CN116083228A - 一种连续干法厌氧发酵反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续干法厌氧发酵反应器，包括转鼓发酵罐、用于将物料进给转鼓发酵罐的螺旋进料器、用于保证厌氧发酵环境的密封装置、用于支撑转鼓发酵罐的支撑装置、包裹在转鼓发酵罐外部并用于加热转鼓发酵罐的蒸汽夹套、用于驱动转鼓发酵罐旋转的驱动装置和用于控制转鼓发酵罐内温度的自动温控装置、用于卸料和排放沼气的卸料仓。本发明适用于高含固量的干法中、高温厌氧发酵，以转鼓和扬料板方式强化传热传质，提高了设备的可靠性和沼气产率；特殊设计的密封结构，保证了厌氧环境；转鼓发酵罐的倾斜筒体的设计保证了物料传输和发酵过程同时进行，自动卸料和温控装置，提高了生物天然气的自动化生产水平。

Description

一种连续干法厌氧发酵反应器

技术领域

本发明公开了一种连续干法厌氧发酵反应器，特别是一种回转式连续干法发酵生产沼气的装备，属于生物质能源生产装备技术领域。

背景技术

我国是世界上最大的农产品生产和消费国，每年产生的农业废弃物资源量巨大。截至2020年，我国每年产生的可收集秸秆约9亿吨，畜禽粪便总量约38亿吨，沼气资源化利用率低。生物天然气可有效替代化石燃料，是公认的绿色可再生能源，利用好秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾等生产生物天然气，有利于解决我国农村环境和天然气短缺问题。

我国目前沼气厌氧发酵方法以CSTR湿法发酵为主，虽然技术较为成熟，但也有容积产气率低、高能耗、高水耗、生产废水产生量大且难以处理等诸多缺点。目前，国外较为先进的生物天然气项目多采用含固率大于20％的干法发酵技术，包括批序式和连续式两种。批序式以堆肥和淋滤为主要生产方式，传热传质困难、发酵产率低。连续式干法发酵又分为长轴推流式和气动搅拌式两种，受制于自动控制水平，我国目前已有连续式干法发酵项目，均为长轴搅拌推流式反应器。

长轴搅拌反应器主要问题包括：1)由于固体原料与搅拌桨直接接触，搅拌桨的磨损问题严重。2)搅拌轴密封端易出现失效，进而引起沼气泄漏。3)机械搅拌死角无法避免，影响产气效率，增加设备腐蚀。4)受制于长轴机械加工水平，设备国产化大型化困难，对各类复杂生物质原料适应性差。

发明内容

为解决以上问题，本发明设计了一种回转式厌氧发酵反应器，采用回转筒体和扬料板结构代替推流式长轴搅拌器，通过特殊设计的温度控制系统，可以使生物质原料在厌氧发酵过程中的高效传热传质，提高容积产气率，有利于实现农业废弃物干法连续发酵生产生物天然气的大规模商业化运营。

本发明提出了一种连续干法厌氧发酵反应器，用于生物质原料的发酵，具体采用如下技术方案：

一种连续干法厌氧发酵反应器，包括转鼓发酵罐、用于将物料进给转鼓发酵罐的螺旋进料器、用于保证厌氧发酵环境的进料密封和出料密封、用于支撑转鼓发酵罐的支撑装置、包裹在转鼓发酵罐外部并用于加热转鼓发酵罐的蒸汽夹套、用于驱动转鼓发酵罐旋转的驱动装置、用于卸料和排放沼气的卸料仓，

转鼓发酵罐充装系数为0.3～0.7，优选0.4～0.6，发酵罐本体向水平方向的倾斜角度为0.5～3°，优选1～2.5°，且进口端高于出口端。

转鼓发酵罐内设置有不同径向长度的扬料板，从转鼓发酵罐的内壁向转鼓发酵罐的中心延伸，分为若干组沿内壁周向间隔分布，优选均匀等间距分布，每组扬料板沿同一周向截面的数量为4～12块。扬料板包括长度较长的长扬料板和长度较短的短扬料板，长扬料板为筒体直径的0.3～0.4倍，优选约0.375倍，短扬料板为筒体直径的0.2～0.3倍，优选约0.225倍，优选沿轴向分组分阶段等间距分布，其中长扬料板分组设置在转鼓发酵罐的前段，占转鼓发酵罐总长度的15～20％，布置为5～25组，优选8～22组，优选10～20组，优选10～15组；短扬料板分组设置在转鼓发酵罐的后段，占转鼓发酵罐总长度的80～85％布置，布置为15～50组，优选20～45组，优选25～40组，优选30～40组，扬料板结构形式为桨式，短边(桨柄)与发酵罐内壁连接，短边宽度为发酵罐筒体直径的0.075～0.015倍，优选0.01倍，长边(桨叶)宽度为短边宽度的4～8倍，优选5倍。

