CN220364535U - 一种连续干法生物天然气生产装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于生物质能源生产工艺技术领域，具体涉及一种连续干法生物天然气生产装置。该装置可包括湿料储池、干料储池、进料混料仓、螺旋输送机、调节池、pH调节罐、一级连续回转发酵装置、一级菌种培养罐、二级连续回转发酵反应器、固液分离器、二级菌种扩培罐、有机肥生产车间、出料装置、脱硫塔、沼气气柜、CO₂储罐、膜分离装置和天然气储罐。本实用新型通过改进多元原料配比、保存同步预处理、分级回转式干法厌氧发酵、CO₂生物甲烷化、发酵体系失稳预警、生物碳捕集和存储等技术，提高沼气产气速率、容积产气率和农业废弃物资源化利用水平，获取绿色清洁能源，助力改善农村环境和碳中和目标的实现。

Description

一种连续干法生物天然气生产装置

技术领域

本实用新型公开了一种连续干法生物天然气生产装置，属于生物质能源生产工艺技术领域。

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。包括可收集秸秆约9亿吨，畜禽粪便总量约38亿吨，但沼气资源化利用率不足10％。秸秆焚烧和生物质自然腐解过程中产生的温室气体还是我国农业碳排放的主要来源。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温室气体排放问题。

我国目前沼气厌氧发酵方法以CSTR湿法发酵为主，虽然技术成熟，但也有容积产气率低、高能耗、高水耗、沼液产生量大且难以处理等诸多缺点。国外较为先进的生物天然气工程多采用含固率大于20％的干法发酵技术。连续式干法发酵主要采用长轴搅拌推流式反应器，由于高含固物料流动性差，设备大型化困难，对各类复杂生物质原料适应性差。

此外，现有沼气厌氧发酵系统一般采用单级发酵反应器完成多阶段发酵过程，对不同发酵阶段温度、pH、碳氮比等采用单一参数；接种物使用回流沼液，缺乏对发酵体系厌氧微生物的调控手段和失稳预警机制，限制了容积产气率和甲烷产率的提高；工艺自动控制精度低；对产生的CO₂缺乏有效的收集，无法最大限度发挥生物质能碳捕集和封存(BECCS)技术的碳负排放效益。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型设计了一种以两级转鼓发酵罐为主要生产单元的，连续干法发酵生产生物天然气的工艺系统。同时配套与回转反应器相适应的多元原料混合预处理系统、进出料系统、工程菌扩培和示踪监测、沼气提纯净化及CO₂回收系统，相对于现有沼气发酵功率，本工艺可以大幅提高反应器的容积产气率和甲烷产率，降低生物天然气生产成本，提高工艺碳减排效益。

在发酵前对原料进行预处理，减少物料在反应器内的停留时间。将沼气发酵过程分为产酸和产甲烷两个阶段，使用回流沼液和蒸汽流量调节两级反应器内不同的温度、含水率、pH、碳氮比参数，使各阶段均达到最佳发酵效率。采用回转筒体和扬料板结构代替传统长轴搅拌器，避免了推流式反应器在工程放大中的诸多缺陷，提高了对原料的适应能力。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。在原料中加入GFP基因标记的工程菌群，提高预处理效率，同时对发酵体系生物量进行示踪监测，预警系统失稳。在回流沼液中添加食氢产甲烷菌，提高沼气中的甲烷含量，最大限度的提高反应器的容积产气率。通过对所产生的CO₂进行有效收集，进一步提高工艺的经济效益和碳负排效益，有利于实现利用农业废弃物干法连续发酵生产生物天然气工程的大规模商业化运营。

本实用新型提出了一种连续干法生物天然气生产工艺和装置，包括湿料储池、干料储池、进料混料仓、调节池、一级连续回转发酵装置、二级连续回转发酵反应器、脱硫塔、沼气气柜、膜分离装置、天然气储罐，

