蜂厢式秸秆发酵系统及其发酵方法与流程

本发明涉及一种秸秆发酵系统，尤其涉及一种蜂厢式秸秆发酵系统及其发酵方法，属于沼气工程领域。

背景技术：

农作物秸秆作为一种特殊的沼气发酵原料，具有容易上浮、难混合（分层严重）、结壳等特征，在发酵装置中非常不利于均匀传质和高效发酵。在工程应用中，出现了不同经济投入和不同发酵规模的沼气发酵装置。这些装置普遍通过改变秸秆的物料特性——做粉碎等预处理，适应既有的发酵装置对发酵物料特性的要求，以达到顺畅进出料的目的。例如，中国专利公开号cn203200264u公开了一种高效混合厌氧发酵装置，公开日为2013年09月18日，包括罐体、进料管、出料管、排泥管、沼气管、沼气搅拌管、罐顶搅拌电机、搅拌桨叶、水力折流板、沼气防护罩以及加热盘管。该专利的核心是通过大量的机械搅拌能耗投入达到均匀搅拌的目的。再如，中国专利公开号cn102876566a公开了一种上折流式秸秆型移动式沼气发酵罐，公开日为2013年01月16日，其罐体内设有至少三块排布为折形的斜挡板，每块斜档板的下端部设有沉渣口，除了位于罐体最上部的斜档板外，其余斜挡板的上端部与罐体内壁之间均留有浮渣通道；罐体的顶部设有进料斗和出气口，与进料斗连接的进料管和回流管伸至罐体内下部；罐体下部设有位于最下部斜挡板下方的沉渣排渣阀，罐体上部设有位于最上部斜挡板下方的浮渣排渣阀。该专利未考虑发酵液内的厌氧微生物与秸秆物料的有效混合。

上述现有技术均需要对秸秆做粉碎等预处理。造成现行秸秆沼气连续发酵装置物料浓度低（发酵ts≤3%），普遍存在发酵运行能耗大、产气效率偏低，厌氧消化产气效率低等不足，严重制约了稻秸沼气工程的长期高效运行。

由于稻秸易于上浮的物料特性，即使经过粉态化的预处理，进入发酵装置中后，也很难确保其均匀传质。此外，由于稻秸自身具有较高的木质素含量，约占其干重的10％-15％，不经处理很难被厌氧微生物分解代谢，使得其在反应器中的整体流动性较差，容易造成管道堵塞。加之，稻秸的漂浮特性，容易使其在发酵液的表面形成浮渣，相对于畜禽粪便类反应器更容易结壳，造成发酵原料浪费，同时也抑制了沼气的释放。

因此，研发一种新型的适于段状或者整株稻秸的厌氧反应器，符合我国沼气工程的发展趋势，具有很好的技术可行性和应用前景。然而，其关键问题在于提高发酵浓度、有效的实现均匀传质效果，从而达到提高工程容积产期率的目的。在中国专利号2011205315851中公开了一种厢式连续进出料厌氧消化器，其公开日为2012年07月18日。其存在的问题如下：1、需要在反应器内部设置轨道，以保持发酵厢的稳定，对发酵系统的建造水平要求较高，且在后期运行维护过程的操作水平要求高，传质效果较差，显然不符合农村操作维护水平低的现状。2、该专利未充分考虑发酵液与秸秆发酵区内部的物质交换，使得秸秆堆块较大，不利于发酵液的渗透和物质交换。此外，该装置未对发酵装置内部的流场就行有效的设计，使得不能较好的实现均匀创制、发酵盲区较多。在这种情况下，容易造成秸秆发酵区内的有机酸产生过多，不能及时排出，同时发酵液中的厌氧微生物又得不到足够的有机物进行新陈代谢，使得发酵装置的产气速率不高。

