利用厌氧消化从生物质生产沼气的反应器的制作方法

本发明涉及一种利用厌氧消化从生物质生产沼气的反应器，包括：

-一个框架，包括两个端部，即上端和下端，在其自身内界定用于生物质反应的空间，所述框架为通道状，用于生物质的活塞流动，还包括至少三个具有相关微生物菌株的连续区块，

-进料设备，设置在所述框架上端用于将生物质送入所述框架；

-搅拌设备，用于将生物质搅拌并将微生物进料到生物质中，至少有部分所述搅拌设备设置在所述框架内；

-回收设备，回收利用微生物消耗生物质有机材料产生沼气；

-固体材料去除设备，设置在所述框架下端，用于去除固体材料。

背景技术：

本发明涉及从生物质生产沼气的反应器。沼气生产是一种处理有机废弃物和生产可再生能源的方法。沼气生产是基于厌氧消化的生物过程。在厌氧消化中，微生物在无氧条件下消化有机材料或生物质以产生含甲烷的沼气作为最终产物。厌氧消化是多步骤过程，涉及消化链中不同步骤的几种不同微生物，如图1所示，生物质分解的消化链可以以简化的方式如下描述：

1)多糖(碳水化合物)->糖->短链脂肪酸，h2,co2->ch4,co2

2)蛋白质->肽，氨基酸->短链脂肪酸h2,co2->ch4,c02

3)脂质->长链脂肪酸->短链脂肪酸，h2,co2->ch4,c02.

例如，木质纤维素中所含纤维素的消化链可由如下步骤所述：

1)通过水解将纤维素分解成糖：

(c6h10o5)n+nh2o->nc6h12o6

2通过酸发酵将葡萄糖单元分解为醋酸根：

c6h1206+4h20->2ch3coo^-+2hco3^-+4h⁺+4h2

3通过甲烷生成将醋酸根分解为甲烷：

2ch³coo^-+h20->ch4+hco3^-

4h2+hco3^-+h⁺->ch4+3h20

活性微生物在消化链的不同步骤中也具有不同的最佳条件。作为厌氧消化最终产物而产生的沼气可在电力和/或产热或交通燃料中用作可再生能源。

传统沼气技术主要被设计用于废水污泥和动物粪便等湿废弃物馏分的处理。在本例下，反应过程在完全搅拌的垂直圆柱形罐反应器中，经常以干基低含量(通常小于10％)进行，例如，在高含水量时(大于90％)。与该方法相关的最重要的问题在于所述反应器中所含的原料中90％以上是都是水。能量(沼气)不能由水产生，相反，加热大量的水会消耗大量的能量。此外，当希望在这种完全搅拌的反应器中加工干燥废料馏分时，必须用液体稀释进料。也可以将循环液返回到反应器中；然而，这涉及几个问题，例如，在循环液中积聚的分解产物和氮化物有抑制作用。此外，与使用完全搅拌罐有关的问题是，所有微生物菌株均生活在同一空间、同一环境中，因此，必须根据消化链的最慢反应即甲烷生成的步骤来优化反应条件。在本例中，在消化链其它步骤中的活性微生物此时并不是最优的。

基于所谓干发酵过程的沼气生产技术已被开发用于处理干燥废物馏分。与传统的沼气技术相比，这些方法可以显著提高的干基含量。因此，可以实现在单个反应器体积下更高的能量产率。

基于干法工艺建立沼气厂的一种方法是以所谓的塞流原理运行的沼气反应器。基于塞流原理的沼气反应器最常用的是水平罐反应器，生物质由所述反应器的一端进入所述反应器中，并在所述反应器的另一端除去被处理的材料。在这个过程中，所述材料基于塞型流动通过所述水平反应器。与传统的沼气工艺相比，基于塞流原理的沼气反应器可在显著提高干基含量的状态下运行(例如，在干基含量为10％至30％时)。因此，基于可处理干基原料的可能性，以及单位反应器体积的高能量收率和更紧凑的反应器构造，该方法可处理更多的原料。与传统的高含水工艺相比，该工艺的反应器中含有较少的水；因此，该方法在单位反应器体积下含有更多的可分解有机物。

已公开的wo2015/075298a1所提出的生产沼气的水平塞流反应器代表着现有的技术。然而，这种类型的沼气反应器的问题是从所述反应器的端部除去所述反应器中剩余的沼渣和其它固体材料。在本例中，由原料(例如玻璃，金属和石头材料)携带的较重材料，开始在反应器的整个范围内聚集，并积累在反应器底部。重质材料将搅拌器的操作与反应器的水平搅拌轴复杂化，搅拌器除了转移要分解的材料之外，还转移不分解的和重质固体材料。此外，固体材料的去除是有问题的，因为当使用真空从反应器中移除沼渣时，固体材料会堵塞排放连接。此外，这种类型的塞流反应器的问题是要有高空间。

技术实现要素：

本发明的另一个目的是提供一种与现有技术反应器相比更加可靠的、用于从生物质生产沼气的反应器，且不会因为原料一同携带的较重和不可分解材料而造成影响。本发明的特征在所附权利要求1中进行了阐述。

