CN109182099A - 一种推流与全混流结合的高浓度秸秆沼气发酵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推流与全混流结合的高浓度秸秆沼气发酵系统，所述发酵系统包括：罐体，所述罐体包括圆柱形罐身和设置于罐身上的罐盖；沿所述罐身的罐壁竖直设置的导轨；高速推流搅拌装置，所述高速推流搅拌装置设置于所述导轨上，可以沿导轨上下移动；大浆片低速搅拌装置，所述大浆片低速搅拌装置设置于罐体上部并具有水平搅拌轴，与水平搅拌轴垂直地设置2至6个搅拌臂，所述搅拌臂末端安装有浆片；秸秆进料装置，设置于大浆片低速搅拌设备沿环流方向的前方；出料口，设置于发酵罐体下部。通过设置有不同搅拌装置来控制发酵罐内流态，从而提高厌氧发酵效率和秸秆物料降解率的高浓度沼气发酵系统。

Description

一种推流与全混流结合的高浓度秸秆沼气发酵系统

技术领域

本发明属于秸秆农业废弃物厌氧发酵技术领域，具体的说是一种通过设置有不同搅拌装置来控制发酵罐内流态，从而提高厌氧发酵效率和秸秆物料降解率的高浓度沼气发酵系统。

背景技术

秸秆原料是我国十分丰富的一类农业废弃物，产量大、能量密度相对较高、杂质含量低，十分适合作为沼气原料利用。但秸秆原料(无论是干秸秆、黄贮秸秆或青贮秸秆)比重较低，且发酵过程中大量沼气气泡附着于秸秆物料表面，发酵过程中极易出现发酵物料上浮、分层、结壳等问题，影响工程运行效率，降低发酵罐活性区域范围，引起一系列工程问题。另外，为了提高沼气系统产能效率，提高发酵浓度是一种重要的技术方法，全混合式高浓度发酵一般采取固态进料方式，进料量大，秸秆未经过浸泡等前处理，这进一步加重秸秆物料在发酵罐内的上浮、分层等问题。

秸秆物料的厌氧发酵是一个微生物催化的生物化学过程，作为催化转化主体的厌氧微生物，具有生长、增殖速率慢，对底物的降解过程需要多种功能类群的微生物协同等特点，作为催化转化底物的秸秆具有未充分降解状态下容易上浮、而充分降解的秸秆物料容易下沉等特点。这种特点容易造成发酵微生物与发酵原料之间出现分层分离，微生物难以对秸秆进行充分降解。

解决上述问题的一种可行方法是优化发酵罐内气液固三相流形态，通过对发酵物料的流动控制实现秸秆物料均匀分布于发酵罐内，将发酵活性区域范围扩大至整个罐体。根据微生物和发酵底物之间传质的特点，秸秆高浓度厌氧发酵过程需要提高整个罐体内部大尺度流动比例，降低小尺度湍流，这种流态模式一方面可以降低罐体发酵死区比例，避免秸秆物料上浮、分层，另一方面避免剧烈搅拌对微生物群落结构造成冲击，避免底物与微生物分离，同时也有利于降低运行能耗。

发明内容

为了提高秸秆高浓度沼气发酵系统运行效率，降低运行能耗，提高大型秸秆厌氧工程技术可靠性，本发明提供一种推流与全混流结合的高浓度秸秆沼气发酵系统，所述发酵系统通过设置有不同搅拌装置来控制发酵罐内流态，从而提高厌氧发酵效率和秸秆物料降解率。

