厌氧发酵装置及系统

1.本实用新型涉及厌氧发酵装置及系统，属于生物质废弃物厌氧发酵设备技术领域。


背景技术：

2.目前我国的能源消费中，煤的占比约70％，石油的占比约23％，其它能源占比很小，优化能源结构，控制和减少煤炭等化石能源的使用，充分开发城镇生活、工农业生产过程中产生的生物质废弃物资源，实现生物质废弃物变废为宝。这样不仅可以使我国能源结构更加合理，对缓解我国能源压力，保护生态环境，促进可持续发展也具有重大意义。
3.厌氧发酵技术能够在对废弃物进行无害化、资源化再利用的同时将废弃物中有机成分转化为沼气，作为清洁可再生能源加以利用，因此被视为环境友好技术，应用范围广阔，可处理市政污水、餐厨垃圾、畜禽粪便、农林废弃物等多种生物质废弃物。但该技术亦受诸多因素影响，如环境温度、ph值、有机负荷和微量元素等，这些参数的变化会引起厌氧消化系统失稳甚至失效，继而导致厌氧消化效率下降，产气量及甲烷含量降低。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了厌氧发酵装置及系统，可灵活调控厌氧发酵过程中的温度和ph值，促进生物质废弃物的厌氧消化，从而实现沼气产量的最大化。
5.本实用新型实现上述目的的技术方案是：厌氧发酵装置，包括设有热媒夹套的罐体及用于检测罐体内ph的ph检测装置，所述罐体呈顶部敞口的圆柱形筒状，设有可开启的上盖，所述罐体内的下部设有搅拌器，所述搅拌器设有驱动轴，所述驱动轴与所述罐体同轴，所述上盖的中心设有驱动轴孔，所述驱动轴穿过所述驱动轴孔并与所述上盖转动密封配合，所述驱动轴的顶端连接有驱动电机，所述上盖上设有进气口、出气口和酸碱液添加口。
6.所述ph检测装置可以采用任意适宜的现有技术，优选能够实时检测的在线ph检测仪，依据ph检测装置的具体要求进行安装。例如，可以将ph检测装置安装在所述罐体上或者罐体内，探头可以延伸至罐体的物料空间，或者采用非接触的探头，依据具体检测要求设置探头的位置。
7.优选的，所述热媒夹套设有热媒进口和热媒出口，所述热媒进口位于所述热媒夹套的底部侧壁上，所述热媒出口位于所述热媒夹套的顶部侧壁上。
8.进一步的，所述热媒进口和所述热媒出口分设于所述罐体的两侧。
9.优选的，所述热媒夹套内设有螺旋状的导流板，所述导流板的轴线与所述罐体的轴线位于同一直线上，所述导流板的螺旋内缘（或称内缘）与所述罐体的外壁密封连接，所述导流板的螺旋外缘（或称外缘）与所述热媒夹套的内壁密封连接，所述导流板、所述罐体的外壁和所述热媒夹套的内壁共同围出螺旋通道，所述热媒进口与所述螺旋通道的进口连
通，所述热媒出口与所述螺旋通道的出口连通。
10.优选的，所述热媒进口的轴线为相应部分的热媒夹套的切向或与切向之间有一较小角度（例如，小于30
°
），所述热媒出口的轴线为相应部分的热媒夹套的切向或与切向之间有一较小角度（例如，小于30
°
）。
11.优选的，所述搅拌器为桨式搅拌器，包括若干个沿圆周均匀分布的搅拌叶片。
12.进一步的，若干个所述搅拌叶片沿所述驱动轴的轴向分层设置。
13.更进一步的，各层搅拌叶片之间留有间距，任一层的搅拌叶片沿圆周方向均匀分布。
14.优选的，所述桨式搅拌器为斜桨式搅拌器。
15.所述搅拌器也可以采用现有技术下其他适宜的搅拌器，例如，螺带式搅拌器、锚式搅拌器或涡轮式搅拌器等。
16.优选的，所述罐体的底壁上设有出料口，所述出料口设有出料阀门。
17.优选的，所述罐体的顶部敞口处设有密封圈或密封垫。
18.优选的，所述ph检测装置为ph电极、ph探头或ph传感器。
19.优选的，所述上盖上设有ph检测装置插入口，所述ph检测装置从所述ph检测装置插入口插入所述罐体内并密封固定在所述上盖上。
