CN1244850A - 沼气设备 - Google Patents

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Abstract

沼气设备,它包括密封反应器外壳(2);设置在所述反应器外壳(2)中与其内墙表面(8)保持一定距离的反应器(3),预酸化有机物质的供料装置(4)流入该反应器,从反应器(3)中排出产生气体的有机物质的排放装置(5)接到所述的反应器上;在反应器(3)的外墙表面(7)和反应器外壳(2)的内壁表面(8)之间有隔墙以及装在反应器(3)中的加热器;排放装置(5)设计成把产生气体的有机物质从隔墙(9)一侧的反应器(3)内排入反应器(3)外墙表面(7)与反应器外壳(2)内墙表面(8)之间的中间区(6)中,以及发酵有机物质的出口装置(10),它位于反应器外壳(2)中与隔墙(9)另一侧相邻的地方。

Description

沼气设备
本发明涉及沼气设备和通过厌氧降解有机物质产生沼气的方法。
沼气这一术语用来表示例如在泻湖或淀积盆地中有机物质的厌氧发酵过程中以及在沼气设备中进行的技术方法过程中自然产生的、被水蒸汽饱和的气体混合物。上述的气体混合物由55-75％甲烷、24-44％二氧化碳和少量的其它组分组成。沼气可通过燃烧产生能量，热值平均为21.5×106焦耳/立方米(散射带：14.0-29.9×106焦耳/立方米)。原则上，任何易于厌氧降解的有机物质都可用作生产沼气的原料。然而，优选的物质是残余物质(如液体和固体肥料)、含有大量有机物质的污水淤泥和废水、家庭废物的有机组分和农业原料以及乡村中获得的物质(植物材料)。在这些原料的厌氧降解中，其中的高分子化合物开始分解成低分子化合物，例如脂肪水解成脂肪酸和甘油。然后产生的化合物在甲烷微生物相中转化成二氧化碳和甲烷。除了由产生的二氧化碳和释放出的氢气形成的水以外，还形成大量的甲烷。
“沼气设备”这一术语用来描述利用厌氧发酵技术转化方法生产沼气或纯化高浓度废水的装置。
Gwf-Gas/Natural Gas 124，no.8,389-394(1983)揭示了一种沼气设备。该装置包括有机残余物料的预储存装置、配有一个泵(可以带有切割工具)和加热装置的供料装置、配有一个搅拌器和底部加热装置的发酵器、把发酵的生物肥料从发酵器中排入另一个容器的装置、以及把发酵器中产生的沼气排入一个气体储存装置的装置。这种沼气设备中的各个装置，特别是预储存装置和发酵器，相互分离地放置在敞开的空间中。这种沼气设备可在35或55℃的发酵温度下(发酵器中)进行操作。
另外，已知一种由Novatech Gesellschaft fur umweltschoned TechnologieGmbH，Vellberg制造的沼气设备。这种沼气设备由如下装置构成：由预制槽(包括均化和泵送料装置、固体计量站和液体肥料收集槽)构成的预备装置；包括加热器、绝热套、搅拌器和圆顶盖的发酵储存装置；配有分离器的排放装置；由气体管道、脱硫装置、储气装置和附件组成的气体装置；由封闭型热能站、热能储存装置、管道和附件构成的气体处理装置。这种沼气设备的各个装置也是相互分离地排列在敞开的空间中。
另外，已知在Bundschuh(选择的农业组织)有一种沼气集团的沼气储存设备。该设备包括预备装置、液体肥料供料装置、发酵器、配有隔热层和覆盖板的覆盖层、从发酵器中排出液相肥料的装置以及供热装置。另外，发酵器的外壁装有绝热层。
针对现有技术，本发明的目的是提供一种沼气设备和沼气制备方法。该设备和方法确保了较高的能量均衡、廉价、结构紧凑及产生沼气中含有较少的二氧化碳和其它成分。
这个目的可借助于包括权利要求1中技术特征的沼气设备和权利要求15所述的方法达到。
从属权利要求涉及权利要求1所述沼气装置的优选实施方案。
本发明的一个优点在于通过改善反应设备的绝热条件来改善能量均衡，极有利于环保。在该反应设备中，沼气设备的各个装置彼此布置合理，同时降低隔热成本以及传输产物方便。
沼气的化学组成取决于温度，特别是沼气中的CO2和H2O在较低温度时含量较少。本发明的优点在于能利用这一特征，通过适当地选择操作温度和通过在密闭反应器外壳内有机物质产生气体的装置的布置而达到其目的。
在本发明中，“有机物质”一词是指基本上由固体组分(如固体肥料和植物性物质)组成的有机物质。“新鲜的有机物质”一词表示基本上没有发生厌氧降解的有机物质。“预酸化的有机物质”表示在装置中基本上没有形成甲烷的有机物质。“产生气体的有机物质”表示至少部分仍形成甲烷气体的有机物质。“发酵的有机物质”表示几乎完全降解的有机物质。
以下参照附图进一步说明本发明的优选实施方式。
图1表示沼气设备的俯视图。
图2表示沿图1中线I-I所作的截面图。
图1和2中所示的沼气设备可以借助于多重绝热保护特别适用于寒冷气候地区使用(室外温度为-25℃(冬天)至+25℃(夏天))。
该沼气设备包括基本上为圆柱形的密封反应器外壳2。反应器外壳2装有混合、发酵和预供料器11(内部温度约为5-10℃)。它与内墙表面(8)相邻，且被隔墙(12)与中间区隔离，并与新鲜有机物质供料装置13和供料装置4相连通。
