CN109694815A - 一种厨余垃圾的干法厌氧发酵装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于厨余垃圾的干法厌氧发酵装置，包括：发酵罐(1)、通过进料口(11)与发酵罐(1)顶部相连的进料管(7)和位于发酵罐(1)底部的出料口(2)，其特征在于，所述出料口(2)的数量大于等于2，且其中至少一个出料口(2)经由出料阀门(3)和回流泵(5)与回流管(6)相连，由此将进料管(7)中的新物料与回流管(6)内的已经发酵的物料送入位于发酵罐(1)顶部的混合器(9)中混合接种，且回流管(6)和进料管(7)外进一步包括加热套管(8)。本发明还提供一种厨余垃圾的干法厌氧发酵方法。

Description

一种厨余垃圾的干法厌氧发酵装置和方法
技术领域
本发明涉及一种有机厨余垃圾的处理装置和方法，更具体地涉及一种有机厨余垃圾的干法厌氧发酵装置和方法。
背景技术
随着中国经济的发展，城市化进程的突飞猛进，城市垃圾产量也与日剧增，成为制约城市健康发展的重要因素之一。城市垃圾主要是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，包括厨余垃圾、废纸、废塑料、废织物、废金属、砖瓦渣土、粪便及废旧电器等。城市垃圾中的有机部分简称城市有机垃圾，主要包括厨余垃圾、大型超市及农贸市场垃圾和居民生活垃圾等。城市有机垃圾处理的方式很多，其中以卫生填埋、堆肥、焚烧和厌氧消化处理较为常见。厌氧消化可减少有机垃圾的污染和二氧化碳排放量，占地少，对环境的二次污染相对较小，同时能产生沼气，在能源匮乏的今天，越来越受关注。
厌氧消化工艺分为湿法和干法发酵两种。与湿法发酵相比，干法发酵具有占地小、加热能耗低、预处理要求低、有机负荷高等诸多优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计科学、结构合理、物料处理量大、发酵效果好、产气率高、加温传热稳定、易于推广的用于厨余垃圾的干法厌氧发酵装置和方法。
在本文中，术语“厨余垃圾”是指民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括丢弃不用的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头等，其主要来源为家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业。
本发明的第一个方面提供一种用于厨余垃圾的干法厌氧发酵装置，包括：发酵罐、通过进料口与发酵罐顶部相连的进料管和位于发酵罐底部的出料口，其特征在于，所述出料口的数量大于等于2，且其中至少一个出料口经由出料阀门和回流泵与回流管相连，由此将进料管中的新物料与回流管内的已经发酵的物料送入位于发酵罐顶部的混合器中混合接种，且回流管和进料管外进一步包括加热套管。
因此在本发明的干法厌氧发酵装置中，未发酵物料(新物料)与已发酵物料在发酵罐顶部的混合器中混合在一起，混合物料从发酵罐顶部的进料口进入，新的混合物料随着反应时间顺序，自然流向位于发酵罐底部的出料口。发酵罐包括至少两个、优选多个锥形出料口，两个或多个锥形出料口同时出料便于发酵罐内的混合物料均匀下降。在发酵罐底部是单一出料口的装置中，会出现发酵罐的罐壁周边的物料下降速度慢，发酵罐中心的物料下降速度快，这样发酵罐内容易出现短流现象，降低发酵物料的发酵效率，即物料不能充分发酵。本发明的发酵罐底部包括两个或多个锥形出料口，当发酵罐底部两个或多个锥形出料口同时出料时，发酵罐的罐壁周边物料与发酵罐中心物料的下降流速相同，这样发酵罐内物料没有短流现象出现，发酵罐内物料具有充足的发酵时间，从而提高发酵物料的发酵效率。出料通过出料阀门控制。
本发明所述的干法厌氧发酵装置的回流管和进料管外还包括加热套管，其包含高温热源物料。已发酵回流物料和新物料在输送至发酵罐顶部的管道外进行套管加热，已发酵回流物料和新物料在内管，热源在套管内，热量通过内管的管壁传递给内管的物料，这样回流管和进料管内的物料被加热，而热源与被加热物料之间没有接触。根据一个优选的实施方案，所述热源物料是水蒸气，加热蒸汽在套管中，被加热物料在回流管和进料管内，加热蒸汽冷却后变成冷凝水从加热套管底部的疏水阀排出，这样冷凝水就不会进入被加热物料，被加热物料的含水率不会增加，从而使发酵罐内的物料维持一定的含固率。