本发明反应器的发明目的可以通过以下反应器实现，包括一个框架，所述框架包括两个端部，即上端和另一端，在其内界定用于生物质的反应器空间，所述框架在竖直方向上是通道状的，用于生物质的垂直塞流，并且包括至少三个具有相关微生物菌株的连续区块；设置在所述框架外侧的外部骨架，用于外侧支撑所述框架来抵御所述框架内产生的静水压力；底锥，包括较宽的上端和较窄的下端，连接到所述框架的下端，作用是收集固体材料。所述反应器还包括：设置在所述框架上端的进料设备，用于将生物质进料到所述框架中；搅拌设备，用于搅动生物质并将微生物进料到生物质中，其至少有一部分是布置在所述框架内的；回收设备，用于回收微生物消耗生物质有机材料时产生的沼气；以及用于固体材料的固体材料去除设备，所述固体材料去除设备设置在所述底锥的下端，用于去除固体材料。

在这样的反应器中，生物质随着塞流在反应器中向下移动，即，受重力影响向去除设备移动，同时，由生物质携带的不可分解固体材料在所述反应器中自动地朝向所述去除设备移动。这样，固体材料借由重力通过所述框架下端的底锥，自动到达所述去除设备，并进一步的从反应器框架引出。因此，可消除固体材料在所述反应器内积聚的不利影响，例如反应空间的堵塞而减少。另一方面，当沿竖直方向布置时，本发明反应器仅在生产工厂中占据较小的面积，并且可通过并行放置反应器增加生产能力。当使用外部骨架时，所述反应器框架可具有更轻的构造，这是由于作用在框架内的静液压引起的向外力可由支撑框架的外部骨架承受，无需增加所述反应器框架的厚度。

优选方式下，所述搅拌设备包括废料收集和进料系统，用于收集来自所述区块的废料并将其作为高稠度浆料送入至少三个区块中。通过这样的反应器，可以通过调节所涉及区块的条件来优化在每个厌氧消化反应中使用的微生物操作环境。优化的环境改善了微生物的作用，从而加速了生物质分解成所需的最终产物，即，甲烷。所述废料收集和进料系统实现了所述区块前部废料中作为高稠度浆料的浓缩微生物菌株的供应，这确保在这个区块的初始部分中足够的微生物菌株。通过将废料供给到每个区块，还有可以减少所述搅拌设备所需的电动机功率。

优选方式下，所述搅拌设备由相对于所述反应器框架竖直方向横向设置的轴实现，用于搅拌每个区块中的生物质。无论连续区块的数量如何，横向轴都能实现每个区块独立的搅拌。

优选方式下，所述废料收集和进料系统的设置，通过所述搅拌设备将废料作为高稠度浆料进料，从而减少摩擦。同时，微生物菌株可以从区块的末端移动到其初始部分，或者如果需要，从一个区块移动到另一区块。如果需要，相同的进料设备可用于向所述反应器供应特定进料，当供应到所述反应器的初始部分时，供应是无用的，其中条件对于所供应的特定进料不是最优的。

所述废料收集和进料系统包括用于进料废料干基含量在3％至35％，优选15％至25％干的高稠度浆料储备泵。因此，该废料含有足够量的固体材料，固体材料表面上有产甲烷微生物，即，负责生成甲烷的微生物菌株大多是活的。

根据一个实施例，每个区块所述搅拌设备的支撑和操作元件位于所述框架的外部。因此，可以在所述反应器外进行搅拌设备的维护，这极大地促进了维护工作。

优选方式下，反应空间被分成多个区块，具体涉及厌氧消化的反应步骤，所述厌氧消化包括至少一个水解区块，一个酸发酵区块和一个产甲烷区块。因此，每个区块的条件可被特定地优化用于每个反应，从而优化沼气生产。优选方式下，水解区块的长度为反应空间总长度的25％-35％，酸发酵区块的长度也为25％-35％，产甲烷区块的长度为反应空间总长度的30％-50％。

当提及区块特异性微生物菌株时，对于本领域技术人员显而易见的是，每个区块具有不同区块的微生物混合群体。在水解区块中，水解必需的微生物菌株为所有微生物数量的50％-95％，这也同样适用于酸发酵区块。产甲烷区块的微生物菌株更加敏感，因此该菌株占该区块总微生物菌株的30-90％。

优选方式下，所述反应器还包括独立的温度控制设备，用于分别控制每个区块中的生物质的温度。这样，生物质的温度可以得到精确地控制，从而促进条件的优化。

优选方式下，外部骨架的设置用于各个区块之间的支撑。所述外部骨架保证了所述反应器结构整体刚性和所述搅拌设备轴的紧固点所需的支撑。

优选方式下，该反应器包括用于独立监测和控制每个区块的接种，搅拌和加热的设备。因此，每个区块可以独立于其它区块来控制。

根据一个实施例，所述反应器包括用于将生物质和/或沼气从所述反应空间的壁进料到生物质中以促进流动的二次进料设备。通过进料高稠度浆料或沼气，可以在同时接种生物质时降低所述反应器框架和生物质之间的摩擦。

优选方式下，所述反应器包括用于沼气的再循环设备，所述再循环设备连接到回收设备，用于在加压状态下将回收的沼气再循环到另一端，即所述反应器框架的下端，用于搅拌沼渣并将沼气与沼渣分离。应用所述再循环设备，搅动沼渣使得沼渣中剩余沼气可以被释放并上升到所述反应器上端的气体空间，在那里它可以被进一步回收。

用于沼气的再循环设备可包括流动通道，用于将所述回收设备连接到所述反应器框架的下端来再循环沼气，布置在流动通道中的泵，在将沼气进料到所述反应器框架之前，用于将沼气从回收设备抽吸并对回收沼气加压到所述框架底端。

