CN111849721A - 一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，包括发酵罐、沼液循环管路以及发酵供料装置，所述发酵罐内的发酵物料由若干个沿着竖直方向排列的发酵单元组成，每个发酵单元包括自上而下排列的氨化秸秆层、生物炭层以及沼渣层；所述发酵罐的顶部设有进料口和出气口，底部设有出料口；所述沼液循环管路的一端连接在发酵罐的出液口处，另一端连接在发酵罐的进液口处；所述发酵供料装置通过连接至发酵罐的进料口的供料管依次将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐中。该混合发酵装置通过将沼渣与氨化秸秆进行混合发酵，优化物料配比，提高产气效率，同时采用沼液循环喷淋的方式，无需搅拌，操作简单，投入成本低。

Description

一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置
技术领域
本发明涉及秸秆发酵设备，具体涉及一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置。
背景技术
在农业大国，每年会产生数亿吨的农业废弃物，能源化利用，是处理这些农业废弃物的重要途径。在世界能源日益枯竭的今天，甲烷作为石油的重要替代能源，厌氧发酵技术得到了越来越多的关注。干式厌氧发酵是指发酵系统含固率大于20％的厌氧发酵技术。相对于湿式厌氧发酵，干式厌氧发酵具有更高的有机负荷，发酵物料含固率高，沼渣可发酵过程不产生沼液废水，没有后续沼液废水处理的问题，沼渣可用作肥料或者回用到发酵中资源化利用，实现真正的零排放。
现有的干式厌氧发酵主要包括间隙式发酵和连续式发酵，其中，间隙式发酵主要包括BIOFerm工艺和BEKON工艺，这些发酵工艺具有无需搅拌、产气量大等优点，但是存在着装置体积大、投入成本高、操作复杂、系统安全运行要求高等问题。连续式发酵包括机械式的Kompogas工艺和BRV工艺，以及推流式的Dranco工艺和Valorga工艺，这些发酵工艺可实现干式厌氧发酵连续进行，有效提高发酵效率。但这类工艺对物料要求高，往往需要对物料进行预处理，且构造复杂、投入成本大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，该混合发酵装置通过将沼渣与氨化秸秆进行混合发酵，优化物料配比，提高产气效率，同时采用沼液循环喷淋的方式，无需搅拌，操作简单，投入成本低。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，包括用于物料进行厌氧发酵的发酵罐、用于循环将沼液输送至发酵罐中的沼液循环管路以及用于往发酵罐中加入发酵物料的发酵供料装置，其中，所述发酵罐内的发酵物料由若干个沿着竖直方向排列的发酵单元组成，每个发酵单元包括自上而下排列的氨化秸秆层、生物炭层以及沼渣层；所述发酵罐的顶部设有进料口和出气口，底部设有出料口；
所述沼液循环管路的一端连接在发酵罐的出液口处，另一端连接在发酵罐的进液口处；
所述发酵供料装置通过连接至发酵罐的进料口的供料管依次将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐中。
上述半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置的工作原理是：
工作时，发酵供料装置通过供料管依次将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐中，使得生物炭层叠在沼渣之上，秸秆层叠在生物炭之上，从而形成自上而下分层排列的发酵单元。具体地，以发酵罐中设有三个发酵单元为例，在发酵物料投放过程中，按照上述投放顺序，从下至上依次完成三个发酵单元的发酵物料的投放。
在发酵的过程中，发酵罐中的发酵物料不断产生沼液和沼气，沼气上浮并从出气口流出。沼液则往下流动，积聚在发酵罐的底部，继而通过沼液循环管路将发酵罐中产生的沼液循环输送至发酵单元中，将沼液喷淋在发酵物料上，从而使得发酵物料充分接触，无需配置机械搅拌装置。
进一步，当最下方的发酵单元完成发酵任务而从发酵罐的出料口清除后，剩下的发酵单元往下移动一个发酵单元的距离，继而在最上方的重新布设新的发酵物料，实现半连续式的工作方式。