其中，湿料储池与干料储池分别存储含水率不同的多元原料，通过管道或皮带连接至进料混料仓进口，进料混料仓出口连接调节池的进口，调节池出口连接一级连续回转发酵反应器进料口，一级连续回转发酵反应器卸料口连接至(例如通过金属软管连接下层楼板的)二级连续回转发酵反应器的进料口，二级连续回转发酵反应器的卸料仓排气口通过管道连接脱硫塔，脱硫塔的出口连接沼气气柜进口，沼气气柜的出口连接膜分离装置进口，膜分离装置中空纤维膜管内气体出口连接天然气储罐。

优选地，本申请的装置可进一步包括pH调节罐，用于调节进料原料的酸碱度。

优选地，本申请的装置可进一步包括与调节池相连的一级菌种培养罐。

优选地，本申请的装置中，二级连续回转发酵反应器卸料仓底部卸料口连接固液分离器进口，例如通过皮带输送机连接固液分离器进口，固液分离器的固体排出口连接有机肥生产车间，固液分离器的液体出口分别连接二级强化菌种扩培罐进口和一级回转发酵装置卸料仓沼液回流口，二级强化菌种扩培罐出口连接沼液回流管线。

优选地，本申请的生产装置可进一步包括CO₂储罐，与膜分离装置的渗透气体出口连接。

所述一级连续回转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/或排气卸料仓。

所述转鼓发酵罐转速0.3～3rpm，充装系数为0.3～0.7，发酵罐本体与水平方向的倾斜角度为0.5～3°，进料口高于出料口。其内设置扬料板，从转鼓发酵罐的内壁向转鼓发酵罐的中心延伸，沿内壁周向间隔分布，优选均匀等间距分布，布置30～50组，每组扬料板沿同一周向截面的数量可为4～12块，优选6～10块，长度(转鼓发酵罐径向)为筒体直径的0.2～0.3倍，优选约0.25倍。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4～8倍，优选5倍。生物质原料在转鼓发酵罐内的停留时间通过改变筒体倾斜角度和回转转速条件调整。

优选，进料装置包括螺旋进料器和进料密封仓，两者通过法兰连接，均为固定部件，螺旋进料器上前端设有进料口。

优选，进料密封和出料密封结构相同，均为两道密封结构，包含有一对动静环摩擦副组成的机械密封和一段覆盖固定筒体与转动筒体连接间隙的密封毛毡，动静环通过密封压板和弹簧压紧，密封间隙小于1mm。

支撑装置包括托轮和底座例如水泥底座，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2组，各组分别位于转鼓发酵罐的进料侧和出料侧，每组2个对称布置，分布在转鼓发酵罐的横向两侧，支承轮与垂直中心线夹角为30°±10°，优选30°。

优选，蒸汽夹套通过鞍座固定于底座上，与转鼓发酵罐的筒体间隙为2～5cm，加热方式为辐射传热，蒸汽夹套的进口管道上设有用于控制蒸汽流量的温控阀。

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、PLC(可编程逻辑控制器)。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测温差，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。

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。卸料仓上部设置有回流沼液入口，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。

一级发酵装置主要用于厌氧发酵的预处理和产酸阶段，期间无气体排放，二级发酵装置用于产甲烷阶段。二级连续回转发酵反应器结构与一级连续回转发酵反应器结构的区别在于卸料仓上部设置沼气出口替代回流沼液入口，用于排放沼气，其余结构相同。一级和二级转鼓发酵罐长度比为1:1～1:2.5，优选1:1.5～1:2。

本实用新型进一步提供了利用上述连续干法生物天然气生产装置的连续干法生物天然气生产方法，包括如下步骤：

步骤一、将多元生物质原料分类存储，湿料(优选各类畜禽粪污、厨余垃圾等)存贮于湿料储池中，干料(优选，粉碎后的农作物青贮秸秆、黄贮秸秆、干秸秆等木质纤维素类原料)存贮于干料储池中，木质纤维素类原料在保存过程中预处理，预处理方法可采用现有破坏木质素纤维结构的方法，包括生物法、化学法、物理法中的一种或几种；

