CN209722134U - 一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，包括堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置，堆沤装置包括堆沤仓，堆沤仓内设有布气板将堆沤仓分为下部的气室和上部的料室，布气板上排设有布气孔；沼气发酵装置包括沼气发酵仓，沼气发酵仓上配设有脉动热管，脉动热管的热端与工质传热装置热交换作用，脉动热管的冷端与沼气发酵仓热交换作用。本实用新型通过堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置的配合，可以利用好氧堆沤技术对秸秆和畜禽粪便进行预处理，后将堆沤产物作为底物进行厌氧消化，同时利用堆沤产生的能量经脉动热管对沼气发酵装置进行加热，从而缩短厌氧发酵启动时间，以达到节约能源的目的。

Description

一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统

技术领域

本发明属于农作物秸秆处理技术领域，具体涉及一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统。

背景技术

近年来，由于环境污染和能源短缺问题日益严重，我国越来越重视可再生能源的开发与利用。厌氧发酵技术作为一种能够降低环境污染、减少温室气体排放并且产生可再生能源的重要途径，广泛应用于农业废弃物的资源化利用当中。

然而，厌氧发酵技术通常需要外界提供一定的热源以达到最适的发酵条件。目前，厌氧沼气发酵工程一般利用锅炉进行加热，这也增加了工程的运行成本。并且厌氧发酵对于秸秆类资源的降解程度有限，这也成为限制厌氧发酵技术的瓶颈。好氧堆沤技术是利用秸秆、畜禽粪便等有机物料在好氧菌的作用下降解三素，形成小分子化合物，最终生成有机肥料的技术，该技术在有机质降解的同时，会释放大量的热量，通常高温期可达到80℃以上。

如CN104261925B的发明专利公开一种好氧堆肥与秸秆干式厌氧发酵耦合系统，所述系统包括生物碳废气净化器、秸秆干式厌氧发酵器和好氧堆肥器，配装第一气阀门的第一废气输送管将好氧堆肥器与秸秆干式厌氧发酵器连通，配装沼渣排放阀门的沼渣输运管两端分别与秸秆干式厌氧发酵器的排渣口和好氧堆肥器的入渣口连接，在沼渣输运管上配装沼渣输运总成，配装第二气阀门的第二废气输送管将秸秆干式厌氧发酵器与生物碳废气净化器连通；本系统总体配置简单，工艺流程新颖合理，秸秆发酵速度快，秸秆降解率高，生产成本低，环境污染轻。

如CN201999939U的实用新型专利公开一种规模化秸秆沼气发酵系统，包括好氧发酵装置及一级厌氧发酵器；好氧发酵装置的滤液出口与一级厌氧发酵器的一级进液口相通；在好氧发酵装置内腔中部区域横向固定设有滤板；在好氧发酵装置内腔的顶部设有喷淋器；在好氧发酵装置的外壁，于滤板(1)之上设有出料口；在好氧发酵装置的外部设有渣液分离器；出料口与渣液分离器的入口相通；渣液分离器的出液口与一级厌氧发酵器的一级进液口相通。本实用新型系统可连续进出料，产气均衡，运行平稳，可控性强。

但是上述技术方案均不能实现好氧与厌氧发酵的热耦合，导致能源消耗较大。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，采用好氧堆沤技术对秸秆和畜禽粪便进行预处理，然后将堆沤产物作为底物进行厌氧消化，同时利用堆沤产生的能量经脉动热管对沼气发酵装置进行加热，以达到节约能源的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，包括堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置，

堆沤装置包括堆沤仓，堆沤仓内设有布气板将堆沤仓分为下部的气室和上部的料室，布气板上排设有布气孔；其中，料室用于放置秸秆和畜禽粪便的混合物，气室连接有向其供氧气的气源；氧气进入气室后经布气板的布气孔进入料室内；料室上还连接有出料口，并通过输料机构导向沼气发酵装置；

沼气发酵装置包括沼气发酵仓，沼气发酵仓上配设有脉动热管，脉动热管的热端与工质传热装置热交换作用，脉动热管的冷端与沼气发酵仓热交换作用。

所述工质传热装置包括布置在堆沤仓内的换热管，换热管上游导入工质水，换热管下游伸出堆沤仓并连接工质水室；所述脉动热管的热端与工质水室内的工质水热交换作用。

所述换热管为盘状。

所述工质水室还连接有集热器。

所述集热器为太阳能集热器。

所述工质水室的下游通过输水管道与终端储水设备连接；终端储水设备上还连接有回流管道，回流管道包括向沼气发酵仓供水的回流支管一以及向换热管上游补充工质水的回流支管二。

