專利名稱：使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備及方法
技術領域：
本發明涉及生物燃氣的制造，特別是涉及使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備和方法。
背景技術：
生物燃氣又名沼氣，是多種微生物在厭氧條件下對有機物質(如秸桿、雜草、人畜糞便、垃圾、污泥等)進行分解代謝的產物，其主要成分是甲烷和二氧化氮，還有硫化氫等少量的其他氣體，沼氣產生的過程也稱為厭氧發酵。按照總固體含量多少，厭氧消化技術可分為濕式厭氧消化(含固率< 15% )與干式厭氧消化(含固率20 40% )。干式厭氧工藝具有以下明顯的優勢:1)可以適應各種來源的固體有機廢棄物；2)運行費用低，容積產氣率高；3)需水量低或不需水，殘渣后續處理費用低；4)運行過程穩定，無濕法工藝中的浮渣、沉淀等問題。而在實際工程運用中，由于在干式厭氧發酵中的物料不加水或者只加很少的水稀釋，干式厭氧消化系統內物料的充分混和較為困難，造成沼氣產率降低。攪拌的目的是使發酵原料均勻分布，加強新鮮物料的接種效果，增加微生物與原料的接觸面，加快發酵速度。發酵液面經常處于活動狀態，經常攪拌回流沼氣池內的發酵原料，不僅可以破除池內浮殼，而且能使原料與沼氣細菌充分接觸，促進沼氣細菌的新陳代謝，使其迅速生長繁殖，加快發酵速度，提高產氣量。沼氣工程中常用的攪拌方法有機械攪拌、沼氣回流攪拌(氣體攪拌)和發酵液回流攪拌(液體攪拌)。機械攪拌是在沼氣池內安裝機械攪拌裝置，每I 2天攪拌一次，每次5 lOmin，攪拌有利于沼氣的釋放；氣體攪拌是將沼氣池內的沼氣抽出來，通過輸送管道(中心管)從沼氣池底下部送進去，使池內產生較強的氣體回流，達到攪拌的目的；液體攪拌是用抽渣器從沼氣池的出料間將發酵液抽出，再通過進料管注入沼氣池內，產生較強的料液回流以達到攪拌和菌種回流的目的。關于液體攪拌及沼氣攪拌鑒于對其攪拌效果、強度及能耗的考慮，所述兩種方法更適于濕式厭氧發酵及一些小型的干式厭氧發酵；而機械攪拌，目前采用的多為發酵罐內全混式攪拌方式，由于整個罐體設置了混和裝置，罐內料液處于完全均勻或基本均勻狀態，因此微生物能和物料充分接觸，接種效果好，但是該方法較易增加部分新進入罐體內的新鮮有機物料發酵時間不夠而直接由排渣口排出的風險，而且發酵罐罐體整體混和裝置的設置能耗是非常大的。為了解決上述干式發酵方法中存在的混和困難且不充分問題，中國專利CN101381674A中，所述厭氧發酵罐內不設置任何混和攪拌裝置，而是通過在厭氧發酵罐外的接種混和槽將新鮮物料與立式厭氧發酵罐內的已發酵物料混和接種，混和接種后的物料再輸送至立式厭氧發酵罐內進行干式厭氧反應，反應過程中物料在罐內從上至下呈推流形式移動。所述接種物與新鮮物料的混和質量比為4 10: I。該方法避免了傳統的上述全混式攪拌方式中會使得部分新鮮物料發酵時間不夠而直接由排渣口排出的風險。
但是，在上述專利中，混和物提供至干式發酵罐中不再混和，因此為了使接種物料和新鮮物料充分接觸，充足量的發酵物料必須在發酵罐外與新供應的物料混和，如專利中每單位新鮮物料混和4 10單位的發酵物料，但是這樣的方式影響了發酵罐的處理能力，同時大量物料的混和也增加能耗。特別是當對每噸具有較高的沼氣產量的新鮮有機物料進行發酵時，在發酵罐中的平均停留時間需要增加至更多天，新鮮物料的進料速度會更慢，不利于干式發酵器大量裝載新鮮物料，如玉米之類高能作物進行發酵時，導致更多的能量損失。而且，最為關鍵的是該方法中的厭氧發酵系統中需要在發酵罐體外設置一個混和裝置，以達到新鮮物料與回流的發酵物料充分混和、接種的目的。厭氧發酵微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進行正常的代謝活動，因此發酵溫度是影響厭氧發酵制生物燃氣的重要因素。但是，該種外部混和裝置的設置會導致已具有合適溫度的新鮮物料與發酵物料在該攪拌裝置處的熱量散失，特別是在冬天及采用高溫發酵時，該種罐體外混和裝置的設置所產生的熱量散失的問題會更為突出，這樣當混和后物料進入發酵罐體時，由于物料達不到所需要的溫度，會延緩物料的發酵啟動，影響物料的實際發酵時間，減少物料的利用率及產氣率。
發明內容
為解決現有技術中問題的至少一個方面，提出本發明。本發明的目的在于通過改進厭氧發酵罐體的結構，以解決現有技術中外部接種熱量損失較多的缺陷，從而在提高發酵材料的利用率及其產氣速率的同時降低厭氧發酵設備的運行能耗。為達到上述目的，根據本發明的一個方面，提出了一種使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備，包括:一個主發酵罐體，具有限定主發酵空間的底部、頂部和側壁，所述主發酵罐體的底部設置有發酵后物料排出口，所述主發酵罐體的頂部設置有生物燃氣出口 ；至少一個預接種混和罐體，所述預接種混和罐體均與所述主發酵罐體一體地設置在所述主發酵罐體的側壁上，所述預接種混和罐體的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口，所述預接種混和罐體的上部設置有物料的溢出口，所述溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料□。