20.优选的，所述罐体、所述上盖和所述热媒夹套均采用透明有机玻璃制成。
21.厌氧发酵系统，包括厌氧发酵装置、热媒恒温容器、ph调控装置和气体收集装置，所述厌氧发酵装置采用本实用新型所述的任一种厌氧发酵装置，所述热媒恒温容器的容器出口连接所述热媒进口，所述热媒恒温容器的容器进口连接所述热媒出口，所述容器出口与所述热媒进口的连接管道上设有热媒循环泵，所述ph调控装置包括酸液罐和碱液罐，所述酸液罐和所述碱液罐的出口均连接所述酸碱液添加口，所述进气口连接氮气源，所述出气口连接所述气体收集装置。
22.优选的，所述酸液罐的出口通过酸液添加管连接所述酸碱液添加口，所述酸液添加管上设有酸液添加泵，所述碱液罐的出口通过碱液添加管连接所述酸碱液添加口，所述碱液添加管上设有碱液添加泵。
23.所述酸液添加管与所述碱液添加管可以并联在所述酸碱液添加口上（例如，通过三通并联），或者所述酸碱液添加口为两个，所述酸液添加管和所述碱液添加管各连接一个酸碱液添加口。
24.优选的，所述气体收集装置包括浮筒式肺活量计、集气瓶和量筒，所述出气口连接所述肺活量计的进气口，所述肺活量计的出气口连接有出气管，所述出气管的出气端伸入所述集气瓶内，所述集气瓶设有出水管，所述出水管的一端伸入所述集气瓶内的底部，另一端伸入所述量筒内。
25.所述集气瓶内优选装有氢氧化钠溶液。
26.所述肺活量计的出气口通常设于所述肺活量计的浮筒上，所述出气管上设有阀门，或者所述肺活量计的出气口处设有活塞。
27.优选的，所述进气口与所述氮气源之间的连接管道上设有进气阀门。
28.优选的，所述热媒恒温容器为水浴锅。
29.所述ph调控装置可以依据现有技术设置配套的自动控制装置（例如，plc控制器）
对所述罐体内物质的酸碱度（ph值）进行控制，所述ph检测装置的ph值检测信号输出接入所述自动控制装置，所述自动控制装置的相应控制信号输出接入所述酸液添加泵和所述碱液添加泵的控制端，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集所述ph检测装置的输出信号，送入所述自动控制装置作为控制所述酸液添加泵和所述碱液添加泵工作的依据。
30.本实用新型的有益效果是：本实用新型的厌氧发酵系统可以通过所述热媒恒温容器持续向所述热媒夹套内循环通入热媒，可以通过所述ph调控装置灵活自动调控所述罐体内物质的ph值，从而使所述罐体内始终维持生物质废弃物厌氧发酵的最佳温度和酸碱度条件，促进生物质废弃物的厌氧消化，实现沼气产量的最大化，产生的沼气可以通过所述气体收集装置收集和计量并采用排水法收集和计量沼气中的甲烷，有助于准确计算甲烷在产气中的比重。
附图说明
31.图1是本实用新型的厌氧发酵装置的一种实施方式的结构示意图；
32.图2是本实用新型的厌氧发酵装置的另一种实施方式的结构示意图；
33.图3是本实用新型的厌氧发酵系统的一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
34.参见图1，本实用新型公开了厌氧发酵装置，主要适用于生物质废弃物的处理和实验研究，包括罐体1，所述罐体呈顶部敞口（或顶部设有开口）的圆柱形筒状，设有可开启的上盖2，用于打开后向所述罐体内添加生物质废弃物，所述罐体内的下部设有搅拌器3，用于在生物质废弃物的发酵过程中对生物质废弃物进行搅拌，所述搅拌器设有驱动轴，所述驱动轴与所述罐体同轴，所述上盖的中心设有驱动轴孔，所述驱动轴穿过所述驱动轴孔并与所述上盖转动密封配合，所述驱动轴的顶端连接有驱动电机4，用于驱动所述搅拌器工作。所述上盖上设有进气口21、出气口22和酸碱液添加口23，所述进气口用于向所述罐体内通入氮气，维持所述罐体内的厌氧环境，所述出气口用于生物质废弃物厌氧发酵产生的沼气排出所述罐体，所述酸碱液添加口用于向所述罐体内添加酸液或碱液。所述上盖上还可以设有加料口，用于在生物质废弃物的发酵过程中进行物料补充（需要进行物料补充时），所述加料口设有可开启的密封盖。所述罐体内设有ph检测装置5，用于检测所述罐体内物质的ph值。所述罐体设有热媒夹套6。