优选方式下，所述反应器框架包括子框架，子框架彼此相同，除了它们的长度和高度不同之外。这样的构造优化该反应器制造成本。

优选方式下，每个子框架包括平面模块，每个子框架中的平面模块彼此相同。模块化反应器可以轻易地在船仓中打包并运输，并且在安装现场能够被快速安装并运行。

优选方式下，所述子框架形成直流道作为反应空间。垂直通道状结构使得生物质能够以塞流流动。

根据实施例，所述高稠度浆料储备泵是液压活塞泵。这种泵特别适用于输送高稠度浆料。

区块的数量至少三个，最佳是三到六个。因此，对于每个主消化反应至少存在一个区块，并且可以根据每种微生物菌株优化每个区块的条件。

在此文中所提及的区块，对于本领域技术人员显而易见的是，本申请中提出的区块是各自具有其自身的主要微生物菌株，且能独立控制的反应器组件。单个区块可包括一个或多个模块化子框架和搅拌装置。所述区块的边界可根据所提供的生物质产生的反应区而变化。优选方式下，区块边界是指微生物菌株的主要群体从一个群体改变到另一个群体的区域。优选方式下，所述区块之间不存在机械限定，例如中间壁或等效物，但所提供的生物质可通过所述反应器无阻碍地通过不同的区块。每个区块中的条件是不同的。此外，当提及生物质时，对于本领域技术人员显而易见的是，指供应到所述反应空间内，并进行厌氧消化的原料，而沼渣和废料是指从所述反应空间排出的高稠度浆料，这是作为厌氧消化的最终产物而产生的。

优选方式下，所述沼气回收设备布置在所述反应器框架的上端。在所述反应器中，沼气在由生物质形成的液体床中上升，并且它可以从所述反应器上端即上端轻易移除。

根据优选实施例，所述外部骨架是由钢制成的单独的格栅梁结构。此类骨架再被拆卸后，能够很轻易地被运输到现场并在现场组装。另一方面，由钢制成的格栅梁结构相对于其刚度而言，重量相当的轻。换句话说，所述外部骨架不是所述框架的一部分，而是相对于所述框架的单独实体。

根据另一实施例，所述外部骨架由纤维混凝土制成。纤维混凝土可以是3d打印的，这避免了在骨架制造过程中的人工焊接工作。

根据一个实施例，所述反应器框架由厚度为4-20mm的钢板制成。在本例中，所述反应器框架具有相当轻的质量，并且在可承受的材料成本下制成，因为所述框架外部的单独骨架提供了必要的强度。

或者，所述反应器框架可由厚度为100-400mm的纤维增强的混凝土3d浇注而成。当用纤维混凝土来构造时，在所述反应器框架制造过程中仅需要很少的手动焊接工作。

优选方式下，所述反应器框架的高度为相对于所述反应器宽度或长度的2至4倍。因此，当所述反应器体积主要是竖直朝向时，相对于占地面积，反应体积可以很大。

优选方式下，所述反应空间的横截面在材料流动方向上是正方形或矩形。因此，该结构易于制造，并且在有外部框架支撑时具有足够的结构强度。

优选方式下，所述格栅梁结构包括所述反应器框架两侧上的两个竖直部分和连接在竖直部分的水平部分。因此，所述格栅梁结构的竖直部分从地板和连接竖直部分的水平部件获得侧向支撑。

根据一个实施例，所述外部骨架被紧固到所述反应器下方的底板上，以防止所述外部骨架垂直部分的水平移动。这是特别重要的，因为由于作用在其中的静液压压力，最大的水平力经由所述反应器框架施加在底板竖直部分的连接点上。

所述格栅梁结构可轻易地由焊接在一起的空心管形成。通过这种方式，格栅梁结构重量轻且刚度好。

根据一个实施例，所述搅拌设备包括：刀片搅拌器，所述刀片搅拌器通过轴被水平地支撑在所述反应器的框架上；驱动马达，其用于旋转所述刀片搅拌器；齿轮系统，其布置在所述驱动马达和所述刀片搅拌器之间以用于作用力的传输，而轴承位于所述反应器框架的外部。因此，由于所述维护部件位于所述框架外部，所述搅拌设备的维护工作较为简便。

本发明的反应器可以利用厌氧消化生从物质生产沼气，其方法为将生物质作为进料供给到使用机械供给设备的反应空间中，随着塞流垂直下移，同时推动在反应空间中的生物质。在反应空间被分为连续区块的每个区块中将生物质单独搅拌，用于将生物质进料至区块特异性的微生物菌株中，并在反应空间中进一步转移生物质，所述反应空间至少具有三个区块，每个区块都包括其自身的主要微生物菌株。由于生物质厌氧消化，因此产生的沼气被回收。每个区块的微生物菌株被进料到相应区块的前部，并且至少在这些区块中的两个区块中，所述供给由从所述区块获得的作为高稠度浆料的废料组成。使用区块特异性调节的条件，较现有技术方法，可在更优化的条件下进行每个厌氧消化反应。在此文中，"前部"是指区块的开始，即相对于生物质行进方向的相反方向。由于微生物菌株可在此得到显著增强，微生物菌株被供给的位置决定了该区块的起始点。本发明能够实现的原因是在每个区块前，增加微生物菌株的供应，从而增加微生物菌株的浓度，这显著地加速了该区块中的微生物菌株在最优状态的生长，进而提高了微生物反应，进一步提高了沼气的产量。

