CN106906127B - 一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，包括囊式蓄能器、进料粉碎机、密封的产甲烷室、洗气室和位于产甲烷室内的产酸室；所述产酸室内、上部设置有三相分离器。本发明将产酸相与产甲烷相、进料装置、回流曝气搅拌装置、集气与洗气装置一体化；三相分离器可利用气液固三相的运动速率不同来分离反应器中的混合物质；囊式蓄能器主要用来平衡装置内部的气压，回流曝气装置设置在产酸相底部和产甲烷相底部，利用气体上升从而搅拌装置中的物质，从而达到强化混合的目的，另外曝气弯头朝下以防止污泥堵塞曝气弯管；温差发电装置设置在产甲烷相的外壁，将厌氧发酵装置与外界大气之间的温差转化为电能，储存在蓄电池中。

Description

一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置

技术领域

本发明涉及材料、能源再利用领域，尤其涉及一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置。

背景技术

一、餐厨垃圾厌氧发酵装置的发展现状

1、几种典型沼气池

（1）旋动式沼气池

旋动式沼气池将菌种回流、破壳与清渣、微生物富集与增值、两步发酵工艺、太阳能增温、消除发酵盲区和防止料液“短路”等技术优化后组装配套，利用厌氧消化产气的动力，实现了系统的高效运行。

（2）水压式底层出料沼气池

水压式底层出料沼气采用圆柱型池型结构，配有进料间、出料间（水压间）、输气管等。沼气池池底由中心向出料间倾斜，倾斜最低点——沼气池内部最低点在出料间底部最高点，由发酵发酵液的重力形成的流动推力。

（3）强制回流水式沼气池

强制回流沼气池是采用人力、机械力或其它作用力，对沼气池发酵液进行强制回流。其主要采用的方法有 3种：其一，利用手动回流搅拌装置，使料液具有动能而实现内部回流搅拌；其二，在出料间内设置潜污泵，把发酵料液泵回发酵间；其三，采用沼气气动搅拌装置进行搅拌，实现沼气池内发酵原料自动搅拌。

（4）上流式分离浮罩式沼气池

上流式分离浮罩式沼气池将发酵池与贮气浮罩一体建造，采用一般水压式沼气池池体结构，在沼气池上建设浮罩。该种沼气池可以满装料发酵，随着浮罩内气压的变化，沼气浮罩上下移动，可把发酵液面的大部分浮渣压入发酵液，使发酵原料更好的发酵产气。

2、几种常见的厌氧消化器

沼气工程最关键的设计内容，是针对所处理原料的特性和工程的处理目标选择合适的厌氧消化器。工程的设计者和运行者都设法采用不同的厌氧消化工艺，延长固体污泥滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），这是提高沼气工程产气率和科技水平的关键。

（1）常规型消化器

常规型厌氧消化器，完全混合厌氧消化器（CSTR），塞流式厌氧消化器这3种常规型厌氧消化器，其主要特征是发酵液中的液体、固体和微生物均匀混合在一起，出水的同时，固体和微生物一起被淘汰，即HRT=SRT=MRT。

（2）污泥滞留型消化器

①厌氧接触消化器

该消化器是CSTR消化器的改进，其回流量达50%以上，适于处理悬浮物和有机物浓度较高的有机废水；

②升流式厌氧污泥床消化器（UASB）

消化器上部是由三相分离器和溢流堰共同组成的沉淀区，集污泥沉降和回流功能于一体。该消化器被广泛用于SS≤2000mg/L的废水处理工程上；

折流式厌氧消化器（BFR）

该消化器内加上下挡板或左右倾斜挡板（墙），发酵料液由一端进池，经上下或左右折流后，流出终端。该消化器具有较长的固体滞留期和生物滞留期，适用于处理高SS含量的有机废水；

二、本装置的发展前景展望

社会经济持续发展离不开能源，能源是推动社会发展的动力，同时能源也是人类赖以生存的基本条件，它直接关系到人类社会的可持续发展。同时，餐厨垃圾作为有机固体废弃物中的重要组成部分，每年的产量已经超过人类与环境所能承受的范围。