35.所述热媒夹套通常设有热媒进口7和热媒出口8，所述热媒进口位于所述热媒夹套的底部侧壁上，所述热媒出口位于所述热媒夹套的顶部侧壁上。所述热媒进口和所述热媒出口优选分设于所述罐体的两侧。
36.所述热媒夹套内优选设有沿所述罐体的轴向呈螺旋状的导流板9，所述导流板的内缘与所述罐体的外壁密封连接，所述导流板的外缘与所述热媒夹套的内壁密封连接，所述导流板、所述罐体的外壁和所述热媒夹套的内壁共同构成热媒的螺旋通道，所述热媒进口与所述螺旋通道的进口连通，所述热媒出口与所述螺旋通道的出口连通。如此设置，使通入所述热媒夹套内的热媒自下向上沿所述螺旋通道旋流流通，从而增大热媒的流通路径，提高热媒与所述罐体内的生物质废弃物的热交换效率。通入所述热媒夹套内的热媒通常为热水。
37.所述热媒进口的轴线为相应部分的热媒夹套的切向或与切向之间有一较小角度（例如，小于30
°
），所述热媒出口的轴线为相应部分的热媒夹套的切向或与切向之间有一较小角度（例如，小于30
°
）。如此设置，在所述热媒夹套内形成切向进水和切向出水，且进水方向和出水方向与所述螺旋通道的方向一致，既可大幅度减少或避免所述螺旋通道内的局部或微观湍流，避免因为这些湍流导致的阻力和能量消耗，又可避免在所述热媒进口或热媒出口处形成进水或出水死角，在所述热媒夹套内产生真空区或空气压缩区（无水区域）。
38.所述搅拌器可以为桨式搅拌器，包括若干个沿圆周均匀分布的搅拌叶片。若干个所述搅拌叶片可以沿所述驱动轴的轴向分层设置，以提高搅拌效果。各层搅拌叶片之间通常留有间距，任一层的搅拌叶片沿圆周方向均匀分布。
39.所述桨式搅拌器优选为斜桨式搅拌器。
40.例如，所述桨式搅拌器的搅拌叶片在周向上自前（正向旋转方向的前方）至后向上倾斜，由此在正向旋转时，对所搅动的物料施以向上的推力，以松动物料，提高传质效率，避免具体气体过于聚集而产生内部压力（正压）。
41.所述桨式搅拌器优选设有倾斜的罐底刮板，所述罐底刮板的前侧边为底边，与罐体内的底部相邻（两者之间有小的间隙）或者相接触，所述罐底刮板的内端固定连接在所述桨式搅拌器的驱动轴上，外端邻近所述罐体的底部内壁，可以将所述罐底刮板视为浆式搅拌器的底部搅拌叶片，所述桨式搅拌器工作时，罐底刮板随驱动轴转动，将沉积和粘结在罐底的物料刮起。
42.所述桨式搅拌器优选设有倾斜的侧壁刮板，所述侧壁刮板的前侧边为外边，与罐体的内侧壁相邻（两者之间有小的间隙）或者相接触，所述侧壁刮板通过径向（驱动轴的径向）延伸的刮板连杆固定连接在所述浆式搅拌器的驱动轴上，可以将所述侧壁刮板视为浆式搅拌器的立式搅拌叶片，所述桨式搅拌器工作时，侧壁刮板随驱动轴转动，将粘结在侧壁的物料刮起。
43.所述搅拌器也可以采用现有技术下其他适宜的搅拌器，例如，螺带式搅拌器、锚式搅拌器或涡轮式搅拌器等。
44.所述罐体的底壁上优选设有出料口，所述出料口设有出料阀门10，用于所述罐体的出料或所述罐体内物质的取样。所述出料口可以为螺纹口，所述出料阀门螺纹连接在所述出料口上。
45.所述罐体的顶部敞口处优选设有密封圈或密封垫，以保证当所述上盖关闭后所述罐体的密封效果。
46.所述上盖可以通过法兰可拆卸连接在所述罐体的顶部，也可以与所述罐体的顶部铰接。