优选方式下，微生物菌株在所述区块内作为废料从所述区块末端到所述区块开端进行再循环。所述再循环将所述区块末端处浓缩的微生物菌株转移到所述区块的开端，其中开端处微生物菌株较为微弱。

通过废料收集和供给系统，以一定间隔的方式将废料在区块前部后移进料，送至吸入阀，从而保持所述废料收集和供给系统的清洁。该后移进料的方式可以有效地防止所述收集系统的堵塞。换句话讲，废料有时可以经由所述区块的排出连接位置后移进料，送至已获取废料的区块中。

所述搅拌设备可由旋转的刀片元件组成，设置在生物质运行的方向上最后的区块的搅拌设备，运行方向与其它区块的搅拌设备相反。相反的搅拌方向促进了固体生物质产甲烷时沼气气泡的释放。

优选方式下，通过向后旋转所述搅拌设备来接种生物质。在此文中，"后移"意味着搅拌设备以如下方式旋转，即其用于移动生物质的力朝向所述反应器的上端施加，其中至少生物质的主要部分被进料到所述反应器中。通过移动可分解的生物质返回到所述反应器中，可以确保微生物菌株扩散到待分解的原料，同时分解产物也离开了微生物的周围区域。

根据一个实施例，经由所述搅拌设备将液态进料输入到所述反应器。这样，可以根据输入所需的处理时间将进料进料到所述反应器的指定点上。换句话说，例如，所述反应器的第一区块可以将易分解的原料排除在外，这种方式减少了生物质在所述反应器中的停留时间。

优选方式下，生物质的温度在每个区块中被区块特异性地调整。区块特异性的温度调节使得生物质的生产条件能够更准确地优化。在此文中，温度调节就是根据情况对生物质进行加热或冷却。例如，供应到所述反应器的生物质需要加热，并且可以从所述反应器末端排出的生物质中回收热量；即，可通过冷却生物质来对供给原料进行预热。

每个区块的接种和加热可以独立地监测和控制。通过上述方式，本发明能够保证每个厌氧消化反应在有利于反应的条件下进行。通过独立控制，这些区块和反应条件几乎相互独立。

根据另一实施方案，沼气可从所述壁进料以促进生物质流动。沼气通过分离生物质内的沼气气泡而有效地将生物质与反应空间的壁分离。这在反应器最后一个区块中是非常重要的，因为该方法能防止沼气连同沼渣一起被移除。

在本发明的反应器中，在所述反应器反应空间中区块特异性地搅拌生物质。这种搅拌方法的优点是可以通过局部向前或向后移动浆料的方式，区块特异性地搅拌所述反应器。每个搅拌器的操作可单独调节；即，对于每个区块，搅拌的效率和方向及所述反应器的温度(在20℃和55℃之间)是可调节的。所述反应器(例如ph，温度，气体产生)的条件可以局部和区块特异性地(传感器在每个区块的区域里)实时监测，并且可以将获得的信息与搅拌和所述反应器的负载进行比较。通过将至少两区块微生物菌株在所述区块前部生物质行进方向上作为高稠度废料后移时，在整个区块中保证了微生物菌株的充足数量。与基于纵向搅拌轴的沼气反应器相比，差别在于，微生物菌株可在所述反应器中局部地和区块特异性地向后移动，从而局部地增加在该区块区域中产生厌氧消化反应的活性微生物菌株。同时，可以区块特异性地优化所述反应器的条件，并根据消化链不同步骤中所涉及的微生物最佳条件对环境进行局部优化。因此，可以更好的获得消化结果并且最大化沼气生产。

所述反应器的进料设备可以布置在所述框架中，使得所述进料设备将生物质进料到所述反应器框架内的液面以下。因此，可以确保空气不与原料一起进入，空气进入对厌氧消化的微生物菌株有影响。

本发明所述反应器的构造优选模块化预制。模块指的是混凝土板状的框架部件，它们被组合以形成通道状的子框架，并且当被连续放置时形成所述反应器框架。基于预制模块的沼气设备的优势，包括设备的尺寸易于扩展(通过增加子框架的数量和长度；即，通过调节反应器的尺寸)，可以快速的在现场进行安装和生产(例如,相对于传统的经常从现场混凝土浇注到模具中的沼气厂解决方案)，生产具有标准尺寸的模块能够实现连续工作，降低了制造成本。此外，多模块可通过常规集装箱，方便地运输所述反应器。在此文中，子框架表示形成所述框架的物理结构，其中所述模块在所述子框架内形成反应空间，而区块表示在调节和控制方面的独立结构，并且可以由一个或多个子框架组成。

基于本发明的反应器的生物质分解产能是：对应于每天每个反应器，单位体积内可将9-12kg的生物质分解成有机物(9-12kgvs/m³/d)。该量可能根据进料的特性而显著变化。基于本发明的所述反应器的优点，例如，可以制造出显著小于现有技术的反应器。