步骤二、将湿料储池中原料优选通过渣浆泵，干料储池中原料优选通过皮带输送机输送至进料混料仓中预混合，混合后生物质原料的固体含量为18％～45％，优选20％～25％，碳氮比20:1～30:1，优选25:1，预混合后原料输送至调节池，调节原料pH至6.0～8.5，优选6.8～7.4；

优选地，在调节池中加入厌氧培养的GFP荧光蛋白标记热纤梭菌种子液；

步骤三、生物质原料进入一级连续回转发酵反应器，进行厌氧产酸发酵，在转鼓发酵罐内做螺旋运动且逐渐向卸料仓转移，之后进入二级连续回转发酵反应器，进行产甲烷发酵；一级发酵温度为30～35℃，优选32～34℃，发酵周期2～10天，优选3～7天，二级发酵温度为50～55℃，优选53～55℃，发酵周期5～20天，优选6～12天；

步骤四、沼气脱硫后，经膜分离装置将甲烷和CO₂分离，分别获得天然气和工业CO₂产品。产品分别符合生物天然气标准和工业液体CO₂标准。

该方法可进一步包括步骤五、发酵后沼渣经固液分离，固体部分用于生产有机肥；优选地，分离的沼液和加入的工程菌种混合作为菌液后回流至一级连续回转发酵反应器出口，部分沼液用于工程菌加氢扩培，用于扩培的沼液比例占总回流沼液比例的3～10％，优选5～8％。工程菌种可以为高温产甲烷菌群，优选地，为食氢产甲烷菌群，来源自发酵沼液微生物群落中筛选分离。

本实用新型的有益效果：

本实用新型具有节能、节水、产气效率高、自动化程度高等诸多优势，有利于实现农业有机废弃物高效资源化利用。

(1)本实用新型工艺系统基于连续回转发酵反应器设计，转鼓式结构应用于高含固物料，克服了长轴搅拌结构的诸多缺陷，可有效提高容积产气率，适应复杂生物质原料，并易于工程放大。

(2)设计两级反应器分别用于厌氧产酸和产甲烷发酵过程，针对两过程特点，采用不同发酵菌群和温度、pH、含水率等操作参数，提高了发酵效率，降低了生产能耗。

(3)对原料适应性强，适合多元有机废弃物共同发酵，将原料预处理过程放至保存单元进行，减少了物料在反应器内的停留时间，同时降低了预处理能耗。

(4)采用GFP基因标记菌种示踪厌氧发酵过程中的微生物量和代谢活性，并通过添加工程菌种实现H₂/CO₂部分生物甲烷化，提高沼气中的甲烷收率。(5)采用温度控制、pH调节、沼气成分在线监测、发酵体系失稳预警等技术，

自动控制全生产流程，提高了工程数智化水平。

(6)使用膜分离技术便于收集沼气中的CO₂作为工业副产品，最大限度发挥了生物天然气工程作为BECCS技术的碳负排放效益。

附图说明

图1为本实用新型所述的连续干法生物天然气生产工艺流程图。

图2为本实用新型所述的连续回转发酵反应器结构示意图。

图3为连续回转发酵反应器A-A剖面结构示意图。

图4连续回转发酵反应器进料密封和出料密封示意图。

图5为连续回转发酵反应器的进料密封的密封连接图。

图6为连续回转发酵反应器的出料密封的密封连接图。

图7为连续回转发酵反应器扬料板结构示意图。

图中标号：

1-湿料储池、2-干料储池、3-进料混料仓、4-螺旋输送机、5-调节池、

6-pH调节罐、7-一级连续回转发酵反应器、8-一级菌种培养罐、9-二级连续回转发酵反应器、10-固液分离器、11-二级菌种扩培罐、12-有机肥生产车间、13-出料皮带输送机、14-脱硫塔、15-沼气气柜、16-膜分离装置、17-CO₂储罐、18-天然气储罐。

