CN107937253B - 一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法及其发酵装置，包括外源水循环增温系统(1)、热渗滤液回流喷淋增温系统(2)、厌氧干发酵反应器(3)、反应器中部热渗滤液循环增温系统(4)。所述外源水循环增温系统(1)通过锅炉加热向反应器加热盘管输送热水提供热源；所述渗滤液回流喷淋增温系统(2)通过热渗滤液喷淋‑渗滤循环强化物料增温；所述厌氧干发酵反应器(3)外壁采用利于保温的中空混凝土墙设计，并配有保温材料；所述反应器中部热渗滤液循环增温系统(4)依靠渗滤液中部循环为反应器中部物料增温，提高整个系统物料增温的均一性，达到强化增温的目的。本发明结构简单，传质效果好，便于机械进出料和人工操作，易于施工建设，系统运行稳定。

Description

一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法及其装置
技术领域
本发明属于农业沼气工程领域，用于提高以农业废弃物农作物秸秆、畜禽粪便为混合原料的序批式厌氧干发酵沼气工程运行过程中的增温保温效果和物料受热均匀程度，特别是涉及到序批式厌氧干发酵沼气工程渗滤液回流增温的方法和装置。
背景技术
沼气工程是实现农业废弃物资源化利用的重要途径，是农业废弃物规模化处理的主要手段，是种养循环农业的关键纽带。我国正处于沼气工程转型升级的关键阶段，探寻适合规模化处理农业废弃物，提高工程产气效率和运行稳定性，降低操作成本及难度是当前沼气工程发展面临急需解决的问题。
序批式厌氧干发酵是一种含固率在20～40％，间歇进出料，运行上有序，发酵周期在30 ～50天的厌氧发酵产沼气技术，在欧盟国家已达到产业化水平，约占沼气工程比例的50％以上。与湿法厌氧发酵(含固率小于10％)相比，序批式厌氧干发酵容积产气效率高，原料处理量大，无需对原料进行预处理，出料沼渣可直接用于有机肥的生产。运行过程主要依靠渗滤液喷淋回流的方式加强物料间的传质、传热效率，操作简单、能量回收率高，极具发展潜力。
我国对序批式厌氧干发酵的研究还处于反应器研发、工艺优化的实验室研究阶段。有些研究机构虽然在中试水平下取得一定的研究进展，但还没有在大型沼气工程中得以实践。其中最主要的问题是随着反应器体积的增大，物料温度空间分布不均匀，由于干发酵传热能力差，反应器四壁安装有增温装置，但越靠近反应器中心位置，物料温度越低。特别在我国东北地区，冬季甚至出现靠近增温盘管温度正常，而中心位置出现结冰的现象。这将严重影响沼气生产效率，是目前急需解决的工程实际问题。
发明内容
为了解决上述工程实际问题，克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法和装置，并综合考虑了增温对物料传热的均匀性和时效性。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法，其操作步骤为物料进入厌氧干发酵反应器后，由外源水循环增温系统(1)对物料增温至设定温度；渗滤液回流喷淋增温系统(2) 利用外源供热温度将部分热渗滤液喷淋至物料表面，并经渗滤作用维持喷淋区域物料温度恒定；部分热渗滤液进入厌氧干发酵反应器(3)内的中部热渗滤液循环增温系统(4)，对反应器物料中部增温，强化厌氧干发酵反应器内物料各区域温度恒定，增加传热面积。
进一步，所述外援水循环增温系统(1)通过锅炉为反应器增温，热水流入所述厌氧干发酵反应器(3)外壁中空混凝土墙内分布的增温盘管，外源供热温度比发酵实际所需温度高 5-10℃，优选为5℃。
进一步，所述渗滤液回流喷淋增温系统(2)通过渗滤液循环为反应器增温。以所述厌氧干发酵反应器(3)进料门为正面，喷淋管道分布于左右两侧，贴近外壁。单侧管道向内成排分布，间距可容纳铲车或自动进出料设备操作。喷淋管道通过潜水泵抽取厌氧干发酵反应器 (3)渗滤液收集池中部分渗滤液向物料反应区物料进行由外向物料中心处喷淋。喷淋频率为 3-12次/天，单次喷淋量为0.5-1.5L/kg物料。