47.参见图2，所述热媒夹套的顶部也可以敞口，敞口内设有环形的夹套上盖24，所述夹套上盖的外缘与所述夹套的内壁之间滑动密封配合，所述夹套上盖的内缘与所述罐体的外壁之间滑动密封配合，从而实现对所述热媒夹套的顶部敞口的封闭。此时，所述上盖的外缘直径可以大于所述罐体的外径且小于所述夹套的内径，所述上盖的外缘圆周设有竖直向下伸出的环形凸缘，所述环形凸缘的底端与所述夹套上盖的顶壁密封连接，从而实现所述上盖在所述罐体上的可开启或可拆卸。此种结构的上盖可相对于所述罐体上下移动，此时所述驱动轴孔的孔径大于所述驱动轴的外径，所述驱动轴孔可以沿其孔壁设有竖直向上伸
出的圆管25，所述驱动轴穿过所述圆管，所述上盖的顶壁上固定设有向上伸出的筒状水槽26，所述水槽与所述圆管同轴且其内径大于所述圆管的外径，所述水槽与所述圆管的高度优选相同，所述水槽内固定（可以与所述上盖的顶壁固定连接）倒扣有一个呈筒状的扣盖27，所述扣盖的底部敞口，顶部封闭，所述扣盖的外径小于所述水槽的内径且大于所述圆筒的外径，所述扣盖与所述圆筒同轴，所述扣盖的高度高于所述圆管和所述水槽的高度，所述扣盖的顶壁中心设有可供所述驱动轴穿过的轴孔，所述驱动轴与所述轴孔转动密封配合，所述水槽与所述扣盖形成的环形空间内可以装有水，用于水封。
48.所述ph检测装置可以为ph电极、ph探头或ph传感器。所述上盖上可以设有ph检测装置插入口，所述ph检测装置从所述ph检测装置插入口插入所述罐体内并密封固定在所述上盖上，便于所述ph检测装置从所述罐体内的拆卸维修维护。
49.所述罐体、所述上盖和所述热媒夹套均可以采用透明有机玻璃制成，便于实时观察所述罐体内的生物质废弃物的产气情况，监测发酵状态。
50.参见图3，本实用新型还公开了厌氧发酵系统，包括厌氧发酵装置、热媒恒温容器11、ph调控装置和气体收集装置，所述厌氧发酵装置采用本实用新型所述的任一种厌氧发酵装置，所述热媒恒温容器的容器出口连接所述热媒进口，用于向所述热媒夹套内通入热媒，所述热媒恒温容器的容器进口连接所述热媒出口（或者所述热媒出口连接有热媒回流管，所述热媒回流管伸入所述热媒恒温容器内），用于热媒的回流，所述容器出口与所述热媒进口的连接管道上设有热媒循环泵，从而使热媒在所述热媒夹套内循环流动，保持所述罐体内的恒温并可通过调节热媒的温度调节所述罐体内的温度，所述ph调控装置包括酸液罐（酸液容器）12和碱液罐（碱液容器）13，所述酸液罐和所述碱液罐的出口均连接所述酸碱液添加口，用于向所述罐体内添加酸液或碱液，从而调节所述罐体内物质的ph值，所述进气口连接氮气源，用于向所述罐体内通入氮气，维持所述罐体内的厌氧环境，所述出气口连接所述气体收集装置，用于收集生物质废弃物厌氧发酵产生的沼气。
51.所述热媒恒温容器的容器出口与所述热媒进口的连接管道上可以设有进水阀门，所述热媒恒温容器的容器进口与所述热媒出口的连接管道上可以设有出水阀门。所述进水阀门和所述出水阀门可以分别设于相应的管道上，也可以分别连接在所述热媒进口和所述热媒出口上，例如，所述热媒进口和所述热媒出口均为螺纹口，所述进水阀门和所述出水阀门均为宝塔式阀门，旋接在相应的所述热媒进口和所述热媒出口上，此时，相应的管道直接与所述进水阀门和所述出水阀门连接即可。
52.所述酸液罐的出口通常通过酸液添加管连接所述酸碱液添加口，所述酸液添加管上优选设有酸液添加泵14，所述碱液罐的出口通常通过碱液添加管连接所述酸碱液添加口，所述碱液添加管上优选设有碱液添加泵15。
53.所述酸液添加管与所述碱液添加管可以并联在所述酸碱液添加口上（例如，通过三通并联），或者所述酸碱液添加口为两个，所述酸液添加管和所述碱液添加管各连接一个酸碱液添加口。