附图说明

下面通过参照附图详细描述本发明，附图中展示出本发明的一些实施例，其中：

图1是从原料到最终产物的生物质厌氧消化的基本视图，

图2是基于本发明所述反应器的侧视横截面视图，

图3是基于本发明所述反应器的横截面端视图，

图4是基于本发明所述反应器的侧面视图，

图5是基于本发明所述反应器的实施方案流程图，

图6是基于本发明所述反应器的整体视图。

具体实施方式

根据图1，厌氧消化的过程包括几个步骤100，在此期间微生物分解有机物。由于每个反应是在对于每种反应最优的条件下进行的，所以高效地利用厌氧消化生产沼气极大地依赖于各子过程的优化。在有利于多糖水解102和发酵的条件下，ph范围约为6.5到7之间。在有利于糖的发酵，即酸发酵104的条件下，ph范围约为5到6。在有利于生成乙酸106的条件下，ph范围约为6.5到7.5。在有利于生成甲烷108的条件下，即产甲烷，ph范围约为6.5到8.0。如果ph低于6，则产甲烷所需的微生物菌株会被杀灭。此外，浆料的低含量氧有利于水解步骤，然而氧对产甲烷步骤中的微生物有剧毒。此外，在产甲烷和产乙酸生成步骤中涉及的微生物对抑制剂(例如，短链脂肪酸，氨)的积累非常敏感。例如，在该方法中使用的温度范围可在35℃和37℃或大约55℃。然而，温度可以根据投料和微生物菌株而变化。由于在该方法中用作原料的生物质成分可能变化很大，厌氧消化中所包括的反应也会发生变化。

下面是根据本发明所述反应器构造更为详细的描述。根据图2和图4，根据本发明所述反应器10是由所述模块化框架12组成的。更确切地说，优选方式下，所述模块化框架12包括3至10个子框架46，它们在垂直方向上形成所述反应器10的所述通道状框架12，从而限定反应空间14，其中生物质16经由厌氧消化分解为沼气和沼渣。如果需要，所述子框架可在十个以上。所述子框架46是具有相等直径和形状的通道状的结构，并且只有所述子框架46的长度可以在生物质的行进方向上变化，即在所述反应器的竖直方向上。例如，所述子框架的宽度和长度可以是2.2米，在这种情况下，仅子框架的高度和数量依据所述反应器所需体积而变化。例如，一个子框架的高度可以是3m，在该文中，所述反应器10的竖直方向与生物质16在反应空间14中的塞流行进方向相同。形成子框架的模块是可预制的、表面完成并绝缘的。优选方式下，所述子框架46由所述反应器10内的外部骨架50锁定就位，如图2和4所示，使用密封件或焊接密封在一起。单个的外部骨架50锁定所述子框架46以形成所述反应器10的连续框架12。所述子框架46的形状可以是正方形，举个例子，这些被限定的所述反应空间14的横截面也可以是四边形或正方形。另一方面，反应空间的横截面也可以是其它形状，例如圆形；然而，在这种情况下，需要使用用于搅拌设备的竖直轴，其中不同区块的搅拌设备由离合器连接在一起。

如图4所示，所述外部骨架50优选为由钢制成并与框架分离的格栅梁结构94，其中梁以网格形式焊接以提供刚性构造。优选方式下，所述格栅梁结构94包括所述反应器10中所述框架12两侧的两个垂直部件94.1及连接所述垂直部件94.1的横向部件94.2。所述垂直部件94.1从所述侧部到其外表面支撑在所述反应器10的所述框架12上。所述反应器框架内的流体静压力倾向于向外推动所述反应器的壁，但是由所述外部骨架提供的反作用力充当该过程的反作用力。例如，所述外部骨架50可以紧固到所述反应器10下方的底板11上，如图4所示，或者用螺栓连接到生产车间的地板上，使得所述外部骨架50的竖直部分94.1不可在水平方向上移动。格栅梁结构的梁可由空心管焊接在一起。因此，该结构在其材料成本方面是可负担的，且有足够的刚性。外部骨架的使用使得所述反应器框架具有相当薄的结构，这在没有所述外部骨架提供的外部支撑情况下是不可能的。或者，网格梁结构外部的骨架也可以形成为线缆结构。

除了所述框架12和所述外部骨架50之外，所述反应器10包括底锥17，其收集在反应器中向下通过的固体材料，如沼渣及由生物质携带的不可分解的材料，例如玻璃，金属和石材。所述底锥17包括上端90，与所属反应器10内的所述框架12下端13.2具有相等尺寸，及比之前提及的更窄小的下端92，下端92与所述反应器的去除设备27相连接。锥形形状的所述底锥收集存在于所述框架内的所述固体材料，即，所述固体材料依靠重力到达所述固体材料去除设备，而不需要单独的转移设备或刮板。固体材料去除设备27通过底锥17排出所述反应器10底部积聚的沼渣和其它固体材料。例如，固体材料去除设备27可以由能够将固体材料从所述反应器框架移出的螺旋输送机组成。

除了固体材料去除设备27之外，所述反应器10包括进料设备25，其用于将生物质进料到反应器10框架12内的反应空间14液面以下。所述进料设备25可以是机械的，例如螺旋输送机或类似设备，其将生物材料进料到第一子框架46中。设置在螺旋输送机25.1附近的进料漏斗25.2，通过该进料漏斗将原料进料到所述螺旋输送机25.1上。进料设备和固体材料去除设备可以位于所述框架的同一侧，在这种情况下，整个反应器所需的占地面积小于当将进料设备和固体材料去除设备放置在相对位置时的占地面积。

