一种多维扫频超声波生物质资源化装置及工艺的制作方法

本发明涉及一种生物质资源化处理领域，具体涉及一种多维扫频超声波生物质资源化装置及工艺。

背景技术：

我国地缘辽阔，生物质资源丰富，化石能源的大规模开发利用带来的能源短缺与环境恶化问题日益加剧，保护环境和可持续发展成为能源技术发展的指导思想，可再生能源的开发和利用逐渐成为人们关注的焦点，生物质能源利用技术成为近年来可再生能源发展最迅速的项目之一。

生物质的转化主要采用热化学和生物学技术，生物质能源可以转化为固态、液态和气态等多种多样的能源产品。生物质资源主要分为动物废弃物和植物废弃物等。

对于秸秆类植物废弃物而言，除少量被用作饲料外，大部分被废弃或焚烧，不仅浪费资源，也污染了环境。用化学等方法从生物质中获取可再生能源的研究，能有效的利用纤维素和半纤维素，从而降低转化成本。其中，纤维素的结晶度、有效接触面积、木质素的阻碍和半纤维素对纤维素的笼罩程度均对生物质酶解造成影响。天然纤维素原料直接进行水解时水解程度很低，因此必须对其进行一定的预处理以改变结构，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，降低结晶度，增加原料的疏松性，使酶水解或化学水解容易进行。

对于动物类生物质，病死动物尸体是动物疫病的传染源，如果对其不进行处理或者处理不当，将会导致某种动物疫病的暴发和流行，严重影响畜牧业生产的健康发展和社会公共卫生安全。目前，动物尸体的无害化处理方法主要包括焚烧法、掩埋法、碱解法和发酵法。但这些单一的方法都有不足之处，限制了对病死畜禽的资源化利用。如焚化法使用的焚烧炉投资、维护和监测费用以及运输成本较高且不利于疾病控制；掩埋法会把细菌和病毒通过土壤、地下水以及昆虫等四处传播，并不能从根本上消灭病原体，极易污染水源，不能回收副产品，影响土地价值。碱解法处理成本高，污水问题严重，COB/BOD严重超标，发酵法受到天气、场地、人工等诸多因素的限制，耗时过长。

目前，制约生物质能源转化的主要因素在于生物质的难降解性和能效低的问题。现有的利用生物质转化能源大多采用机械粉碎，化学处理和生物处理等单一预处理方式；超声波作为一种常见的物理振动形式，是一种频率高于20kHz的声波，其方向性好且穿透能力强。在预处理过程中不仅能促进特定生物质降解酶的活性，而且其特定的空化效应对于细胞组织有极强的破坏性，极利于生物质的组织分解和大分子的降解。

现有超声波处理方式采用单频单向的超声波发生装置对特定靶物进行处理反应，然而超声波具有明显的方向性特点，而且对于不同的靶物不同的波频率会产生不同的处理效果。由于生物质类靶物材料种类繁多，特性差别也比较大，因此目前利用超声波针对生物质进行超声波处理受到很大的局限，无法取得满意的效果。

技术实现要素：

本发明提出了一种多维扫频超声波生物质资源化装置和工艺，本发明提供的技术方案如下：

一种多维扫频超声波生物质资源化装置，该资源化装置包括破碎装置、控制电柜、多维扫频超声波预处理装置、水浴控温装置、资源化发酵装置、废水收集装置和气体收集装置；其中，超声波预处理装置包括超声波预处理罐、超声波振子机构、水浴盘管和搅拌装置。

优选地，超声波预处理罐包括罐体、上封头、下封头，超声波预处理罐中设置有温度传感器。

优选地，搅拌装置包括搅拌轴，超声波振子机构分别设置于预处理罐的罐体的X、Y、Z方向和搅拌轴上，为预处理罐内部提供多维扫频超声波。

优选地，位于X、Y、Z方向的超声波振子机构为球面超声波振子扫描机构，做椭圆形路径的循环旋转扫描动作，位于搅拌轴上超声波振子机构发出的超声波伴随搅拌轴旋转并竖直向下传播超声波。

优选地，球面超声波振子扫描机构包括电机、万向轮、球面超声波振子，球面超声波振子的振子发射端加装有与超声波预处理罐的罐体相对应的空心球面，球面内部填入超声波介质，形成椭圆形轨迹的旋转，并在罐体内部空间形成夹角为8-10°的圆锥体超声波空间。