具体实施方式

以下详细说明本实用新型。

本实用新型提供了一种连续干法生物天然气生产装置，如图1所示，包括湿料储池1、干料储池2、进料混料仓3、调节池5、一级连续回转发酵罐7、二级连续回转发酵罐9、脱硫塔14、沼气气柜15、膜分离装置16，天然气储罐18，

其中，湿料储池1与干料储池2分别存储含水率不同的多元原料，湿料储池1一般存储选自畜禽粪污如牛粪、猪粪、羊粪、马粪、鸡粪、鸭粪、厨余垃圾等中的一种或多种，固含量一般在30wt％以下，尤其20wt％以下，碳氮比10～20，干料储池2一般存储选自农作物(例如玉米、水稻、高粱、小麦)青贮秸秆、黄贮秸秆、干秸秆中的一种或多种，固含量一般大于30wt％，尤其40wt％以上或50wt％以上，碳氮比50～70，通过管道或皮带连接至进料混料仓3进口，进料混料仓3出口通过螺旋输送机4连接调节池5的进口，调节池5的排出口连接一级连续回转发酵装置7的进料口，一级连续回转发酵装置7卸料口通过金属软管连接下层楼板的二级连续回转发酵反应器9的进料口，二级连续回转发酵反应器9的卸料仓排气口通过管道连接脱硫塔14，脱硫塔14出口连接沼气气柜15进口，沼气气柜15的出口连接膜分离装置16的进料口，膜分离装置16中空纤维管内气体出口(例如经由压缩机)连接天然气储罐18。

本申请的工艺系统可进一步包括pH调节罐6，用于改变调节池5内的物料的酸碱度。

本申请的工艺系统可进一步包括一级菌种培养罐8与调节池5相连。

本申请的工艺系统可进一步包括二级连续回转发酵反应器卸料仓底部卸料口通过出料皮带输送机13连接固液分离器10进口，固液分离器10的固体排出口连接有机肥生产车间12，进行好氧堆肥生产有机肥。固液分离器的液体出口分别连接二级强化菌种扩培罐11进口和一级回转发酵装置7卸料仓沼液回流口，二级强化菌种扩培罐11出口连接沼液回流管线。

本申请的工艺系统可进一步包括CO₂储罐17，例如经由压缩机与膜分离装置16的渗透气体出口连接。

本申请中，一级连续回转发酵装置7如图2和图3所示，包括一级转鼓发酵罐73、用于将物料进给转鼓发酵罐73的进料装置，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75、用于驱动转鼓发酵罐73旋转的驱动装置79和用于控制转鼓发酵罐内温度的自动温控装置77、用于卸料和/或排气的卸料仓78。

转鼓发酵罐转速0.3～3rpm，充装系数为0.3～0.7，发酵罐本体与水平方向的倾斜角度为0.5～3°，进料口高于出料口。其内设置扬料板7301，从转鼓发酵罐73的内壁向转鼓发酵罐73的中心延伸，分为若干组沿内壁周围轴向间隔分布，优选均匀等间距间隔分布，布置30～50组，每组扬料板沿同一周向截面的数量可为4～12块，长度(转鼓发酵罐径向)为筒体直径的0.2～0.3倍，优选0.2～0.25倍。扬料板结构形式为桨式，如图3、图7所示，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4～8倍，优选5～6倍。生物质原料在转鼓发酵罐内的停留时间通过改变筒体倾斜角度和回转转速条件调整。

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4所示，进料装置包括螺旋进料器71和进料密封仓72，两者通过法兰连接，均为固定部件，由进料器支架7102和进料密封支架7201支撑，螺旋进料器71前端设有进料口7101。