我国的餐厨垃圾主要用于饲料化和堆肥，饲料化的餐厨垃圾占80%左右，部分餐厨垃圾被非法作坊收取回收地沟油，这些处理方法也带来了一些社会问题。餐厨垃圾垃圾饲料化缩短了食物链，容易导致一些疾病的传染，因此各省已逐渐颁发禁令禁止餐厨垃圾饲料化，并且加强了对餐饮业个体工商户的监管力度。虽然目前我国的餐厨垃圾未被合理利用，但餐厨垃圾却具有广阔的资源化前景，若在各大餐馆内设置相应型号的餐厨垃圾厌氧消化装置，将餐厨垃圾低能耗高效率地资源化利用，产生的大量沼气能源将会给我国带来巨大的经济效益。

研制新型一体化两相厌氧发酵装置，将固体废弃物餐厨垃圾进行厌氧发酵，反应产生的沼气可进行再利用，产生的沼渣可作为家畜饲料、作物肥料等，且相较于其他的处理方式，厌氧发酵技术能耗低，节约能源和成本，为能源的产生提供一条符合可持续发展的新途径。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提供一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置。

本发明的具体技术方案如下：

一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，包括囊式蓄能器、进料粉碎机、密封的产甲烷室、洗气室和位于产甲烷室内的产酸室；所述产酸室内、上部设置有三相分离器；所述产酸室内、三相分离器下方设置有廊道；所述产酸室底板上设置有与产甲烷室相通的通孔；所述产甲烷室内壁上部设置有溢流堰；所述囊式蓄能器通过集气管分别与产甲烷室、洗气室连通；所述三相分离器上设置有与集气管连通的产酸相排气管；所述产酸室内、底部设置有接产酸相曝气管；所述产甲烷室内、底部设置有接产甲烷相曝气管；所述产酸相排气管和接产酸相曝气管均与囊式蓄能器连通；进料粉碎机通过进料管与产酸室连通；所述产酸室外壁上缠绕的设置有热媒盘管，产甲烷室侧壁上设置有与热媒盘管连通的热媒蒸汽入口和热媒蒸汽出口；所述洗气室下部设置有出水管，顶部设置有进水管和出气管；所述产甲烷室下部设置有放空管，上部设置有出流管，所述出流管位于溢流堰上方；所述产甲烷室外侧底部设置有半导体；所述与囊式蓄能器连通的每个管道上均设置有控制气体流通的气体阀门；所述进料管上设置控制进料的进料阀门。

作为优选项：所述产甲烷室和产酸室的体积比大于8:1。

作为优选项：所述产酸室的顶端与产甲烷室顶部密封连接；所述三相分离器与产甲烷室顶部固定连接，悬挂在产酸室内。

作为优选项：所述集气管与产甲烷室连通的管口位于溢流堰上方；所述集气管与洗气室连通的管口位于洗气室底部。

作为优选项：所述产甲烷室底部材料为铜；所述半导体通过线路与储电装置连接。

作为优选项：所述半导体下方设置有散热片。

作为优选项：所述产酸室为圆筒漏斗状，所述溢流堰的高度与圆筒漏斗中圆筒底端的高度一致。

作为优选项：所述囊式蓄能器位于产甲烷室和洗气室上方。

本厌氧消化装置实现了粉碎进料、主体反应、洗气排气的一体化。餐厨垃圾经过粉碎后，直接进入到产酸相装置中，进行产酸发酵阶段，之后进入产甲烷相装置进行产甲烷反应，产酸阶段与产甲烷阶段两相分离，避免了厌氧发酵装置中容易出现酸积累的情况。

装置内反应生成的沼气，一部分重新回流到装置中进行曝气，使装置中的物质均匀混合，提高底物利用率，另一部分进行纯化收集和再利用。

本装置将半导体片贴在产甲烷相底部，一侧接触室温空气，另一侧与产甲烷室接触，利用装置内部与外界环境的温差进行发电，反应装置内外温差达40℃左右，温差可观，产生的电能可供应蓄电池或手机等充电使用，将废弃能量加以利用，实现能源的节约。

本装置的主要特点：

1、实现了粉碎进料装置、主体反应装置、洗气排气装置的一体化；2、将反应产生的气体通回反应装置中进行曝气搅拌，解决了传统的电机搅拌易腐蚀损坏的问题；3、利用装置内部与外界环境的温度进行温差发电，将产生的电能用蓄电池储存起来；4、产酸相设置在产甲烷相的上部，产甲烷室与产酸室体积比大于8:1，实现产酸相与产甲烷相两相分离；5、设置囊式蓄能器来平衡装置内外气压不平衡，保证装置中的压力稳定。

