一种恒温式厌氧发酵装置

本发明属于厌氧发酵设备领域，具体涉及一种恒温式厌氧发酵装置。

背景技术：

厌氧微生物对发酵罐内温度相当敏感，维持发酵罐内的恒温环境对于实现甲烷产量最大化是至关重要的。目前人们普遍采用盘管加热，但盘管加热清洗比较困难，而且过高的温度会杀死厌氧菌，也有的使用夹套加热，但是夹套加热对于比较靠近壁面的反应物有比较好的加热作用，而靠近正中间的部分则温度不均。再者，当厌氧发酵到一定程度后会自身产生热量，这时候需要合适的散热以及均匀的罐内反应物温度。

现有技术的缺点就是难以维持发酵罐里的恒温状态，由于温度控制不好导致的无法保证甲烷产量的最大化。为了进一步提高生物质能源转换效率，新型沼气设备的研发设计和发酵工艺过程的优化改进是不可或缺的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种恒温式厌氧发酵装置。本发明使用了中间镂空的四斜叶桨，以及中间镂空的转轴，转轴采用的是重力式热管结构，转轴和桨叶中间充入液体且抽真空后封装，极大的增加了导热性，在旋转的时候可以把靠近壁面的温度更加快速的传递到桨叶上，桨叶与混合物接触能够增加反应物的温度均匀度，同时当底部反应物温度高于顶部时，转轴也可把底部温度传递到顶部，起到一个很好的均温作用，当静止时桨叶也可以起到一个很好的均温作用。这极大的改善了反应物的温度均匀性问题，同时不耗费能量。

本发明的换热夹套采用特殊结构设计，其内层有换热盘管和储热介质构成，换热盘管用于与外部循环水系统进行热量交换，储热介质则增加换热盘管与装置本体的换热面积，并使装置本体壁面的温度趋于均一，在发酵罐内温度过低时(例如低于35℃)，储热介质发生相变，放出热量。换热夹套的中间层采用隔热材料减少热损失。

本发明进一步设计有换热盘管内流量的自适应调节系统，其具体是由中空挡板配合活塞结构实现的。通过该结构，当装置本体内温度升高时，中空挡板内的膨胀液即可根据装置本体内温度的情况发生体积的变化，继而推动活塞；装置本体内温度越高，活塞被推出的程度越大。当装置本体内的温度高于一定值后，活塞就将完全堵死进水口，而当温度降低时，活塞可在拉簧的拉力作用下打开进水口。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种恒温式厌氧发酵装置，其包括装置本体，所述的装置本体的外围设置有换热夹套，所述的装置本体内设置有搅拌装置，所述的搅拌装置包括转轴和搅拌桨；所述的转轴沿装置本体的高度方向上固定连接有一个或多个搅拌桨；所述转轴为重力式热管结构，其内部中空，并部分填充介质且抽真空后构成热管结构；所述的搅拌桨的每个浆叶均为平板式径向回转热管结构，桨叶内部采用中空设计，并部分填充介质且抽真空后构成热管结构；

所述的换热夹套包括三层结构，由内至外分别为内层、隔热层和外壳层，其中内层为空腔结构，且在空腔内设有换热盘管，换热盘管的进、出水口连接热水循环系统，内层空腔内填充有相变材料；

所述换热装置本体内部的壁面上设置有多个挡板，其中一块挡板为中空挡板，其设置在换热盘管进水口所在位置处的装置本体内侧壁面上，该中空挡板内部填充满膨胀剂，该中空挡板具有一个与内部空腔连通的开口；开口处设置有一个活塞结构，所述活塞结构包括活塞通道和位于活塞通道内的活塞，所述活塞通道连通换热盘管进水口和中空挡板内部空腔；所述活塞通过一拉簧与中空挡板内部壁面相连以复位其位置；