一级转鼓发酵罐和二级转鼓发酵罐进出料密封结构相同，以一级转鼓发酵罐进料密封进行说明，进料密封包括进料密封仓72、第一动摩擦环73042、第一静摩擦环73041、前端压盖法兰7304，如图5所示，进料密封仓72为圆筒形固定部件，一端伸入转鼓发酵罐73的进口端开口内，另一端与螺旋进料器71的端部连接，在转鼓发酵罐73的端口向外依次设置第一动摩擦环73042、第一静摩擦环73041、前端压盖法兰7304，第一静摩擦环73042与进料密封仓72筒体外壁固定，第一动摩擦环73042随转鼓发酵罐筒体转动，围绕进料密封仓72的外周固定有多个进料密封压板7202，进料密封压板7202进一步通过第一弹簧连接件72021将进料密封仓72压紧于前端压盖法兰7304，前端压盖法兰7304设有一变径段覆盖住第一动摩擦环73042、第一静摩擦环73041，变径段进一步覆盖一段第一密封毛毡73043并与转鼓发酵罐73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。进料密封压板7202和进料密封仓72通过螺栓连接，密封间隙通过弹簧连接件72021和螺栓调节。

优选地，进料密封压板7202环状布置于进料密封仓72上，数量为8～20个，前端法兰压盖7304设置两道密封，内密封为由第一静摩擦环73041和第一动摩擦环73042组成的机械密封，第一静摩擦环73041材料为PTFE，第一动摩擦环73042为硬质合金复合层，复合于转鼓发酵罐73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73043，减少从第一密封点泄漏出的气体。

优选地，螺旋进料器伸入进料口，之间用法兰连接，螺旋进料器通过支座7102固定于水泥基础。进料密封仓上进一步设有进料密封支架7201，固定于水泥基础，作用为固定进料密封仓。

如图6所示，出料密封包括后端法兰压盖7305、第二动摩擦环73052、第二静摩擦环73051、第二密封毛毡73053、卸料密封压板7804和第二弹簧连接件78041，卸料仓78设有一段圆筒形连接段，伸入转鼓发酵罐73的出口端开口内，在转鼓发酵罐73的出口端开口向外依次设置第二动摩擦环73052、第二静摩擦环73051、前端压盖法兰7305，第二静摩擦环73051与卸料仓78连接段外壁固定，第二动摩擦环73052随转鼓发酵罐筒体转动，围绕卸料仓78的出料段的外周固定有多个卸料密封压板7804，卸料密封压板7804进一步通过第二弹簧连接件78041将卸料仓压紧于后端压盖法兰7305，后端压盖法兰7305设有一变径段覆盖住第二动摩擦环73052、第二静摩擦环73051，变径段进一步覆盖一段第二密封毛毡73053，并与转鼓发酵罐73的出口端外壁贴合。第二动摩擦环靠第二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。密封压板7804和卸料仓78通过螺栓连接，密封间隙通过第二弹簧连接件78041和螺栓调节。

优选地，卸料密封压板7804环状布置于卸料仓上，数量为8～20个，后端法兰压盖7305内设置两道密封，内密封为由第二静摩擦环73051和第二动摩擦环73052组成的机械密封，第二静摩擦环73051材料为PTFE，第二动摩擦环73052为硬质合金复合层，复合于转鼓发酵罐73筒体后端部；外密封在法兰变径段后部增加一段第二密封毛毡73053，减少了从第一泄漏点泄漏出的气体。

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。

支撑装置包括托轮74和水泥底座710，托轮74设置在水泥底座710上可转动，支承环7302紧固于一级转鼓发酵罐73的外周，转鼓发酵罐73的支承环7302与托轮74线接触，托轮74由托轮轴承7401支承于底座上，一般为两组，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73的两端附近，支承轮与中心线夹角为30°±10°，优选30°。

蒸汽夹套通过鞍座7502固定于水泥底座710上，与转鼓发酵罐73的筒体间隙为2～5cm，加热方式为辐射传热。蒸汽夹套75的进口管道上设有用于调节蒸馏流量的温控阀7501。

自动温控装置77包括沿周向分布的伸入转鼓发酵罐73不同深度的若干个温度探头、无线温度采集器和PLC(可编程逻辑控制器)。若干个温度探头用于测量转鼓发酵罐73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7501，根据所需发酵温度与实际测温的温差，调节蒸汽夹套75中的蒸汽流量。