优选地，破碎装置与超声波预处理罐连通，对需要资源化利用的生物质原材料进行物理破碎处理，为超声波预处理罐提供生物质原料；破碎装置上有进料口、破碎机体、绞龙推进输送装置以及与超声波预处理罐体相连接的物料输送管路，通过破碎装置破碎达到反应需要的粒径后的物料，经绞龙推进输送装置推送至物料输送管路进而输送至超声波预处理装置中。

优选地，与超声波预处理装置相连的水浴控温装置采用冷热水换热式控温，水浴控温装置与水浴盘管相连接，提供加热所需的热水，冷水直接由水源接入水浴盘管，提供冷却水。

优选地，控制电柜控制各电器元件开启及运行，包括超声波控制器、智能温度控制仪、搅拌电机控制器和控制面板；其中，超声波控制器控制X、Y、Z方向以及搅拌轴的超声波产生与发射、超声振子的扫描变频；智能温度控制仪接收温度传感器的信号后根据信号要求及时发出反馈信号，控制水浴控温装置中的水泵和电磁阀的闭合，从而完成换热和控温；搅拌电机控制器控制搅拌电机的转速。

优选地，资源化发酵装置与超声波预处理装置连接，超声波预处理装置的产物通过输送管路进入资源化发酵装置中，通过发酵产出可利用的能源产物，产后废弃物进一步利用处理。

一种多维扫频超声波生物质资源化处理工艺，所述工艺采用多维扫频超声波生物质资源化装置，该装置包括破碎装置、控制电柜、多维扫频超声波预处理装置、水浴控温装置、资源化发酵装置、废水收集装置和气体收集装置；

其中，超声波预处理装置包括超声波预处理罐、多个方向的超声波振子机构、水浴盘管和搅拌装置；工艺流程包括：

S1）将预处理生物质置入破碎装置中进行粉碎，通过输送装置送入预处理罐内部，并保证超声波预处理罐中的介质水淹没预处理生物质；

S2）调整预处理罐中的温度，保证处于反应需要的温度环境；根据反应预设的超声波频率和方向分别打开总电源开关和各个方向超声波振子机构的开关，并调整对应方向上需要的频率，产生要求下的超声波环境，进行多维扫频超声波预处理；

S3）待预处理反应完全，预处理罐中的产物通过输送管路送入资源化发酵装置中，由资源化发酵装置进行发酵处理，发酵产出可利用的能源产物，发酵装置的排污口将产后废弃物排放出来进入收集池中，待进一步利用处理。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明公开的多维扫频超声波生物质资源化装置和工艺，先将生物质原料进行多维扫频超声波预处理，后将预处理产物作为资源化的主要原材料产出清洁能源，有效地实现了将生物质高效转化为可利用的清洁能源，解决了过剩的生物质资源的消纳问题。

2、本发明首次将空间多维变频超声波应用到生物质预处理中，具有热效应、机械效应和空化效应，使细胞膜短时间内局部破裂，并根据物料的不同调整不同的扫频范围率和方向，使不同方向、不同频率的多束超声波同时传播、均匀性强，并通过超声波的叠加，产生一个复杂的波形和宽范围的频率谱，以使不同组分均获得最大程度振动，有效提高降解率和降解效率。

3、本发明提供的多维扫频超声波生物质资源化装置和工艺，针对生物质类靶物材料种类繁多，特性差别较大的问题，设置与之匹配的超声频率；对于批量靶物材料，采用多方向多频率超声波预处理方式，实现了分解反应的最优化，达到了预料不到的技术效果，对于解决环境问题和促进农业可持续发展具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明多维扫频超声波生物质资源化装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述的超声波预处理装置的结构示意图；

图3为本发明所述的超声波振子扫描机构的结构示意图；

图4为本发明所述的水浴控温装置的结构示意图；

图5为本发明所述的控制电柜的示意图；

图6为本发明所述超声波搅拌装置的结构示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文结合附图和优选的实施例对本发明的原理及作用方式做进一步说明。

如图1所示，本发明所述资源化装置由超声波预处理装置1、破碎装置2、控制电柜3、水浴控温装置4、资源化发酵罐5、废水收集装置6、气体收集装置7组成。

如图2所示，本发明的超声波预处理装置1主要包括超声波预处理罐11、超声波振子机构、水浴盘管13、过滤提篮14和搅拌机构15。超声波预处理罐主要组成有罐体111、上封头、下封头、温度传感器112等。超声波振子机构分别位于预处理罐体的X、Y、Z方向和搅拌轴上，分别为X方向超声波振子机构121，Y方向超声波振子机构122，Z方向超声波振子（图中未示出）和轴向超声波振子123，为罐体内部提供多维扫频超声波，其中X、Y、Z方向超声波振子做椭圆形路径的循环旋转扫描动作，搅拌轴上的轴向超声波振子发出的超声波伴随搅拌轴旋转并竖直向下传播超声波。