与现有技术相比，本专利的有益效果在于：本发明专利设置一体化两相厌氧发酵装置，可以将产酸相与产甲烷相、进料装置、回流曝气搅拌装置、集气与洗气装置一体化；三相分离装置可利用气液固三相的运动速率不同来分离反应器中的混合物质；囊式蓄能器设置在集气管的上部，主要用来平衡装置内部的气压，使装置内部的压力稳定；回流曝气装置设置在产酸相底部和产甲烷相底部，利用气体上升从而搅拌装置中的物质，从而达到强化混合的目的，另外曝气弯头朝下以防止污泥堵塞曝气弯管；温差发电装置设置在产甲烷相的底部，将厌氧发酵装置与外界大气之间的温差转化为电能，储存在蓄电池中。

附图说明

图1为本发明纵向的剖视图；

图2为本发明俯视图；

图3为本发明产甲烷室仰视图；

图4为现有技术常规型厌氧消化器的示意图；

图5为现有技术完全混合厌氧消化器的示意图；

图6为现有技术塞流式厌氧消化器的示意图；

图7为现有技术厌氧接触消化器的示意图；

图8为现有技术升流式厌氧污泥床消化器的示意图；

图9为现有技术折流式厌氧消化器的示意图；

其中：1、囊式蓄能器，2、产酸相排气管，3、进料管，4、进料粉碎机，5、集气管，6、进水管，7、出气管，8、出流管，9、热媒蒸汽出口，10、热媒蒸汽进口，11、接产酸相曝气管，12、接产甲烷相曝气管，13、放空管，14、洗气室，15、出水管，16、溢流堰，17、三相分离器，18、廊道，19、产酸室，20、产甲烷室，21、热媒盘管，半导体22，气体阀门23，进料阀门24。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，包括囊式蓄能器1、进料粉碎机4、密封的产甲烷室20、洗气室14和位于产甲烷室20内的产酸室19；所述产酸室19内、上部设置有三相分离器17；所述产酸室19内、三相分离器17下方设置有廊道18；所述产酸室19底板上设置有与产甲烷室20相通的通孔；所述产甲烷室20内壁上部设置有溢流堰16；所述囊式蓄能器1通过集气管5分别与产甲烷室20、洗气室14连通；所述三相分离器17上设置有与集气管5连通的产酸相排气管5；所述产酸室19内、底部设置有接产酸相曝气管11；所述产甲烷室20内、底部设置有接产甲烷相曝气管12；所述产酸相排气管5和接产酸相曝气管11均与囊式蓄能器1连通；进料粉碎机4通过进料管3与产酸室19连通；所述产酸室19外壁上缠绕的设置有热媒盘管21，产甲烷室20侧壁上设置有与热媒盘管连通的热媒蒸汽入口10和热媒蒸汽出口9；所述洗气室14下部设置有出水管15，顶部设置有进水管6和出气管7；所述产甲烷室20下部设置有放空管13，上部设置有出流管8，所述出流管8位于溢流堰16上方；所述产甲烷室20外侧底部设置有半导体22；所述与囊式蓄能器1连通的每个管道上均设置有控制气体流通的气体阀门23；所述进料管3上设置控制进料的进料阀门24。

所述产甲烷室20和产酸室19的体积比大于8:1。

所述产酸室19的顶端与产甲烷室20顶部密封连接；所述三相分离器17与产甲烷室20顶部固定连接，悬挂在产酸室19内。

所述集气管5与产甲烷室20连通的管口位于溢流堰16上方；所述集气管5与洗气室14连通的管口位于洗气室14底部。

所述产甲烷室20底部材料为铜；所述半导体22通过线路与储电装置连接。

所述半导体22下方设置有散热片。

所述产酸室19为圆筒漏斗状，所述溢流堰16的高度与圆筒漏斗中圆筒底端的高度一致。

所述囊式蓄能器1位于产甲烷室20和洗气室14上方。

使用时，洗气室14内充有碳酸钠溶液。

为了增加产酸室19在产甲烷室20内的稳定性，可在悬挂的产酸室下方设置支撑架，避免产酸室19单纯通过顶部与产甲烷室20密封连接。

所述囊式蓄能器1的开口处、囊式蓄能器1分别与产甲烷室、洗气室、曝气管连接的管道上分别均设置有气体阀门23；进料管3可设置有2个以上进料分管，均匀的与产酸室19连通，每个进料分管上设置有进料阀门24。

