CN110607224A - 一种复合型高含固拼装式厌氧发酵装置 - Google Patents
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Abstract
一种复合型高含固拼装式厌氧发酵装置，属于发酵装置技术领域。反应器由呈圆柱形结构的罐体I、罐体II…(n‑1)、罐体n以及设于罐体I的左封头和罐体n的右封头相互连接；罐体分为钢制结构层与混凝土加固层，加热盘管安装于钢制结构层外表面；保温层设在混凝土加固层的最外层。罐体I设置有进料口，罐体II…(n‑1)设置有出气口；罐体n设置有出料口和出气口；各罐体上部分别设置1个检查口和三个仪表口；罐体中轴线设有拼装式中空搅拌轴，不同罐体的搅拌由联轴器连接，搅拌轴上设置桨叶。罐体可以拆卸，且两端设置吊耳，用户需要搬迁时，可以进行拆卸并方便吊装运输，防止设备闲置浪费。
Description
技术领域
本发明属于发酵装置技术领域，尤其涉及一种复合型高含固拼装式厌氧发酵装置。适用于农业固体废弃物(畜禽粪污、秸秆等)以及市政餐厨(余)垃圾、污泥等有机、生物质废弃物的资源化再利用领域，其利用厌氧发酵原理，能高效率的将以上固体废弃物的有机物、生物质转化为沼气及高含固有机肥基料，完全实现废弃物的资源化利用。
背景技术
按照含固率来分类，发酵技术分为湿式厌氧发酵(含固率﹤10％)和干式厌氧发酵(﹥20％)，湿式厌氧发酵技术含固率低，发酵初期需要消耗大量清洁水，发酵结束后产物浓度低，脱水困难，其产生的大量沼液，存在沼液消纳以及二次环境污染问题，已经成为湿式发酵应用的一个重要瓶颈。而干式厌氧发酵除具备湿式发酵的优点，还不对环境产生二次污染。因而，大力发展干式厌氧发酵技术是改善我国农业废弃物处理和资源化利用现状的必然要求。
1、目前我国干式厌氧发酵主体装备厌氧反应器的技术主要依靠引进国外的成套装备或者引用国外技术，存在“卡脖子”现象，造成行业投资造价高，制约了我国有机固废资源化利用的发展。
2、干式厌氧发酵罐都采取现场施工建设，施工周期长，安装效率低；且加热不均匀，发酵效率易受影响，严重影响项目经济效率；
3、反应器装备不能实现标准化生产，造价高，制约行业的发展。
发明内容
针对干式厌氧发酵存在的问题，本申请提供了一种复合型高含固拼装式厌氧发酵装置，该装置可在工厂预制模块后运抵现场拼装，施工期短且投资成本低，实现了在工厂标准化制式生产的模式，便于大规模推广使用。
为了实现以上目的，本发明公开了一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，发酵反应器由多个呈卧式圆柱形结构的罐体I、罐体II…罐体(n-1)、罐体n端口依次串联组装成一体，使得罐体I的左封头和罐体n的右封头之间连接连通；每个罐体包括三层结构，最内层为钢制结构层，最外层为混凝土加固层，钢制结构层和混凝土加固层之间设有空隙，加热盘管安装于空隙内钢制结构层外表面；在混凝土加固层的外面还设有保温层；罐体I设置有进料口，罐体II…罐体(n-1)设置有出气口；罐体n设置有出料口和出气口；同时每个罐体上部还分别均设置1个检查口和三个仪表口；反应器中轴线设有拼装式中空搅拌轴，不同罐体的搅拌轴由联轴器连接成一体，整体的搅拌轴有搅拌电机进行驱动旋转，搅拌轴上设置桨叶，每个罐体内设有多个桨叶；各罐体分别预留与加热盘管连接的热水进水口和热水出水口。n≥2。
每个罐体的底部设有一个卸料口。罐体I的左端设有左封头和罐体n的右端设有右封头。
每个罐体的加热盘管设有一个循环泵和一个热水调节阀，同时每个罐体内还设有温度传感器，所有的循环泵、热水调节阀、温度传感器均与控制系统连接，控制系统能够通过控制加热盘管的热水流量等进而控制每个罐体的温度。
本发明所述的反应器可用于不同阶段、具有不同反应温度段的厌氧发酵反应。
应用时所述的复合型高含固拼装厌氧发酵装置的参数设置如下：
所述罐体直径为4～10m，长度为3～15m。考虑卧式容器静压，腐蚀裕度取1.5mm，所述罐体钢板厚度为4mm～8mm。所述混凝土强度为C20或C25，混凝土层厚度δ1为180mm～300mm。钢制结构层和混凝土加固层之间空隙的厚度为加热盘管直径的1.2-1.5倍。