本发明的一个优选方案，其中，所述发酵罐的底部可拆卸地设置有集液斗，该集液斗上设有所述出液口。在发酵过程中，沼液在重力的作用下往下移动，最后积聚在集液斗中，进而通过出液口进入沼液循环管路中，进行循环喷淋工作。
优选地，所述集液斗的上方设有隔板，该隔板上设有多个漏孔。这样通过隔板对发酵罐中的发酵物料进行隔档，而沼液可以穿过漏孔往下积聚在集液斗中。
本发明的一个优选方案，其中，沿着沼液的循环流动方向，所述沼液循环管路的末端由多个循环支路构成，所述循环支路的数量与发酵单元的数量和进液口的数量相同；
多个循环支路的出口分别连接至多个发酵单元的氨化秸秆层的上方。这样，可以在同一个发酵罐中同时进行多组发酵工作，提高秸秆发酵的效率。
进一步，位于下方的循环支路的流量小于位于上方的循环支路的流量，通过控制沼液回流的流量，可控制不同的发酵单元的发酵速度；其中，位于最下方的物料的沼液循环流量最大，亦即最下方的物料发酵的速度最快，当最下方的物料发酵结束后，将其取出，再在最上方投入新的物料，继续进行发酵，从而形成自下而上的半连续的发酵方式。
进一步，将发酵单元的数量设为X，位于最下方的循环支路的流量为100％，自下而上，循环支路的流量依次减少
Figure BDA0002578671670000031
具体地，当发酵单元的数量为三个时，自下而上对应的循环支路的流量(取整)分别为100％、67％、33％。这样最下方的发酵单元发酵速度会更快，实现半连续式的进出料方式，且由于上下发酵单元处于不同的进程，可保持沼液中各阶段功能微生物的丰度和活性，加快启动速度，提高缓冲能力。
本发明的一个优选方案，其中，所述沼液循环管路上设有循环泵。
本发明的一个优选方案，其中，所述循环支路上设有止水阀，这样可以通过调节止水阀的开度来控制不同的发酵速度，操作简单，易于实现。
本发明的一个优选方案，其中，所述发酵供料装置包括用于往发酵罐中加入秸秆碎料的秸秆供料装置、用于往发酵罐中加入沼渣的沼渣供料装置以及用于往发酵罐中加入生物炭的生物炭供料装置，所述秸秆供料装置、沼渣供料装置和生物炭供料装置均通过所述供料管连接在发酵罐的进料口处。
优选地，所述秸秆供料装置包括粉碎机和秸秆供料管，所述秸秆供料管上设有第一供料泵，该秸秆供料管的两端分别连接在粉碎机的出口和发酵罐的进料口。
优选地，所述沼渣供料装置包括沼渣罐和沼渣供料管，所述沼渣供料管上设有第二供料泵，该沼渣供料管的两端分别连接在沼渣罐的出口和发酵罐的进料口。
优选地，所述生物炭供料装置包括生物炭罐和生物炭供料管，所述生物炭供料管上设有第三供料泵，该生物炭供料管的两端分别连接在生物炭罐的出口和发酵罐的进料口。
通过上述结构，按照先后顺序，自动地将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐中，实现自动化投料。
本发明的一个优选方案，其中，还包括用于供沼液进行静置沉淀的沉淀池，所述沼液循环管路包括第一循环管路和第二循环管路，所述第一循环管路的两端分别连接在发酵罐的出液口和沉淀池的入口，所述第二循环管路的两端分别连接在沉淀池的出口和发酵罐的进液口。通过上述结构，在沼液循环回流之前，先将其输送至沉淀池中进行静置沉淀，经过静置沉淀后将其输送至发酵罐中。
优选地，所述沉淀池的底部设有用于将沉淀物排出的排出口，所述排出口处连接有用于将沉淀物输送至发酵罐中的回料管。
进一步，所述回料管上设有回料泵。
本发明的一个优选方案，其中，还包括用于对发酵物料进行加热的加热装置，该加热装置包括加热水管和加热模块；
所述发酵罐的侧壁设有夹层结构，该夹层结构中设有加热腔；所述加热水管连接在加热模块和加热腔之间。通过上述结构，由加热模块对水进行加热，再通过加热水管将热水通入加热腔中，从而对发酵罐中的发酵物料进行加热，加快发酵的速度。具体地，所述加热模块可以为现有技术中的电热水器，或者其他能够对水进行加热的装置。
优选地，所述加热水管上设有用于驱动水在发酵罐和加热模块之间来回输送的加热水泵。
本发明的一个优选方案，其中，还包括用于对发酵后的沼渣进行干燥的干燥器，当一轮发酵工作完成后，打开集液斗，位于最下方的沼渣在重力的作用下从出料口处排出，出料后的沼渣进入干燥器中进行干燥，干燥后运走进行进一步处理。具体地，所述干燥器可以为现有技术中的干燥机，或者其他能够进行干燥的装置。
本发明的一个优选方案，其中，所述发酵罐的顶部设有可开关的弧形集气罩，所述出气口开设在弧形集气罩上，该出气口处连接有用于将沼气输送出去的导气管，所述导气管上设有阀门。