优选，转鼓发酵罐的内径为3～6米，转鼓发酵罐的长度为50～100米。

优选，螺旋进料器为固定部件，其上前端设有进料口，后端设有沼液回流口。

优选，进料密封包括进料密封仓、第一动摩擦环、第一静摩擦环、前端法兰压盖，进料密封仓将螺旋进料器与转鼓发酵罐的进口密封；进料密封仓为圆筒形固定部件，一端伸入转鼓发酵罐的进口端开口内，另一端与螺旋进料器的端部连接，在转鼓发酵罐的端口向外依次设置第一动摩擦环、第一静摩擦环、前端法兰压盖，第一静摩擦环与进料密封仓筒体外壁固定，第一动摩擦环随转鼓发酵罐筒体转动，围绕进料密封仓的外周固定有多个进料密封压板，进料密封压板进一步通过第一弹簧连接件将进料密封仓压压紧于前端法兰压盖，前端法兰压盖设有一变径段覆盖住第一动摩擦环、第一静摩擦环，变径段进一步覆盖一段第一密封毛毡与发酵罐外壁贴合。动摩擦环靠弹簧连接件和静摩擦环压紧，转动过程动静摩擦环配合形成摩擦副，密封间隙小于1mm，阻止气体泄漏。密封压板和进料密封仓通过螺栓连接，密封间隙通过弹簧连接件和螺栓调节。

优选地，进料密封压板环状布置于进料密封仓上，数量为8～20个，前端法兰压盖设置两道密封，内密封为由第一静摩擦环和第一动摩擦环组成的机械密封；优选地，第一静摩擦环材料为PTFE，固定于进料密封仓外壁，第一动摩擦环为硬质合金复合层，复合于转鼓发酵罐筒体前端部；外密封为在法兰变径段后部增加的一段密封毛毡，进一步减少了从内密封点逸出的沼气泄漏。

优选地，进料密封仓上进一步设有进料密封支架，固定于水泥基础，作用为固定进料密封仓。

优选，出料密封包括后端法兰压盖、第二动摩擦环、第二静摩擦环、第二密封毛毡、卸料密封压板和第二弹簧连接件，卸料仓设有一段圆筒形连接段，伸入转鼓发酵罐的出口端开口内，在转鼓发酵罐的出口端开口向外依次设置第二动摩擦环、第二静摩擦环、后端法兰压盖，第二静摩擦环与卸料仓出料段外壁固定，第二动摩擦环随转鼓发酵罐筒体转动，围绕卸料仓连接段的外周固定有多个卸料密封压板，卸料密封压板进一步通过第二弹簧连接件将卸料仓压紧于后端法兰压盖，后端法兰压盖设有一变径段覆盖住第二动摩擦环、第二静摩擦环，变径段进一步覆盖一段第二密封毛毡，并与转鼓发酵罐的出口端外壁贴合。第二动摩擦环靠弹簧连接件和第二静摩擦环压紧，转动过程动静环配合形成摩擦副，密封间隙小于1mm，阻止气体泄漏。

优选地，卸料密封压板环状布置于卸料仓连接段上，数量为8～20个，第一道为由第二静摩擦环和第二动摩擦环组成的机械密封；优选地，第二静摩擦环材料为PTFE，固定于后端法兰压盖，第二动摩擦环为硬质合金复合层，复合于转鼓发酵罐筒体后端部；第二道密封在法兰变径段后部增加一段第二密封毛毡，进一步减少从第一密封点泄漏出的沼气。进料密封和出料密封保证了发酵罐内的厌氧环境，增加了密封的可靠性。

螺旋进料器伸入进料密封仓，螺旋进料器与进料密封仓之间用法兰连接。

稳态发酵后的回流沼液作为接种物，并调节进料含水量，后端固液分离后的沼液经过泵送加压由沼液回流口回流至进料端，同时具有冲洗润滑螺旋进料器作用。

支撑装置包括托轮和底座例如水泥底座，转鼓发酵罐通过托轮支撑于底座上，托轮设置在底座上可转动，支承环紧固于转鼓发酵罐的外周，转鼓发酵罐的支承环与托轮线接触，托轮由托轮轴承支承于底座上，一般为两组，一般分别位于转鼓发酵罐进料侧和出料侧，每组两个对称布置，分布在转鼓发酵罐的横向两侧，例如，各组可分别设置于转鼓发酵罐的两端附近，支承轮与垂直中心线夹角优选30±10°，优选约30°。

