适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器及沼气生产设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器及沼气生产设备，该预处理反应器包括水解罐(1)，水解罐(1)设有进料口、进水口和出料口，水解罐(1)内设有搅拌装置(2)，水解罐(1)底部设有向罐内空间提供气体的间隔曝气装置。将该预处理反应器和厌氧发酵反应器(21)连通组成沼气生产设备。预处理反应器将木质纤维素原料的水解酸化过程独立出来，采用间隔曝气装置创造了适宜大量有益微生物繁殖共生的环境，提高了水解酶活性，缩短水解时间；同时也减小了对产甲烷菌的冲击，提高了体系稳定性，厌氧发酵生产沼气效率提高，降低了运行成本；预处理程度大，使得厌氧发酵反应器(21)的容积大大减小，也降低了投资成本。
【专利说明】
适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器及沼气生产设备
技术领域
[0001]本实用新型涉及利用木质纤维素类生物质原料生产沼气的技术领域，具体涉及一种适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器及沼气生产设备。【背景技术】
[0002]世界上生物质资源数量庞大，种类繁多。植物通过光合作用产生的木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源之一。人类通过各种技术途径将木质纤维素原料转化为不同类型的能源燃料。在木质纤维素原料中，农作物秸杆可通过厌氧发酵工艺生产沼气，沼气可以用以发电或者提纯为天然气作为车用燃气或并入天然气管网。这已被证明是一种具有很高综合价值的利用途径。
[0003]农作物木质纤维素原料包括秸杆，比如玉米秸杆、小麦秸杆和水稻秸杆等，具有分布广泛、产量巨大且易于收集等特点。以往人们会把这些秸杆当作废弃物遗弃或者燃烧处理，这不仅造成能源的浪费也会污染环境。现在，利用农作物秸杆进行沼气生产的实践正在广泛进行中。但木质纤维素原料由于其自身的结构特点使得厌氧发酵的转化过程存在一定的技术难度。
[0004]农作物秸杆是由大量的有机物和少量的无机物及水所组成的，其有机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物和可溶性糖以及少量的粗蛋白质和粗脂肪。其中纤维类碳水化合物主要包括纤维素、半纤维素和木质素等，这些也是构成植物细胞壁的主要成分。对于农作物秸杆，尤其是干化的秸杆，沼气的转化主要来源于其中的碳水化物纤维素和半纤维素的厌氧降解，而木质素则难以水解并厌氧转化为沼气。
[0005]在秸杆中，纤维素主要是由葡萄糖分子通过￠-1-4糖苷键连接起来的线性高分子聚合物。半纤维素不是由某一种单糖组成的均一性聚糖，它是由戊糖、己糖等单糖和糖醛酸组成的带有支链的复合聚糖。半纤维素互相交叉连接，吸附到纤维素上，捆绑结构蛋白和木质素，形成矩阵结构的一部分，是微生物和酶解的物理障碍。木质素是由苯基丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的具有三维空间结构的高聚物。木质素可以与半纤维的小部分形成共价化学健，这种连接提供了木质纤维素的结构刚性和完整度，使得木质纤维素不易发生润胀作用。这三种物质以及果胶等物质共同粘结组成的空间结构称为纤维素结晶结构。秸杆的高结晶度对于厌氧的微生物菌群形成了一种屏障，尤其是干化秸杆的分子化学键具有更强的疏水性，微生物及酶很难进入到秸杆纤维内部进行水解作用。此外，木质素与纤维素和半纤维素之间对水解酶存在一定竞争性吸附，这也一定程度上抑制了秸杆的水解反应。 如果木质纤维素不能被高效地水解，后续的发酵酸化和甲烷化过程将无法正常进行。
[0006]目前对于木质纤维素的预处理措施主要有物理预处理、化学预处理和生物预处理，但这些预处理方法在改善木质纤维素原料特性、提高原料消化率和增加产气量的同时也存在一系列问题，各有其不同的局限性。
[0007]中国专利申请公布号0价01870988六(公布日2010.10.27)公开了一种木质纤维素原料兼氧-厌氧顺序交替发酵工艺，其生产过程分别在固相兼气厌氧发酵区和液相厌氧发酵区两个独立的反应器中进行，但并没有公开具体的固相兼氧厌氧发酵区的装置结构。产气周期长。