本发明的一个优选方案，其中，所述发酵罐的侧壁开设有观察窗口，在出料过程中，发酵物料在重力的作用下往下移动，因此可以通过观察窗口观察发酵罐内的出料情况；当发酵物料下降到指定高度时，关闭集液斗，结束出料。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用竖向分层的发酵方式，设置自上而下排列的氨化秸秆层、生物炭层以及沼渣层，形成夹心式混合发酵，有效解决干式厌氧发酵罐中的物料搅拌困难以及物料进出料困难的问题。有利于发酵物料的投放和排出，实现半连续式的工作方式，提高工作效率。
2、通过沼液循环管路将发酵罐中产生的沼液循环输送至发酵单元中，将沼液喷淋在发酵物料上，使得发酵物料充分接触，无需配置机械搅拌装置，达到缩短发酵的启动时间和加快物料降解速度的目的，同时避免了机械搅拌装置的故障问题，更易于维护。
3、本发明利用沼渣与秸秆进行混合发酵，优化优化碳氮比，提高发酵液的缓冲能力，提高产气效率。
4、在沼渣与秸秆中加入生物炭，可增强发酵系统运行的稳定性、提高发酵系统缓冲能力、固定微生物细胞、增加微生物代谢与生长以及提高发酵系统产甲烷效率。
附图说明
图1为本发明中的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置的发酵罐和沼液循环管路的结构简图。
图2为本发明中的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置的结构简图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1-2，本实施例中的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，包括用于物料进行厌氧发酵的发酵罐1、用于循环将沼液输送至发酵罐1中的沼液循环管路2以及用于往发酵罐1中加入发酵物料的发酵供料装置，其中，所述发酵罐1内的发酵物料由多个沿着竖直方向排列的发酵单元组成，每个发酵单元包括自上而下排列的氨化秸秆层3、生物炭层4以及沼渣层5；所述发酵罐1的顶部设有进料口和出气口，底部设有出料口。所述沼液循环管路2的一端连接在发酵罐1的出液口处，另一端连接在发酵罐1的进液口处，该沼液循环管路2上设有循环泵6。所述发酵供料装置通过连接至发酵罐1的进料口的供料管依次将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐1中。具体地，本实施例中的发酵单元设有三个，当然也可以为四个、五个甚至更多。
参见图1，所述发酵罐1的底部可拆卸地设置有集液斗7，该集液斗7上设有所述出液口。在发酵过程中，沼液在重力的作用下往下移动，最后积聚在集液斗7中，进而通过出液口进入沼液循环管路2中，进行循环喷淋工作。
参见图1所述集液斗7的上方设有隔板8，该隔板8上设有多个漏孔。这样通过隔板8对发酵罐1中的发酵物料进行隔档，而沼液可以穿过漏孔往下积聚在集液斗7中。
参见图1-2，沿着沼液的循环流动方向，所述沼液循环管路2的末端由三个循环支路9构成，所述循环支路9的数量与发酵单元的数量和进液口的数量相同；三个循环支路9的出口分别连接至三个发酵单元的氨化秸秆层3的上方，亦即连接至三个进液口处。这样，可以在同一个发酵罐1中同时进行多组发酵工作，提高秸秆发酵的效率。
进一步，位于下方的循环支路9的流量小于位于上方的循环支路9的流量，所述循环支路9上设有止水阀，这样可以通过调节止水阀的开度来控制不同的发酵速度，操作简单，通过控制沼液回流的流量，可控制不同的发酵单元的发酵速度；其中，位于最下方的物料的沼液循环流量最大，亦即最下方的物料发酵的速度最快，当最下方的物料发酵结束后，将其取出，再在最上方投入新的物料，继续进行发酵，从而形成自下而上的半连续的发酵方式。
进一步，将发酵单元的数量设为X，位于最下方的循环支路9的流量为100％，自下而上，循环支路9的流量依次减少
Figure BDA0002578671670000081
具体地，在本实施例中，自下而上对应的循环支路9的流量(取整)分别为100％、67％、33％。这样最下方的发酵单元发酵速度会更快，实现半连续式的进出料方式，且由于上下发酵单元处于不同的进程，可保持沼液中各阶段功能微生物的丰度和活性，加快启动速度，提高缓冲能力。