自动温控装置包括沿周向分布的伸入转鼓发酵罐不同深度的若干个温度探头、无线温度采集器、用于控制蒸汽流量的温控阀、PLC(可编程逻辑控制器)。蒸汽夹套通过鞍座固定安装于底座上，与转鼓发酵罐的筒体间隙为2～5cm，加热方式为辐射传热。进入蒸汽夹套的进口管道上设有温控阀，若干个温度探头用于测量转鼓发酵罐筒体内的平均温度。实测温度经无线温度采集器传输至PLC，PLC发送调温信号至温控阀，根据所需发酵温度与实际测温的温差，调节蒸汽夹套中的蒸汽流量。

驱动装置可以为变频电机，或者定频电机加减速机，驱动装置通过蜗杆带动主动齿轮转动，主动齿轮设置在筒体外壁，例如布满整个圆周，和转鼓发酵罐上的主齿轮配合，从而带动转鼓发酵罐做回转运动，优选转速0.3～3rpm。

出料装置包括卸料仓和出料传送带，卸料仓为固定部件，通过耳座固定于底座，例如水泥底座，一般为箱型或筒状，下部为倒锥形(下部通常为逐渐变细部，例如倒截头锥形)，卸料仓的侧部进口与转鼓发酵罐的出口连通。卸料仓上部(通常是与转鼓发酵罐出口连接一侧的相反侧)设置有定期开放的出气口，下部出口设置有双层翻板阀。翻板阀阀板依靠物料重力累积开启，无重力作用下关闭。

进料口投放生物质原料为农作物青贮秸秆(如青贮玉米秸秆)、黄贮秸秆、畜禽粪便(例如牛粪、猪粪)、厨余垃圾、酒糟(如甜高粱酒糟)中的一种或几种的混合物，例如选自农作物青贮秸秆(如青贮玉米秸秆)、黄贮秸秆中的至少一种与选自畜禽粪便(例如牛粪、猪粪)、厨余垃圾、酒糟(如甜高粱酒糟)中的至少一种的组合，二者的质量比优选为1:3～3:1，优选1:2～2:1，其中，生物质原料固体含量大于20％。

在具体实施中，在发酵前先通入蒸汽对转鼓发酵罐进行一次灭菌。启动电机，生物质原料通过螺旋进料器进入转鼓发酵罐，转鼓发酵罐由托轮支撑，在主动齿轮带动下做回转运动，转速为0.3～3rpm，填充率0.3～0.7。不同长度的扬料板，分别用于产酸阶段和产甲烷阶段，其中前端产酸阶段扬料板长度较长，前后两组交错布置，目的是发酵前期减少氨、硫化氢、有机酸等有恶臭气味的非产品气体逸出，产甲烷阶段扬料板长度较短，可以加强原料混合。转鼓发酵罐筒体回转运动以及长和短扬料板的双重作用加强了原料的传质、传热和厌氧菌的迁移，提高了发酵强度和产气率。转鼓发酵罐与水平方向倾斜角度为0.5～3°，进料口高于罐体出料口，保证物料在转鼓发酵罐内做螺旋运动且逐渐向卸料仓转移。通过调整转鼓发酵罐筒体倾斜角度和发酵罐的转速，从而调整转鼓发酵罐内生物质原料的发酵停留时间。通常，物料在发酵罐内的厌氧发酵时间为7～25天，在混合的同时完成物料向出口端传输。蒸汽通过温控阀连接进入蒸汽夹套，采用辐射传热方式，保持发酵罐内温度恒定。在发酵过程中，当PLC内部温差检测器检测到转鼓发酵罐内温度和所需温度的温差偏离设定值时，发送调温信号至温控阀，调节蒸汽夹套中的蒸汽流量，达到发酵所需温度。发酵完成后，沼渣进入卸料仓，卸料仓下部双层翻板阀在物料重力作用下自动开启和复位，发酵后的沼渣经过出料传送带送入后续沼渣处理工段。卸料仓出气口定期开启，排放沼气，沼气经脱硫提纯获得生物天然气产品。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明采用了转鼓发酵罐，回转式结构大大优于机械搅拌等结构，避免了由于固体原料不稳定而引起的搅拌桨磨损、搅拌死角等的问题，提高了设备使用寿命。

(2)本发明特殊设计了适合于转鼓式发酵罐与生物天然气生产的双层密封装置，与长轴搅拌推流式设备相比，增加了密封可靠性，保证厌氧发酵环境的同时，减少了沼气泄漏。

(3)本发明采用了蒸汽夹套和自动温度控制系统，可以适用于高温条件下的微生物厌氧发酵，加快发酵反应速率。

(4)本发明在转鼓发酵罐内采用了桨式扬料板结构，加强了连续发酵过程中的传质和传热，并通过前长后短的扬料板布置方式，减少有恶臭气味的非产品气体的产生和逸出，提高产气效率同时改善了生产环境。