根据图2，所述反应器10还包括至少部分布置在所述框架12内部的搅拌设备20，搅拌设备20用于搅拌所述框架12内作为原材料的生物质16。根据本发明，每个区块24优选方式下包括其自身的搅拌设备20，可由刀片搅拌器36组成，如图3所示，其由轴48支撑，所述轴48相对于所述反应器10的竖直方向通过所述子框架46横向布置。区块24是指一个或多个子框架46的受控和调整单元，其中条件可调整以适应主微生物菌株在区块区域中的微生物作用。根据本发明的优选实施例，每个区块24包括其自身的至少一个刀片搅拌器36，使得能够对每个区块分别搅拌生物质16。或者，除了刀片搅拌器，可以采用螺旋搅拌器或等同的机械装置，或刀片搅拌器和螺杆的组合，其在所述反应空间中可以在不同方向上，也在轴的方向上移动生物质。根据图2，刀片搅拌器36的数量可以等于所述子框架46的数量，因此，区块24的数量也可以相等。

图3是基于本发明所述反应器的横截面垂直视图。优选方式下，所述搅拌设备20的支撑也可以与图4的所述外部骨架50相关联地布置在所述反应器10中。在这种情况下，每个刀片搅拌器36的驱动电机和齿轮系统66及所述轴48的所述轴承64位于所述反应器10的所述框架12的外部，这显著地改善了所述搅拌设备20的维护工作。

所述反应器10还可以包括温度调节设备18(见图5)，用于将生物质16的温度调节到微生物作用的最优温度。优选使用独立于所述区块的搅拌和温度控制设备，可使温度和搅拌条件达到对于每一区块中的微生物作用是最佳的状态。例如，所述温度控制设备18可以由安装在所述子框架46的所述模块52中的电阻组成，如图4所示，其用于加热所述子框架46及所述生物质16。加热对于前两个区块是重要的，而在随后的一个或多个区块中，甲烷开始产生，加热生物质不再是绝对必要的，或者甚至可以在不显著影响沼气产量的情况下进行冷却。例如，可以使用包括在温度控制设备中的热交换器进行冷却，所述热交换器可以预热供应到所述反应器的生物质。还可以用气体锅炉加热循环系统中的水，这可以在三个或更多个区块特异性回路中进行有利地控制。

为了回收作为产物的沼气，所述反应器10包括用于从所述反应空间14收集沼气的回收设备22。所述回收设备22可以由图2的管道系统54组成，在所述框架的上部(即，框架的上端13.1)形成沼气，用储罐78或同类设备进行回收。

在基于本发明的所述反应器10中，所述搅拌设备20包括图2所示的废料排出收集和供给系统56，所述排出收集和供给系统56被布置在所述子框架46旁边，并且该收集和供给系统56收集来自分解生物质16的废料以将其进料到所述区块24的前面。所述收集和进料系统在图4中未示出；然而，对于本领域技术人员显而易见的是，所述子框架46包括这样的设备。在此文中，废料是指高稠度的浆料。高稠度浆料干基含量在3-35％范围内，优选为15-25％。另一方面，在一些情况下，3-5％干基含量的浆料也可以称为低稠度浆料。根据图2，所述收集和进料系统56包括单个高稠度浆料储备泵57，用于在管道中转移废料。依据所述反应器10的控制系统的控制，布置在管路中的阀门系统88打开区块24的阀门82和84，并关闭其它区块24的阀门82和84。在区块前面的废料供应意味着在废料排放连接之前将废料供应到进料连接；然而，在一些情况下，也可以甚至在相对于排放连接之前的进料连接更前的进料连接供应废料。有利的是，废料在每个子框架旁边被收集，因为在所述反应器中存在的液体可产生便于废料转移的液体压力。

由于废料的收集有利于接种，所以必须确保废料收集和进料系统保持清洁，并且在良好的操作状态下。为此目的，有时可以经由排出连接向后供给废料。通过上述方式，本发明能够防止管路内部的阻塞。例如，当自动化系统监测流速时，可一天两次或在当泵或泵组的吸入侧检测到阻塞物时进行清洁。在这种情况下，自动化系统通过逆流自动尝试移除阻塞物。

当废料在区块中移除时，可以沿着图3所示的管路40在高压下供应废料到位于所述刀片搅拌器36的所述中空轴48内，并穿过所述刀片搅拌器36的所述刀片45。在此文中，高压表示压力在0.2到20兆帕之间。所述刀片可包括喷嘴，当使用刀片搅拌器时，所述废料通过喷嘴被供应到生物质中。或者，除了废料外，液体生物质可以作为供给，通过所述搅拌设备输入。

根据一个实施例，所述反应器另外包括图2所示设备30，其用于减少生物质与包含在反应空间中的生物质之间的摩擦，所述设备30包括图2所示设备58，用泵将高稠度浆料和/或沼气从图4所述子框架46的壁44送到所述子框架46中。参考标号42表示所述子框架46的底板42。高稠度浆料和/或沼气减少了在所述子框架46和所述模块52中的生物质16之间的摩擦，且降低了所述搅拌设备20的功率要求。高稠度浆料和/或沼气可以以逐点的方式供应，在这种情况下，供应到生物质中的高稠度浆料和/或沼气置换生物质并因此形成开口，从而改善了可分解生物质在反应空间中的推进。然后，所述高稠度浆料为生物质废料。虽然高稠度浆料和/或沼气降低了生物质与所述反应器框架之间的摩擦，但是它同时也接种了所述反应器。另外，液体/气体的搅动“释放”了与固体材料结合的气体，并确保甲烷不与废料沼渣一起移除。

在该文中，对于本领域技术人员来说显而易见的是，除了搅拌之外，所述搅拌设备，例如刀片搅拌器，还起到主要元件的作用，除重力外，将生物质以塞流方式进一步被推动。根据实施例，所述框架内表面可包覆聚四氟乙烯的涂层，例如，这减少生物材料与所述框架之间的摩擦并防止生物材料附着在框架的内表面。