本发明厌氧发酵装置可通过调节热源量及温度，可适用于任意温度条件下的厌氧反应工艺。换热热源即热水条件、热源进量及流速、物料温度等按照下列方法计算：
热源采用60～85℃热水，罐外璧散热无伴管加热，则发酵装置所需总热量Q：
Q＝Q1+Q2；
说明：Q1——物料加热到所需温度所需的热量，Q1＝mC(t-ts)，m为每日进料量，t、ts分别为物料进料温度、物料所需加热到的温度，C为物料的比热容，由其总固体浓度决定，可以根据现有技术进行查阅或/和计算；以菜牛粪便为例，C＝4.17[1-0.00812*TS]；
Q2——圆筒形沼气罐的热量损失；D0、D1、D2——分别为钢罐罐体外径、内层绝热层外径(此处指混凝土层外径)、外层绝热层外径(此处指保温层外径)；λ1，λ2——分别为混凝土与保温层的导热系数；T0、Ta——分别为钢罐外表面、保温层外表面温度；αs——保温层外表面与空气的换热系数；
根据总热量Q，热源进出口温度，可算得热源流量q＝Q/[Cp×(t1-t2)]，Cp为水的定压比热容，t1、t2为热源进水、出水温度；盘管内热水设计流速v为0.35～0.5m/s，由此可计算盘管直径d＝(4q/πv)1/2。
所述的外层绝热层外径D2应满足下式的要求：
式中：D0、D2——分别为钢罐罐体、外层绝热层外径；λ1，λ2——分别为混凝土与保温层的导热系数；[Q]——允许最大热损失量，根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录B取值；T0、T1、Ta——分别为钢罐外表面、混凝土层外表面、保温层外表面温度；αs——保温层外表面与空气的换热系数；
根据上述参数计算出D2lnD2/D0后，再根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录D，计算出保温层和混凝土层的总厚度δ。则保温层厚度δ2＝δ-δ1，其中δ1为混凝土层厚度。
本发明的优点：
1、罐体可以拆卸，且两端设置吊耳，用户需要搬迁时，可以进行拆卸并方便吊装运输，防止设备闲置浪费。
2、本发明所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，所述罐体采用钢板筒体结构层外包钢筋混凝土加固层制作，减少钢材用量和保温材料用量，降低厌氧发酵罐成本。
3、本发明所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，所述发酵反应器为卧式圆筒形，由不同罐体通过焊接或者法兰等方式连接拼装而成，方便现场安装，提高施工效率。
4、本发明所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，所述发酵反应器由不同数量预制罐体拼装而成，发酵反应器容积达几百立方米到上千立方米，适用各种工况下的高含固有机废弃物的处理。
5、本发明采用加热盘管安装于钢制结构层外表面使整个钢制结构层作为换热器，其换热面积大且全覆盖换热工作区，达到了反应器整体受热均匀的目的。
附图说明
图1为分段式温度控制系统示意图；
图2为高含固拼装厌氧发酵装置内部结构示意图；
图3为为高含固拼装厌氧发酵装置外部结构示意图。
图4为根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录D。
图中序号说明：1.罐体I、2.左封头、3.搅拌电机、4.搅拌轴I、5.机架、6.轴承座I、7.进料口、8.检查口I、9-11.仪表口I、12.加热盘管I、13.热源进口I、14.热源出口I、15.出气口I、16.卸料口I、17.混凝土层I、18.保温层I、19.联轴器、20.罐体II、21.检查口II、22-24.仪表口II、25.加热盘管II、26.热源进口II、27.热源出口II、28.出气口II、29.卸料口II、30.混凝土层II、31.保温层II、32.搅拌轴II、33.罐体n、34.检查口n、35-37.仪表口n、38.加热盘管n、39.热源进口n、40.热源出口n、41.出气口n、42.混凝土层n、43.保温层n、44.搅拌轴n、45.卸料口n、46.右封头、47.轴承座II。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明的结构原理作具体的描述。但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