(5)本发明转鼓发酵罐的倾斜筒体设计保证了物料传输和发酵过程同时进行，提高了生物天然气的自动化生产水平。

附图说明

图1为本发明所述的连续干法厌氧发酵反应器结构示意图。

图2为连续干法厌氧发酵反应器A-A剖面结构示意图。

图3为连续干法厌氧发酵反应器进料密封和出料密封示意图。

图4为连续干法厌氧发酵反应器的进料密封的密封连接图。

图5为连续干法厌氧发酵反应器的出料密封的密封连接图。

图6为连续干法厌氧发酵反应器扬料板结构示意图。

1-螺旋进料器、2-进料密封仓、3-转鼓发酵罐、4-托轮、5-蒸汽夹套、6-主动齿轮、7-自动温控装置、8-卸料仓、9-出料传送带、10-驱动装置、11-底座、101-进料口、102-沼液回流口、103-进料器支架、201-进料密封支架、202-进料密封压板、301-长扬料板、302-短扬料板、303-支承环、304-前端法兰压盖、305-后端法兰压盖、501-温控阀、502-蒸汽夹套鞍座、801-出气口、802-双层翻板阀、803-卸料仓耳座、804-卸料密封压板、2021-第一弹簧连接件，8041-第二弹簧连接件、3041-第一静摩擦环，3051-第二静摩擦环、3042-第一动摩擦环，3052-第二动摩擦环、3043-第一密封毛毡，3053-第二密封毛毡。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的实施方式进行详细说明。如图1所示，一种连续干法厌氧发酵反应器，包括转鼓发酵罐3、用于将物料进给转鼓发酵罐3的进料装置，即螺旋进料器1、用于保证厌氧发酵环境的进料密封和出料密封、用于支撑转鼓发酵罐的支撑装置、包裹在转鼓发酵罐外部并用于加热转鼓发酵罐的蒸汽夹套5、用于驱动转鼓发酵罐3旋转的驱动装置10、用于卸料和排放沼气的卸料仓8和用于控制转鼓发酵罐内温度的自动温控装置7。

转鼓发酵罐3通过托轮4支撑于底座11上，其内设置有不同径向长度的扬料板，扬料板结构形式为桨式，如图2和图4所示，从转鼓发酵罐3的内壁向转鼓发酵罐3的中心径向延伸，分为若干组沿内壁周向均匀等间距分布，每组扬料板沿同一周向截面的数量可为4～12块。扬料板包括长度较长的长扬料板301和长度较短的短扬料板302，长扬料板为筒体直径的0.3～0.4倍，优选0.375倍，短扬料板为筒体直径的0.2～0.3倍，优选0.225倍，分组分阶段等间距分布，其中长扬料板分组设置在转鼓发酵罐的前段(靠近进料口一侧)，占转鼓发酵罐总长度的15～20％，布置为10～20组，优选10～15组，短扬料板分组设置在转鼓发酵罐的后段(靠近出料口的一侧)，占转鼓发酵罐总长度的80～85％，布置为25～40组，优选30～40组。扬料板结构形式为桨式，短边(桨叶柄)与发酵罐内壁连接，短边宽度为发酵罐筒体直径的0.075～0.015倍，优选0.01倍，长边(桨叶)宽度为短边宽度的4～8倍，优选5倍。桨叶柄(短边)与桨叶(长边)的长度(发酵罐径向尺寸)之比为1:3～3:1，优选1:2～2:1，更优选约1:1。

转鼓发酵罐的内径一般为3～6米，转鼓发酵罐的长度一般为50～100米。

如图3所示，螺旋进料器1为固定部件，由支座103固定，其上前端设有进料口101，后端设有沼液回流口102。螺旋进料器伸入进料密封仓2，螺旋进料器与进料密封仓之间用法兰连接。

进料密封包括进料密封仓2、第一动摩擦环3042、第一静摩擦环3041、前端法兰压盖304，进料密封仓2将螺旋进料器1与转鼓发酵罐的进口密封；如图3所示，进料密封仓2为圆筒形固定部件，一端伸入转鼓发酵罐3的进口端开口内，另一端与螺旋进料器的端部连接，在转鼓发酵罐3的端口向外依次设置第一动摩擦环3042、第一静摩擦环3041、前端法兰压盖304，第一静摩擦环3042与进料密封仓2筒体外壁固定，第一动摩擦环3042随转鼓发酵罐筒体转动，围绕进料密封仓2的外周固定有多个进料密封压板202，进料密封压板202进一步通过第一弹簧连接件2021将进料密封仓压紧于前端法兰压盖304，前端法兰压盖304设有一变径段覆盖住第一动摩擦环3042、第一静摩擦环3041，变径段进一步覆盖一段第一密封毛毡3043并与转鼓发酵罐3的进口端外壁贴合。动摩擦环靠弹簧连接件和静摩擦环压紧，转动过程动静摩擦环配合形成摩擦副，密封间隙小于1mm，阻止气体泄漏，密封压板202和进料密封仓通过螺栓连接，密封间隙通过弹簧连接件2021和螺栓调节。