[0008]中国专利申请公布号101012436A(公布日2007年8月8日)公开了一种处理木质素纤维原料的厌氧反应器，其包括产甲烷发酵间和产酸发酵间，加水润湿接种的木质纤维素原料在产酸发酵间进行3?7天的堆怄处理，结束后再进行喷水(带入氧气)。产生的渗滤液进入储液间，滤液一部分栗入甲烷发酵间(栗入的滤液加水混匀)，另一部分回流到产酸发酵间(同时栗入水或者甲烷发酵间出水)。装置复杂，占用空间大。
[0009]不论采用什么预处理方式，木质纤维素的水解、酸化过程主要还是通过厌氧发酵实现，转化周期长，为了保持沼气的持续供应，需要更大的反应器容积。木质纤维素原料中单位有机质的沼气转化率低下，尤其是秸杆，产气量更低。秸杆还容易在反应器中形成漂浮层，进而形成结壳层，为避免浮渣层，需更长的搅拌时间和搅拌能耗，导致投资和运行成本非常高。另外，反应系统的进出料和物料传送难度高，管道阀门经常容易堵塞，需要采用一些化学的方式进行预处理，这样又导致维护费用高，而且容易造成二次污染。【实用新型内容】
[0010]为了解决现有技术中利用木质纤维素原料生产沼气的装置生产周期长，生产条件调节不方便、设备占用空间大等缺陷，本实用新型提供了一种适用于木质纤维素原料的水解预处理装置，具体为一种适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，使得在木质纤维素原料进入厌氧发酵生产沼气前先进行充分的水解预处理，提高产气量，缩短生产周期。 [〇〇11] 该兼氧发酵预处理反应器，适用于通过曝气兼氧发酵预处理工艺和厌氧发酵工艺组成的沼气生产方法。这种方法是首先将经过粉碎的木质纤维素原料加入到动物粪便培养液中，在温度35?45°C、pH值6?8、曝气10?40分钟与停止曝气10?40分钟交替进行且曝气时间多停止曝气时间的条件下，进行兼氧发酵预处理，预处理水力停留时间为12?48小时； 然后将预处理后的发酵料液导入厌氧发酵反应器(21)进行厌氧发酵生产沼气。为适应该沼气生产过程的预处理步骤，本实用新型设计了一种兼氧发酵预处理反应器。[〇〇12]该适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，包括水解罐(1 )，水解罐(1)设有进料口、进水口和出料口，水解罐(1)内设有搅拌装置(2 )，水解罐(1)底部设有向罐内空间提供气体的间隔曝气装置。间隔曝气装置采用间歇运行控制，通过间隔曝气装置的间歇运行，满足预处理反应器内物料体系间隔曝气的目的，实现兼氧和厌氧交替进行的发酵过程， 提高原料水解效率，缩短了水解时间，提高产气效率。[〇〇13]作为一种优选方案，上述适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器中，所述间隔曝气装置包括曝气器(11)、曝气风机(13)以及将二者连通的曝气管(12)，曝气管(12)位于水解罐(1)内的部分围设于水解罐(1)底部，多个曝气器(11)装设在水解罐(1)内部的曝气管(12)上。这种曝气管在水解罐底部的设计可以保证充入的气体在搅拌装置的配合下在物料体系中分布均匀，使物料体系供氧充足，充分满足好氧微生物和水解酶的氧气需求。 [〇〇14]作为一种优选方案，上述适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器中，还包括在线气体分析仪(10)，在线气体分析仪(10)设有取样软管(101 )，取样软管(101)伸入水解罐(1)内的顶部空间。由于物料体系在发酵罐内并不全部充满，上部会留一小部分空间，这样，反应器工作时可以通过气体在线分析仪分析物料液面上方空气的气体成分，监测反应体系运行状态，以更好地控制工况，及时调整反应器的运行，使体系环境保持最佳状态。
[0015]作为一种优选方案，上述兼氧发酵预处理反应器中，水解罐(1)还设有温度监测装置(14)和溶解氧D0值监测装置(15)。这两个装置便于监控反应器内物料体系的温度和溶解氧情况，调整曝气量、曝气时间、温度等工况，使预处理环境保持在最适于微生物生长和酶发挥活性的状态。
[0016]作为一种优选方案，上述适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器中，包括循环水调温系统。水解过程有时会产生大量反应热，当散热不及时会导致水解池内部温度持续上升，对微生物不利，需要采用循环水调温系统进行冷却，调节反应器内环境温度。