根据另一个优选的实施方案，所述热源物料还可以是高温导热油或高温热气体。当将高温导热油或者高温热气体加入或输入套管中时，类似地，被加热物料在回流管和进料管内，套管内的高温导热油或者高温热气体的热量通过内管的管壁传递给内管的物料后，高温导热油或者高温热气体冷却变成低温导热油或者低温气体，从加热套管底部排出，这样热源物料就不与被加热物料混合，被加热物料的性状就不会被改变，从而使发酵罐内的物料维持原来的性状。
高温热源物料用于加热本发明所述的物料，使得被加热的物料温度升高至30-60℃，其中中温厌氧被加热物料的温度可以加热至30-40℃，高温厌氧被加热物料的温度可以加热至50-60℃。厌氧发酵需要适宜厌氧微生物生存的温度范围，因此温度范围对于厌氧发酵的效率而言至关重要。如果不在厌氧微生物适宜的温度范围内进行发酵，厌氧微生物的活性降低，发酵效率降低，甚至出现发酵物料酸化，导致发酵失败。此外，本发明这种采用加热套管间接加热新鲜物料和已发酵的物料的加热方式不会改变被加热物料的性状，使厌氧发酵能够持续进行。
发酵罐内的物料受重力向下移动，物料移动到发酵罐底部通过两个或多个出料口排出，出料口下部安装控制出料阀门，阀门下面连接出料泵和回流泵，出料泵把已经发酵好的物料排出发酵罐进入下一步脱水处理工序，而回流泵把发酵罐底部已经发酵好的物料输送至发酵罐顶部与新鲜物料混合，在发酵罐顶部混合均匀的物料从发酵罐顶部进料口进入发酵罐内进行发酵。
根据一个优选的实施方案，本发明所述的干法厌氧发酵装置中，进料管中的新物料与回流管内的已发酵物料在混合器中进行充分搅拌混合，混合均匀后的物料通过进料口进入发酵罐内。所述进料口为一个或多个，优选多个，以便于发酵物料在发酵罐内均匀分布。
根据一个优选的实施方案，本发明所述的混合器可以是一台混合搅拌的设备，也可以是一根混合的管道，甚至混合器缩短为同一个进料口，只要能将未发酵物料和已发酵物料混合均匀。在本发明混合器缩短为同一个进料口的情况下，混合后的物料从发酵罐顶部的进料口进入，进料口至罐内物料的高度差在一米以上，物料以一定的速度下落形成冲击力，因此借助物料下落的冲击力使物料均匀分散开。
根据一个优选的实施方案，本发明所述的干法厌氧发酵装置的至少一个出料口经由出料阀门和排料泵相连，以将位于发酵罐底部的已经发酵的物料排出。
根据另一个优选的实施方案，所述两个或多个出料口为锥形以便于排料。
此外，本发明所述的干法厌氧发酵装置还包括与发酵罐上部相连的沼气出口，从而厨余垃圾在发酵罐内发酵过程中产生的沼气可通过所述沼气出口排出并进入沼气利用系统。
所述发酵罐体可以由钢板焊接而成，便于建设。
本发明的第二个方面提供一种厨余垃圾的干法厌氧发酵方法，包括将新鲜厨余垃圾和已发酵的厨余垃圾混合接种之前，间接加热新鲜厨余垃圾和已发酵的厨余垃圾的步骤。
根据一个优选的实施方案，其中所述间接加热步骤通过包含高温热源物料的加热套管实现，使得热源与所述厨余垃圾之间没有接触，从而使发酵罐内的物料维持一定的含固率。
根据另一个优选的实施方案，其中所述高温热源物料选自高温水蒸气、高温导热油或高温热气体。
本发明的技术效果：
首先，对于厨余垃圾的处理，本申请人经过多次实验发现本发明具有多个出料口的发酵罐的沼气产率为90-110m3/吨；而对于同样的厨余垃圾单个出料口发酵罐的沼气产率为60-70m3/吨，因此多个出料口的发酵罐的沼气产率比单个出料口的发酵罐提高50％左右。
其次，随着发酵罐体积增大，多个出料口发酵罐相对于单个出料口发酵罐在建造成本上有明显的优势，同时节省占地面积，比如日处理1000吨厨余垃圾的项目，需要发酵罐的总体积在30000m3左右，如果采用单个出料口的发酵需要10个直径15-20米体积3000m3的发酵罐，而如果采用多个出料口发酵罐只需要一个直径40米体积30000m3。多个出料口发酵罐的建设成本仅是单个出料口发酵罐建设成本的三分之一，且多个出料口发酵罐的占地面积是单个出料口发酵罐占地面积的四分之一。单个出料口发酵罐的体积增大受罐体结构的制约比较大，不能无限放大，否则建设成本成指数增加，而多个出料口发酵罐不受罐体体积增大的制约，发酵罐的体积越大，对于多个出料口发酵罐的建设成本和占地面积的优势越明显。