优选方式下，根据本发明所述反应器包括大量的测量传感器，可实时监测每个区块的状态。要测量的参数至少包括每个区块中的ph和温度以及反应器的总气体产量。基于这些，针对所述搅拌设备，温度控制设备和废料供应(具体针对到每个区块)形成单独的控制参数。优选方式下，还基于相同的标准，为用于减小设备内摩擦建立控制参数。生物质中所含的有机物量也可以是一个测量对象。

根据本发明的方法，反应器的主体空间的被填充液体和生物质，使得供应到所述反应空间的新原料(即，将待分解的生物质)进料到液位以下。这保证了空气不能与生物质进入所述反应空间，防止破坏厌氧消化的微生物菌株。虽然，为清楚起见，图2未示出液位和生物质，但是对于本领域技术人员显而易见的是，生物质几乎填充到了所述反应空间14的顶板，并且液位从所述反应器10的所述框架12上端13.1延伸到约20-200cm的距离；即，生物质供给的末端。控制所述反应器内沼渣的移除从而确保必要液位。所述微生物菌株可从另一个反应器转移到所述反应空间，例如在反应器的活化过程中。所提供的生物质可以是社区，农业或工业中产生的可降解生物质，例如动物粪便，或是由家庭，餐馆，贸易或食品行业产生的生物废料，废水清洁的污泥，植物生物质或类似物；然而，不应当是具有高木质素含量的材料，例如没有木质素分解的木浆。

优选方式下，在所述反应空间中浆料的干基含量在10％和35％之间，比这更干的材料就难以搅动。沿着所述反应器到达末端，干基量随着分解进一步减小。例如，可以用螺旋进料器将生物质供应到所述反应空间。例如，根据原生物质有机物含量和生物可降解性，可以一天24小时按小时间隔投料。

根据本发明的方法，根据图2，生物质16可以以四种不同的方式接种：通过旋转所述搅拌设备20，通过所述废料收集和进料设备56将废料进料到所述搅拌设备20，通过使用减少摩擦的设备30从所述反应器10的所述框架12侧面供给高稠度浆料和/或沼气，或者通过在进料到所述反应器前将废料添加到进料中。当厌氧消化反应在所述反应空间发生时，气体产生，ph和温度被持续监测，而为了节能，接种和搅动可以间歇性进行。由于这些改变，反应器搅拌，加热，生物质供应和废料供应由所述废料收集和进料系统控制。例如，如果检测到ph下降到不正常位置，或在区块区域中气体产量减小，可通过改进该区块中的搅拌和增加或减少对该区块的废料供应来改善局部影响。

所述搅拌设备20的作用是在所述反应空间14中推进生物质16并搅动，使得微生物接收新营养。如果搅拌不够频繁，围绕在微生物周边可产生抑制微生物作用的分解产物层。例如，可以每小时搅拌15分钟，同时将废料进料到区块。优选方式下，除了搅拌方向提供侧向力以外，搅拌也在与塞流方向相反的方向上进行，这就提供了不同类型的搅拌。例如，当使用刀片搅拌器时，平行搅拌始终使生物质以相对于刀片搅拌器的特定地点、特定方向移动。搅拌方向的变化增加了搅拌方向多样性，从而改进了生物质搅拌，微生物接种以及有机原料产量。通常，所述反应器中生物质通过可在11至50天之间完成，这取决于用作原料的生物质。

根据所测量的值来确定搅拌和搅拌方向；然而，在开始推进生物质的搅拌之前，通常稍微向后搅拌。搅拌的效率在所述反应空间中的每个区块是不一样的。在最后的区块中，搅拌是最有效的，以便从存在于所述反应空间的沼渣中分离残余沼气体，该气体可在固体沼渣中作为气泡存在于所谓的气袋中。这对于实现高效的沼气回收并防止强温室气体甲烷从沼渣中逸出到大气是重要的。优选方式下，在最后一个区块中，与其它区块相比，搅拌设备在相反方向上旋转，这用来改善搅拌质量。从所述反应器移除的沼渣可被转移至分离部分，其中液体与其分离。例如，该液体可用于清洁所述废料收集和进料系统。

在所述反应空间的无氧条件下，微生物的作用是进行生物质的厌氧消化，根据现有技术，包括水解，酸发酵(产酸)，乙酸生产(产乙酸)和甲烷生产(产甲烷)步骤。在这些情况下，各个步骤和相关反应在所述反应空间中逐渐发生，且彼此有部分重叠。优选方式下，水解和产酸主要发生在所述反应空间的初始部分，而产乙酸和产甲烷主要发生在所述反应空间的末端。作为反应的产物，含有约50-75％(v/v)甲烷(ch4)的沼气可由生物质产生并作为最终产物，而其余部分主要包括二氧化碳(co2)。除此之外，所述最终产物可能含有少量的其它气体和杂质，例如含量为100到3000ppm的硫化氢(h2s)。根据沼气的最终用途，利用该方法得到的沼气可以净化除去二氧化碳，可被用作车辆燃料。另一方面，沼气被用于燃烧锅炉来产生能量和地区供暖，沼气可以被类似的运用。

作为分解反应的产物，在原料输入中50％至90％的有机物被转化为所述反应空间中的沼气和液体。如果需要，作为副产物生成的沼渣也可以以其它方式被进一步干燥或处理，并且被用于施肥或作为土壤调理剂。