当然，若发酵单元的数量为四个时，自下而上对应的循环支路9的流量分别为100％、75％、50％、25％。
参见图2，所述发酵供料装置包括用于往发酵罐1中加入秸秆碎料的秸秆供料装置、用于往发酵罐1中加入沼渣的沼渣供料装置以及用于往发酵罐1中加入生物炭的生物炭供料装置，所述秸秆供料装置、沼渣供料装置和生物炭供料装置均通过所述供料管连接在发酵罐1的进料口处。
参见图2，所述秸秆供料装置包括粉碎机10和秸秆供料管11，所述秸秆供料管11上设有第一供料泵12，该秸秆供料管11的两端分别连接在粉碎机10的出口和发酵罐1的进料口。具体地，本实施例中的粉碎机10可选用现有技术中的机器。
参见图2，所述沼渣供料装置包括沼渣罐13和沼渣供料管14，所述沼渣供料管14上设有第二供料泵15，该沼渣供料管14的两端分别连接在沼渣罐13的出口和发酵罐1的进料口。
参见图2，所述生物炭供料装置包括生物炭罐16和生物炭供料管17，所述生物炭供料管17上设有第三供料泵18，该生物炭供料管17的两端分别连接在生物炭罐16的出口和发酵罐1的进料口。
通过上述结构，按照先后顺序，自动地将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐1中，实现自动化投料。
参见图2，本实施例中的混合发酵装置还包括用于供沼液进行静置沉淀的沉淀池19，所述沼液循环管路2包括第一循环管路2-1和第二循环管路2-2，所述第一循环管路2-1的两端分别连接在发酵罐1的出液口和沉淀池19的入口，所述第二循环管路2-2的两端分别连接在沉淀池19的出口和发酵罐1的进液口。通过上述结构，在沼液循环回流之前，先将其输送至沉淀池19中进行静置沉淀，经过静置沉淀后将其输送至发酵罐1中。
参见图2，所述沉淀池19的底部设有用于将沉淀物排出的排出口，所述排出口处连接有用于将沉淀物输送至发酵罐1中的回料管20，所述回料管20上设有回料泵21。
进一步，本实施例中，所述秸秆供料管11、沼渣供料管14、生物炭供料管17以及回料管20的末端汇合在一起，并连接至进料口处。
参见图2，本实施例中的混合发酵装置还包括用于对发酵物料进行加热的加热装置，该加热装置包括加热水管22和加热模块23；所述发酵罐1的侧壁设有夹层结构，该夹层结构中设有加热腔；所述加热水管22连接在加热模块23和加热腔之间，该加热水管22上设有用于驱动水在发酵罐1和加热模块23之间来回输送的加热水泵24。通过上述结构，由加热模块23对水进行加热，再通过加热水管22将热水通入加热腔中，从而对发酵罐1中的发酵物料进行加热，加快发酵的速度。具体地，所述加热模块23可以为现有技术中的电热水器，或者其他能够对水进行加热的装置。
参见图2，本实施例中的混合发酵装置还包括用于对发酵后的沼渣进行干燥的干燥器25，当一轮发酵工作完成后，打开集液斗7，位于最下方的沼渣在重力的作用下从出料口处排出，出料后的沼渣进入干燥器25中进行干燥，干燥后运走进行进一步处理。具体地，所述干燥器25可以为现有技术中的干燥机，或者其他能够进行干燥的装置。
参见图1，所述发酵罐1的顶部设有可开关的弧形集气罩26，所述出气口开设在弧形集气罩26上，该出气口处连接有用于将沼气输送出去的导气管27，所述导气管27上设有阀门。
参见图1，所述发酵罐1的侧壁开设有观察窗口1-1，在出料过程中，发酵物料在重力的作用下往下移动，因此可以通过观察窗口1-1观察发酵罐1内的出料情况；当发酵物料下降到指定高度时，关闭集液斗7，结束出料。
参见图1-2，本实施例中的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置的工作原理是：
工作时，发酵供料装置通过供料管依次将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐1中，使得生物炭层4叠在沼渣之上，秸秆层叠在生物炭之上，从而形成自上而下分层排列的发酵单元。具体地，由于本实施例中的发酵罐1中设有三个发酵单元，那么在发酵物料投放过程中，按照上述投放顺序，从下至上依次完成三个发酵单元的发酵物料的投放。
在发酵的过程中，发酵罐1中的发酵物料不断产生沼液和沼气，沼气上浮并从出气口流出。沼液则往下流动，积聚在发酵罐1的底部，继而通过沼液循环管路2将发酵罐1中产生的沼液循环输送至发酵单元中，将沼液喷淋在发酵物料上，从而使得发酵物料充分接触，无需配置机械搅拌装置。
