一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法制造方法及图纸

技术编号:15702297 阅读:191 留言:0更新日期:2017-06-25 18:47
本发明专利技术公开了一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法。其包括发酵罐、连续进出料系统、搅拌系统、温度控制系统、沼气输出和监测系统;还包括微好氧供给与监测系统和物料分区动态监测系统;微好氧供给与监测系统包括氧气输送管和氧浓度在线监测仪。本发明专利技术避免了两相或多相连续反应工艺中的“固液两相一体”反应器对物料水解酸化的抑制作用以及“分体两相”反应器对产甲烷菌活性的不利影响,使木质纤维素物料在同一发酵单元内实现水解酸化和甲烷化的既相互独立又紧密联系,具有占地面积小、进出料自动化操作性能高、容积产甲烷效率高、启动速度快、产气性能稳定等优点,在利用农业纤维质固体废弃物生产生物天然气领域具有广阔的应用前景。

High efficiency methane generating device and method for lignocellulose material

The invention discloses a high-efficiency methane producing device for lignocellulose material and a method thereof. It comprises a fermentation tank, continuous feeding system, mixing system, temperature control system, biogas output and monitoring system; also includes micro aerobic supply and monitoring system and material partition dynamic monitoring system; micro oxygen supply and monitoring system including oxygen delivery pipe and oxygen concentration monitor. The invention avoids the two-phase or multiphase continuous reaction in the process of the development of the solid-liquid two-phase reactor material on hydrolysis acidification and the inhibitory action of \two\ reactor on the methanogenic activity of the adverse effects of the lignocellulosic material in the same fermentation unit water solution acidification and methanogenesis are independent and close contact with small area, high performance, automatic operation and discharging volume production advantages of high efficiency, high starting speed of methane gas production, stable performance, and has broad application prospect in the production of bio gas agricultural fiber solid waste field.