所述回流支管一的端部连接有喷射到沼气发酵仓内的喷淋装置。

所述沼气发酵仓的仓壁为由外仓壁和内仓壁组成的中空结构，脉动热管呈周向排布在中空结构内，且脉动热管的热端向上伸出仓壁，脉动热管的冷端位于中空结构内。

所述沼气发酵仓内沿垂直方向设置伸缩式螺旋搅拌器。

所述沼气发酵仓的底部设置为圆台体结构，其底部中心为沼气发酵仓的出料口。

本发明的有益效果是：

1．本发明通过堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置的配合，可以利用好氧堆沤技术对秸秆和畜禽粪便进行预处理，有效降解物料中大分子有机物，后将堆沤产物作为底物进行厌氧消化，同时利用堆沤产生的能量经脉动热管对沼气发酵装置进行加热，从而缩短厌氧发酵启动时间，以达到节约能源的目的。

本发明结合好氧堆沤与厌氧发酵的技术特点，利用前者产生的余热与太阳能互补通过脉动热管对后者进行加热，实现了好氧与厌氧发酵的热耦合，有效利用了好氧堆沤产热。同时，利用经好氧堆沤预处理的物料作为厌氧发酵原料，有助于缩短发酵启动时间，加快发酵进程，提高甲烷体积分数。选择脉动热管进行导热，导热工质无需外部做工，降低了沼气工程的运行成本。该系统的发明，对于沼气工程的进一步发展具有一定的现实意义。

2、本发明中工质传热装置包括布置在堆沤仓内的换热管，换热管上游导入工质水，换热管下游伸出堆沤仓并连接工质水室；脉动热管的热端与工质水室内的工质水热交换作用，从而可有效利用好氧堆沤产生的热量对工质水进行预热，有效的利用了好氧发酵产热。

3、本发明通过脉动热管对沼气发酵装置进行外加热，利用好氧堆沤产热和集热器加热脉动热管热端，管内工质水吸热产生气泡，体积快速膨胀并且升压，推动工质流向冷端。气泡遇冷收缩并破裂，压力减小，由于冷热两端存在压差，并且相邻管路也存在压差，使得工质在冷热两端振荡流动，进而传递热量，无需外部对其做功，从而减少了能量的消耗。

4、本发明中沼气发酵装置内垂直方向设置伸缩式螺旋搅拌器，其轴部可通过伸缩杆进行高度调节，从而增加搅拌区域，使得物料搅拌更为充分。

5、本发明中沼气发酵仓底部设置为圆台体结构，底部中心为出料口，物料受重力影响落入输送带，方便物料的排出。

6、本发明通过终端储水设备对工质水中多余热量进行收集，而且终端储水设备上还连接有回流管道，回流管道包括向沼气发酵仓供水的回流支管一以及向换热管上游补充工质水的回流支管二，从而使终端储水设备既可以连通喷淋装置给沼气发酵装置施加水分，也可以再次由堆沤装置加热循环使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中布气板的俯视结构示意图；

图3是本发明中沼气发酵仓部位的主视放大图；

图4是本发明中沼气发酵仓部位的横向剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1至图4所示，本发明的一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，包括堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置。

堆沤装置包括堆沤仓1，堆沤仓1内设有布气板107将堆沤仓分为下部的气室106和上部的料室111，布气板107上均布布置有布气孔112；其中，料室111用于放置秸秆和畜禽粪便的混合物，气室106连接有向其供氧气的氧气泵105；氧气进入气室106后经布气板107的布气孔112进入料室内；料室111上还连接有进料口102和出料口109，出料口109并通过输料带108导向沼气发酵装置。堆沤仓1的壁上还设有保温层102。

沼气发酵装置包括沼气发酵仓3，沼气发酵仓3上配设有脉动热管313，脉动热管313的热端309与工质传热装置热交换作用，脉动热管313的冷端306与沼气发酵仓3热交换作用。

如图3和4所示，沼气发酵仓3的仓壁为由外仓壁314和内仓壁315组成的中空结构，脉动热管313呈周向排布在中空结构内，且脉动热管313的热端309向上伸出仓壁，脉动热管313的冷端306位于中空结构内，实现对沼气发酵仓3的外加热。

沼气发酵仓3内还沿垂直方向设置伸缩式螺旋搅拌器，其轴部可通过伸缩杆进行高度调节，从而增加搅拌区域，使得物料搅拌更为充分。

沼气发酵仓3的底部设置为圆台体结构，其底部中心为沼气发酵仓的出料口305，物料受重力作用落入输送带304，方便物料的排出。

沼气发酵仓3中心顶部设置导气管308，导气管308上设置排气阀310。

工质传热装置包括布置在堆沤仓1内的换热盘管110，换热盘管110上游由水泵103导入工质水，换热盘管110下游伸出堆沤仓并连接工质水室2；工质水室2还连接有太阳能集热器201。所述脉动热管313的热端309与工质水室2内的工质水热交换作用。工质传热装置的上述设置可有效利用好氧堆沤产生的热量对工质水进行预热，有效的利用了好氧发酵产热，并且能够通过太阳能对工质水进行再加热。

本发明通过脉动热管313对沼气发酵装置进行外加热，利用好氧堆沤产热和太阳能集热器加热脉动热管313的热端309，管内工质水吸热产生气泡，体积快速膨胀并且升压，推动工质流向冷端306。气泡遇冷收缩并破裂，压力减小，由于冷热两端存在压差，并且相邻管路也存在压差，使得工质在冷热两端振荡流动，进而传递热量，无需外部对其做功，从而减少了能量的消耗。