所述装置本体上设置有物料进口、物料出口和气体出口；所述气体出口上设置有流量计；所述的装置内设置有温度传感器。

作为本发明的优选方案，所述的转轴充液率为18-23％，长径比为20-25，内部介质为水，控制转轴中空结构内部压强使水的沸点为35℃。

作为本发明的优选方案，所述的搅拌桨采用四斜叶桨，倾斜角度为45°，桨叶内部填充水，充液率为10-15％，控制内部压强使水的沸点为35℃。

作为本发明的优选方案，所述的搅拌桨的桨叶厚度为3-5mm，宽长比为0.2-0.25。

作为本发明的优选方案，所述的换热盘管进、出水口通过阀门连接热水循环系统；所述的热水循环系统的循环水温度为35-55℃。

作为本发明的优选方案，所述的温度传感器包括用于检测物料不同高度温度的温度传感器组。

作为本发明的优选方案，转轴上设置有两层或三层搅拌桨。

作为本发明的优选方案，当膨胀剂膨胀时，可推动所述活塞沿活塞通道移动；所述活塞移动到其最大行程位置时，可完全阻塞换热介质从进水口进入换热盘管。

本发明还进一步公开了一种所述装置的恒温式厌氧发酵方法，其包括如下步骤：

物料通过物料进口投入恒温式厌氧发酵装置内，换热夹套通过阀门连接热水循环系统，搅拌装置连接电机，安装用于检测装置中部物料温度的第一传感器和用于检测物料不同高度温度的第二传感器组；打开电机，控制阀门使换热夹套连接热水循环系统，循环水温度为35-55℃；换热夹套内层的储热介质使换热盘管中循环水的温度更均匀的传递到装置本体内，同时当发酵罐温度降低时能够起到放热左右，其相变温度在35℃；

当气体出口的流量计检测到有气体产生时，即认为发酵过程已经发生；在发酵过程中，中空挡板内的膨胀剂体积将随装置本体内部温度变化而变化，当温度过高时，中空挡板内的膨胀剂受热膨胀将推动活塞部分或全部阻塞换热盘管，从而可以改变循环水流量甚至完全关断循环水；在温度下降时，活塞可在拉簧拉力作用下向初始位置复位；

在发酵过程中，物料经搅拌带动混合，设置在内壁上的挡板通过与物料碰撞进一步强化混合，转轴和桨叶内液体的相变温度均控制在35℃，搅拌桨上设置的热管结构提高物料在径向方向的温度均一性，转轴提高物料在高度方向的温度均一性；

发酵过程中实时监测第二传感器组中各传感器的温度，当不同高度的检测温度差值大于设定阈值时，增加电机转速，提高物料的搅拌均匀度；

当气体出口流量计检测到产气速度为平均产气速度的四分之一时，打开卸料口排出废弃底物污泥，投入新料进行厌氧发酵作业。

附图说明

图1为本发明实施例中恒温式厌氧发酵装置的结构示意图；

图2为本发明换热夹套的筒体部分结构示意图；

图3为换热夹套内层的换热盘管结构示意图；

图4为本发明转轴的结构示意图；

图5为实施例中四斜叶桨的示意图；

图6为四斜叶桨的俯视示意图；

图7为图6的a-a剖视图；

图8为四斜叶桨叶片加工前处于平直状态的内部示意图，其中(a)为宽度方向截面，(b)为长度方向截面；

图9为活塞结构的示意图；

图10为膨胀液膨胀时活塞堵住进水口示意图；

图11为活塞与拉簧的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本实施例提供了一种恒温式厌氧发酵装置，如图1所示，其包括装置本体1，所述的装置本体的外围设置有换热夹套2，所述的装置本体内设置有搅拌装置，所述的搅拌装置包括转轴3和搅拌桨4；所述的转轴沿装置本体的高度方向上固定连接有一个或多个搅拌桨。

如图2和3所示，所述的换热夹套2包括三层结构，由内至外分别为内层21、隔热层22和外壳层23，其中内层为空腔结构，且在空腔内设有换热盘管211，换热盘管的进、出水口连接热水循环系统，内层空腔内填充有储热介质。

