定在第二固定壳体19上，第一步进电机21的转轴与第一主动齿轮23固定连接，第一主动齿轮23与第一从动齿轮24相啮合。所述调节固定板27上均匀设有六个滑槽35，调节固定板27通过滑槽与导条33的配合作用可移动地设置在第二固定壳体19内，调节固定板27的中心处设有第一通道36，第一通道36的内壁上的内螺纹与丝杆28的外螺纹相契合。所述第二步进电机22固定在调节固定板27上，第二步进电机22的转轴与第二主动齿轮25固定连接。固定转轴31上设有第一固定卡槽41和第二固定卡槽42，第一固定环29可转动的包覆在第一固定卡槽41上，第二固定环30可转动地包覆在第二固定卡槽42上。固定转轴31穿过第一固定壳体19与第二固定壳体20，所述第二从动齿轮设置于所述固定转轴的一端，固定转轴31的另一端与螺旋桨32固定连接。所述第一固定环29固定在第一固定壳体19内，第二固定环30固定在调节固定板27上，所述第二从动齿轮26与第二主动齿轮25相啮合。
所述液体储罐设有第一管道，所述固体储罐设有第二管道。所述液体储罐1通过第一管道37与进料口13相连通，固体储罐通过第二管道38与进料口13相连通。第一管道37上设有第一电磁阀39，第二管道上设有第二电磁阀40。所述液位变送器4设置在反应装置3上。所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀16、液位变送器4、第一步进电机21、第二步进电机22分别与PLC控制器5相连接。PLC控制器5的型号为西门子S7-400。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供所述智能厌氧发酵反应系统的反应方法，所述反应方法包括以下步骤：
A、在所述液体储罐1内储存溶剂，在所述固体储罐2内储存反应用的固体颗粒，通过所述PLC控制器5分别控制所述第一电磁阀39和所述第二电磁阀40开启以使所述溶剂和所述固体颗粒通过所述进料口13进入所述反应装置3内得到反应混合物，并使所述螺旋桨32浸没在反应混合物中；
B、通过所述液位变送器4检测反应混合物的液面高度，所述PLC控制器5根据检测到的反应混合物的液面高度的数值控制所述第一步进电机21转动，以使所述螺旋桨32与反应混合物的液面之间的距离等于所述中部釜体11的高度的十五分之一；
C、通过所述PLC控制器5控制所述第二步进电机22转动，以使所述螺旋桨32进行转动；
D、通过所述液位变送器4实时检测反应混合物的液面高度，当反应混合物的液面高度的变化值大于设定值时，通过所述PLC控制器5关闭所述第二步进电机22，开启所述第一步进电机21来重新调整所述螺旋桨32的位置，以使所述螺旋桨32与反应混合物的液面之间的距离等于所述中部釜体11的高度的十五分之一，再重复步骤C。
具体而言，所述智能厌氧发酵反应系统的反应方法步骤如下：
(1)在液体储罐1内储存溶剂，所述溶剂按重量份数计由95份水和5份酒精混合制备而成；在固体储罐2内储存反应用的固体颗粒；所述固体颗粒制备过程为：将干燥的重量份数为45份的牛粪、25份的秸秆和20份的梧桐树叶混合后，经粉碎机粉碎；
(2)通过PLC控制器5控制第一电磁阀39、第二电磁阀40开启，使液体储罐1内储存的所述溶剂和固体储罐2内存储的所述固体颗粒通过进料口13进入反应装置3内得到反应混合物，并使螺旋桨32浸没在反应混合物中，反应混合物中溶剂和固体颗粒的体积比为95:5；
(3)初始状态时，螺旋桨32距离中部釜体的底部的距离为H1，中部釜体的高度为H2，且H2-H1＝H2/15；
(4)反应混合物进入釜体9后，通过液位变送器4检测反应混合物的液面高度为H3，经PLC控制器5计算ΔH＝H3-H2，当ΔH＞0时，PLC控制器5控制第三电磁阀16打开，从出料口15放出部分反应混合物，直至ΔH≤0；当ΔH≤0时，PLC控制器5控制第一步进电机21转动，第一步进电机21带动第一主动齿轮23转动，第一主动齿轮23带动第一从动齿轮24转动，从而带动丝杆28转动，丝杆28带动调节固定板27向下移动，从而带动固定转轴31以及固定在转轴31上的螺旋桨32向下移动距离为ΔH，从而使螺旋桨32与反应混合物的液面之间的距离等于中部釜体11的高度的十五分之一；
(5)通过PLC控制器5控制第二步进电机22转动，从而使螺旋桨32进行转动，螺旋桨32的转速为100rmp(转/分)；
(6)三小时后打开取样阀18取反应混合物进行粘度测试，得到初始粘度值为μ0；
(7)每天打开取样阀18取反应混合物进行粘度测试，测得的粘度值分别为μ1、μ2、μ3…μn，用每天测得的粘度值μ1、μ2、μ3…μn分别减去初始粘度值μ0得到每天的粘度变化值Δμ，计算粘度值变化率a＝(Δμ-μ0)/μ0；当-2％≤a≤2％时，螺旋桨32转速不做调整；当2％≤a≤6％时，PLC控制器5控制螺旋桨32的转速为95rmp；当-6％≤a≤-2％时，PLC控制器5控制螺旋桨32的转速为105rmp；当a＞6％时，控制第一电磁阀39打开以向装置主体6内添加溶剂；当a＜-6％时，控制第二电磁阀40打开以向装置主体6内添加反应用的固体颗粒；