优选地，进料密封压板202环状布置于进料密封仓上，数量为8～20个，前端法兰压盖304设置两道密封，内密封为由第一静摩擦环3041和第一动摩擦环3042组成的机械密封，第一静摩擦环3041材料为PTFE，固定于进料密封仓2外壁，第一动摩擦环3042为硬质合金复合层，复合于转鼓发酵罐3筒体前端部；外密封在法兰变径段后部增加一段第一密封毛毡3043，减少从第一密封点泄漏出的沼气。

优选地，进料密封仓上进一步设有进料密封支架201，固定于水泥基础。

出料密封包括后端法兰压盖305、第二动摩擦环3052、第二静摩擦环3051、第二密封毛毡3053、卸料密封压板804和第二弹簧连接件8041，卸料仓8设有一段圆筒形连接段，伸入转鼓发酵罐3的出口端开口内，在转鼓发酵罐3的出口端开口向外依次设置第二动摩擦环3052、第二静摩擦环3051、后端法兰压盖305，第二静摩擦环3051与卸料仓8连接段外壁固定，第二动摩擦环3052随转鼓发酵罐筒体转动，围绕卸料仓8的连接段的外周固定有多个卸料密封压板804，卸料密封压板804进一步通过第二弹簧连接件8041将卸料仓压紧于后端法兰压盖305，后端法兰压盖804设有一变径段覆盖住第二动摩擦环3052、第二静摩擦环3051，变径段进一步覆盖一段第二密封毛毡3053，并与转鼓发酵罐3的出口端外壁贴合。第二动摩擦环靠弹簧连接件和第二静摩擦环压紧，转动过程动静环配合形成摩擦副，密封间隙小于1mm，阻止气体泄漏。

优选地，卸料密封压板804环状布置于卸料仓连接段上，数量为8～20个，后端法兰压盖305内设置两道密封，第一道为由第二静摩擦环3051和第二动摩擦环3052组成的机械密封，第二静摩擦环3051材料为PTFE，固定于后端法兰压盖305，第二动摩擦环3052为硬质合金复合层，复合于转鼓发酵罐3筒体后端部，第二道密封在法兰变径段后部增加一段第二密封毛毡3053，减少了从第一泄漏点泄漏出的沼气。进料密封和出料密封保证了发酵罐内的厌氧环境，增加了密封的可靠性。

稳态发酵后的回流沼液作为接种物，并调节进料含水量，后端固液分离后的沼液经过泵送加压由沼液回流口102回流至进料端，工程应用中进料绞龙后端易被纤维状物料堵塞，加压沼液回流同时具有清洗堵塞物料的作用，使进料更为顺畅。

支撑装置包括托轮4和底座11，托轮4设置在底座11上可转动，支承环303紧固于转鼓发酵罐3的外周，转鼓发酵罐3的支承环303与托轮4线接触，托轮4由托轮轴承401支承于底座上(如图2)，一般为2～3组，每组两个对称布置，分布在转鼓发酵罐的横向两侧，例如，各组可分别设置于转鼓发酵罐3的两端附近，支承轮与中心线夹角为30±10°，优选约30°。

自动温控装置7包括沿周向分布的伸入转鼓发酵罐3不同深度的若干个温度探头、无线温度采集器、用于控制蒸汽流量的温控阀501、PLC(可编程逻辑控制器)。蒸汽夹套5通过蒸汽夹套鞍座502固定安装于底座11上，与转鼓发酵罐3的筒体间隙为2～5cm，加热方式为辐射传热。进入蒸汽夹套5的进口管道上设有温控阀501，深入转鼓发酵罐3内周向分布的若干个温度探头用于测量转鼓发酵罐3筒体内的平均温度。实测温度经无线温度采集器传输至PLC，PLC发送调温信号至温控阀501，根据所需发酵温度与实际测温的温差，调节蒸汽夹套5中的蒸汽流量。

驱动装置10可以为变频电机，或者定频电机加减速机，驱动装置10通过蜗杆带动主动齿轮6转动，主动齿轮设置在筒体外壁，布满整个圆周，和转鼓发酵罐3上的主齿轮配合，从而带动转鼓发酵罐3做回转运动，转速0.3～3rpm。