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法
本专利技术涉及一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法。
技术介绍
我国木质纤维素资源极其丰富,但目前还远未达到高效利用的水平,如秸秆焚烧和粪污排放带来的一系列环境污染问题仍广泛存在。在我国雾霾天气日益严重和天然气供需缺口不断扩大的情况下,开发生物天然气(甲烷含量>95%的沼气)对于缓解清洁能源短缺、减排除霾和实现经济转型发展意义重大。资源量丰富的天然木质纤维素是生产生物天然气的重要原料,但与国外专用生产清洁能源的木质纤维素原料相比,我国农作物秸秆、林业废弃物等原料具有干物质含量高(>70%)、木质纤维素含量高(>75%)等特性,在实际产甲烷工程中现有的装置均不同程度存在物料转化利用效率低(<30%)和容积产甲烷效率低(<1.0m3/m3/d)的问题,而且大量沼液的排放会带来二次污染,针对我国木质纤维素原料目前还缺乏一种容积产甲烷效率高、沼液量排放少、能耗和成本低、便于操作的高效产甲烷装置。木质纤维素物料厌氧产甲烷是一个由多种代谢功能不同的微生物群协同作用的生化过程,包括水解阶段、产酸阶段、乙酸化阶段和产甲烷阶段,这四个阶段是一个相对独立又紧密联系的有机整体,其中水解、酸化阶段是木质纤维素物料产甲烷的限速步骤。目前已经报道或申请专利的木质纤维素原料产甲烷装置主要包括批次反应器、单相连续反应器、两相或多相连续反应器,但各自均有较明显的缺点,限制了该工艺的产业化、规模化、高效化推广应用。(1)批次反应器。优点:操作简单,启动速度快,成本低,处理物料的含固率最高可达50%,运行模式为“好氧预处理—厌氧发酵产甲烷—好氧堆肥”;缺点:全进全出的间歇式进出料工艺难以实现连续性进出料,不便于自动化操作和控制,产气量和甲烷含量波动较大,效能低,能量损失严重。例如我国研制的“覆膜槽生物反应器”和德国的车库式干发酵反应器。(2)单相连续反应器。优点:能实现物料的连续进出料,便于自动化操作和控制;在搅拌的作用下,能实现物料与活性污泥的充分混合,沼气产量和甲烷含量较稳定。缺点:有机负荷承载能力小,容积甲烷产率低;适宜低含固率(TS<10%)物料,沼液排放量大,二次污染严重;如用秸秆作为主要发酵原料,易在反应器上部形成结渣层,进而影响发酵效率和沼气的正常输出。目前我国大部分大型养殖场采用这种工艺处理禽畜粪便。(3)两相或多相连续反应器。优点:根据有机物厌氧发酵过程的产甲烷原理,将水解、酸化、乙酸化和甲烷化等多个生化反应独立分别在不同操作单元进行,并可根据每个阶段生化反应特点分别进行发酵条件优化,适宜处理物料含固率较高(TS>20%)、水解速度较快的餐厨垃圾和禽畜粪便,产气效率高,反应过程易调控。缺点:占地面积大,能耗高,装置结构复杂且制造成本高,操作复杂。例如上流式厌氧固态反应器(upflowanaerobicsolid-statereactor,UASS)和厌氧渗滤床反应器。总体而言,针对农作物秸秆、禽畜粪便等木质纤维素含量较高的物料,低含固率(lowtotalsolidcontent,TS<10%)物料发酵工艺存在结渣严重、有机负荷和容积产气率低、沼液排放量大以及能耗高等一系列缺点,而高含固率(hightotalsolidcontent,TS≥10%)物料发酵工艺不仅能解决上述问题,而且发酵出料经简单处理后可作为堆肥原料或直接作为优质肥料使用,基本上能达到“零排放”效果。近年来,现有针对高含固率木质纤维素物料的发酵装置,无法实现机械搅拌和连续进出料,存在启动速度慢、固体滞留时间长、发酵性能不稳定、自动化操作性能低等一系列问题,不适宜产业化、规模化的推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法,所述装置具有占地面积小、进出料自动化操作性能高、容积产甲烷效率高、启动速度快、产气性能稳定等优点。本专利技术所提供的木质纤维素物料高效产甲烷装置,包括发酵罐、连续进出料系统、搅拌系统、温度控制系统、沼气输出和监测系统;所述产甲烷装置还包括微好氧供给与监测系统以及物料分区动态监测系统;所述微好氧供给与监测系统包括氧气输送管和氧浓度在线监测仪;所述氧气输送管从所述发酵罐的顶部延伸至其内部,其游离端上设有若干通孔,且为水平设置;所述氧浓度在线监测仪包括探杆和设于其两端的显示器和探头,所述探杆从所述发酵罐的顶部延伸至其内部,所述探头和所述显示器分别设于所述发酵罐的内部和外部;所述物料分区动态监测系统包括设于所述发酵罐的罐体侧壁上的pH监测仪A、pH监测仪B、pH监测仪C和透视窗口,所述pH监测仪A、pH监测仪B和pH监测仪C依次设于所述发酵罐的罐体侧壁的上部、中部和下部;所述透视窗口设于所述发酵罐的罐体侧壁的中部。所述木质纤维素物料高效产甲烷装置中,所述发酵罐优选为圆柱体形;所述发酵罐的高径比优选为3:1,根据实际需求,所述发酵罐的容积可在0.05m3~300m3范围内任意设定,其顶空容积优选为所述发酵罐容积的1/8。所述木质纤维素物料高效产甲烷装置中,所述连续进出料系统可采用上部开放式进料、下部螺旋式出料的方式;进料口设于所述发酵罐的顶部上,运行期间均用盲板密封;所述进料口的直径优选为所述发酵罐罐体直径的1/5。进料时,根据规模和实际需求,将木质纤维素物料从所述进料口直接投入或用输送带自动投入所述发酵罐内。出料口包括长臂螺旋输出管、出料通道和出料电机,在所述出料电机的带动下,由所述螺旋输出管内的螺旋装置将出料自动输送至所述出料通道,然后出料在重力作用下送至位于地面上的出料池内;所述出料电机的转速由变频器控制,进而调控出料速度;电机转动方向为逆时针。所述螺旋输出管和所述出料通道的直径最低不能小于150mm,最高不能大于所述发酵罐罐体直径的1/5,所述螺旋输出管的入口端位于所述发酵罐的下部,具体可为罐体高度的1/6处,且内的螺旋装置设定于所述发酵罐的罐体直径的1/6处;所述出料通道安装在所述螺旋输出管上的高度与所述发酵罐内物料料面高度持平。所述木质纤维素物料高效产甲烷装置中,所述搅拌系统采用顶式螺旋搅拌,包括搅拌电机、螺旋搅拌器和搅拌自动控制器;所述螺旋搅拌器包括纵向螺旋体和横向弯曲搅拌叶片,所述纵向螺旋体的长度不低于所述发酵罐的罐体高度的90%,所述横向弯曲搅拌叶片与所述发酵罐的罐体内壁应保持10~15cm的间隙。所述纵向螺旋体的上部(具体位置应低于发酵料面10~15cm)设有两个对称的横向弯曲叶片,且所述纵向螺旋体上部和下部设置的横向弯曲搅拌叶片的数量多于中部,下部的所述横向弯曲搅拌叶片在转动时不能与所述螺旋输出管内的螺旋装置产生摩擦。所述搅拌电机的搅拌频率由变频器和时间继电器控制,其转动方向为顺时针。所述木质纤维素物料高效产甲烷装置中,所述温度控制系统包括设于所述发酵罐的罐体外的加热套层,其厚度为所述发酵罐的罐体直径的1/10~1/8,所述发酵罐内和所述加热套层内均设有温控探头;所述发酵罐的底部设有加热器。在所述产甲烷装置运行之前,先从所述加热套层的注水口注入蒸馏水,待所述加热套层中注满水后,启动所述加热器至所述发酵罐内部温度保持在37±1℃时,用盲板密封所述注水口。所述温控探头均外连温度控制仪,以保证发酵物料的温度恒定。所述木质纤维素物料高效产甲烷装置中,所述本文档来自技高网
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一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法