位于X、Y、Z方向的超声波振子机构为球面超声波振子扫描机构，做椭圆形路径的循环旋转扫描动作，如图3所示，球面超声波振子扫描机构包括电机1241、转轮1242、万向轮1243、球面超声波振子1244，本发明所述球面超声波振子为振子发射端加装与配合罐体111相对应的空心球面1245，球面内部填入超声波介质例如水，从而形成椭圆形轨迹的旋转并在罐体内部空间形成夹角为8-10度的圆锥体超声波空间。

如图4所示，本发明包括与超声波预处理装置相连的水浴控温装置4。水浴控温装置一侧接口411通过管路与水源42连接为水浴箱41提供水，内部的浮球装置43连接入口处的压力阀44，控制水浴箱内的水位，保证水浴箱内水位满足加热要求；另一侧的连接的管路412将水浴箱加热后的水通过水泵45抽进热水路中，最后进入预处理罐中的水浴盘管回路中，水浴箱上中部有水浴控制器46，控制水浴箱内侧底部的加热元件47，同时水浴箱内侧设有温度传感器48，用以监控水浴箱内的水温。

如图5所示，本发明包括与其他装置连接的控制电柜3。控制各个电器元件开启及运行，同时控制整个换热系统的各管路电磁阀、泵的开闭，搅拌电机的转停，超声波的发射与超声振子的扫描变频等。具体地，包括超声波控制器、智能温度控制仪35、搅拌电机控制器36和控制面板37；其中，超声波控制器31、32、33、34分别控制X、Y、Z方向以及搅拌轴的超声波产生与发射、超声振子的扫描变频；智能温度控制仪35接收温度传感器的信号后根据信号要求及时发出反馈信号，控制水浴控温装置中的水泵和电磁阀的闭合，从而完成换热和控温；搅拌电机控制器36控制搅拌电机的转速。

如图6所示，本发明包括超声波搅拌装置。该搅拌装置沿搅拌轴径向内侧设有绞龙搅拌传送装置，径向外侧设有螺带搅拌传送装置，当装置正转时内侧绞龙使物料沿轴向竖直向下旋转传输，外侧螺带反向沿轴向向上传输，使反应容器内部的物料充分搅拌，同时搅拌轴上超声波振子发出的超声波伴随搅拌轴旋转并竖直向下传播超声波。

本发明的资源化装置的工作过程如下：运行前，将预先准备的预处理生物质放入破碎装置中进行粉碎，通过输送装置送入预处理装置罐体内部，并保证预处理罐中的介质水淹没预处理靶物且水位在所有的超声波振子上方，将反应所需的温度范围输入到智能温度控制仪中从而保证反应中合适的温度环境；根据反应预设的超声波频率和方向分别打开总电源开关和各个方向超声波振子的开关，然后将对应方向上需要的频率旋钮开关打开，从而产生要求下的超声波环境。

温度控制方面，反应进行前设置好预处理过程中反应罐的温度范围（峰值和谷值），超声波预处理系统开始运行，智能温度控制仪将实时接收预处理罐中温度传感器的数据，当温度低于谷值时，将驱动控制器打开水泵和水浴盘管中的热水路的电磁阀，将热水输入到水浴盘管中为预处理装置升温，当温度回升至运行温度范围时，水泵和电磁阀将关闭，加热停止。

同理，当温度高于峰值时，将驱动控制器打开水泵和水浴盘管中的冷水路的电磁阀，将冷水输入到水浴盘管中为预处理装置降温，当温度回升至运行温度范围时，水泵和电磁阀将关闭，降温停止。从而始终将超声波预处理装置的反应温度控制在初始设置的温度范围中，保证预处理过程中的温度条件，从而使超声波预处理过程顺利进行。

待预处理反应完全，预处理罐中的产物通过输送管路在压力泵的帮助下送入发酵装置中，通过发酵罐的特定发酵工艺产出可利用的能源产物并被收集在特定的收集器中，发酵罐下侧的排污口将产后废弃物排放出来进入收集池中，待进一步利用处理。

本发明所述装置利用多维扫频超声波具有的热效应、机械效应和空化效应，使细胞膜短时间内局部破裂，从而改变细胞膜通透性，使胞内物质释放或胞外物质进入胞内，增加接触概率，促进对生物质预处理水解反应的快速高效进行，进而被进一步利用进行资源化处理，得到高效清洁的可再生能源。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明的保护范围。