另外，德国秸秆沼气工程中，有采用“车库式”的两相发酵工艺，在发酵装置上部设计喷淋口、在发酵装置底部设计沼气吹浮口的方法，以期实现秸秆物料和发酵微生物的有效接触，但是该类秸秆浸湿后堆块较大，重力较大，需要较大的动力才能使秸秆翻转，且很难翻转均匀，因此很难达到均匀混合目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种蜂厢式秸秆发酵系统及其发酵方法。本发明可有效保证厌氧微生物和秸秆物的充分接触，提高发酵反应器的发酵浓度和产气效率，同时防止秸秆上浮结壳，实现物料的顺畅进出料和简单化运行维护，且不需要对秸秆进行预处理，减少了秸秆工程的原料预处理操作流程。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种蜂厢式秸秆发酵系统，其特征在于：包括发酵装置，发酵装置上设置有密封盖，发酵装置与密封盖水密封配合，发酵装置内设置有多个直接填装秸秆的填料单元，填料单元的顶面位于发酵装置内的最高水位线处，填料单元的底面位于发酵装置底部的最低水位线处；填料单元包括秸秆填装区和位于秸秆填装区端部的发酵液过流区，相邻两填料单元正反设置在发酵装置内，通过正反设置的发酵液过流区在发酵装置内形成液体折流发酵通道，液体折流发酵通道的进液端连接有进液管路，出液端连接有循环管路。

所述相邻两填料单元正反设置方式为，一个填料单元的发酵液过流区的水位线位于最高水位线，另一填料单元的发酵液过流区的水位线位于最低水位线。

所述相邻两填料单元正反设置的具体结构为，一个填料单元的发酵液过流区位于秸秆填装区上端，另一填料单元的发酵液过流区位于秸秆填装区下端。

所述秸秆填装区由进料框构成，进料框端部设置有支架，通过支架形成发酵液过流区。

所述发酵装置内壁上设置有用于在水平方向固定进料框的进料框导槽，一个进料框对应设置两个进料框导槽。

所述填料单元的长度与发酵装置的长度相适配，填料单元的整体重量大于秸秆的浮力，一个填料单元通过两个进料框导槽固定后两固定侧面与发酵装置内壁相接触。

所述发酵系统还包括液体储存池，液体储存池通过管线与进液管路和循环管路连接，管线上设置有控制阀，进液管路上设置有进液泵，循环管路上设置有控制阀，液体储存池还连接有补液管。

所述发酵装置顶部设置有水封堰，发酵装置通过水封堰与密封盖水密封配合，密封盖与最高水位线之间的空间形成沼气储存区，密封盖上设置有沼气管。

所述发酵装置上还设置有溢流装置，溢流装置包括溢流管和与溢流管连接的溢流槽，溢流管的进液端与最高水位线配合，溢流槽通过管线连接到液体储存池。

一种蜂厢式秸秆发酵系统的发酵方法，其特征在于：段状秸秆或者直接打捆的整株秸秆装入填料单元的秸秆填装区后，将填料单元按一正一反的方式放入发酵装置中，然后吊装密封盖与发酵装置水密封配合，使发酵装置处于密封环境；连通进液管路，断开循环管路，在发酵装置中注入发酵液，控制发酵装置中的发酵液在最高水位线后，断开进液管路，连通循环管路，使发酵液在液体折流发酵通道内流动，发酵液在发酵装置内形成折流，发酵液充分渗透到秸秆填装区，使秸秆填装区厌氧消化产沼气。

采用本发明的优点在于：

1、本发明采用仿照密封蜂箱的结构，可有效保证厌氧微生物和秸秆物的充分接触，提高发酵反应器的发酵浓度和产气效率，同时防止秸秆上浮结壳，实现物料的顺畅进出料和简单化运行维护。

2、采用本发明扩大了发酵液与秸秆发酵区域的有效接触面积，使得有机物能够与秸秆物料进行充分的反应，提高了发酵装置的沼气生产效率。通过秸秆发酵区内的左右渗透，有效的带走秸秆降解所产生的有机物到液体区进行发酵，避免了有机酸的积累。