(8)在反应过程中，通过液位变送器4实时检测反应混合物的液面高度H3，计算不同时间段的反应混合物的液面高度变化值；当液面高度变化值大于4cm时，通过PLC控制器5关闭第二步进电机22，再重复步骤(4)、(5)(6)以及(7)。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。
Claims (4)
1.一种智能厌氧发酵反应系统，其特征在于，所述智能厌氧发酵反应系统包括液体储罐、固体储罐、反应装置、液位变送器以及PLC控制器；
所述反应装置包括装置主体和可调式搅拌装置，所述装置主体包括盖体、釜体和支撑柱，所述釜体包括中部釜体和底部釜体，所述中部釜体为中空的圆柱体结构，所述底部釜体为圆锥体结构，所述中部釜体和所述底部釜体连通，所述支撑柱固定在所述釜体底部，半球体结构的所述盖体固定在所述釜体的顶部，所述盖体上设有进料口和排气口，所述釜体上设有出料口；
所述可调式搅拌装置设置在所述盖体上，所述可调式搅拌装置包括第一固定壳体、第二固定壳体、第一步进电机、第二步进电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、第二主动齿轮、第二从动齿轮、调节固定板、丝杆、第一固定环、第二固定环、固定转轴和螺旋桨，中空的所述第一固定壳体固定在所述盖体上方，中空的所述第二固定壳体固定在所述第一固定壳体上方，所述第二固定壳体的内壁均匀地设有六个导条，所述第二固定壳体的上表面和下表面的中心处分别设有一个丝杆固定槽，所述丝杆可转动地固定在两个所述丝杆固定槽之间，所述第一从动齿轮固定在所述丝杆上，所述第一步进电机固定在所述第二固定壳体上，所述第一步进电机的转轴与所述第一主动齿轮固定连接，所述第一主动齿轮与所述第一从动齿轮相啮合，所述调节固定板上均匀设有六个滑槽，所述调节固定板通过所述滑槽与所述导条的配合作用可移动地设置在所述第二固定壳体内，所述调节固定板的中心处设有第一通道，所述第一通道的内壁上的内螺纹与所述丝杆的外螺纹相契合，所述第二步进电机固定在所述调节固定板上，所述第二步进电机的转轴与所述第二主动齿轮固定连接，所述固定转轴上设有第一固定卡槽和第二固定卡槽，所述第一固定环可转动地包覆在所述第一固定卡槽上，所述第二固定环可转动的包覆在所述第二固定卡槽上，所述固定转轴穿过所述第一固定壳体与所述第二固定壳体，所述第二从动齿轮设置于所述固定转轴的一端，所述固定转轴的另一端与所述固定转轴螺旋桨固定连接，所述第一固定环固定在所述第一固定壳体内，第二固定环固定在所述调节固定板上，所述第二从动齿轮与所述第二主动齿轮相啮合；
所述液体储罐设有第一管道，所述固体储罐设有第二管道，所述液体储罐通过所述第一管道与所述进料口相连通，所述固体储罐通过所述第二管道与所述进料口相连通，所述第一管道上设有第一电磁阀，所述第二管道上设有第二电磁阀，所述液位变送器设置在所述反应装置上，所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述液位变送器、所述第一步进电机、所述第二步进电机分别与所述PLC控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的智能厌氧发酵反应系统，其特征在于，所述出料口上设有取样管道，所述取样管道上设有取样阀。
3.根据权利要求1所述的智能厌氧发酵反应系统，其特征在于，所述釜体的体积小于或等于100m3。
4.一种根据权利要求1所述的智能厌氧发酵反应系统的反应方法，其特征在于，所述反应方法包括以下步骤：
A、在所述液体储罐内储存溶剂，在所述固体储罐内储存反应用的固体颗粒，通过所述PLC控制器分别控制所述第一电磁阀和所述第二电磁阀开启以使所述溶剂和所述固体颗粒通过所述进料口进入所述反应装置内得到反应混合物，并使所述螺旋桨浸没在反应混合物中；
B、通过所述液位变送器检测反应混合物的液面高度，所述PLC控制器根据检测到的反应混合物的液面高度的数值控制所述第一步进电机转动，以使所述螺旋桨与反应混合物的液面之间的距离等于所述中部釜体的高度的十五分之一；
C、通过所述PLC控制器控制所述第二步进电机转动，以使所述螺旋桨进行转动；
D、通过所述位变送器实时检测反应混合物的液面高度，当液面高度的变化值大于设定值时，通过所述PLC控制器关闭所述第二步进电机，通过开启所述第一步进电机以重新调整所述螺旋桨的位置，以使所述螺旋桨与反应混合物的液面之间的距离等于所述中部釜体的高度的十五分之一，再重复步骤C。
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