为了实现上述本发明的目的，本发明提供了一种设置有搅拌装置的发酵系统，包括：罐体，所述罐体包括圆柱形罐身和设置于罐身上的罐盖；

沿所述罐身的罐壁竖直设置的导轨；

高速推流搅拌装置，所述高速推流搅拌装置设置于所述导轨上，可以沿导轨上下移动；

大浆片低速搅拌装置，所述大浆片低速搅拌装置设置于罐体上部并具有水平搅拌轴，与水平搅拌轴垂直地设置2至6个搅拌臂，所述搅拌臂末端安装有浆片；

秸秆进料装置，设置于大浆片低速搅拌设备沿环流方向的前方；

所述秸秆进料装置为螺旋输送结构，包含进料部、螺旋输送部和出料部，所述进料部位于发酵罐外部，所述螺旋输送机部穿透发酵罐罐壁，与发酵罐罐壁之间密闭联接，所述出料部位于发酵罐内部并位于工作液面以下。

出料口，设置于发酵罐体下部。

优选地，所述高速推流搅拌装置对物料的推流方向与其所在位置处罐壁切线夹角范围为30-60度，优选为35-50度。

优选地，所述罐体内安装至少两台高速推流搅拌装置，优选2至6台，更优选3至5台，所述的高速推流搅拌装置沿罐壁布置台数应满足罐体内最小推流流速不低于0.1-0.3m/s的要求。

优选地，所述大浆片低速搅拌装置的水平搅拌轴的水平方向与水平搅拌轴穿越罐壁点处的罐体的罐体直径呈5-15度夹角。

优选地，所述搅拌臂沿水平搅拌轴等距离排列。

优选地，所述浆片的边缘可以弯曲成一定弧形。

优选地，所述罐身直径/罐身高度比为5:1至0.8:1。

优选地，所述水平搅拌轴在垂直方向上的安装位置高度为发酵罐中液面下1.5至0.3倍搅拌臂长度处。

根据本发明的所述发酵系统中的高速推流搅拌装置和大浆片低速搅拌装置可以程序控制运行，包括进料模式与非进料模式两种运行控制模式。在进料模式下，靠近进料装置的大浆片低速搅拌装置开启运行率大于30％，即进料时段内，大浆片低速搅拌装置运行时间不低于进料时间30％，进料时间段内，所述大浆片低速搅拌装置均匀间歇运行，非靠近进料装置的其它大浆片低速搅拌装置和高速推流搅拌装置开启运行率大于20％，均匀间歇运行。非进料模式下，高速推流搅拌装置开启运行率大于10％，均匀间歇运行，大浆片低速搅拌装置开启运行率大于5％，均匀间歇运行。出料口设置于发酵罐体下部，与进料装置在罐体圆周平面内呈120-180度夹角。出料前30分钟内停止出料口附近高速推流搅拌装置运行。

本发明的优点及有益效果是：

(1)可以实现高浓度厌氧发酵，正常运行状态下，发酵罐内浓度可以达到15％。发酵微生物活跃，微生物与底物之间实现良好接触，体现在表观指标上，在此浓度下秸秆类物料有机质降解率可以达到60％，容积产气率可以达到1.5，秸秆产气率可以达到500立方米沼气/吨干秸秆(以玉米秸秆为例)。

(2)搅拌能耗低，正常运行状态下，搅拌系统长期运行能耗3-5w/m³。

(3)充分利用秸秆物料自身特征，通过搅拌系统与进出料系统的协同，可以有效避免物料短流。本发明所涉及的厌氧发酵系统，对于秸秆物料，从长期运行效果看，属于整体推流，局部混流，有效避免了传统沼气工程容易出现部分物料未充分降解即被配出罐体外的问题。

附图说明：

图1为根据本发明的发酵系统的厌氧发酵罐体俯视图；

图2为根据本发明的发酵系统的厌氧发酵罐体侧剖视图，其中去掉其它装置，示意性地说明所述高速推流搅拌装置；

图3为根据本发明的发酵系统的厌氧发酵罐体侧剖视图，其中去掉其它装置，示意性地说明所述大浆片低速搅拌装置；

图4为根据本发明的发酵系统的厌氧发酵罐体侧剖视图，其中去掉其它装置，示意性地说明所述秸秆进料装置与出料口；

图5为根据本发明的发酵系统中所述大浆片低速搅拌装置轴向图；

图6为根据本发明的发酵系统中所述大浆片低速搅拌装置侧视图。

附图标记：

11-圆柱形罐身；14-罐盖；9-导轨；1-高速推流搅拌装置；2-大浆片低速搅拌装置；5-水平搅拌轴；6-搅拌臂；7-进料装置；12-浆片；8-出料口；13-液面；