再次，厨余垃圾发酵前的含固率为30％-50％，发酵后的含固率在15％-30％，如果采用水蒸汽直接加热，水蒸气冷却后变成冷凝水，冷凝水与发酵物料混合，水蒸气加热发酵物料后，发酵物的含固率低于10％，发酵罐内物料出现沉沙堵塞和浮渣，致使发酵不能连续进行，甚至导致发酵失败。本发明包括加热套管对物料进行间接加热的厌氧发酵装置和方法显著提高了发酵效果。
因此，本发明的用于厨余垃圾的干法厌氧发酵装置和方法具有物料处理量大、发酵效果好、产气率高、加温传热稳定、降低建设成本和减少占地面积等优点，因此能够解决目前干法厌氧发酵系统运行不稳定且效率低等缺陷。
附图说明
图1为本发明干法厌氧发酵装置的一种实施方案。
图2为对应于图1的本发明干法厌氧发酵装置的发酵罐体顶部进料口的分布图。
图3为本发明干法厌氧发酵装置的另一种实施方案。
图4为本发明干法厌氧发酵装置的又一种实施方案。
图5为对应于图4的本发明干法厌氧发酵装置的发酵罐体顶部进料口的分布图。
附图中，1.发酵罐；2.出料口；3.出料阀门；4.排料泵；5.回流泵；6.回流管；7.进料管；8.加热套管；9.混合器；10.沼气出口；11.进料口。
具体实施方式
参考图1，本发明干法厌氧发酵装置包括发酵罐1、出料口2、出料阀门3、排料泵4、回流泵5、回流管6、进料管7、加热套管8、混合器9、沼气出口10和进料口11。图1示出了具有两个出料口、三个进料口以及混合器为混合管道的干法厌氧发酵装置的示意图。
新物料通过进料管7向发酵罐顶部输送，与回流管6内的已发酵物料在发酵罐顶部汇入混合器9中，新物料和回流物料在各自被输送至发酵罐顶部的管内被加热套管内的高温水蒸气加热，水蒸气冷却变成冷凝水，冷凝水通过疏水阀排出，使被加热物料温度升高至30-40℃进行中温厌氧发酵，被加热后的新物料和已发酵物料在混合器9内混合均匀后从发酵罐顶部的三个进料口11落入发酵罐内，厨余垃圾在发酵罐内发酵产生沼气，沼气从发酵罐顶部沼气出口10排出并进入沼气利用系统。物料在发酵罐内发酵后随着重力往下移动，发酵罐底部由两个锥形出料口组成。物料移动到发酵罐底出料阀门3时，一部分物料通过排料泵4把物料排出发酵罐，物料进入沼渣脱水系统；另一部分物料通过回流泵5把已发酵物料从发酵罐出料口输送至发酵罐顶部与新物料混合接种。两个锥形出料口同时出料便于发酵罐内的混合物料均匀地下降。
图1中的加热蒸汽可以替换为高温导热油或高温热空气。
参考图2，其为对应于图1的本发明干法厌氧发酵装置的发酵罐体顶部进料口的分布图，其中发酵罐顶部的三个进料口呈环形分布，便于发酵物料在发酵罐内均匀分布。
参考图3，其示出了具有四个出料口、三个进料口以及混合器为混合搅拌的设备的干法厌氧发酵装置的示意图。
新物料通过进料管7向发酵罐顶部输送，与回流管6内的已发酵物料在发酵罐顶部汇入混合器9中，新物料和回流物料在各自被输送至发酵罐顶部的管内被加热套管内的高温导热油加热，导热油冷却变成低温导热油，通过疏水阀排出，使被加热物料温度升高至50-60℃进行高温厌氧发酵，被加热后的新物料和已发酵物料在混合器9内混合均匀后从发酵罐顶部的三个进料口11落入发酵罐内，厨余垃圾在发酵罐内发酵产生沼气，沼气从发酵罐顶部沼气出口10排出并进入沼气利用系统。物料在发酵罐内发酵后随着重力往下移动，发酵罐底部由四个锥形出料口组成。物料移动到发酵罐底出料阀门3时，一部分物料通过排料泵4把物料排出发酵罐，物料进入沼渣脱水系统；另一部分物料通过三个回流泵5把已发酵物料从发酵罐出料口输送至发酵罐顶部与新物料混合接种。四个锥形出料口同时出料便于发酵罐内的混合物料更加均匀地下降。
参考图4，其示出了具有两个出料口、一个进料口以及混合器为为混合管道的干法厌氧发酵装置的示意图。