沼气设备1的操作方法是先用供料装置13把新鲜的有机物质送入混合、发酵和预供料器11中。新鲜有机物质的大部分厌氧发酵发生在混合、发酵和预供料器11中。所得的预酸化有机物质用旋转螺杆(带有组合切割器)粉碎，并输送到混合、发酵和预供料器11中与供料装置4相接的部位，且选择主要以自由降落的方式向前输送沼气设备中的产物。或者，混合、发酵和预供料器11也可装备合适的泵；如有需要，包括对新鲜有机物质必需的合适切割机。另外，混合、发酵和预供料器11也可装备搅拌器。
另外，混合、发酵和预供料器11连接到预酸化有机物质的pH值控制器和通风装置上。这些装置(未画出)放在储存室18中。储存室18在反应器外壳2中与内墙表面8相邻，通过隔墙12与中间区6隔断，用墙19与混合、发酵和预供料器11隔断。另外，通风过程可以将预酸化有机物质(嗜热区)加热，从而进一步减少反应器3的加热成本。
现在用供料装置4将预酸化的有机物质输送到基本上为圆柱形的反应器3中。反应器3放在密闭反应器外壳2的热中心。根据本发明，所谓的“热中心”不应理解为由纯几何产生的分布中心，而是指由对冷的外部温度的绝热能力皆处于均匀的中心分布，因此使总的热量损耗降低至最小限度。
反应器3的底座装有加热器(如加热线圈)。加热器主要用于启动该沼气设备，即将反应器3中的有机物质加热到25-40℃或(取决于原料)50-60℃的发酵温度。沼气设备最好在25-35℃的发酵温度下运作，其原因是在该温度下沼气中的二氧化碳和其它组分的比例较低，而甲烷的绝对量基本上不低于较高温度时的甲烷含量。装在反应器3底座上的加热器与在加热室21中的峰值负荷电站20相连接。加热室21在反应器外壳2中与内墙表面8相邻，用隔墙12与中间区6隔离，且通过墙22与混合、发酵和预供料器11隔离。在反应器3底座中也可装备气体加热和循环系统，以代替或辅助该加热器。
在反应器3的底座下(在加热器下方)和侧壁上装有绝热层。另外，在反应器3中的有机物质上方设有绝热覆盖物。浮在有机物质上或放在拉伸网上的绝热覆盖物有利于减少沼气中的含水量。
用于从反应器3中排出产生气体后的有机物质的排放装置5连接在反应器3的侧壁的上部区域，供料装置4至少有一部分作为一套管的内管穿过反应器3的排放装置5。另外，排放装置5连接到反应器3上，供料管4的出口进入反应器3，基本上呈纵向地位于反应器3的中轴线相对边上。以确保反应器中有机物质有足够长的平均停留时间。
排放装置5包括一个弯向底座的孔，该孔设置在远离出口装置10的隔墙9侧面上，用于从反应器3中排出产生气体后的有机物质。隔墙9基本上与反应器3外墙表面7和隔墙12之间的供料装置4以及排放装置5平行延伸。
在反应器3的外墙表面7和反应器外壳2的内墙表面8和/或隔墙12之间的延伸中间区6，主要用于再产生气体和储存从反应器3中排出的有机物质。产生气体后的有机物质在排入中间区6后的这段时间内几乎都绕着反应器3流向出口装置10。如果沼气设备在约为30℃的发酵温度下运作，产生气体后的有机物质在刚排入中间区6时的温度约为20℃，当这种物质通过约一半的中间区6时，它的温度降低至10-15℃。在特别富含甲烷的物质中，约占沼气设备中所得甲烷总量的20％是在中间区6中再产生的。从出口装置10中排出的发酵过的有机物质可用作肥料。
或者，也可把加热和循环系统装在中间区6的底座中。该系统由敷设在底座中用来输送稍加热过的气体的通风管道组成，这些通风管连通到循环通风机23和气体加热器24上，从而以特别有利于“由内而外”地提供热量。循环通风机23和气体加热器24安装在加热室21中。通过把加热器设置在密闭反应器外壳中，进一步降低了热量损耗。关于这一点，必须强调这种气体加热和循环系统可以用在上述用来加热反应器3的加热器中，任选其一种加热装置或相互补充使用。
在密闭反应器外壳2中设置伸展在反应器3和中间区6上方的隔膜14，以便使这部分反应器外壳2的上方能达到气密封。由于有了反应器3和中间区6上方的隔膜14形成的气体储存装置，使气体储存装置中所含气体得到了绝热，从而进一步减少了反应器的加热成本。当发酵温度约为30℃时，气体储存装置中的气体温度约为20℃。另外，隔膜14的移动，即由于不同充气量而移动的距离，可用来显示出储气量。
密封反应器外壳2用顶盖15密封，在顶盖15下方与顶盖15相隔一定距离设置绝热中间覆盖物16(装有风扇17)。当用这种方式设计密封反应器外壳2的顶部区时，可用太阳能改善隔膜14上方的空气区和绝热中间覆盖物16和顶盖15之间的空气区中的能量平衡，因为即使在零度以下的温度，入射光线也会在顶盖15之下产生较高的温度。总之，这种设置显示出在整个设备上方有两层有效的绝热区。
在大多数情况下，密封反应器外壳2或多或少埋入土中。然而，密封反应器外壳2也可用土墙包住。另外，排水装置25设置在密封反应器外壳2的地下。密封反应器外壳2的顶盖15几乎延伸到包围密封反应器外壳2的地表面为止，即它以环形的方式明显突出反应器外壳2的侧壁，并用水槽密封。通过这些措施保证了周围的土质干燥，从而能起到良好的绝热介质作用。
上述的描述表明，本发明涉及一种全新的沼气设备，并且(涉及投资和运作)十分经济，结构也非常紧凑。这种沼气设备特别适用于气候较冷的地区。