[0017]作为一种优选方案，上述适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器中，所述循环水调温系统包括设置在水解罐(1)内的加热盘管(3)，以及通过管道与加热盘管(3)连通的冷水箱(16)和热水箱(17)，管道上设有控制阀。加热盘管(3)的设置需要满足不影响搅拌装置(2)正常工作的要求，确保反应器能正常运转。优选加热盘管(3)盘绕设置在水解罐(1) 内壁上。[〇〇18]作为一种优选方案，上述适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器中，所述冷水箱(16)设有第一出水管和第一回水管，第一出水管上设有冷水栗(5)和冷水流量计(9)， 热水箱(17)设有第二出水管和第二回水管，第二出水管上设有热水栗(4)和热水流量计 (8)，第一出水管和第二出水管汇合形成供水总管，与加热盘管(3)的进水端连通，供水总管上设有冷水温度计(7 )，第一回水管和第二回水管汇合形成加热盘的回水总管，回水总管上设有热水温度计(6)。采用这种循环水调温系统，通过流量计和温度计来监测进入水解罐内的水流速度和温度，调节流量以适应水解罐内体系，通过缓和的调节方式调节罐内温度达到最适，不会影响体系中微生物和酶的活性。温度高时通入冷水，温度低时通入热水。[〇〇19]作为一种优选方案，上述适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器中，所述搅拌装置(2)包括一旋转轴以及安装在旋转轴上的搅拌叶片，在水解罐(1)内围绕搅拌叶片设有中心导流筒(20)。搅拌装置的旋转轴由动力机构带动旋转，在旋转轴上可分段安装多个搅拌叶片。中心导流筒(20)为筒形结构，围绕着搅拌叶片设置，当旋转轴带动搅拌叶片转动时，中心导流筒(20)内料液流速加快，可以引导料液表层漂浮的秸杆等木质纤维素原料浮渣向下流动，使整个水解罐(1)内料液流态达到循环，浮渣与料液混合均匀，增加料液中氧气量，促进木质纤维素原料被充分水解。
[0020]本实用新型还提供了一种沼气生产设备，由以上任一所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器和厌氧发酵反应器(21)连通组成。兼氧发酵预处理反应器在将原材料进行水解处理后，水解料液可以通过管道(18)栗入厌氧发酵反应器(21)以继续进行厌氧发酵产生沼气。水解料液栗入厌氧发酵反应器(21)(即沼气发酵罐)，厌氧发酵反应器(21) 内的发酵液也可以回流到水解罐(1)。厌氧发酵反应器(21)有很多种形式，经过水解处理的物料可以进入各种形式的发酵罐，因此，对于厌氧发酵反应器(21)的结构形式没有要求，只要实现厌氧发酵产气的目的即可，可以选用现有已知的任何用于沼气生产的厌氧发酵装置。
[0021]作为一种优选方案，上述沼气生产设备中，所述厌氧发酵反应器(21)设有与水解罐(1)的进水口连通的沼液回流管(19)。
[0022]从工艺稳定性上讲，实际工程中，沼液从发酵反应器中出来的温度与兼氧发酵预处理反应器内的反应温度相近，相对于常温下的清水，对预处理反应器中的微生物而言，温度的变化冲击更小。微生物不喜欢忽冷忽热。沼液中仍旧含有未降解的有机质，可以回流进入系统中。从运行成本上讲，回流沼液可以利用沼液中的热量，减少系统从外界补充热量的需求，可以减少一部分运行成本，最后，对于系统的沼液外排量也大大减少。因此设置沼液回流管以回流沼液有利于增加生物循环，减少热量损失，减少沼液外排。
[0023]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:
[0024]1、本实用新型的预处理反应器，将水解酸化过程从厌氧反应器中分离出来，并且采用间隔曝气装置进行间隔曝气，创造了一个有利于微生物大量繁殖的共生环境，十分有利于水解酶发挥催化作用。木质纤维素原料水解时间短，效率高，只需1?2天的停留时间， 水解液进入厌氧发酵反应器(21)后可以快速进行沼气转化；由于高效率的水解酸化预处理，沼气转化效率得到很大提高。