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的优选的实施方式。在描述之前，应当了解在说明书和所附权利要求中使用的术语，并不应解释为局限于一般及辞典意义，而是应当基于允许发明人为最好的解释而适当定义术语的原则，基于对应于本发明技术层面的意义及概念进行解释。因此，在此的描述仅为说明目的的优选实例，而并非是意指限制本发明的范围，因而应当了解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以做出其他等同实施和修改。

参考图1至图6，根据本发明的设置有搅拌装置的发酵系统，包括：罐体，所述罐体包括圆柱形罐身(11)和设置于罐身上的罐盖(14)；

沿所述罐身的罐壁竖直设置的导轨(9)；

高速推流搅拌装置(1)，所述高速推流搅拌装置(1)可以为多叶片搅拌装置或喷流式搅拌装置，并且设置于所述导轨(9)上，可以沿所述导轨(9)上下移动，所述高速推流搅拌装置(1)的搅拌速度或喷流速度以及在所述导轨(9)上的位置可以通过外部程序控制；

大浆片低速搅拌装置(2)，所述大浆片低速搅拌装置(2)设置于罐体上部并具有水平搅拌轴(5)，与水平搅拌轴(5)垂直地设置2至6个搅拌臂(6)，所述搅拌臂末端安装有浆片(12)，其中所述搅拌臂(6)在所述水平搅拌轴(5)上等距离地设置并且所述搅拌臂(6)彼此呈一定夹角角度；

秸秆进料装置(7)，设置于大浆片低速搅拌设备(2)沿环流方向的前方，这样由所述秸秆进料装置(7)输送的秸秆原料被所述大浆片低速搅拌设备(2)迅速搅拌，实现与罐体中物料迅速混合；

所述秸秆进料装置(7)为螺旋输送结构，包含进料部、螺旋输送部和出料部，所述进料部位于发酵罐外部，所述螺旋输送机部穿透发酵罐罐壁，与发酵罐罐壁之间密闭联接，所述出料部位于发酵罐内部并位于工作液面以下；

出料口(8)，设置于发酵罐体下部，用于排出罐体内物料；所述出料口(8)可以设置为离罐体底部的距离0.5-1m，并且所述出料口(8)与所述秸秆进料装置(7)在罐体圆周平面内呈120-180度夹角。设置夹角可以有效避免大浆片低速搅拌装置(2)将所述秸秆进料装置(7)进入的未经充分发酵的秸秆沿垂直方向推入出料口，从而造成“物料短流”。

优选地，所述高速推流搅拌装置(1)对物料的推流方向与其所在位置处罐壁切线夹角范围为30-60度，优选为35-50度，有利于物料的均匀混合。

优选地，所述罐体内安装至少两台高速推流搅拌装置(1)，优选2至6台，更优选3至5台，所述的高速推流搅拌装置(1)沿罐壁布置台数应满足罐体内最小推流流速不低于0.1-0.3m/s的要求。

优选地，所述大浆片低速搅拌装置的水平搅拌轴(5)的水平方向与水平搅拌轴(5)穿越罐壁点处的罐体的罐体直径呈5-15度夹角，有利于罐体中物料迅速混合。

优选地，所述搅拌臂(6)沿所述水平搅拌轴(5)等距离排列。

优选地，所述浆片(12)的边缘可以弯曲成一定弧形，有利于物料的均匀混合。

优选地，所述罐身直径/罐身高度比为5:1至0.8:1。

优选地，所述水平搅拌轴(5)在垂直方向上的安装位置高度为发酵系统中液面下1.5至0.3倍搅拌臂(6)长度处，从而避免秸秆漂浮在液面上而发酵不完全，确保全部秸秆原料的有效利用。