进一步，所述厌氧干发酵反应器(3)，设定发酵温度为35-40℃，优选为38℃。进料含固率为20-40％，优选为30％，物料配比(按含固率计)为农作物秸秆:畜禽粪便为4:6-6:4，接种物使用沼渣，沼渣接种物浓度为有效容积的30-40％。
进一步，所述中部热渗滤液循环增温系统(4)，位于反应器物料中心处，贯穿于所述厌氧干发酵反应器(3)物料反应区和渗滤液收集池。采用圆柱形中空混凝土结构，内嵌增温盘管，盘管间距为10cm-20cm，优选为10cm，所述增温盘管进口、出口均位于所述厌氧干法叫反应器(3)渗滤液收集池内，通过潜水泵输送热渗滤液为中部区域物料增温，循环频率为30min开启，15min关闭。
一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵装置，包括外源水循环增温系统(1)、热渗滤液回流喷淋增温系统(2)、厌氧干发酵反应器(3)和反应器中部热渗滤液循环增温系统(4)。
所述外源水循环增温系统由锅炉、锅炉出水管道、循环泵、控制开关、增温盘管、锅炉进水管道组成，所述锅炉连接出水管道，所述出水管道连接循环泵，所述循环泵安装有控制开关并连接所述增温盘管，所述增温盘管连接锅炉进水管道，形成热水循环路径。所述增温盘管间距为10-20cm，优选为10cm。
进一步，所述热渗滤液回流喷淋增温系统由渗滤液回流管道、潜水泵、喷淋头组成，所述渗滤液回流管道经过所述厌氧干发酵反应器中的渗滤液收集池、物料反应区。渗滤液进液管道分布于所述渗滤液收集池左右两侧底部，各连接位于所述渗滤液收集池底部的潜水泵，所述渗滤液回流管道沿所述厌氧反应器左右内壁并通过物料反应区，并与若干喷淋头连接，所述喷淋头位于所述物料反应区上部，左右分布，单侧管道向内成排分布，间距可容纳铲车或自动进出料设备操作。渗滤液返回至所述渗滤液收集池，形成热渗滤液喷淋循环路径。
进一步，所述厌氧干发酵反应器包括中空混凝土墙、物料反应区、渗滤液收集池、进出料口、进出料门、格栅、出气口、渗滤网、保温材料。所述中空混凝土墙为厌氧干发酵反应器内外壁，所述物料反应区位于地上部，物料高度不高于所述喷淋头，所述渗滤液收集池位于地下部，与所述物料反应区用所述渗滤网隔开，所述进出料口平行于所述热渗滤液回流喷淋系统中左右分布的所述热渗滤液循环管道，所述进出料口上部安装进出料门，所述进出料口处设有格栅，防止物料自由散落，所述出气口位于所述厌氧干发酵反应器上部，所述保温材料用于所述中空混凝土墙、进出料门、出气口等处，包裹厚度推荐5-10cm，优选为10cm。
进一步，所述反应器中部热渗滤液循环增温系统由潜水泵、进液管、渗滤液增温盘管、出液管、圆柱形中空混凝土墙组成。所述潜水泵连接进液管位于所述厌氧干反应器中渗滤液收集池底部中央，所述渗滤液增温盘管与所述进液管连接，另一端向上盘绕至所述物料反应区，高度低于所述喷淋头，包裹于所述圆柱形混凝土墙内，在所述渗滤液收集池区域连接出液管，形成热渗滤液循环增温路径。增温盘管的间距为10-20cm，优选为10cm，所述反应器中部热渗滤液循环增温系统的外壁顶端位于喷淋头下部30-50cm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点或积极效果：
(1)操作方法简单，充分利用外部加热，通过渗滤液循环喷淋-渗滤作用，中部热渗滤液循环的方式为物料整体增温，提高物料受热的均匀性，保持增温平衡，有利于提高厌氧发酵产气效率。
(2)整体设计充分考虑节约能耗、成本投入和工程实用性，厌氧发酵过程仅使用所述锅炉为厌氧干发酵反应器增温。其余增温系统如所述热渗滤液喷淋增温系统、所述厌氧反应器中部热渗滤液循环增温系统的热量来源于渗滤液自身热量，再无外源增温系统。