转鼓发酵罐3充装系数为0.3～0.7，发酵罐3本体向水平方向的倾斜角度为0.5～3°。发酵罐3本体出口端，即出料口设置有后端法兰压盖305，连接出料装置，且进料口高于出料口。出料装置如图1所示，包括卸料仓8和出料传送带9，卸料仓8为固定部件，一般为箱型或筒状，下部为倒锥形(下部通常为逐渐变细部，例如倒截头锥形)，卸料仓8的侧部进口与转鼓发酵罐3的出口连通。如图2所示，卸料仓8上部(通常是与转鼓发酵罐3出口连接一侧的相反侧)设置有定期开放的出气口801，下部出口设置有双层翻板阀802。翻板阀802阀板依靠卸料累积，在重力作用下开启和关闭。

进料口1投放生物质原料为农作物青贮秸秆、黄贮秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾中的一种或几种的混合物，其中，生物质原料固体含量大于20％。

在具体实施中，在发酵前向蒸汽夹套5内先通入蒸汽对转鼓发酵罐3进行一次灭菌。启动电机，生物质原料通过螺旋进料器1进入转鼓发酵罐3，转鼓发酵罐3由托轮4支撑，在主动齿轮6带动下做回转运动，转速为0.3～3rpm，填充率0.3～0.7。不同长度的扬料板301和302，分别用于产酸阶段和产甲烷阶段，其中前端产酸阶段扬料板301长度较长，且交错布置，且交错布置，目的是减少酸性气体逸出，产甲烷阶段扬料板长度较短，可以加强原料混合。转鼓发酵罐3筒体回转运动以及扬料板301和302的双重作用加强了原料的传质、传热和厌氧菌的迁移，提高了发酵强度和产气率。转鼓发酵罐3与水平方向倾斜角度为0.5～3°，进料口101高于罐体出料口，保证物料在转鼓发酵罐3内做螺旋运动且逐渐向卸料仓8转移。通过调整转鼓发酵罐3筒体倾斜角度和发酵罐3的转速，从而调整转鼓发酵罐3内生物质原料的发酵停留时间。通常，物料在发酵罐3内的厌氧发酵时间为7～25天，在混合的同时完成物料传输。蒸汽通过温控阀501连接进入蒸汽夹套5，保持发酵罐内温度恒定。在发酵过程中，当PLC内部温差检测器检测到转鼓发酵罐3内温度和所需温度的温差偏离设定值时，发送调温信号至温控阀，调节蒸汽夹套中的蒸汽流量，达到发酵所需温度。发酵完成后，沼渣进入卸料仓8，卸料仓8下部双层翻板阀802在物料重力作用下自动开启和复位，发酵后的沼渣经过出料传送带9送入后续沼渣处理工段。卸料仓8出气口801定期开启，排放沼气，沼气经脱硫提纯获得生物天然气产品。

实施例1

采用本发明的连续干法厌氧发酵反应器，将玉米秸秆粉碎为直径2mm，长度20mm左右的粉末状颗粒，青贮预处理后与猪粪混合，接入后端沼液，青贮玉米秸秆与猪粪质量比1:2，含固率24％。预混合后的原料经螺旋进料器加入转鼓发酵罐，发酵罐直径3.6米，长度70米，转速0.5rpm，倾斜角度0.9°，充装系数0.6。发酵罐前端布置有15组长扬料板301，每组6块，每块长度0.35倍筒体直径，前后两组扬料板交错布置角度为15°，后端布置有40组短扬料板302，每组6块，每块长度0.25倍筒体直径。通过蒸汽夹套辐射传热，调节蒸汽流量，稳定发酵温度为38℃±1℃。原料进入筒体后随倾斜筒体转动向前做螺旋运动，沼气连续产生并被排风机排出，沼气产量62Nm³/h，容积产气率2.1m³/(m³·d)。生物质原料发酵20天后进入卸料仓，出料后经固液分离后，沼液回流，沼渣进一步生产有机肥。

实施例2

采用本发明的连续干法厌氧发酵反应器，将甜高粱酒糟和牛粪按质量比1：1混合后，含固率25％，调节pH值，接入后端沼液。预混合后的原料经螺旋进料器加入转鼓发酵罐，发酵罐转速1rpm，筒体倾斜1.5°，充装系数0.7。发酵罐前端布置有10组长扬料板301，每组8块，每块长度0.375倍筒体直径，前后两组扬料板交错布置角度为10°，后端布置有30组短扬料板302，每组6块，每块长度0.25倍筒体直径。通过蒸汽夹套辐射传热，调节蒸汽流量，稳定发酵温度为53℃±1℃。原料进入筒体后随倾斜筒体转动向前做螺旋运动，沼气连续产生并从卸料仓排放，发酵周期8天，沼气产量160Nm³/h，容积产气率5.4m³/(m³·d)。生物质原料发酵8天后进入卸料仓，出料后经固液分离，沼液回流，沼渣进一步生产有机肥。