如图1所示，本发明实施例的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置。所述的罐体I1、罐体II20、罐体n33呈圆柱形结构且通过焊接或者法兰相互连接，以确保密封，且罐体I1和罐体n33的各设置左封头2和右封头46；所述罐体I1、罐体II20、罐体n33外侧浇筑混凝土层17、30、42，并在最外层设有保温层I18、保温层II31、保温层n43；所述罐体中轴线上分别设有一根贯穿罐体的搅拌轴I4、搅拌轴II32、搅拌轴n44，不同搅拌轴分别采用联轴器19联接；所述的搅拌轴I4、搅拌轴II32、搅拌轴n44由位于左封头2和右封头46外的轴承座I6、轴承座II47固定；所述罐体的搅拌电机3由机架5固定支撑；所述的罐体I1上方设有物料进料口7，物料通过搅拌轴I4、搅拌轴II32、搅拌轴n44的推进作用流向厌氧发生器末端，并通过卸料口n45出料；所述的罐体钢制结构层外表面装配加热盘管I12、加热盘管II25、加热盘管n38分别设有热源进口I13、热源进口II26、热源进口n39和热源出口I14、热源出口II27、热源出口n40，通过分别注入热源对罐体进行分段式加热，确保罐体受热均匀；所述罐体的检查口I8、检查口II21、检查口n34设有视窗，可即时观察反应器内工作状态；仪表口I9-11、仪表口II22-24、仪表口n35-37分别设有温度传感器、pH传感器、流量计、压力表等在线仪表，监测反应器厌氧发酵反应的指标并通过控制系统进行采集自动调节，确保反应处于最佳状态；所述罐体的出气口15、28、41方便沼气收集排出。所述罐体的卸料口I16、II29、n45方便系统检修或者停车时卸料。
另外，本发明所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，采用模块化制作，所述罐体I和罐体n之间，可以拼接不同数量的罐体，组装方便，扩容灵活。
应用时所述的复合型高含固拼装厌氧发酵装置的参数设置如下：
所述罐体直径为4～10m，长度为3～15m。考虑卧式容器静压，腐蚀裕度取1.5mm，所述罐体钢板厚度为4mm～8mm。所述混凝土强度为C20或C25，混凝土层厚度δ1为180mm～300mm。钢制结构层和混凝土加固层之间空隙的厚度为加热盘管直径的1.2-1.5倍。
本发明厌氧发酵装置可通过调节热源量及温度，可适用于任意温度条件下的厌氧反应工艺。换热热源即热水条件、热源进量及流速、物料温度等按照下列方法计算：
热源采用60～85℃热水，罐外璧散热无伴管加热，则发酵装置所需总热量Q：
Q＝Q1+Q2；
说明：Q1——物料加热到所需温度所需的热量，Q1＝mC(t-ts)，m为每日进料量，t、ts分别为物料进料温度、物料所需加热到的温度，C为物料的比热容，由其总固体浓度决定，以菜牛粪便为例，C＝4.17[1-0.00812*TS]；
Q2——圆筒形沼气罐的热量损失；D0、D1、D2——分别为钢罐罐体、内层绝热层(混凝土层)外界、外层绝热层(保温层)外径；λ1，λ2——分别为混凝土与保温层的导热系数；T0、Ta——分别为钢罐外表面、保温层外表面温度；αs——保温层外表面与空气的换热系数；
根据总热量Q，热源进出口温度，可算得热源流量q＝Q/[Cp×(t1-t2)]，Cp为水的定压比热容，t1、t2为热源进水、出水温度；盘管内热水设计流速v为0.35～0.5m/s，由此可计算盘管直径d＝(4q/πv)1/2。
所述的外层绝热层外径D2应满足下式的要求：
式中：D0、D2——分别为钢罐罐体、外层绝热层外径；λ1，λ2——分别为混凝土与保温层的导热系数；[Q]——允许最大热损失量，根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录B取值；T0、T1、Ta——分别为钢罐外表面、混凝土层外表面、保温层外表面温度；αs——保温层外表面与空气的换热系数；