所述换热装置本体内部的壁面上设置有多个挡板5，其中一块挡板为中空挡板51，其设置在换热盘管进水口所在位置处的装置本体内侧壁面上，该中空挡板51内部填充满膨胀剂，该中空挡板具有一个与内部空腔连通的开口；开口处设置有一个活塞结构，所述活塞结构包括活塞通道511和位于活塞通道内的活塞512，所述活塞通道连通换热盘管进水口和中空挡板内部空腔；所述活塞通过一拉簧513与中空挡板内部壁面相连以复位其位置。

如图4-8所示，所述转轴为重力式热管结构，其内部中空，并部分填充介质且抽真空后构成热管结构。所述的搅拌桨的每个浆叶均为平板式径向回转热管结构，桨叶内部采用中空设计，并部分填充介质且抽真空后构成热管结构。

所述装置本体上设置有物料进口11、物料出口12和气体出口13；所述气体出口上设置有流量计；所述的装置内设置有温度传感器14。

在本发明的一个优选实施例中，如图4所示，所述的转轴充液率为18-23％，长径比为20-25，内部介质为水，控制转轴中空结构内部压强使水的沸点为35℃。在本发明的一个具体实施例中，所述的转轴采用碳钢材质，使用碳钢-水热管形式，充液率为20％，长径比为22，内径14mm，压强为5622pa，该气压下水的沸点为35°。

如图5-8所示，所述的搅拌桨采用四斜叶桨，倾斜角度为45°，桨叶内部填充水，充液率为10-15％，控制内部压强使水的沸点为35℃。桨叶中间为空心状态，叶片可以适当增厚。所述的搅拌桨的桨叶厚度为3-5mm，宽长比为0.2-0.25。转轴上优选设置有两层或三层搅拌桨。在本发明的具体实施例中，所述的搅拌桨采用四斜叶桨，充液率为10％，宽长比为0.2，采用四斜叶桨，倾斜角度为45°，厚度大概是5mm，单个桨叶采用中空设计，充入液体占总容量的百分之十，压强为5622pa，该气压下水的沸点为35℃。桨叶中间为空心状态，叶片可以适当增厚。

搅拌桨上设有两个对称的安装孔，通过安装孔可将搅拌桨固定在转轴上。

在本发明的一个优选实施例中，所述的换热盘管进、出水口通过阀门连接热水循环系统；所述的热水循环系统的循环水温度为35-55℃。

在本发明的一个优选实施例中，所述的温度传感器包括用于检测物料不同高度温度的温度传感器组。

如图9-11所示，在本发明的一个优选实施例中，中空挡板51内部填充满膨胀剂，该中空挡板具有一个与内部空腔连通的开口；开口处设置有一个活塞结构，所述活塞结构包括活塞通道511和位于活塞通道内的活塞512，所述活塞通道连通换热盘管进水口和中空挡板内部空腔；所述活塞通过一拉簧513与中空挡板内部壁面相连以复位其位置。在实际工作时，当膨胀剂膨胀时，可推动所述活塞沿活塞通道移动；所述活塞移动到其最大行程位置时，可完全阻塞换热介质从进水口进入换热盘管。

在本实施中，膨胀剂选择乙醇，乙醇有较大的膨胀系数，通过中空挡板腔室体积的设计，使得温度过超过40度时，活塞能够完全堵死进水口。

本实施例中，进水口管道内径约为15mm，与活塞为过盈配合，活塞长度约为20mm；中空挡板内腔容积大小约为1.9l，长宽高约为0.03x0.075x0.83m，壁厚2mm。本实施例中活塞为两边凸缘中间凹状，在增加密封度的同时能够减少进出的阻力。活塞材料可采用医用硅胶，其状为近似圆柱状，拉簧一端直接焊接在空腔状的挡板内，另一端与阀芯连接，内部为倒钩状，能够拉住阀芯。

整个恒温式厌氧发酵装置应保持可接受的均匀温度，以防止局部温度下降和不希望的细菌活性。温度的变化会影响几乎所有的生物活性，包括对某些厌氧细菌的抑制作用，尤其是对产甲烷细菌的抑制作用。充分混合消化物可以防止局部温度变化区的发展。