(3)双向渗滤液回流管道及多个喷淋头组合的设计使喷洒热渗滤液时覆盖面积更大、辐射面更广，有利于辅助增温物料。
(4)中部热渗滤液循环增温系统的设计通过使用热渗滤液循环的方式对物料中部区域进行增温，且设计时考虑铲车进出料的可操作性，解决了一直困扰大型序批式厌氧干发酵沼气工程中部受热不均匀，温度低的问题。而且，联合所述热水循环系统、热渗滤液喷淋系统为物料供热，进一步增加物料受热的均匀程度，可大大提高厌氧发酵产沼气效率和稳定性。
(5)所述厌氧干反应器外壁采用中空混凝土设计，内嵌热水增温盘管，将物料和增温盘管隔开，在提高增温效率和保温效果的同时，可避免增温盘管与物料长时间直接接触发生腐蚀、发生泄漏而引发工程问题，并且建造成本低。同时，在所述厌氧干反应器外壁包裹保温材料可进一步降低热量损失，提高厌氧发酵产沼气效率。
附图说明：
图1为一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵装置图。
具体实施方式：
一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵装置：
物料含固率为30％，物料配比(含固率)秸秆:畜禽粪便为6:4，接种物浓度为所述厌氧干发酵反应器(3)有效容积的35％启动厌氧干发酵反应器(3)，由外源水循环增温系统(1) 对物料增温至38℃；渗滤液回流喷淋增温系统(2)按照喷淋频率为8次/天，喷淋量为1L/kg 进行，物料利用外源供热温度将部分热渗滤液喷淋至物料表面，并经渗滤作用维持喷淋-渗滤区域物料温度恒定；部分热渗滤液进入厌氧干发酵反应器(3)内的中部热渗滤液循环增温系统(4)，对反应器物料中部增温，强化所述厌氧干发酵反应器(3)内物料各区域温度平衡，增加热量分布的均匀性。
外源水循环系统(1)：锅炉(101)连接热水循环泵(102)，连接锅炉出水管道(103)，并与位于厌氧干发酵反应器(3)下方的增温盘管进水口(104)相连，增温盘管内嵌于所述厌氧干发酵反应器(3)中空混凝土墙(301)内，增温盘管出水口(105)位于所述增温盘管进水管(104)上方，与锅炉进水管道(106)连接，并用开关(107)控制热水流量。
热渗滤液回流喷淋循环系统(2)：渗滤液回流管道(201)分布于所述厌氧干发酵反应器 (3)进出料口(302)左右两侧，贴近中空混凝土墙(301)，向内按照一定距离均匀布设。所述渗滤液回流管道(201)一端位于渗滤液收集池(303)底部，各连接潜水泵(202)，另一端延伸至物料反应区(304)上方，连接若干喷淋头(203)，为物料喷淋增温。
厌氧干发酵反应器(3)：中空混凝土墙(301)为内外壁，内部空间以地面(6)为界分为物料反应区(304)和渗滤液收集池(303)，在所述厌氧干发酵反应器内用渗滤板(308) 隔开，出气口(305)位于所述厌氧干发酵反应器(3)上部，进出料口(302)、进出料门(306) 平行于左右两侧分布的喷淋头(203)，在所述渗滤板(308)上方，设有格栅(307)，用于抵挡物料，防止物料散落，反应器外壁安装有保温材料(309)。
反应器中部热渗滤液循环系统(4)：圆柱形混凝土墙位于所述厌氧干发酵反应器(3)中部，增温盘管(405)分布于内，所述增温盘管进液管(402)连接潜水泵(401)，所述增温盘管(405)从所述渗滤液收集池(303)底部向所述物料反应区(304)盘绕，高度不超过物料反应区(304)，再向下盘绕，出液管(403)位于所述渗滤液收集池(303)内。

Claims (7)