【技术保护点】
一种木质纤维素物料产甲烷装置,包括发酵罐、连续进出料系统、搅拌系统、温度控制系统、沼气输出和监测系统;其特征在于:所述产甲烷装置还包括微好氧供给与监测系统和物料分区动态监测系统;所述微好氧供给与监测系统包括氧气输送管和氧浓度在线监测仪;所述氧气输送管从所述发酵罐的顶部延伸至其内部,其游离端上设有若干通孔,且为水平设置;所述氧浓度在线监测仪包括探杆和设于其两端的显示器和探头,所述探杆从所述发酵罐的顶部延伸至其内部,所述探头和所述显示器分别设于所述发酵罐的内部和外部;所述物料分区动态监测系统包括设于所述发酵罐的罐体侧壁上的pH监测仪A、pH监测仪B、pH监测仪C和透视窗口,所述pH监测仪A、pH监测仪B和pH监测仪C依次设于所述发酵罐的罐体侧壁的上部、中部和下部;所述透视窗口设于所述发酵罐的罐体侧壁的中部。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素物料产甲烷装置,包括发酵罐、连续进出料系统、搅拌系统、温度控制系统、沼气输出和监测系统;其特征在于:所述产甲烷装置还包括微好氧供给与监测系统和物料分区动态监测系统;所述微好氧供给与监测系统包括氧气输送管和氧浓度在线监测仪;所述氧气输送管从所述发酵罐的顶部延伸至其内部,其游离端上设有若干通孔,且为水平设置;所述氧浓度在线监测仪包括探杆和设于其两端的显示器和探头,所述探杆从所述发酵罐的顶部延伸至其内部,所述探头和所述显示器分别设于所述发酵罐的内部和外部;所述物料分区动态监测系统包括设于所述发酵罐的罐体侧壁上的pH监测仪A、pH监测仪B、pH监测仪C和透视窗口,所述pH监测仪A、pH监测仪B和pH监测仪C依次设于所述发酵罐的罐体侧壁的上部、中部和下部;所述透视窗口设于所述发酵罐的罐体侧壁的中部。2.根据权利要求1所述的木质纤维素物料高效产甲烷装置,其特征在于:所述氧气输送管上设有氧气流量计;所述通孔为均匀布置。3.根据权利要求1或2所述的木质纤维素物料高效产甲烷装置,其特征在于:所述pH监测仪A设于所述发酵罐内的发酵料面与其底部的距离的1/5~2/5处;所述pH监测仪B设于所述发酵罐内的发酵料面与其底部的距离的1/2~3/4处;所述pH监测仪C设于所述发酵罐内的发酵料面与其底部的距离的4/5~6/7处。4.根据权利要求1-3中任一项所述的木质纤维素物料高效产甲烷装置,其特征在于:所述透视窗口沿所述发酵罐的轴向方向的长度为所述发酵罐的罐体高度的3/5~3/4,所述透视窗口沿所述发酵罐的周向方向的宽度为所述发酵罐的罐体直径的1/7~1/5。5.根据权利要求1-4中任一项所述的木质纤维素物料高效产甲烷装置,其特征在于:所述连续进出料系统包括设于所述发酵罐的顶部的进料口和设于所述发酵罐的罐体侧壁上的出料口;所述出料口采用螺旋出料的方式;所述搅拌系统包括螺旋搅拌器,所述螺旋搅拌器包括纵向螺旋体和横向弯曲搅拌叶片,所述纵向螺旋体的长度不低于所述发酵罐的罐体高度的90%,所述横向弯曲搅拌叶片与所述发酵罐的罐体侧壁之间的间距为10~15cm。6.一种木质纤维素物料产甲烷的方法,包括如下步骤:(1)厌氧活性污泥和新鲜的畜禽粪进行厌氧发酵;(2)所述厌氧发酵结束后,加入主料和/或辅料,并在间歇式通氧的条件下进行微好氧水解,并每天进行一次进料和一次出料;监测发酵装置内内的氧浓度为0.05~0.10mg/L;所述主料和/或辅料的C/N比为25~35;所述主料为农作物秸秆、枯枝落叶和/...

【专利技术属性】
技术研发人员:马旭光江滔金健莉唐琼
申请(专利权)人:乐山师范学院
类型:发明
国别省市:四川,51

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