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可選地，所述設備包括沿所述主發酵罐體的側壁布置的多個所述預接種混和罐體。進一步地，多個所述預接種混和罐體圍繞所述主發酵罐體的側壁等間隔布置。可選地，所述預接種混和罐體的設置溢出口的側壁同時作為所述主發酵罐體的側壁。可選地，所述主發酵罐體的底部設置有回流泵，所述回流泵經由連接到回流泵的出口的回流管路將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體內，優選地,通入到預接種混和罐體內的下部。可選地，所述主發酵罐體的底部形成為漸縮的錐形，所述發酵后物料排出口設置在所述錐形的下部。可選地，所述預接種混和罐體內部設置有使得新鮮物料與預接種混和罐體內部的已發酵物料混和的機械混和裝置。根據本發明的另一方面，提出了一種使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的方法，包括如下步驟:(1)提供主發酵罐體以及與所述主發酵罐體一體設置的至少一個預接種混和罐體，所述預接種混和罐體的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口，所述預接種混和罐體的上部設置有物料的溢出口，所述溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料口，所述主發酵罐體的底部設置有回流泵，回流泵的出口設置回流管路；(2)利用所述回流泵經由所述回流管路將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體內；(3)從所述預接種混和罐體下部向所述預接種混和罐體內供給新鮮物料,所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料進行預接種混和；(4)接種后的物料經由所述溢出口溢流到所述主發酵罐體內進行厭氧發酵；(5)從主發酵罐體的底部排出發酵后的物料，以及在主發酵罐體的上部收集生物燃氣。可選地，在所述步驟(I)中，沿所述主發酵罐體的側壁布置多個所述預接種混和罐體。可選地，多個所述預接種混和罐體圍繞所述主發酵罐體的側壁等間隔布置。可選地，在所述步驟(I)中，所述預接種混和罐體的設置溢出口的側壁同時作為所述主發酵罐體的側壁。可選地，在所述步驟(3)中，利用機械混和裝置攪拌所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料。可選地，在所述步驟(3)中，在新鮮物料進入到所述預接種混和罐體內體積的十分之一至二分之一時，所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料進行預接種混和。可選地，在所述步驟(4)中，物料在發酵過程中在主發酵罐體內從上到下呈推流形式向主發酵罐體的底部移動。可選地，所述方法還包括步驟:(6)將加熱至50 60°C的生物燃氣由主發酵罐體的底部通入至主發酵罐體內。該 步驟有利于物料的加熱保溫，物料的溫度更均衡，同時也保證已產生沼氣的快速逸出。根據本發明，設置通過溢流口與主發酵罐體直接相通的預接種混和罐體，可以使得新鮮物料在預接種混和罐體內與已發酵一定時間的發酵物料充分混和接種，有利于新鮮物料發酵的快速啟動；而且，因為預接種混和罐體內的物料混和就可以達到菌種接種的目的，所以避免傳統的整體攪拌在混和物料時所需的大能耗，而且降低了整體攪拌帶來的新鮮物料與其余的發酵物料一起立即經由排料口離開主發酵罐體的風險以保證了新鮮物料有一定的發酵時間。此外，本發明可以進一步減少物料在預混和過程中的物料熱量損失，提高產氣速率。另外，根據本發明，因為所述預接種混和罐體的溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料口，所以可以避免如專利CN 101381674A中的大量發酵后物料的回送到主發酵罐體中所需要的能量損耗，還增加發酵罐的實際處理能力。