新物料通过进料管7向发酵罐顶部输送，与回流管6内的已发酵物料在发酵罐顶部汇入混合器9中，新物料和回流物料在各自被输送至发酵罐顶部的管内被加热套管内的高温水蒸气加热，水蒸气冷却变成冷凝水，冷凝水通过疏水阀排出，使被加热物料温度升高至30-40℃进行中温厌氧发酵，被加热后的新物料和已发酵物料在混合器9内混合均匀后从发酵罐顶部的进料口11落入发酵罐内，厨余垃圾在发酵罐内发酵产生沼气，沼气从发酵罐顶部沼气出口10排出并进入沼气利用系统。物料在发酵罐内发酵后随着重力往下移动，发酵罐底部由两个锥形出料口组成。物料移动到发酵罐底出料阀门3时，一部分物料通过排料泵4把物料排出发酵罐，物料进入沼渣脱水系统；另一部分物料通过回流泵5把已发酵物料从发酵罐出料口输送至发酵罐顶部与新物料混合接种。两个锥形出料口同时出料便于发酵罐内的混合物料均匀地下降。
参考图5，其为对应于图4的本发明干法厌氧发酵装置的发酵罐体顶部进料口的分布图，其中发酵罐顶部只有一个进料口。

Claims (13)

1.一种用于厨余垃圾的干法厌氧发酵装置，包括：发酵罐(1)、通过进料口(11)与发酵罐(1)顶部相连的进料管(7)和位于发酵罐(1)底部的出料口(2)，其特征在于，所述出料口(2)的数量大于等于2，且其中至少一个出料口(2)经由出料阀门(3)和回流泵(5)与回流管(6)相连，由此将进料管(7)中的新物料与回流管(6)内的已经发酵的物料送入位于发酵罐(1)顶部的混合器(9)中混合接种，且回流管(6)和进料管(7)外进一步包括加热套管(8)。
2.根据权利要求1所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于进料管(7)中的新物料与回流管(6)内的已发酵物料在混合器(9)中进行混合，混合均匀后的物料通过进料口(11)进入发酵罐(1)内。
3.根据权利要求1所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于所述进料口(11)为一个或多个。
4.根据权利要求1或2所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于所述混合器(9)选自混合搅拌的设备或混合的管道。
5.根据权利要求4所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于所述混合器(9)缩短为同一个进料口(11)。
6.根据权利要求1所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于所述加热套管(8)包含高温热源物料以加热回流管(6)中的已经发酵的物料和进料管(7)中的新物料，所述高温热源物料选自高温水蒸气、高温导热油或高温热气体，且将物料加热至30-60℃。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述高温水蒸气的温度为100-300℃，所述高温导热油的温度为100-500℃，和所述高温热气体的温度为100-600℃。
8.根据权利要求1所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于所述出料口(2)为锥形。
9.根据权利要求1所述的干法厌氧发酵装置，其特征在于至少一个出料口(2)经由出料阀门(3)和排料泵(4)相连，以将位于发酵罐(1)底部的已经发酵的物料排出。
10.一种厨余垃圾的干法厌氧发酵方法，包括将新鲜厨余垃圾和已发酵的厨余垃圾混合接种之前，间接加热新鲜厨余垃圾和已发酵的厨余垃圾的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中间接加热步骤通过包含高温热源物料的加热套管实现，使得热源与所述厨余垃圾之间没有接触。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述高温热源物料选自高温水蒸气、高温导热油或高温气体，并且将所述厨余垃圾加热至30-60℃。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述高温水蒸气的温度为100-300℃，所述高温导热油的温度为100-500℃，所述高温热气体的温度为100-600℃。
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