1.一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵装置，其特征在于，包括外源水循环增温系统(1)、渗滤液回流喷淋增温系统(2)、厌氧干发酵反应器(3)、中部热渗滤液循环增温系统(4)，所述外源水循环增温系统(1)，将热水经增温盘管进水口流入所述厌氧干发酵反应器外壁中空混凝土墙内分布的增温盘管，然后由增温盘管出水口流出，形成循环回路；所述渗滤液回流喷淋增温系统利用喷淋管道将渗滤液收集池中的渗滤液向物料喷淋，喷淋的渗滤液返回渗滤液收集池，形成循环回路；所述厌氧干发酵反应器设置有进料门，所述厌氧干发酵反应器以中空混凝土墙为内外壁，内部空间以地面为界分为物料反应区和渗滤液收集池；所述中部热渗滤液循环增温系统，将渗滤液增温盘管分布于所述厌氧干发酵反应器中部的圆柱形混凝土墙内，渗滤液收集池中的热渗滤液通过渗滤液增温盘管进液管流入渗滤液增温盘管，由渗滤液增温盘管出液管流回渗滤液收集池，形成循环回路。
2.如权利要求1所述的一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵装置，其特征在于，所述外源水循环增温系统(1)中增温盘管的间距为10-20cm，反应器中部热渗滤液循环增温系统(4)渗滤液增温盘管的间距为10-20cm，所述中部热渗滤液循环增温系统，外壁为中空混凝土结构，内部由渗滤液增温盘管组成，渗滤液增温盘管进口和渗滤液增温盘管出口均位于所述厌氧干发酵反应器(3)内部渗滤液收集池，所述中部热渗滤液循环增温系统的外壁顶端位于喷淋头下部30-50cm。
3.一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法，应用了权利要求1或权利要求2所述的一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵装置，其特征在于包括如下顺序进行的步骤：
1)物料进入厌氧干发酵反应器后，由外源水循环增温系统(1)对物料增温至设定温度；
2)渗滤液回流喷淋增温系统(2)利用外源供热温度将部分热渗滤液喷淋至物料表面，并经渗滤作用维持喷淋区域物料温度恒定；
3)部分热渗滤液进入厌氧干发酵反应器(3)内的中部热渗滤液循环增温系统(4)，对反应器物料中部增温，渗滤液流入反应器中部热渗滤液循环系统(4)内部渗滤液增温盘管，并返回至所述厌氧干发酵反应器(3)内部渗滤液收集池，构成闭合循环回路，强化厌氧干发酵反应器内物料各区域温度恒定，增加传热面积。
4.如权利要求3所述的一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法，其特征在于，进料后密封反应器、启动外源水循环增温系统(1)，通过所述厌氧干发酵反应器中空混凝土墙侧壁内部增温盘管为物料发酵增温，外源水温度应比物料实际发酵温度高5-10℃。
5.如权利要求3所述的一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法，其特征在于，以所述厌氧干发酵反应器(3)进料门一侧为正面，在左、右两侧由外及内排布安装喷淋装置，单侧喷淋装置间距以方便铲车或自动进出料设备操作的距离为宜，渗滤液自喷淋管道、喷淋头由外及内向物料中心喷淋，利用喷淋-渗滤循环为物料增温，喷淋频率为3-12次/天，单次喷淋量为0.5-1.5L/kg物料。
6.如权利要求3所述的一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法，其特征在于所述厌氧干发酵反应器(3)发酵温度为35-40℃，进料含固率为20-40％，物料配比(按含固率计)为农作物秸秆:畜禽粪便为4:6-6:4，接种物使用沼渣，沼渣接种物浓度为有效容积的30-40％。
7.如权利要求3所述的一种具有强化增温功能的序批式厌氧干发酵方法，其特征在于，利用渗滤液在所述中部热渗滤液循环增温系统内部循环为物料中部增温，保持物料中部温度平衡，循环频率为30min开启，15min关闭。
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