3、本发明形成的液体折流发酵通道，确保了发酵液在发酵装置内形成折流，不会通过进料框底部直接流到发酵装置后端，发酵液中含有大量有效的厌氧微生物，通过进料框的布置发酵液的折流作用，可使厌氧微生物与发酵有机物的接触面积最大化；同时，发酵液流动的动能能够很好的克服进料框的秸秆填装区对发酵液渗透的黏性阻力和惯性阻力，使得发酵液能够充分的渗透到进料框的秸秆填装区，以便进行有效的发酵产气。

4、采用本发明，使发酵液沿液体折流发酵通道流动，在发酵过程中，通过打开进液泵和连接循环管路可实现发酵液的回流搅拌，使得液体折流发酵通道内的发酵液具备动能，带动发酵也发酵菌种有效的向秸秆填装区内的秸秆进行渗透，使得发酵液以最小的能量投入，实现物质的均匀传递，和微生物菌种和发酵物料的重复接触，以达到最佳的秸秆发酵效果。

5、采用本发明后，秸秆填装区厌氧消化产生的沼气，可通过液体折流发酵通道得到有效的释放，避免了秸秆填装区过厚造成的气体释放堵塞问题。

6、本发明在发酵装置内壁设置进料框导槽，可以确保填料单元进入发酵装置后不会在水平方向发生移动。

7、本发明设置的进料框，主要起到控制收割秸秆的整体，同时使得发酵液能够渗透进入进料框的秸秆内。

附图说明

图1为本发明发酵系统剖面结构示意图；

图2为本发明发酵系统俯视结构示意图。

图中标记为：1.液体储存池；2.进液泵；3.发酵装置；4.溢流装置；5.水封堰；6.最高水位线；7.密封盖；8.沼气管；9.沼气储存区；10.填料单元；11.秸秆填装区；12.液体折流发酵通道；13.发酵液过流区；14.循环管路；15.补液管；16.进料框导槽，17、排液管。

具体实施方式

实施例1

一种蜂厢式秸秆发酵系统，包括发酵装置3，发酵装置3上设置有密封盖7，发酵装置3与密封盖7水密封配合，发酵装置3内设置有多个直接填装秸秆的填料单元10，填料单元10的顶面位于发酵装置3内的最高水位线处，填料单元10的底面位于发酵装置3底部的最低水位线处；填料单元10包括秸秆填装区11和位于秸秆填装区11端部的发酵液过流区13，相邻两填料单元10正反设置在发酵装置3内，通过正反设置的发酵液过流区13在发酵装置3内形成液体折流发酵通道12，液体折流发酵通道12的进液端连接有进液管路，出液端连接有循环管路14。

本实施例中，所述相邻两填料单元10正反设置方式为，一个填料单元10的发酵液过流区13的水位线位于最高水位线6，另一填料单元10的发酵液过流区13的水位线位于最低水位线。

本实施例中，所述相邻两填料单元10正反设置的具体结构为，一个填料单元10的发酵液过流区13位于秸秆填装区11上端，另一填料单元10的发酵液过流区13位于秸秆填装区11下端。

本实施例中，所述秸秆填装区11由进料框构成，进料框端部设置有支架，通过支架形成发酵液过流区13。

本实施例中，所述发酵装置3内壁上设置有用于在水平方向固定进料框的进料框导槽16，一个进料框对应设置两个进料框导槽16。

本实施例中，所述填料单元10的长度与发酵装置3的长度相适配，填料单元10的整体重量大于秸秆的浮力，一个填料单元10通过两个进料框导槽16固定后两固定侧面与发酵装置3内壁相接触。

本实施例中，所述发酵系统还包括液体储存池1，液体储存池1通过管线与进液管路和循环管路14连接，管线上设置有控制阀，进液管路上设置有进液泵2，循环管路14上设置有控制阀，液体储存池1还连接有补液管15。

本实施例中，所述发酵装置3顶部设置有水封堰5，发酵装置3通过水封堰5与密封盖7水密封配合，密封盖7与最高水位线6之间的空间形成沼气储存区9，密封盖7上设置有沼气管8。