根据上述参数计算出D2lnD2/D0后，再根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录D，计算出保温层和混凝土层的总厚度δ。则保温层厚度δ2＝δ-δ1，其中δ1为混凝土层厚度。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，反应器由多个呈卧式圆柱形结构的罐体I、罐体II…罐体(n-1)、罐体n端口依次串联组装成一体，罐体I的左封头和罐体n的右封头相互连接；每个罐体包括三层结构，最内层为钢制结构层，最外层为混凝土加固层，钢制结构层和混凝土加固层之间设有空隙，加热盘管安装于空隙内钢制结构层外表面；在混凝土加固层的外面还设有保温层；罐体I设置有进料口，罐体II…罐体(n-1)设置有出气口；罐体n设置有出料口和出气口；同时每个罐体上部还分别均设置1个检查口和三个仪表口；反应器中轴线设有拼装式中空搅拌轴，不同罐体的搅拌轴由联轴器连接成一体，整体的搅拌轴有搅拌电机进行驱动旋转，搅拌轴上设置桨叶，每个罐体内设有多个桨叶；各罐体分别预留与加热盘管连接的热水进水口和热水出水口；n≥2；每个罐体的底部设有一个卸料口；罐体I的左端设有左封头和罐体n的右端设有右封头。
2.按照权利要求1所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，每个罐体的加热盘管设有一个循环泵和一个热水调节阀，同时每个罐体内还设有温度传感器，所有的循环泵、热水调节阀、温度传感器均与控制系统连接，控制系统能够通过控制加热盘管的热水流量等进而控制每个罐体的温度。
3.按照权利要求1所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，所述罐体直径为4～10m，长度为3～15m。
4.按照权利要求1所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，考虑卧式容器静压，腐蚀裕度取1.5mm，所述罐体钢板厚度为4mm～8mm。
5.按照权利要求1所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，所述混凝土强度为C20或C25，混凝土层厚度δ1为180mm～300mm。
6.按照权利要求1所述的一种复合型高含固拼装厌氧发酵装置，其特征在于，钢制结构层和混凝土加固层之间空隙的厚度为加热盘管直径的1.2-1.5倍。
7.权利要求1-6任一项所述的厌氧发酵装置的应用，其特征在于，可通过调节热源量及温度，适用于厌氧反应工艺，换热热源即热水条件、热源进量及流速、物料温度等按照下列方法计算：
热源采用60～85℃热水，罐外璧散热无伴管加热，则发酵装置所需总热量Q：
Q＝Q1+Q2；
说明：Q1——物料加热到所需温度所需的热量，Q1＝mC(t-ts)，m为每日进料量，t、ts分别为物料进料温度、物料所需加热到的温度，C为物料的比热容；
Q2——圆筒形沼气罐的热量损失；D0、D1、D2——分别为钢罐罐体外径、内层绝热层外径(此处指混凝土层外径)、外层绝热层外径(此处指保温层外径)；λ1，λ2——分别为混凝土与保温层的导热系数；T0、Ta——分别为钢罐外表面、保温层外表面温度；αs——保温层外表面与空气的换热系数；
根据总热量Q，热源进出口温度，可算得热源流量q＝Q/[Cp×(t1-t2)]，Cp为水的定压比热容，t1、t2为热源进水、出水温度；盘管内热水设计流速v为0.35～0.5m/s，由此可计算盘管直径d＝(4q/πv)1/2；
所述的外层绝热层外径D2应满足下式的要求：
式中：D0、D2——分别为钢罐罐体、外层绝热层外径；λ1，λ2——分别为混凝土与保温层的导热系数；[Q]——允许最大热损失量，根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录B取值；T0、T1、Ta——分别为钢罐外表面、混凝土层外表面、保温层外表面温度；αs——保温层外表面与空气的换热系数；
根据上述参数计算出D2lnD2/D0后，再根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录D，计算出保温层和混凝土层的总厚度δ；则保温层厚度δ2＝δ-δ1，其中δ1为混凝土层厚度。
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