进一步，当最下方的发酵单元完成发酵任务而从发酵罐1的出料口清除后，剩下的发酵单元往下移动一个发酵单元的距离，继而在最上方的重新布设新的发酵物料，实现半连续式的工作方式。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，包括用于物料进行厌氧发酵的发酵罐、用于循环将沼液输送至发酵罐中的沼液循环管路以及用于往发酵罐中加入发酵物料的发酵供料装置，其特征在于，所述发酵罐内的发酵物料由若干个沿着竖直方向排列的发酵单元组成，每个发酵单元包括自上而下排列的氨化秸秆层、生物炭层以及沼渣层；所述发酵罐的顶部设有进料口和出气口，底部设有出料口；
所述沼液循环管路的一端连接在发酵罐的出液口处，另一端连接在发酵罐的进液口处；
所述发酵供料装置通过连接至发酵罐的进料口的供料管依次将沼渣、生物炭以及氨化秸秆输送至发酵罐中。
2.根据权利要求1所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，所述发酵罐的底部可拆卸地设置有集液斗，该集液斗上设有所述出液口；
所述集液斗的上方设有隔板，该隔板上设有多个漏孔。
3.根据权利要求1所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，沿着沼液的循环流动方向，所述沼液循环管路的末端由多个循环支路构成，所述循环支路的数量与发酵单元的数量和进液口的数量相同；
多个循环支路的出口分别连接至多个发酵单元的氨化秸秆层的上方。
4.根据权利要求3所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，位于下方的循环支路的流量小于位于上方的循环支路的流量。
5.根据权利要求4所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，将发酵单元的数量设为X，位于最下方的循环支路的流量为100％，自下而上，循环支路的流量依次减少
Figure FDA0002578671660000011
6.根据权利要求1-5任一项所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，所述发酵供料装置包括用于往发酵罐中加入秸秆碎料的秸秆供料装置、用于往发酵罐中加入沼渣的沼渣供料装置以及用于往发酵罐中加入生物炭的生物炭供料装置，所述秸秆供料装置、沼渣供料装置和生物炭供料装置均通过所述供料管连接在发酵罐的进料口处。
7.根据权利要求6所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，所述秸秆供料装置包括粉碎机和秸秆供料管，所述秸秆供料管上设有第一供料泵，该秸秆供料管的两端分别连接在粉碎机的出口和发酵罐的进料口；
所述沼渣供料装置包括沼渣罐和沼渣供料管，所述沼渣供料管上设有第二供料泵，该沼渣供料管的两端分别连接在沼渣罐的出口和发酵罐的进料口；
所述生物炭供料装置包括生物炭罐和生物炭供料管，所述生物炭供料管上设有第三供料泵，该生物炭供料管的两端分别连接在生物炭罐的出口和发酵罐的进料口。
8.根据权利要求1所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，还包括用于供沼液进行静置沉淀的沉淀池，所述沼液循环管路包括第一循环管路和第二循环管路，所述第一循环管路的两端分别连接在发酵罐的出液口和沉淀池的入口，所述第二循环管路的两端分别连接在沉淀池的出口和发酵罐的进液口；
所述沉淀池的底部设有用于将沉淀物排出的排出口，所述排出口处连接有用于将沉淀物输送至发酵罐中的回料管。
9.根据权利要求1所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，还包括用于对发酵物料进行加热的加热装置，该加热装置包括加热水管和加热模块；
所述发酵罐的侧壁设有夹层结构，该夹层结构中设有加热腔；所述加热水管连接在加热模块和加热腔之间；
所述加热水管上设有用于驱动水在发酵罐和加热模块之间来回输送的加热水泵。
10.根据权利要求1所述的半连续式的氨化秸秆与沼渣夹心式混合发酵装置，其特征在于，所述发酵罐的顶部设有可开关的弧形集气罩，所述出气口开设在弧形集气罩上，该出气口处连接有用于将沼气输送出去的导气管，所述导气管上设有阀门。
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