圖1為根據本發明的第一實施例的結構示意圖。圖2為根據本發明的第二實施例的截面示意圖，其中一個主發酵罐體上設置有多個預接種混和罐體。圖3為根據本發明的第三實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實例性的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。下面參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。下面參照附圖1-3描述使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備I。如圖中所示，使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備I包括:一個主發酵罐體B，具有限定主發酵空間的底部、頂部和側壁,所述主發酵罐體的底部設置有發酵后物料排出口 5，所述主發酵罐體的頂部設置有生物燃氣出口 3 ;至少一個預接種混和罐體A，所述預接種混和罐體A均與所述主發酵罐體B —體地設置在所述主發酵罐體的側壁上，所述預接種混和罐體A的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口 2，所述預接種混和罐體A的上部設置有物料的溢出口 4，所述溢出口 4同時作為所述主發酵罐體B的進料口。如圖2中所示，所述設備可以包括沿所述主發酵罐體B的側壁布置的多個所述預接種混和罐體A。進一步地，多個所述預接種混和罐體A可以圍繞所述主發酵罐體B的側壁等間隔布置。多個，例如2 10個(優選6個)，預接種混合罐體A均勻設置在主發酵罐體B外部的情況下，可以達到分 散進料、接種充分、均勻進料的目的。如圖3中所示，所述主發酵罐體B的底部設置有回流泵7，所述回流泵7經由連接到回流泵的出口的回流管路8將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體A內，有利地，泵送到預接種混和罐體A內的底部，以進行發酵液回流攪拌，從而加強對新鮮物料的接種效果。有利地，如圖1、3中所示，所述主發酵罐體B的底部形成為漸縮的錐形，所述發酵后物料排出口 5設置在所述錐形的下部。雖然沒有示出，所述預接種混和罐體A內部可以設置有使得新鮮物料與預接種混和罐體內部的已發酵物料混和的機械混和裝置。下面描述使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的方法，該方法包括如下步驟:(I)提供主發酵罐體以及與所述主發酵罐體一體設置的至少一個預接種混和罐體，所述預接種混和罐體的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口，所述預接種混和罐體的上部設置有物料的溢出口，所述溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料口，所述主發酵罐體的底部設置有回流泵，回流泵的出口設置回流管路；(2)利用所述回流泵經由所述回流管路將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體內；(3)從所述預接種混和罐體下部向所述預接種混和罐體內供給新鮮物料，所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料進行預接種混和；(4)接種后的物料經由所述溢出口溢流到所述主發酵罐體內進行厭氧發酵；(5)從主發酵罐體的底部排出發酵后的物料，以及在主發酵罐體的上部收集生物燃氣。在所述步驟⑴中，可以沿所述主發酵罐體B的側壁布置多個所述預接種混和罐體A。有利地，多個所述預接種混和罐體A圍繞所述主發酵罐體B的側壁等間隔布置。如圖1、3中所示，在所述步驟(I)中,所述預接種混和罐體A的設置溢出口 4的側壁可以同時作為所述主發酵罐體B的側壁。如圖3所示，所述主發酵罐體B的底部設置有回流泵7，回流泵7的出口設置回流管路8，所述方法還可包括步驟:利用所述回流泵7經由所述回流管路8將發酵液從主發酵罐體B的底部泵送到預接種混和罐體A內。依次方式，可以實現發酵液回流攪拌。在所述步驟(3)中，還可以利用機械混和裝置攪拌所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料。有利地，可以將加熱至50 60°C的生物燃氣由主發酵罐體的底部通入至主發酵罐體內。有利地，在所述步驟(3)中，在新鮮物料進入到所述預接種混和罐體內體積的十分之一至二分之一時，所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料進行預接種混和。在所述步驟(4)中，物料在發酵過程中在主發酵罐體內從上到下呈推流形式向主發酵罐體的底部移動。下面以實例的方式描述本發明的使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的方法。該方法包括如下步驟:進料步驟:秸桿和青草收集后切碎，并添加適量生活污水、廚余、污泥等其余有機垃圾。預接種混合步驟:將所述物料經由預接種混合罐體A的底部進料口 2連續泵入預接種混合罐體A內，當新鮮物料進入至厭氧預接種混合罐體A內體積的十分之一至二分之一時，啟動預接種混合罐體A中的混合裝置進行物料的混合，使得新鮮物料在預接種混合罐體A內可以與已發酵一定時間的物料均勻混合接種。