本实施例中，所述发酵装置3下部设置有排液管17，发酵装置3发酵一段时间后，可通过联通排液管17，排出发酵装置3的发酵液，更换发酵液，避免有害物质积累。

本实施例中，所述发酵装置3上还设置有溢流装置4，溢流装置4包括溢流管和与溢流管连接的溢流槽，溢流管的进液端与最高水位线6配合，溢流槽通过管线连接到液体储存池1。

一种蜂厢式秸秆发酵系统的发酵方法，包括：段状秸秆或者直接打捆的整株秸秆装入填料单元的秸秆填装区后，将填料单元根据进料框导槽的引导按一正一反的方式放入发酵装置中，然后吊装密封盖与发酵装置水密封配合，使发酵装置处于密封环境；连通进液管路，断开循环管路，在发酵装置中注入发酵液，控制发酵装置中的发酵液在最高水位线后，断开进液管路，连通循环管路，使发酵液在折流发酵通道内流动，发酵液在发酵装置内形成折流，扩大发酵液与秸秆接触面积，使发酵液充分渗透到秸秆填装区，并带走秸秆填装区内降解所产生的可溶性有机物，使秸秆填装区厌氧消化产沼气。

实施例2

本实施例结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和2所示，蜂厢式秸秆发酵系统的发酵装置3主要由填料单元10、密封盖7和液体折流发酵通道12构成。填料单元10包括秸秆填装区11和位于秸秆填装区11端部的发酵液过流区13，秸秆填装区由进料框构成，发酵装置3内壁设置进料框导槽16，以确保进料框进入发酵装置3后不会在水平方向发生移动。进料框由钢条构成，主要起到控制收割秸秆的整体，同时使得发酵液能够渗透进入进料框的秸秆内。填料单元10的整体重量大于秸秆的浮力，使填料单元10进入发酵装置3后始终沉于底部。

段状或者直接打捆的整株秸秆（省去了粉碎、揉搓等减少秸秆尺寸的过程，同时不依靠泵、螺旋进料器等进料装置），装入进料框后，按照图1所示的排列方法，一正一反根据进料框导槽16的引导放入发酵装置3中。然后吊装密封盖7到水封堰5内，然后在水封堰5内加水，使得整个发酵系统处于密封环境。密封盖7上设置沼气管8，以用于排出厌氧消化产生的沼气。

在液体储存池1内注入发酵液，断开循环管14路，连通补液管15，打开进液泵2，使发酵装置3内注满发酵液。在发酵装置3上部设置溢流装置4，实现最高水位线6的有效控制。填料单元10放入发酵装置3后的最高点，即为发酵液的最高水位线6。之后，断开补液管15，连通循环管路14，打开进液泵2，使得发酵液可在液体折流发酵通道12内流动，从而确保了发酵液在发酵装置3内形成折流，不会通过进料框底部直接流到发酵装置3后端。发酵液中含有大量有效的厌氧微生物，通过填料单元10的布置发酵液的折流作用，可使厌氧微生物与发酵有机物的接触面积最大化。同时，发酵液流动的动能能够很好的克服填料单元10的秸秆填装区11对发酵液渗透的黏性阻力和惯性阻力，使得发酵液能够充分的渗透到填料单元10的秸秆填装区11，以便进行有效的发酵产气。

秸秆填装区11厌氧消化产生的沼气，可通过液体折流发酵通道12得到有效的释放，避免了秸秆填装区11过厚造成的气体释放堵塞问题。发酵完成后，断开沼气管8，取开密封盖7，然后取出发酵完成后的填料单元10，更换填充新的秸秆，然后再重复上述密封，即可完成反应器的进出料，重新连接沼气管8，就可以开始厌氧消化产沼气。

在发酵过程中，通过打开进液泵2和连接循环管路14可实现发酵液的回流搅拌，使得液体折流发酵通道12内的发酵液具备动能，带动发酵也发酵菌种有效的向秸秆填装区11内的秸秆进行渗透，使得发酵液以最小的能量投入，实现物质的均匀传递，和微生物菌种和发酵物料的重复接触，以达到最佳的秸秆发酵效果。

上述具体实施方式用以解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。