工质水室2的下游通过输水管道与终端储水设备4连接，通过终端储水设备对工质水中多余热量进行收集。而且终端储水设备4上还连接有回流管道，回流管道包括向沼气发酵仓3供水的回流支管一，回流支管一的端部还连接有喷射到沼气发酵仓3内的喷淋装置307；回流管道还包括向换热盘管110上游补充工质水的回流支管二；回流支管一和回流支管二通过三通阀401控制，从而使终端储水设备4既可以连通喷淋装置307给沼气发酵装置施加水分，也可以再次由堆沤装置加热循环使用。

本发明的具体工作原理如下：将秸秆和畜禽粪便按照一定比例混合均匀，调节含水率60%-70%，然后从堆沤装置的进料口101投入堆沤仓1，将其堆沤5天，期间为保证好氧条件，每天定时利用氧气泵105对其进行供氧，氧气先进入气室105，然后经布气板107，通过其上均匀布置的布气孔112进入堆沤仓1内，当堆沤结束时，物料由堆沤装置的出料口109经输送带108进入沼气发酵装置。

堆沤期间自来水由三通阀104进入换热盘管110，通过堆沤产生的热量对工质水进行预热，随后沿管路流入工质水室2中，并利用太阳能集热器对工质水室2中的工质水进行再加热，当其热量达到一定程度时，利用围绕在沼气发酵仓3周围的脉动热管313对沼气发酵装置进行供热，从而实现对好氧堆沤处理产生的热量进行再利用，同时也节省了推动脉动热管313中工质水流动所需的能量。

当水流出工质水室2后，进入终端储水设备4，以实现对热水的收集再利用。当沼气发酵仓3中的物料含水率过低时，通过调节三通阀401将终端储水设备4中热水通入喷淋装置307进行含水率调节，也可以调节三通阀401将终端储水设备4中热水经三通阀104进入堆沤装置进行循环利用。当夏天水温过高时，调节三通阀203，使自来水直接进入工质水室2中，也可以通过放气阀204进行排气降温。

沼气发酵仓3底部设置伸缩式螺旋搅拌器303，通过可伸缩轴调节桨叶垂直高度，增加搅拌区域。经沼气发酵仓3厌氧发酵后产生的沼气由导气管308排出，其余料渣由出料口305排出，并通过输送带304到达指定地点。其沼气发酵装置内部参数由沼气发酵装置控制面板302调节。

本发明通过堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置的配合，可以利用好氧堆沤技术对秸秆和畜禽粪便进行预处理，有效降解物料中大分子有机物，后将堆沤产物作为底物进行厌氧消化，同时利用堆沤产生的能量经脉动热管对沼气发酵装置进行加热，从而缩短厌氧发酵启动时间，以达到节约能源的目的。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “前”、“后”、上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (10)

1.一种秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：包括堆沤装置、沼气发酵装置和工质传热装置，

堆沤装置包括堆沤仓，堆沤仓内设有布气板将堆沤仓分为下部的气室和上部的料室，布气板上排设有布气孔；其中，料室用于放置秸秆和畜禽粪便的混合物，气室连接有向其供氧气的气源；氧气进入气室后经布气板的布气孔进入料室内；料室上还连接有出料口，并通过输料机构导向沼气发酵装置；

沼气发酵装置包括沼气发酵仓，沼气发酵仓上配设有脉动热管，脉动热管的热端与工质传热装置热交换作用，脉动热管的冷端与沼气发酵仓热交换作用。

2.根据权利要求1所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述工质传热装置包括布置在堆沤仓内的换热管，换热管上游导入工质水，换热管下游伸出堆沤仓并连接工质水室；所述脉动热管的热端与工质水室内的工质水热交换作用。

3.根据权利要求2所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述换热管为盘状。

4.根据权利要求2所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述工质水室还连接有集热器。

5.根据权利要求4所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述集热器为太阳能集热器。

6.根据权利要求2所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述工质水室的下游通过输水管道与终端储水设备连接；终端储水设备上还连接有回流管道，回流管道包括向沼气发酵仓供水的回流支管一以及向换热管上游补充工质水的回流支管二。

7.根据权利要求6所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述回流支管一的端部连接有喷射到沼气发酵仓内的喷淋装置。

8.根据权利要求1-7任一项所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述沼气发酵仓的仓壁为由外仓壁和内仓壁组成的中空结构，脉动热管呈周向排布在中空结构内，且脉动热管的热端向上伸出仓壁，脉动热管的冷端位于中空结构内。

9.根据权利要求8所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述沼气发酵仓内沿垂直方向设置伸缩式螺旋搅拌器。

10.根据权利要求8所述的秸秆好氧堆沤和厌氧干发酵的热耦合系统，其特征在于：所述沼气发酵仓的底部设置为圆台体结构，其底部中心为沼气发酵仓的出料口。