[0025]2、在兼氧发酵预处理过程中会伴随着大量的热量产生，所以设置循环水调温系统一方面可以通过循环冷水带走反应器中的热量，另一方面在温度过低时也可以通过循环热水来加热，管路上设置的温度计可以实时监控反应体系温度，再通过冷水栗(5)或热水栗 (4)以及流量计互相配合来调整体系温度达到最佳值。控制方便，水可以循环利用，经济节约。[〇〇26]3、本实用新型的沼气生产设备，使许多抑制性化学物质在预处理反应器得到降解缓冲，降低对产甲烷菌群的直接冲击，厌氧发酵生产沼气的效率更高，进而降低运行成本。 由于预处理程度大，使得厌氧发酵反应器(21)的容积大大减小，也降低了投资成本。【附图说明】
[0027]图1是本实用新型适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器的结构示意图；
[0028]图2是本实用新型适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器横向剖面结构示意图；
[0029]图3是本实用新型沼气生产设备的结构示意图。
[0030]附图标记:1水解罐，2搅拌装置，3加热盘管，4热水栗，5冷水栗，6热水温度计，7冷水温度计，8热水流量计，9冷水流量计，10在线气体分析仪，101取样软管，11曝气器，12曝气管，13曝气风机，14温度监测装置，15溶解氧D0值监测装置，16冷水箱，17热水箱，18管道，19 沼液回流管，20中心导流筒，21厌氧发酵反应器。【具体实施方式】
[0031]下面结合优选的具体实施例，对本实用新型作进一步说明，以助于理解本实用新型的内容。[〇〇32]如图1所示，本实用新型的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器(简称兼氧发酵预处理反应器)，包括水解罐1，水解罐1设有进料口、进水口和出料口，水解罐1内设有搅拌装置2,搅拌装置2包括一由动力机构带动旋转的旋转轴，旋转轴上设有搅拌叶片，搅拌叶片的外周围绕设置中心导流筒20。水解罐1底部设有向罐内空间提供气体的间隔曝气装置。水解罐外设有在线气体分析仪10,在线气体分析仪10设有取样软管101，取样软管101伸入水解罐1内的顶部空间。水解罐1的侧壁上还设有温度监测装置14和溶解氧D0值监测装置15。
[0033]如图1和图2所示，所述间隔曝气装置包括曝气器11、曝气风机13以及将二者连通的曝气管12,曝气管12位于水解罐1内的部分围设于水解罐1底部，多个曝气器11装设在水解罐1内部的曝气管12上。间隔曝气装置采用间歇运行控制，可以通过计算机设置，调整参数来自动控制曝气时间和停止曝气时间。
[0034]本实用新型的兼氧发酵预处理反应器，还包括循环水调温系统，该系统包括设置在水解罐1内的加热盘管3,以及通过管道与加热盘管3连通的冷水箱16和热水箱17,管道上设有控制阀。
[0035]冷水箱16设有第一出水管和第一回水管，第一出水管上设有冷水栗5和冷水流量计9,热水箱17设有第二出水管和第二回水管，第二出水管上设有热水栗4和热水流量计8， 第一出水管和第二出水管汇合形成供水总管，与加热盘管3的进水端连通，供水总管上设有冷水温度计7，第一回水管和第二回水管汇合形成加热盘的回水总管，回水总管上设有热水温度计6。
[0036]如图3所示，本实用新型的兼氧发酵预处理反应器的出料口通过管道18与厌氧发酵反应器21联通，管道18上设有栗，厌氧发酵反应器21设有沼液回流管19，一端延伸在厌氧发酵反应器21内，另一端与水解罐1的进水口联通。管道18和沼液回流管19上均设有栗。
[0037]当进行沼气生产时，首先将农作物秸杆进行破碎揉丝处理，使得秸杆纤维长度在 2cm以内，以备水解利用。
[0038]通过进料口向水解罐1内加入新鲜的牛粪，通过进水口加水稀释牛粪，调节至总固形物质量百分比在8 %的粪浆，打开热水箱17的第二出水管，通过加热盘管3将水解罐1加热升温并保持在40°C左右，培养大概一周时间，获得奠便菌群培养液。
[0039]将处理好的秸杆原料通过进料口投入水解罐1内并开启搅拌装置2进行充分混合搅拌，加入秸杆的过程中开启间隔曝气装置，保持曝气状态，同时加入少量纤维素水解酶制剂(购买市售商品)进行催化水解。控制水解罐1内的体系中总固形物质量百分比在6? 15%，pH值6?8。打开曝气风机13,调整间隔曝气装置程序参数，将连续曝气改为间隔曝气， 时间为10?40分钟曝气，10?40分钟关闭，且曝气时间多停止曝气时间，使预处理反应器内混合料液在曝气状态下的溶解氧浓度不超过1.5毫克/升，不断重复该曝气方式，进行兼氧发酵预处理，水力停留时间在12?48小时，获得水解发酵液。