Claims (15)

1.沼气设备，它包括：
密封反应器外壳(2)，
设置在所述反应器外壳(2)中与其内墙表面(8)保持一定距离的反应器(3)，预酸化有机物质的供料装置(4)流入该反应器，从反应器(3)中排出产生气体的有机物质的排放装置(5)连接到所述的反应器上，
在反应器(3)的外墙表面(7)和反应器外壳(2)的内壁表面(8)之间延伸的隔墙(9)，以及装在反应器(3)中的加热器，
其特征在于
排放装置(5)设计成把产生气体的有机物质从隔墙(9)一侧的反应器(3)中排入反应器(3)外墙表面(7)和反应器外壳(2)内墙表面(8)之间的中间区(6)中，以及
发酵有机物质的出口装置(10)设置在反应器外壳(2)中与隔墙(9)另一侧相邻的地方。
2.如权利要求1所述的沼气设备，其特征在于，与内墙表面(8)相邻的混合、发酵和预供料器(11)设置在反应器外壳(2)中，且该混合、发酵和预供料器用隔断墙(12)与中间区(6)隔离，并连接到新鲜有机物质的供料装置(13)和供料装置(4)上。
3.如权利要求2所述的沼气设备，其特征在于所述的混合、发酵和预供料器(11)配有旋转螺杆。
4.如权利要求1-3中任一项所述的沼气设备，其特征在于反应器(3)的供料装置(4)和排放装置(5)是管形的，供料装置(4)以径向间距穿过排放装置(5)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的沼气设备，其特征在于排放装置(5)与反应器(3)连接，且供料装置(4)流入反应器(3)的流出口位置，基本上呈纵向地处于反应器(3)的中轴线的相对边。
6.如权利要求1-5中任一项所述的沼气设备，其特征在于在密封反应器外壳(3)中设置在反应器(3)和中间区(6)的上方延伸的气密封隔膜(14)。
7.如权利要求1-6中任一项所述的沼气设备，其特征在于密闭反应器外壳(2)用顶盖(15)密封，在顶盖(15)之下一定距离设有绝热中间覆盖物(16)。
8.如权利要求7所述的沼气设备，其特征在于在绝热中间覆盖物(16)中设置风扇(17)。
9.如权利要求7或8所述的沼气设备，其特征在于密封反应器外壳(2)的顶盖(15)延伸到密封反应器外壳(2)周围的地表为止。
10.如权利要求1-9中任一项所述的沼气设备，其特征在于密封反应器外壳(2)埋在泥土中。
11.如权利要求1-10中任一项所述的沼气设备，其特征在于在密封反应器外壳(2)之下泥土中设置排水装置(25)。
12.如权利要求1-11中任一项所述的沼气设备，其特征在于在反应器(3)的底座上设置加热器。
13.如权利要求1-12中任一项所述的沼气设备，其特征在于在反应器(3)中有机物质的上方设有绝热覆盖物。
14.如权利要求1-13中任一项所述的沼气设备，其特征在于在反应器(3)的底座和/或侧壁上设有绝热层。
15.通过在包括密封反应器外壳的沼气设备中厌氧降解有机物质来生产沼气的方法，其特征在于使预酸化的有机物质与产生气体的有机物质进行热交换。
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