所述产酸室19设于产甲烷室20内，所述产酸室排气管2、进料管3、集气管5均在装置顶部开孔且错开布置，所述集气管5分别产甲烷室20上部的集气室、与囊式蓄能器1、与洗气室14连通，与洗气室连通端伸入所述洗气室14底部，所述出流管8位于溢流堰16上方，与溢流堰16连通，当液体溢过溢流堰16时，打开出流管8放出溢出的液体。

本发明专利进料部分主要由餐厨垃圾的粉碎装置4和进料管3以及阀门等附件构成。将一定量的餐厨垃圾机械粉碎后，以螺旋推进的形式将粉碎的餐厨垃圾通过进料口输送到产酸相的反应装置中，并且粉碎餐厨垃圾的存在可以确保装置与外界大气隔绝，保证装置内厌氧发酵过程。

本发明专利反应器主体部分为一体化两相套筒式设计，产酸室19套在产甲烷室内，两室公用一个顶部，所述三相分离器17设于产酸室19内，与装置顶部相连，所述廊道18安装于产酸室19内部，所述接产酸相曝气管11、接产甲烷相曝气管12分别设于产酸室和产甲烷室内，所述进水管6设于洗气室14顶部，所述出水管15设于洗气室底部，所述放空管13设于产甲烷相外壁底部；产酸室19与产甲烷室20绝大部分相互隔离又在一定程度上相互连通，有利于控制产酸菌与产甲烷菌各自所需不同的最佳生理条件，进而提高有机物水解发酵率与产气率。

通过进料粉碎机（4），使餐厨垃圾粉碎并通过进料部分，从两侧直接进入产酸室，产酸室内部设置廊道18和三相分离器17，廊道（可拆卸）的设置可防止餐厨垃圾在产酸相装置中出现短流现象，以保证餐厨垃圾与底泥中细菌充分反应；在产甲烷室中，产酸室外壁和溢流堰16外壁形成三相分离器，使装置中的固液气三相达到分离。

产甲烷室和产酸室中反应所产生的气体，通过集气管5，进入洗气室14中，洗气室中的甲烷气体则通过出气管7与甲烷利用装置进行利用；洗气室更换洗气溶液时，则通过进水管6进入，出水管15排出。

本发明专利利用囊式蓄能器1可实现气体的回流搅拌，克服了机械搅拌高能耗易损坏的缺点；装置正常启动后，关闭其他所有阀门，开启囊式蓄能器的自身总阀门，使装置内的气压不断增大，囊式蓄能器里的气压与装置内相同，均较大，关闭囊式蓄能器的自身总阀门，开启洗气阀门，使装置内气体排出，装置内气压降低，再开启囊式蓄能器的自身阀门，由于蓄能器内气压大于装置内气压，所以可以实现气体回流搅拌，气体通过接产酸相曝气管11和接产甲烷相曝气管12进入装置内，必要时可以挤压蓄能器加大压力。

本发明专利设置囊式蓄能器1用来平衡气压，由于各项生物化学反应，装置内部有大量气体生成，若集气管未能及时将产甲烷相气体完全收集，则会造成装置内外气压不平衡，此时，可通过囊式蓄能器的调节作用维持气压平衡，尤其可用来克服进料时装置内外的压强差，使加料顺畅。

本发明专利在产甲烷相内部由溢流堰16和产酸相外壁构成三相分离器的主体部分，作用是使装置中的消化气、消化液和污泥颗粒达到更好的分离效果。

本发明专利的温度控制，在产酸相外侧设置热媒盘管，初期时，在盘管中通入热媒蒸汽保证反应所需温度，正常启动后，由于厌氧发酵本身会释放热量，维持反应所需温度，因此热媒盘管中只需在装置温度低于设定温度时，通蒸汽进行加热，热媒蒸汽由热媒蒸汽入口10通入，再从由热媒蒸汽出口9排出。