[0040]停止曝气和搅拌，开启管道18上的栗，栗出不超过水解罐1内混合料液(即上述获得的水解发酵液)总体积的50%进入后续的厌氧发酵反应器21，进行厌氧发酵生产沼气，厌氧发酵反应器21内的物料水力停留时间通常小于30天。每次栗完之后需要向水解罐1中补充一定量秸杆和厌氧发酵反应器21回流的沼液(通过沼液回流管19栗入)，当沼液浓度过高时加清水稀释，以保持水解罐1内的总固形物质量百分比维持在10?12 %。整个过程中每天都需要定时对水解罐1的相关运行参数进行监测，包括通过温度监测装置14监测温度，溶解氧D0值监测装置15监测溶解氧，还可以包括监测固体物浓度TS %、有机物浓度VS %、温度T、 挥发性脂肪酸VFA以及兼氧发酵预处理反应器产生的各种气体成分等。根据需要调节工况以保持体系处于最佳运行状态。[0041 ]水解罐1内通过在加热盘管3内循环冷水或热水的方式对混合料液进行温度调整， 控制在38?42 °C。
[0042]通过试验调整工况，使体系达到最佳运行状态后，农作物秸杆作为原料生产的沼气中甲烷的含量最高可达57%，远高于现有沼气生产工艺获得的甲烷含量。沼气生产时间大大缩短，而且运行系统小型轻便，节约投资。
[0043]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，包括水解罐(1)，水解罐(1)设有 进料口、进水口和出料口，水解罐(1)内设有搅拌装置(2 )，其特征在于，水解罐(1)底部设有 向罐内空间提供气体的间隔曝气装置。2.根据权利要求1所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，所 述间隔曝气装置包括曝气器(11)、曝气风机(13)以及将二者连通的曝气管(12)，曝气管 (12)位于水解罐(1)内的部分围设于水解罐(1)底部，多个曝气器(11)装设在水解罐(1)内 部的曝气管(12)上。3.根据权利要求1所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，还 包括在线气体分析仪(10)，在线气体分析仪(10)设有取样软管(101 )，取样软管(101)伸入 水解罐(1)内的顶部空间。4.根据权利要求1所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，水 解罐(1)还设有温度监测装置(14)和溶解氧DO值监测装置(15)。5.根据权利要求1所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，还 包括循环水调温系统。6.根据权利要求5所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，所 述循环水调温系统包括设置在水解罐(1)内的加热盘管(3)，以及通过管道与加热盘管(3) 连通的冷水箱(16)和热水箱(17 )，管道上设有控制阀。7.根据权利要求6所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，所 述冷水箱(16)设有第一出水管和第一回水管，第一出水管上设有冷水栗(5)和冷水流量计 (9 )，热水箱(17)设有第二出水管和第二回水管，第二出水管上设有热水栗(4)和热水流量 计(8)，第一出水管和第二出水管汇合形成供水总管，与加热盘管(3)的进水端连通，供水总 管上设有冷水温度计(7)，第一回水管和第二回水管汇合形成加热盘的回水总管，回水总管 上设有热水温度计(6)。8.根据权利要求1所述的适用于木质纤维素兼氧发酵的预处理反应器，其特征在于，所 述搅拌装置(2)包括一旋转轴以及安装在旋转轴上的搅拌叶片，在水解罐(1)内围绕搅拌叶 片设有中心导流筒(20)。9.一种沼气生产设备，其特征在于，由权利要求1?8任一所述的适用于木质纤维素兼 氧发酵的预处理反应器和厌氧发酵反应器(21)连通组成。10.根据权利要求9所述的沼气生产设备，其特征在于，所述厌氧发酵反应器(21)设有 与水解罐(1)的进水口连通的沼液回流管(19)。
【文档编号】C12M1/04GK205576160SQ201620418024
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】王明明, 董泷, 尹雅芳, 李旭源
【申请人】北京盈和瑞环保工程有限公司