如图1所示，根据本发明的发酵系统包含可程序控制的高速推流搅拌装置(1)和大浆片低速搅拌装置(2)的组合。秸秆进料装置(7)、出料口(8)布置与进出料、搅拌实现运行协同。所述高速推流搅拌装置(1)推动罐体内发酵物料整体沿罐壁在水平方向环向流动，所述大浆片低速搅拌装置(2)推动罐体内局部区域物料沿罐壁竖向上下流动。物料在两种流向的推动下，在环向流动过程中逐次实现局部区域的完全混合，将上层秸秆均匀分散于整体发酵罐内。根据本发明的厌氧发酵系统的罐体直径/罐体高度比范围优选为5/1～0.8/1。

其中，所述高速推流搅拌装置(1)布置于靠近罐壁处，其对物料的推流方向与其安装处罐壁切线夹角范围为30-60度。所述高速推流搅拌装置(1)沿罐壁布置台数与单台搅拌功率以及罐体直径有关，应满足罐体内最小推流流速不低于0.1-0.3m/s的要求。所述大浆片低速搅拌装置(2)位于罐壁中上部(如图3所示)，其中所述水平搅拌轴(5)垂直高度安装位置的定位，应该在发酵罐正常发酵液面下1.5-0.3倍搅拌臂(6)长度处(如图3所示)。所述大浆片低速搅拌装置(2)所包含的所述水平搅拌轴(5)水平方向安装角度应当与水平搅拌轴(5)穿越罐壁点处的罐体直径呈5-15度夹角(如图3所示)。所述大浆片低速搅拌装置(2)的所述搅拌臂(6)均匀排布于所述水平搅拌轴(5)上(如图4所示)。

所述秸秆进料装置(7)安装位置位于所述大浆片低速搅拌设备(2)沿环流方向的前方。搅拌系统的程序控制以及进出料、搅拌协同，包括进料模式与非进料模式两种运行控制模式。在进料模式下，靠近所述秸秆进料装置(7)的大浆片低速搅拌装置(2)开启运行率大于30％，即进料时间段内，大浆片低速搅拌装置最大停机时间不大于30min，均匀间歇运行。非靠近所述秸秆进料装置(7)的其它高速推流搅拌装置(2)和所述高速推流搅拌装置(1)开启运行率大于20％，均匀间歇运行，最大停机时间不大于30min。非进料模式下，高速推流搅拌装置(2)开启运行率大于10％，均匀间歇运行，最大停机时间不大于60min，大浆片低速搅拌装置(2)开启运行率大于5％。出料口(8)设置于发酵罐体下部，与所述秸秆进料装置(7)在罐体圆周平面内呈120-180度夹角。出料前30分钟内停止出料口(8)附近高速推流搅拌装置(2)运行。

根据本发明的发酵系统中所述高浓度厌氧发酵是指秸秆高浓度厌氧发酵，是指厌氧发酵罐内物料浓度达到7-15％，秸秆进料方式可以采取固态进料。实现本发明所述的流态形式，搅拌运行能耗应该在3-5w/m³反应器。

以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。

实施例1

厌氧发酵系统有效高度(发酵液面高度)9.5m，发酵罐体直径27m，罐体内部安装4台高速推流式搅拌装置(1)和2台大浆片低速搅拌装置(2)。4台高速推流式搅拌装置(1)贴近罐壁安装，正常运行情况下，推流方向与罐体中心之间呈45°夹角(如图1所示)，夹角可调控，所述高速推流式搅拌装置(1)可以沿安装导轨(9)在罐壁竖直方向上下移动，所述高速推流式搅拌装置(1)安装位置可调。所述大浆片低速搅拌装置(2)安装于发酵罐体液面下2m处，其水平搅拌轴(5)与罐体中心呈10°夹角(如图1所示)，水平搅拌轴(5)深入罐内长度7m(有效长度，不包括支撑、轴承、支架等部件)。水平搅拌轴(5)上均匀安装4组搅拌臂(6)(如图5和6所示)，两组相邻搅拌臂(6)之间夹角60°。单组搅拌臂(6)总长度2.5m，大桨片低速搅拌装置(2)转速10-20转/分钟。2台低速推流搅拌装置(2)中心对称安装于罐体内(如图1所示)。