預接種混合罐體A可均勻設置在厭氧反應罐體或主發酵罐體B外部，根據干式發酵物料的高干物質含量，預接種混合罐體A可設置2 10個，優選6個，達到分散進料、接種充分、均勻進料的目的。厭氧發酵步驟:接種后物料由預接種混合罐體A的溢出口 4溢流至主發酵罐體B的主體區域內進行厭 氧發酵，發酵過程中物料在主發酵罐體B內從上至下呈推流形式向主發酵罐體的底部移動。排料及沼液回流步驟:發酵后物料從消化罐或主發酵罐體B的底部出料口 5排出，沼氣經罐體上部排氣口 3收集。可根據情況，在主發酵罐體B內部底端設置回流泵7，將發酵液回流至各個預接種混合罐體A內，加強對物料的接種效果，同時達到對物料進行攪拌的目的。下面結合圖1及圖2對本發明的更具體的實施方案進行詳細描述。按秸桿干式厭氧發酵制造生物燃氣的技術性能設計使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備1，其包括6個預接種混和罐體A和I個主發酵罐體B。每個預接種混和罐體A具有4m3的有效容積，主發酵罐體B具有400m3有效容積，主發酵罐體B的罐身為圓柱型，底部呈向下圓錐形。在預接種混和罐體A的底部側外面設有新鮮物料進料口 2，在預接種混和罐體A的上部設有接種后物料溢流口 4，主發酵罐體B底部設有發酵后物料排出口 5，頂部設有生物燃氣出口 3。本生物燃氣工程資源量:玉米秸桿5.2t/d，青草、廚余及其他lt/d，生活污水5t/d，日處理廢棄物總量11.2t(TS2.8t/d，TS含量25% )，產氣量約為1000m3。本工程采用高溫發酵，將加熱至50 60°C的沼氣由罐體底部通入至厭氧發酵罐內的方式對罐內物料進行加熱保溫。具體作業操作過程如下:進料:將5.2噸秸桿和青草收集后將其切碎至I 2cm，并添加適量生活污水、廚余、污泥等其余有機垃圾。預接種混合:將所述新鮮物料經由預接種混和罐體A底部的進料口 2連續泵入預接種混和罐體A內。當新鮮物料進入至預接種混和罐體A內體積的三分之一時，啟動預接種混和罐體A中的機械混合裝置，使得新鮮物料在預接種混和罐體A內可以與已發酵一定時間的發酵物料均勻混合接種。厭氧發酵:接種后物料由預接種混和罐體A的溢出口 4溢流至主發酵罐體B內進行厭氧發酵，發酵過程中物料在主發酵罐體B內從上至下呈推流形式向主發酵罐體B底部移動。排料:發酵后物料從主發酵罐體B底部出料口 5排出，生物燃氣經由排氣口 3收集。下面結合圖3對本發明的更具體的實施方案進行詳細描述。本實施例的設備同圖1中相比，只是在主發酵罐體B的圓錐形底部設置一發酵液回流泵7及回流管道8。回流泵7及回流管道8在每噸具有較高的生物燃氣產量的新鮮有機物料，如玉米之類高能作物，進行發酵時使用，以加強對新鮮物料的接種效果，達到快速啟動高效制生物燃氣的目的。具體作業操作過程如下:進料:將5.2噸秸桿和青草，收集后將其切碎至I 2cm，并添加適量生活污水、廚余、污泥等其余有機垃圾。預接種混合:將所述新鮮物料經由厭氧發酵罐I的預接種混和罐體A底部的進料口 2連續泵入預接種混和罐體A內。當新鮮物料進入至預接種混和罐體A內體積的三分之一時，啟動預接種混和罐體A中的機械混合裝置進行物料的混合，使得新鮮物料在預接種混和罐體A內可以與已發酵一定時間的發酵物料均勻混合接種。厭氧發酵:接種后物料由`預接種混和罐體A的溢出口 4溢流至主發酵罐體B內進行厭氧發酵，發酵過程中物料在主發酵罐體B內從上至下呈推流形式向主發酵罐體B底部移動。排料及沼液回流:發酵后物料從主發酵罐體B出料口 5排出。在主發酵罐體B內部底端設置回流泵7，將發酵液經回流管路8回流至預接種混和罐體A內，加強對物料的接種效果，生物燃氣經由排氣口 3收集。本發明節省熱量計算:厭氧消化反應過程受溫度影響很大。本發明的主發酵罐體B在50 55°C溫度范圍內工作。為保證發酵過程在50°C條件下正常運行，需要對物料進行增溫。每天按加溫11.2t混合物料計算。根據當地冬季最冷月氣溫情況，物料溫度取5°C，假設物料比熱容和清水相當，考慮散熱(3°C )和增溫熱損失(30% )，上述物料增溫至53°C，則每天需要熱量:11.2 X 1000 X (53-5) /70 %= 7.68X 105kcal/d如果在罐體外設置混合攪拌裝置，則物料經過罐外混合攪拌裝置攪拌后溫度冬季至少下降至10°c，則平均每天增加的熱量損失至少為:11.2 X 1000 X (53—10) = 4.82 X 105kcal/d則根據本發明節省的熱量為罐體外設置混合攪拌裝置整體工藝熱耗的38.56%(4.82X 105kcal/d/(7.68X 105kcal/d+4.82X 105kcal/d) X % = 38.56% ) 盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行變化。本發明的適用范圍由所附權利要求及其 等同物限定。
權利要求