基于本发明反应器的尺寸可根据应用而变化。例如，反应器的尺寸可以是2mx2mx4m(l，w，h)，但也可扩展到12mx12mx50m或者更大。对于大反应器尺寸，可使用多个进料装置实现均匀供给。在这里，12m是指所述反应器的长度和宽度，50m是指反应器在塞流方向上的高度。

根据本发明的反应器控制可以通过使用常规pc作为用户平台来实现，在该平台上运行反应器控制软件。现场总线用于pc和制动器，传感器和需要控制的其它装置(例如阀)之间的数据传输。根据本发明的方法可以实现完全自动化，在这种情况下，软件根据预选规则控制所述反应器的运行。

图5表示将本发明实施例的反应器连同与反应器相关联的辅助设备作为流程图。在一个实施方案中，所述流程在进料台处开始，此处固体生物质作为捆包被供应到所述进料台，随后所述捆包被拆包机破碎成更小的块。进料台和拆包机未在附图中显示。从拆包机开始，所述进料降落到进料漏斗25.2，再经过螺旋输送机25.1，其通过所述进料连接71以规定的预设间隔(例如一小时)将进料供应到所述反应器10中。一种用于进一步破碎进料的破碎机管可被放置在进料连接件71中。除了固体生物质之外，为减少摩擦，所述进料连接件71可通过管线75从所述反应器供应液体废料。所述反应器10还可以供应液体进料，例如储存在所述罐76中的脂质，液体进料可以经由所述废料收集和供给系统56的高稠度浆料储备泵57输送到所述反应器中。

根据图5，所述反应器10可包括四个机械搅拌器，在此文中是刀片搅拌器36。搅拌器也可平行放置，此时单个搅拌器的直径更小。每个刀片搅拌器36包含电动机65和其自身的变频器，可用来调节旋转的速度。例如，单个电动机的输出可以是4kw，并且每分钟旋转6转。所述反应器10的所述框架12被分为至少三个区块24，即水解区块，酸发酵区块和产甲烷区块。在每个区块24中，所述废料收集和进料系统56在所述区块的前面供应废料。根据图5，废料通过所述排放连接件60从区块中移除废料，并且优选地利用由所述高稠度浆料储备泵57产生的真空度将高稠度浆料供应到所述收集和进料系统56中。例如，在第三刀片搅拌器36′处，当所述排放阀82′打开时，通过排放连接件60′移除废料。废料通过高稠度浆料储备泵57并通过打开的进料阀84′供应到废料进料连接62′中。在这种情况下，废料进料连接62′优选地位于所述刀片搅拌器36′的刀片上。一般来说，参考数字62表示进料连接，参考数字82表示排放阀，参考数字84表示进料阀。

换句话说，每个区块的微生物菌株更好地以微生物的方式在区块内再循环，循环方式为微生物菌株被从所述区块中移除，并且更好地通过搅拌设备返回到所述区块中。在每个区块中，所述废料排放连接位于离所述搅拌设备或所述废料进料连接的一定距离处，其中废料被进料到所述区块中。该距离根据所述反应器的尺寸而变化；然而，优选地，所述进料连接和废料排出连接位于对应于所述区块长度0.2至0.6倍的距离处，所述排出连接尽可能靠近所述区块的末端。所述距离使得所述微生物菌株能够在所述区块内自然发育。

基于所述反应器10液位计的测量数据，当超过预选液位时，使用泵68从所述反应器10的端部(即，从最后的区块24)去除已分解的生物质，即，沼渣。沼渣的去除被更好地输送到干燥沼渣贮存器中，其中干物质和液体使用基质管分离。在所述反应器中产生的沼气可在气体储存器78中回收。优选方式下，与所述气体储存器相关联的冷凝井81用于收集在100％湿度下从沼气中冷凝的水。部分沼气可利用燃气锅炉74加热所述反应器的液体加热回路77。

根据一个实施例，所述反应器10包括连接到所述回收设备22的沼气再循环设备，用于在压力下将回收的沼气再循环到所述反应器框架的下端，以便搅拌沼渣并将沼气从沼渣中分离。如图2所示，用于沼气的再循环设备包括用于连接所述回收设备22到所述反应器10框架12下端13.2的流动通道，用来再循环沼气；以及被布置在流动通道中的泵33，其用于从回收设备中抽吸沼气，并将沼气进料到所述反应器10框架12之前，对将再循环的沼气加压到所述框架12的下端13.2。

根据本发明的反应器的所述框架，是通过钢板焊接制成，但是所述框架也可以由3d打印材料制成。例如，此类材料包括混凝土，纤维混凝土或复合材料。相应的，外部骨架优选由钢制成，但基本上外部骨架也可以使用混凝土或纤维混凝土进行3d打印。根据本发明的具有竖直框架的反应器也优选用3d技术打印，因为3d打印机的打印头传送距离小于水平反应器中的距离。

根据本发明的反应器可以在没有间隙的情况下较为容易的并排安装，这更容易增加整个反应器的容量。本发明的所述反应器占地面积较小，可被并排放置。在根据本发明的所述反应器10中，所述进料设备25和固体材料去除设备27可以被放置在同一侧，在这种情况下，用于所述反应器10的进料设备25和固体材料去除设备27的建筑可以是一个及相同的建筑物99。例如，生物质可以用卡车98运输到建筑物内。