驱动装置79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76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73上的主齿轮配合，从而带动转鼓发酵罐73做回转运动。

卸料仓78为固定部件，通过耳座7803固定于底座，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78的侧部进口与转鼓发酵罐73的出口连通。卸料仓78上部(通常是与转鼓发酵罐73出口连接一侧的相反侧)设置有回流沼液入口7801，下部出口设置有双层翻板阀7802。翻板阀7802阀板依靠物料重力累积开启，无重力作用下关闭。

一级发酵装置主要用于厌氧发酵的预处理和产酸阶段，期间无气体排放，二级发酵装置用于产甲烷阶段，二级连续回转发酵反应器结构与一级连续回转发酵反应器7结构的区别在于二级连续转鼓发酵装置卸料仓78上部设置沼气出口替代回流沼液入口7801，用于排放沼气，其余结构相同。一级和二级转鼓发酵罐长度比为1:1～1:2.5，优选1:1.5～1:2。

在具体实施中，在生产前先向整个发酵系统中通入蒸汽进行一次灭菌。多元生物质原料分类存储，各类畜禽粪污、厨余垃圾等存贮于湿料储池1中，农作物青贮秸秆、黄贮秸秆、干秸秆粉碎后等存贮于干料储池2中，在存贮过程中采用碱预处理、酸预处理或生物预处理等方法，对木质纤维素原料初步分解，去除部分木质素。湿料储池1中原料经渣浆泵，干料储池2中原料经皮带输送机输送至进料混料仓3中预混合，混合后生物质原料的固体含量为18％～45％，优选为20％～25％，碳氮比20:1～30:1，优选22：1～28：1，例如约25:1。预混合后原料经由螺旋输送机4输送至二层调节池5。

一级菌种培养罐8中加入纤维二糖和尿素为碳氮源的培养基，厌氧培养GFP荧光蛋白标记的热纤梭菌(德国菌种保存中心号：DSM5812)，将种子液加入调节池5，用于提高生物质降解效率和通过荧光蛋白的示踪，监测发酵过程的生物量，预警系统失稳，pH调节罐6根据混合原料pH值加入酸或碱，调节原料pH至6.0～8.5，优选6.8～7.4。

调节池5下部与一级回转发酵装置7进料口连接，生物质原料进入一级转鼓发酵罐，发酵罐转速0.3～3rpm，充装系数0.3～0.7，一级转鼓发酵罐73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73内做螺旋运动且逐渐向卸料仓78转移，一级发酵主要为厌氧发酵产酸过程，发酵温度为30～35℃，优选32～34℃，发酵为3～7天后，物料进入卸料仓，卸料仓78下部双层翻板阀7802在物料重力作用下自动开启和复位，物料落入一层二级连续回转发酵反应器，二级转鼓发酵罐，转速、充装系数和向下倾斜角度均与一级转鼓发酵罐73相同，确保不发生物料堵塞。二级发酵为产甲烷过程，发酵温度50～55℃，优选53～55℃，发酵时间6～12天。

发酵完成后，沼渣进入卸料仓78，经出料皮带输送机13输送至固液分离器10，分离出的固体进入有机肥生产车间12，好氧发酵并干燥后获得有机肥产品，分离出的沼液少部分沼液分流至二级菌种扩培罐11，厌氧扩培食氢产甲烷菌群(主要为甲烷袋状菌属和甲烷八叠球菌属)，扩培后的种子液再与未分流沼液混合，分离的沼液和加入的工程菌种混合作为菌液后回流至一级回转发酵装置卸料仓回流沼液入口7801，用于扩培的沼液比例占总回流沼液比例的3～10％，优选5～8％。种子液流量由二级菌种扩培罐11出口流量阀调节，加入工程菌种可将发酵过程产生的部分CO₂转化为甲烷，提高甲烷产率，流量阀开度根据在线监测的排出气体中甲烷含量调节。