1.一種使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備，包括: 一個主發酵罐體,具有限定主發酵空間的底部、頂部和側壁,所述主發酵罐體的底部設置有發酵后物料排出口，所述主發酵罐體的頂部設置有生物燃氣出口， 其特征在于: 所述設備還包括至少一個預接種混和罐體，所述預接種混和罐體均與所述主發酵罐體一體地設置在所述主發酵罐體的側壁上，所述預接種混和罐體的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口，所述預接種混和罐體的上部設置有物料的溢出口，所述溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料口。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于: 所述預接種混和罐體圍繞所述主發酵罐體的側壁等間隔布置。
3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于: 所述預接種混和罐體的設置溢出口的側壁同時作為所述主發酵罐體的側壁。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的設備，其特征在于:所述預接種混和罐體內部設置有使得新鮮物料與預接種混和罐體內部的已發酵物料混和的機械混和裝置。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的設備，其特征在于: 所述主發酵罐體的底部設置有回流泵，所述回流泵經由連接到回流泵的出口的回流管路將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體內。
6.根據權利要求5所述的設備，其特征在于: 所述回流泵經由連接到回流泵的出口的回流管路將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體內的底部。
7.根據權利要求1-3中任一項所述的設備，其特征在于: 所述主發酵罐體的底部形成為漸縮的錐形，所述發酵后物料排出口設置在所述錐形的下部。
8.一種使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的方法，包括如下步驟: (1)提供主發酵罐體以及與所述主發酵罐體一體設置的至少一個預接種混和罐體，所述預接種混和罐體的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口，所述預接種混和罐體的上部設置有物料的溢出口，所述溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料口，所述主發酵罐體的底部設置有回流泵，回流泵的出口設置回流管路； (2)利用所述回流泵經由所述回流管路將發酵液從主發酵罐體的底部泵送到預接種混和罐體內； (3)從所述預接種混和罐體下部向所述預接種混和罐體內供給新鮮物料,所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料進行預接種混和； (4)接種后的物料經由所述溢出口溢流到所述主發酵罐體內進行厭氧發酵； (5)從主發酵罐體的底部排出發酵后的物料，以及在主發酵罐體的上部收集生物燃氣。
9.根據權利要求8所述的方法，其中: 所述預接種混和罐體圍繞所述主發酵罐體的側壁等間隔布置。
10.根據權利要求8所述的方法，其中: 在所述步驟(I)中，所述預接種混和罐體的設置溢出口的側壁同時作為所述主發酵罐體的側壁。
11.根據權利要求8所述的方法，其中: 在所述步驟(3)中，利用機械混和裝置攪拌所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料。
12.根據權利要求8所述的方法，其中: 在所述步驟(3)中，在新鮮物料進入到所述預接種混和罐體內體積的十分之一至二分之一時，所述新鮮物料與預接種混和罐體內的已發酵物料進行預接種混和。
13.根據權利要求8所述的方法，其中: 在所述步驟(4)中，物料在發酵過程中在主發酵罐體內從上到下呈推流形式向主發酵罐體的底部移動 。
全文摘要
本發明涉及一種使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的設備，包括一個主發酵罐體，所述主發酵罐體的底部設置有發酵后物料排出口，所述主發酵罐體的頂部設置有生物燃氣出口；至少一個預接種混和罐體，所述預接種混和罐體均與所述主發酵罐體一體地設置在所述主發酵罐體的側壁上，所述預接種混和罐體的下部設置有供給新鮮物料的新鮮物料進口，所述預接種混和罐體的上部設置有物料的溢出口，所述溢出口同時作為所述主發酵罐體的進料口。本發明還涉及一種使用干式厭氧發酵制造生物燃氣的方法。
文檔編號C12P5/02GK103173349SQ20111043917
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者李偉, 王麗梅 申請人:新奧科技發展有限公司