所述秸秆进料装置(7)位于大桨片低速搅拌装置(2)环流方向前方(如图1所示)，所述秸秆进料装置(7)与大桨片低速搅拌装置(2)距离3m。所述秸秆进料装置(7)与大桨片低速搅拌之间协同运行。在进料情况下，靠所述秸秆近进料装置(7)的大浆片低速搅拌装置(2)开启运行率不低于30％，即进料时段内，大浆片低速推流搅拌装置(2)运行时间不低于进料时间30％，非靠近所述秸秆进料装置(7)的其它低速大桨片搅拌装置(2)和高速推流搅拌装置(1)开启运行率大于20％。非进料情况下，高速推流搅拌装置(2)开启运行率大于10％，大浆片低速搅拌装置(2)开启运行率大于5％。

Claims (9)

1.一种推流与全混流结合的高浓度秸秆沼气发酵系统，所述发酵系统包括：罐体，所述罐体包括圆柱形罐身和设置于罐身上的罐盖；

沿所述罐身的罐壁竖直设置的导轨；

高速推流搅拌装置，所述高速推流搅拌装置设置于所述导轨上，可以沿导轨上下移动；

大浆片低速搅拌装置，所述大浆片低速搅拌装置设置于罐体上部并具有水平搅拌轴，与水平搅拌轴垂直地设置2至6个搅拌臂，所述搅拌臂末端安装有浆片；

秸秆进料装置，设置于大浆片低速搅拌设备沿环流方向的前方；

出料口，设置于发酵罐体下部。

2.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述秸秆进料装置为螺旋输送结构，包含进料部、螺旋输送部和出料部，所述进料部位于发酵罐外部，所述螺旋输送机部穿透发酵罐罐壁，与发酵罐罐壁之间密闭联接，所述出料部位于发酵罐内部并位于工作液面以下。

3.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述高速推流搅拌装置对物料的推流方向与其所在位置处罐壁切线夹角范围为30-60度，优选为35-50度。

4.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述罐体内安装至少两台高速推流搅拌装置，所述的高速推流搅拌装置沿罐壁布置台数应满足罐体内最小推流流速不低于0.1-0.3m/s的要求。

5.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述大浆片低速搅拌装置的水平搅拌轴的水平方向与水平搅拌轴穿越罐壁点处的罐体的罐体直径呈5-15度夹角。

6.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述搅拌臂沿水平搅拌轴等距离排列；所述浆片的边缘可以弯曲成一定弧形。

7.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述罐身直径/罐身高度比为5:1至0.8:1。

8.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述大浆片低速搅拌装置的所述水平搅拌轴在垂直方向上的安装位置高度为发酵罐中液面下1.5至0.3倍搅拌臂长度处。

9.根据权利要求1所述的发酵系统的操作方法，其特征在于，所述发酵系统中的高速推流搅拌装置和大浆片低速搅拌装置程序控制运行，包括进料模式和非进料模式两种运行控制模式：

在进料模式下，靠近所述进料装置的大浆片低速搅拌装置开启运行率大于30％，即进料时段内，大浆片低速搅拌装置运行时间不低于进料时间30％，进料时间段内，所述大浆片低速搅拌装置均匀间歇运行，非靠近进料装置的其它大浆片低速搅拌装置和高速推流搅拌装置开启运行率大于20％，均匀间歇运行；

非进料模式下，高速推流搅拌装置开启运行率大于10％，均匀间歇运行，大浆片低速搅拌装置开启运行率大于5％，均匀间歇运行。出料口设置于发酵罐体下部，与进料装置在罐体圆周平面内呈120-180度夹角。出料前30分钟内停止出料口附近高速推流搅拌装置运行。