54.所述气体收集装置优选包括浮筒式肺活量计16、集气瓶17和量筒18，所述出气口连接所述肺活量计的进气口，用于将所述罐体内产生的沼气通入所述肺活量计进行收集和计量，所述肺活量计的出气口连接有出气管，所述出气管的出气端伸入所述集气瓶内，所述集气瓶内装有氢氧化钠溶液，所述集气瓶设有出水管，所述出水管的一端伸入所述集气瓶
内的底部，另一端伸入所述量筒内，以便采用排水法收集和计量沼气内的甲烷，有助于准确计算甲烷在产气中的比重。所述氢氧化钠溶液优选为质量分数为3%的氢氧化钠溶液，吸收沼气中的酸性组分后，等体积的氢氧化钠溶液被压入所述量筒内，所述量筒内的氢氧化钠溶液的体积即为所述甲烷的体积。
55.所述肺活量计的进气口通常设于其侧壁上，所述肺活量计的出气口通常设于其浮筒的顶端，所述出气管上设有阀门，或者所述肺活量计的出气口处设有活塞，便于出气控制。
56.所述进气口与所述氮气源之间的连接管道上优选设有进气阀门19，所述进气阀门可以设在相应的管道上，也可以连接在所述进气口上，例如，所述进气口为螺纹口，所述进气阀门旋接在所述进气口上，此时，相应的管道直接与所述进气阀门连接即可。所述出气口与所述肺活量计的进气口之间的连接管道上优选设有出气阀门20，所述出气阀门可以设在相应的管道上，也可以连接在所述出气口上，例如，所述出气口为螺纹口，所述出气阀门旋接在所述出气口上，此时，相应的管道直接与所述出气阀门连接即可。
57.所述热媒恒温容器可以为水浴锅，便于热媒的恒温控制。所述热媒循环泵可以设在相应的热媒循环管道上，也可以设在所述水浴锅内。
58.所述ph调控装置可以依据现有技术设置配套的自动控制装置（例如，plc控制器）对所述罐体内物质的酸碱度（ph值）进行控制，所述ph检测装置的ph值检测信号输出接入所述自动控制装置，所述自动控制装置的相应控制信号输出接入所述酸液添加泵和所述碱液添加泵的控制端，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集所述ph检测装置的输出信号，送入所述自动控制装置作为控制所述酸液添加泵和所述碱液添加泵工作的依据。所述自动控制装置内可以预设厌氧发酵的最佳ph值，所述自动控制装置在接收到所述ph检测装置检测到的所述罐体内物质的ph测量值后，将ph测量值与ph预设值进行比较，得出偏差，如偏差为正则控制所述酸液添加泵启动，如偏差值为负则控制所述碱液添加泵启动，并对偏差进行pid运算，运算结果经所述自动控制装置转换成4-20ma电信号，传输给相应的添加泵，相应的添加泵根据电信号大小调节转速，控制酸液或碱液的添加量，最终使所述罐体内的物质的ph值与ph预设值相符。所述自动控制装置可以设有显示器，用于显示所述罐体内的ph值变化。
59.本实用新型可以作为大型工程系统对生物质废弃物进行厌氧发酵处理，也可以作为实验室设备用于生物质废弃物厌氧发酵的实验研究，摸索生物质废弃物厌氧发酵的最佳温度、最佳ph值和最佳投料比。
60.实际应用中，所述厌氧发酵系统中的所述厌氧发酵装置的数量可以为若干个，各所述厌氧发酵装置设有各自相对应的所述气体收集装置，各所述厌氧发酵装置可以共用一个所述热媒恒温容器，此时，位于前端的所述厌氧发酵装置的热媒出口连接位于后端的所述厌氧发酵装置的热媒进口，最前端的所述厌氧发酵装置的热媒进口连接所述热媒恒温容器的容器出口，位于最后端的所述厌氧发酵装置的热媒出口连接所述热媒恒温容器的容器进口。
61.本实用新型的任意一种厌氧发酵装置均可以用于本实用新型的任意一种厌氧发酵系统。
62.本实用新型的任意一种厌氧发酵系统也均可以采用本实用新型的任意一种厌氧
发酵装置。
63.本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。