二级连续回转发酵反应器卸料仓78出气口定期开启，排放沼气，沼气经脱硫塔14净化后进入沼气气柜存储15，沼气再经过膜分离装置16提纯，从中空纤维膜渗透出的主要为CO₂气体，气体经压缩、干燥、液化获得工业CO₂产品，存储于CO₂储罐17，渗余气体为生物天然气产品，压缩后存储于天然气储罐18。

实施例

将新鲜玉米秸秆粉碎为直径2mm，长度20mm左右的颗粒，加入原料质量1.5％比例的KOH，混合均匀，压实保存于干料储池中。保存过程中每天导排渗滤液，回收碱和木质素后回用渗滤液，多次反复淋滤水洗。在青贮池内保存15天后开始取料，最多保存300天以满足全年生产需要。牛粪在湿料储池中预脱水后与青贮玉米秸秆在进料预混池中混合，混合后平均含固率为26％，原料碳氮比25：1，经螺旋输送机送至调节池，接种GFP荧光蛋白标记的热纤梭菌(德国菌种保存中心号：DSM5812)(接种量为原料进料量的0.2％)，并调节pH＝7.2后送入一级连续回转发酵装置，在转动筒体和扬料板作用下混合产酸发酵，发酵温度33℃，发酵罐容积1050m³，转速1rpm，水平向下倾角1.5°，充装系数0.6，水力停留时间3天后，物料进入二级回转发酵罐进行产甲烷发酵，二级发酵罐容积1800m³，转速、水平向下倾角与一级发酵罐相同，发酵温度55℃，水力停留时间5天，容积产气率4.4m³/m³·d。沼气中甲烷含量65％，沼气使用化学吸收法脱硫净化后存储于沼气气柜。将沼气加压至1.4MPa，经中空纤维膜提纯，渗透气中CO₂含量大于99％，收集并加压液化后作为工业级CO₂产品，渗余气为生物天然气产品，甲烷含量98％，厂内蒸汽热量由天然气锅炉提供，天然气自用率4％，其余加压作为CNG外售，日供应天然气8000Nm³。工程发酵后的沼渣取样分析荧光值，与进料荧光值对比，监控发酵系统失稳与否。沼渣经固液分离，固体部分用于生产有机肥，有机肥含固量73％，有机质含量38％，氮磷钾总量7.5％。分离出的沼液中的6％进入二级菌种扩培罐，用于扩培食氢产甲烷菌群(主要为甲烷袋状菌属和甲烷八叠球菌属)，扩培过程中，每升沼液通入1.1升氢气，培养好的种子液和剩余沼液混合加入一级发酵罐出料口。

对比例1

采用与实施例相同的条件，发酵罐使用长轴搅拌式发酵装置，发酵温度55℃，发酵时间延长至11天，容积产气率为3.0m³/m³·d。

对比例2

采用与实施例相同的条件，采用单级连续回转式发酵装置，发酵温度55℃，容积产气率为4.2m³/m³·d，蒸汽能耗增加14％。

对比例3

采用与实施例相同的条件，不加入食氢产甲烷工程菌，沼气中甲烷含量由65％降低为55％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (19)

1.一种连续干法生物天然气生产装置，其特征在于包括湿料储池(1)、干料储池(2)、进料混料仓(3)、调节池(5)、用于厌氧发酵的预处理和产酸阶段的一级连续回转发酵反应器(7)、用于产甲烷阶段的二级连续回转发酵反应器(9)、脱硫塔(14)、沼气气柜(15)、膜分离装置(16)、天然气储罐(18)，

其中，湿料储池(1)与干料储池(2)分别存储含水率不同的多元原料，通过管道或皮带连接至进料混料仓(3)进口，进料混料仓(3)出口连接调节池(5)的进口，调节池(5)出口连接一级连续回转发酵反应器(7)进料口，一级连续回转发酵反应器卸料口连接至二级连续回转发酵反应器(9)的进料口，二级连续回转发酵反应器的卸料仓排气口通过管道连接脱硫塔(14)，脱硫塔的出口连接沼气气柜(15)进口，沼气气柜(15)的出口连接膜分离装置(16)进口，膜分离装置中空纤维膜管内气体出口连接天然气储罐(18)。