本发明专利的温差发电部分在温度控制的基础上实现了对装置的进一步利用，将半导体片贴在产甲烷相外壁底部，一侧接触室温空气，另一侧与产甲烷室接触，产甲烷室底部材料为导热材料铜，可将产甲烷室的温度传给半导体，利用装置内环境和外界环境温差进行发电，反应装置保持高温55℃，温差可观，半导体产生的电能通过线路储存在储电装置中，可供应蓄电池或手机等充电使用，实现热能的重复利用。

半导体片底下放置散热片进行散热。

本发明专利在采用上述结构后，其优点在于：本发明专利实现了装置的一体化；解决了传统的电机搅拌易腐蚀损坏、维修困难的问题；在三相分离器上开设连通孔，一定程度上解决了短流问题；利用厌氧发酵过程中设备内外温差进行自主发电，提高了能源利用率；设置囊式蓄能器保证了装置中的压力稳定。具有工艺流程简单，自动化程度高，控制管理方便，能源利用效率高等优点。

尽管本说明书较多地使用了 1、囊式蓄能器，2、产酸相排气管，3、进料管，4、进料粉碎机，5、集气管，6、进水管，7、出气管，8、出流管，9、热媒蒸汽出口，10、热媒蒸汽进口，11、接产酸相曝气管，12、接产甲烷相曝气管，13、放空管，14、洗气室，15、出水管，16、溢流堰，17、三相分离器，18、廊道，19、产酸室，20、产甲烷室，21、热媒盘管，半导体22，气体阀门23，进料阀门24等术语，但并不排除 使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，其特征在于：包括囊式蓄能器(1)、进料粉碎机(4)、密封的产甲烷室(20)、洗气室(14)和位于产甲烷室(20)内的产酸室(19)；所述产酸室(19)内、上部设置有三相分离器(17)；所述产酸室(19)内、三相分离器(17)下方设置有廊道(18)；所述产酸室(19)底板上设置有与产甲烷室(20)相通的通孔；所述产甲烷室(20)内壁上部设置有溢流堰(16)；所述囊式蓄能器(1)通过集气管(5)分别与产甲烷室(20)、洗气室(14)连通；所述三相分离器(17)上设置有与集气管(5)连通的产酸相排气管(2)；所述产酸室(19)内、底部设置有接产酸相曝气管(11)；所述产甲烷室(20)内、底部设置有接产甲烷相曝气管(12)；所述产酸相排气管(2)和接产酸相曝气管(11)均与囊式蓄能器(1)连通；进料粉碎机(4)通过进料管(3)与产酸室(19)连通；所述产酸室(19)外壁上缠绕的设置有热媒盘管(21)，产甲烷室(20)侧壁上设置有与热媒盘管连通的热媒蒸汽进口(10)和热媒蒸汽出口(9)；所述洗气室(14)下部设置有出水管(15)，顶部设置有进水管(6)和出气管(7)；所述产甲烷室(20)下部设置有放空管(13)，上部设置有出流管(8)，所述出流管(8)位于溢流堰(16)上方；所述产甲烷室(20)外侧底部设置有半导体(22)；所述与囊式蓄能器(1)连通的每个管道上均设置有控制气体流通的气体阀门(23)；所述进料管(3)上设置控制进料的进料阀门(24)；所述产酸室(19)的顶端与产甲烷室(20)顶部密封连接；所述三相分离器(17)与产甲烷室(20)顶部固定连接，悬挂在产酸室(19)内；所述集气管(5)与产甲烷室(20)连通的管口位于溢流堰(16)上方；所述集气管(5)与洗气室(14)连通的管口位于洗气室(14)底部。

2.如权利要求1所述的可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述产甲烷室(20)和产酸室(19)的体积比大于8:1。

3.如权利要求1所述的可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述产甲烷室(20)底部材料为铜；所述半导体(22)通过线路与储电装置连接。

4.如权利要求1所述的可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述半导体(22)下方设置有散热片。

5.如权利要求1所述的可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述产酸室(19)为圆筒漏斗状，所述溢流堰(16)的高度与圆筒漏斗中圆筒底端的高度一致。

6.如权利要求1所述的可自主发电的产气净化一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述囊式蓄能器(1)位于产甲烷室(20)和洗气室(14)上方。

Images