大多数产甲烷细菌在两个温度范围内都是活跃的，这些范围是中温范围30–35℃和高温范围50-60℃。温度在40℃至50℃之间，甲烷形成细菌被抑制。消化系统的性能在42℃附近徘徊，这代表了从喜中温微生物到嗜热微生物的转变。

虽然产甲烷可以在很宽的温度范围内发生，但城市污水处理厂的污泥厌氧消化和产甲烷是在中温范围内进行的，最佳温度约为35℃。

当消化池温度低于32℃时，应密切注意挥发性酸碱比。在较低的温度下，挥发性酸的生成会继续，但甲烷的生成过程会比较缓慢。挥发性酸的产生可以在低至21℃时快速持续，而甲烷的产生基本上是不存在的。因此，32℃是应保持的最低温度，35℃是首选温度。优选可在35-40℃进行。

本发明恒温式厌氧发酵方法步骤如下：

物料通过物料进口投入恒温式厌氧发酵装置内，换热夹套通过阀门连接热水循环系统，搅拌装置连接电机，安装用于检测装置中部物料温度的第一传感器和用于检测物料不同高度温度的第二传感器组；打开电机，控制阀门使换热夹套连接热水循环系统，循环水温度为35-55℃；换热夹套内层的储热介质使换热盘管中循环水的温度更均匀的传递到装置本体内；

当气体出口的流量计检测到有气体产生时，即认为发酵过程已经发生；；在发酵过程中，中空挡板内的膨胀剂体积将随装置本体内部温度变化而变化，当温度过高时，中空挡板内的膨胀剂受热膨胀将推动活塞部分或全部阻塞换热盘管，从而可以改变循环水流量甚至完全关断循环水；在温度下降时，活塞可在拉簧拉力作用下向初始位置复位；

在发酵过程中，物料经搅拌带动混合，设置在内壁上的挡板通过与物料碰撞进一步强化混合，转轴和桨叶内水的相变温度均控制在35℃，搅拌桨上设置的热管式结构提高物料在径向方向的温度均一性，转轴提高物料在高度方向的温度均一性；

发酵过程中实时监测第二传感器组中各传感器的温度，当不同高度的检测温度差值大于设定阈值时，增加电机转速，提高物料的搅拌均匀度；

当气体出口流量计检测到产气速度为平均产气速度的四分之一时，打开卸料口排出废弃底物污泥，投入新料进行厌氧发酵作业。

本发明一方面采用热管式搅拌桨以及搅拌轴，通过热管原理能够把靠近搅拌罐壁的温度传递到正中间，使搅拌罐内的温度更好的实现径向和轴向的传递，可以长时间的使罐内物料保持一定的均温恒温状态，提高产气效率。本发明采用的热管式的结构，有极强的导热传热性能，且利用离心力和重力把液体回流到蒸发段，可以维持整体传热的温度均匀性，且在搅拌桨静止状态或低速允许状态下，本发明依然可以相比传统发酵罐增加热传导能力，始终保持一个良好的整体温度均匀状态。另外，热管式结构可以降低转轴的总质量，减少功率消耗。

本发明的换热夹套采用特殊结构设计，其内层有换热盘管和储热介质构成，换热盘管用于与外部系统进行热量交换，储热介质则增加换热盘管与装置本体的换热面积，并使装置本体壁面的温度趋于均一，在发酵罐内温度过低时(低于35℃)，储热介质发生相变，放出热量。换热夹套的中间层采用隔热材料减少热损失。

本发明进一步设计有换热盘管内流量的自适应调节系统，其具体是由中空挡板配合活塞结构实现的。通过该结构，当装置本体内温度升高时，中空挡板内的膨胀液即可根据装置本体内温度的情况发生体积的变化，继而推动活塞；装置本体内温度越高，活塞被推出的程度越大。当装置本体内的温度高于一定值后，活塞就将完全堵死进水口，而当温度降低时，活塞可在拉簧的拉力作用下打开进水口。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。