对比例1

对比例1原料、发酵罐容积、充装率、发酵温度与实施例1相同，改用推流式长轴搅拌干式厌氧发酵反应器(该推流式长轴搅拌干式厌氧发酵反应器与本发明反应器的主要区别在于筒体保持静止，内部无扬料板设置，以长搅拌轴转动带动桨叶搅拌物料)，由于传热传质效率下降和搅拌死角的存在，水力停留时间由20天增加至25天，沼气产量降低为46Nm³/h，容积产气率降低为1.6m³/(m³·d)。同时由于生物质原料复杂性，土石块、塑料等杂质可能随原料进入反应器，增加了搅拌桨磨损和密封失效风险，磨损后搅拌器整体更换或修复影响产量增加运营成本。

对比例2

扬料板长度一致，均为0.25倍筒体直径。

沼气厌氧发酵过程前期为产酸过程，有机物降解为短链脂肪酸，原料中的氮元素降解为氨氮，在高温发酵过程中，小分子有机酸、硫化氢和氨等更易挥发，降低沼气产量和品质，生产环境差。长扬料板交错布置结构一方面延长原料混合时间，使产酸阶段多元原料传热传质效率更高，另一方面增加了气体逸出阻力，减少了沼气中硫化氢、氨等杂质的含量。对比例2扬料板均为0.25倍筒体直径，且平行布置，其余与实施例2相同，沼气中硫化氢由0.35％增加至1.5％，氨含量由未检出增加至160ppm，甲烷含量由58％降低为55％。

以上所述实施例仅表达了本发明的两种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑地分析、推理或者有限的实验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书以及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims (11)

1.一种连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于包括转鼓发酵罐(3)、用于将物料进给转鼓发酵罐的螺旋进料器(1)、用于保证厌氧发酵环境的进料密封和出料密封、用于支撑转鼓发酵罐的支撑装置、包裹在转鼓发酵罐外部并用于加热转鼓发酵罐的蒸汽夹套(5)、用于驱动转鼓发酵罐旋转的驱动装置、用于卸料和排放沼气的卸料仓(8)，

转鼓发酵罐充装系数为0.3～0.7，发酵罐本体向水平方向的倾斜角度为0.5～3°，且进口端高于出口端，

转鼓发酵罐内设置有不同径向长度的扬料板，从转鼓发酵罐的内壁向转鼓发酵罐的中心径向延伸，分为若干组沿内壁周向间隔分布，优选均匀等间距分布，每组扬料板沿同一周向截面的数量为4～12块；

扬料板包括长度较长的长扬料板(301)和长度较短的短扬料板(302)，长扬料板(301)为筒体直径的0.3～0.4倍，优选约0.375倍，短扬料板(302)为筒体直径的0.2～0.3倍，优选约0.225倍，优选沿轴向分组分阶段等间距分布，其中长扬料板分组设置在转鼓发酵罐的前段，占转鼓发酵罐总长度的15～20％，布置为5～25组，优选10～20组，还优选10～15组；短扬料板分组设置在转鼓发酵罐的后段，占转鼓发酵罐总长度的80～85％，布置为15～50组，优选25～40组，还优选30～40组；

优选地，扬料板结构形式为桨式，短边与发酵罐内壁连接，短边宽度为发酵罐筒体直径的0.075～0.015倍，优选0.01倍，长边宽度为短边宽度的2～10倍，优选4～8倍，优选5倍；

优选地，螺旋进料器为固定部件，其上前端设有进料口(101)，后端设有沼液回流口(102)；

优选地，转鼓发酵罐的内径为3～6米，转鼓发酵罐的长度为50～100米。

2.根据权利要求1所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，其进一步包括用于控制转鼓发酵罐内温度的自动温控装置(7)。

3.根据权利要求1所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，进料密封包括进料密封仓(2)、第一动摩擦环(3042)、第一静摩擦环(3041)、前端法兰压盖(304)，进料密封仓(2)将螺旋进料器(1)与转鼓发酵罐(3)的进口密封；进料密封仓(2)为圆筒形固定部件，一端伸入转鼓发酵罐的进口端开口内，另一端与螺旋进料器的端部连接，在转鼓发酵罐的端口向外依次设置第一动摩擦环(3042)、第一静摩擦环(3041)、前端法兰压盖(304)，第一静摩擦环(3041)与进料密封仓筒体外壁固定，第一动摩擦环(3042)随转鼓发酵罐筒体转动，围绕进料密封仓(2)的外周固定有多个进料密封压板(202)，进料密封压板(202)进一步通过第一弹簧连接件(2021)将进料密封仓压紧(2)于前端法兰压盖(304)，前端法兰压盖(3042)设有一变径段覆盖住第一动摩擦环(3042)、第一静摩擦环(3041)，变径段进一步覆盖一段第一密封毛毡(3043)，与转鼓发酵罐的进口端外壁贴合；