2.根据权利要求1所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，连续干法生物天然气生产装置进一步包括pH调节罐(6)，用于调节进料原料的酸碱度。

3.根据权利要求1所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，连续干法生物天然气生产装置进一步包括与调节池相连的一级菌种培养罐(8)。

4.根据权利要求1所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，二级连续回转发酵反应器卸料仓底部卸料口通过皮带输送机连接固液分离器(10)进口，固液分离器的固体排出口连接有机肥生产车间(12)，固液分离器的液体出口分别连接二级强化菌种扩培罐(11)进口和一级回转发酵装置卸料仓沼液回流口，二级强化菌种扩培罐出口连接沼液回流管线。

5.根据权利要求1所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，连续干法生物天然气生产装置进一步包括CO₂储罐(17)，与膜分离装置(16)的渗透气体出口连接。

6.根据权利要求1所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，所述一级连续回转发酵反应器包括转鼓发酵罐(73)、用于将物料进给转鼓发酵罐的进料装置、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(75)、用于驱动转鼓发酵罐旋转的驱动装置(79)和用于控制转鼓发酵罐内温度的自动温控装置(77)、用于卸料和/或排气的卸料仓(78)，二级连续回转发酵反应器结构与一级连续回转发酵反应器结构的区别在于卸料仓上部设置沼气出口替代回流沼液入口，用于排放沼气，其余结构相同，一级和二级转鼓发酵罐长度比为1:1～1:2.5。

7.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，一级和二级转鼓发酵罐长度比为1:1.5～1:2。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，转鼓发酵罐转速0.3～3rpm，充装系数为0.3～0.7，发酵罐本体与水平方向的倾斜角度为0.5～3°，进料口高于出料口，其内设置扬料板(7301)，从转鼓发酵罐的内壁向转鼓发酵罐的中心径向延伸，沿内壁周向间隔分布，布置30～50组，每组扬料板沿同一周向截面的数量为4～12块，长度为筒体直径的0.2～0.3倍。

9.根据权利要求8所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，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，长边宽度为短边宽度的4～8倍。

10.根据权利要求8所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，扬料板(7301)沿内壁周向均匀等间距分布。

11.根据权利要求8所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，扬料板长度为筒体直径的0.25倍。

12.根据权利要求9所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，扬料板短边宽度为发酵罐筒体直径的0.01倍，长边宽度为短边宽度的5倍。

13.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，进料装置包括螺旋进料器(71)和进料密封仓(72)，两者通过法兰连接，均为固定部件，螺旋进料器上前端设有进料口。

14.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，进料密封和出料密封结构相同，均为两道密封结构，包含有一对动静环摩擦副组成的机械密封和一段覆盖固定筒体与转动筒体连接间隙的密封毛毡，动静环通过密封压板和弹簧压紧，密封间隙小于1mm。

15.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，支撑装置包括托轮(74)和底座(710)，托轮(74)设置在底座(710)上可转动，支承环(7302)紧固于转鼓发酵罐的外周，转鼓发酵罐的支承环(7302)与托轮(74)线接触，托轮(74)由托轮轴承支承于底座(710)上，为2组，每组2个对称布置，分布在转鼓发酵罐的横向两侧，支承轮与垂直中心线夹角为30°±10°。

16.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，蒸汽夹套(75)通过鞍座(7502)固定于底座上，与转鼓发酵罐的筒体间隙为2～5cm，加热方式为辐射传热，蒸汽夹套的进口管道上设有用于控制蒸汽流量的温控阀(7501)。

17.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，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、PLC。

18.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，驱动装置(79)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。

19.根据权利要求6所述的连续干法生物天然气生产装置，其特征在于，卸料仓(78)为固定部件，通过耳座固定于底座，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，卸料仓上部设置有回流沼液入口，下部出口设置有双层翻板阀(7802)，翻板阀阀板依靠物料重力累积开启，无重力作用下关闭。