优选地，第一动摩擦环(3042)靠第一弹簧连接件(2021)和第一静摩擦环(3041)压紧，转动过程动静摩擦环配合形成摩擦副，密封间隙小于1mm，阻止气体泄漏。

4.根据权利要求3所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，进料密封压板(202)环状布置于进料密封仓(2)上，数量为8～20个，前端法兰压盖设置两道密封，内密封是由第一静摩擦环(3041)和第一动摩擦环(3042)组成的机械密封，外密封为第一法兰变径段边缘的第一密封毛毡(3043)，进一步减少从内密封点逸出的沼气泄漏；

优选地，第一静摩擦环材料为PTFE，固定于进料密封仓的外壁上，第一动摩擦环为硬质合金复合层。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，出料密封包括后端法兰压盖(305)、第二动摩擦环(3052)、第二静摩擦环(3051)、第二密封毛毡(3053)、卸料密封压板(804)和第二弹簧连接件(8041)，卸料仓为固定部件(例如通过卸料仓耳座固定于水泥基础)，卸料仓(8)设有一段圆筒形连接段，伸入转鼓发酵罐的出口端开口内，在转鼓发酵罐的出口端开口向外依次设置第二动摩擦环(3052)、第二静摩擦环(3051)、后端法兰压盖(305)，第二静摩擦环(3051)与卸料仓连接段外壁固定，第二动摩擦环(3052)随转鼓发酵罐筒体转动，围绕卸料仓的连接段的外周固定有多个卸料密封压板(804)，卸料密封压板进一步通过第二弹簧连接件(8041)将卸料仓压紧于后端法兰压盖(305)，后端法兰压盖(305)设有一变径段覆盖住第二动摩擦环(3052)、第二静摩擦环(3051)，变径段进一步覆盖一段第二密封毛毡(3053)，与转鼓发酵罐的出口端外壁贴合；

优选地，第二动摩擦环(3052)靠第二弹簧连接件(8041)和第二静摩擦环(3051)压紧，转动过程动静环配合形成摩擦副，密封间隙小于1mm，阻止气体泄漏。

6.根据权利要求5所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，卸料密封压板(804)环状布置于卸料仓连接段上，数量为8～20个，后端法兰压盖(305)内设置两道密封，第一道是由第二静摩擦环(3051)和第二动摩擦环(3052)组成的机械密封，第二道密封为法兰变径段边缘第二密封毛毡，进一步减少从内密封点逸出的沼气泄漏；

优选地，第二静摩擦环材料为PTFE，固定于后端法兰压盖，第二动摩擦环为硬质合金复合层。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，支撑装置包括托轮(4)和底座(11)，转鼓发酵罐(3)通过托轮支撑于底座(11)上，托轮设置在底座上可转动，支承环(303)紧固于转鼓发酵罐的外周，转鼓发酵罐的支承环(303)与托轮(4)线接触，托轮由托轮轴承支承于底座上，为两组，每组两个对称布置，分布在转鼓发酵罐的横向两侧；

优选地，各组可分别设置于转鼓发酵罐的两端附近，支承轮与垂直中心线夹角优选30±10°，优选30°。

8.根据权利要求2所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，自动温控装置包括沿周向分布的伸入转鼓发酵罐不同深度的若干个温度探头、无线温度采集器、用于控制蒸汽流量的温控阀、PLC(可编程逻辑控制器)。

9.根据权利要求1所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，蒸汽夹套通过鞍座固定安装于底座上，与转鼓发酵罐的筒体间隙为2～5cm，加热方式为辐射传热，进入蒸汽夹套的进口管道上设有温控阀，若干个温度探头用于测量转鼓发酵罐筒体内的平均温度，实测温度经无线温度采集器传输至PLC，PLC发送调温信号至温控阀，根据所需发酵温度与实际测温的温差，调节蒸汽夹套中的蒸汽流量。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，驱动装置为变频电机，或者定频电机加减速机，驱动装置通过蜗杆带动主动齿轮转动，主动齿轮设置在筒体外壁，和转鼓发酵罐上的主齿轮配合，从而带动转鼓发酵罐做回转运动，优选转速0.3～3rpm。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的连续干法厌氧发酵反应器，其特征在于，卸料仓通过耳座固定于底座，一般为箱型或筒状，下部为倒锥形，卸料仓的侧部进口与转鼓发酵罐的出口连通。卸料仓上部设置有沼气排放口，下部出口设置有双层翻板阀，翻板阀阀板依靠物料重力累积开启，无重力作用下关闭。

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