專利名稱:節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置的制作方法
技術領域:
本發明屬于可再生能源開發利用領域,具體涉及一種節能型秸稈厭氧發 酵預處理裝置。
技術背景隨著人類對可持續發展和保護地球環境的日益重視,生物質資源的開發 利用引起了廣泛關注。大部分生物質資源,如農作物秸稈、草等的主要成分 是纖維素、半纖維素和木質素,這三種成分的質量占植物纖維原料總質量的80% 95%。三者在植物的細胞壁中相互結合在一起被稱為木質纖維素。據 估計,地球上的植物每年通過光合作用形成的生物質所蘊含的能量大約是人 類每年所消耗的化石能源的10倍。在各種可供人類開發利用的木質纖維素資 源中,農作物秸稈是最為豐富的一種,它約占農作物生物學產量的60%,全 世界每年約生產各種農作物秸稈35 40億噸,我國作為農業大國,每年的秸 稈產量在6億噸以上。這些農業廢棄物以其可再生性、清潔性,以及巨大的 能源儲藏能力受到人類的青睞。在這些資源的多種能源化利用途徑當中,厭氧發酵產沼氣作為一種重要 途徑越來越受到人們的關注。在處理固廢方面,厭氧生物處理技術主要處理 對象為高含水率的易生物降解原料,如下水道污泥、糞便等,而各種農作物 秸稈由于受其自身結構的限制,如何采用厭氧發酵技術對其高效轉化一直是 厭氧生物處理領域的一大難題。受結構的制約秸稈類原料厭氧生物轉化利用 過程面臨以下兩大難題①木質素對纖維素和半纖維素的屏障作用。木質素 在植物細胞壁中與纖維素和半纖維素等碳水化合物結合在一起形成"木質素 一碳水化合物聯合體"(Lignin-carbohydrate complexes,簡稱LCC), LCC起到保護植物細胞免受微生物攻擊的作用。由于木質素對纖維素和半纖維素的屏障作用,降低了原料可利用表面,并阻礙了微生物和酶順利接近纖維素。 因此木質素對纖維素和半纖維素的屏障作用是此類原料生物降解遇到的一大 障礙。②纖維素高結晶度對生物降解的抑制作用。纖維素分子呈聚集態,纖 維素結晶區內鏈分子的全部羥基和非結晶區內鏈分子的部分羥基會形成很多 氫鍵,這使得纖維素極難溶解,反應性能差。在纖維素的結晶區,葡萄糖分 子的羥基全部在分子內部或與分子外部的氧相結合,這種結晶構造,使得酶 分子和水分子難以侵入到其內部中去,這是木質纖維原料生物降解所必須突 破的又一障礙,被認為是木質纖維原料厭氧生物轉化利用過程中所遇到的一 個主要挑戰。長期以來,人們一直在不停的探索破解這兩大難題的技術途徑,希望采 用預處理手段突破這兩個瓶頸。提出的預處理方法林林總總,概括起來可以 分為物理法、化學法和生物法。其中物理方法包括機械粉碎、蒸汽爆破、高能射線輻照,以及微波及超聲波處理等;化學方法有堿處理、稀酸處理、有 機溶劑處理、氧化處理,以及超臨界萃取處理等;生物處理方面許多研究者 一直在為尋找或培育出高效降解木質素的微生物而苦苦探求。總體來看,雖 然方法多種多樣,而且一些方法,如稀酸處理、蒸汽爆破等在破壞木質素對 纖維素和半纖維素的屏障作用,以及降低纖維素的結晶度等方面都取得了不 錯的效果,但由于受經濟性的制約,很難投入實際工程應用,所以到目前為 止,還很難說某種方法已經能夠滿足大規模生物轉化秸稈等木質纖維原料制 取沼氣等能源產品的需要。因此,隨著人類對開發利用生物質能需求的曰益 增加,如何尋求上述問題的突破已經成為一個亟待解決的問題。 發明內容本發明的目的是提供一種利用太陽能和生物能為動力進行充氧對秸稈類 原料進行好氧發酵預處理,從而提高此類原料厭氧生物轉化效率的裝置。 本發明的目的可以通過以下措施達到一種節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,包括原料預處理倉6和原料預處理箱10,原料預處理箱10安裝在原料預處理倉6中;其中原料預處理倉6頂部設有至少一個氣體提升管8;原料預處理倉6的一邊設有太陽能溫室4,太陽能溫室4與原料預處理倉6通過原料預處理倉6下部的通風口 5相通。太陽能溫室4內部有蓄熱材料3;太陽能溫室4下部開有進風口 1,進風 口 1上裝有單向門2,從而保證空氣只能從外部向溫室內部流動。具體操作 時太陽能溫室4設置在原料預處理倉6的南邊,以充分收集太陽能。氣體提升管8的下部設有加熱裝置7,例如電輔助加熱圈,可安裝在氣 體提升管8內部或外部,主要在氣體提升力不足以滿足原料預處理過程充氧 要求時使用;氣體提升管8上裝有控制通風量的調節閥13。原料預處理箱10的底板上設有通氣孔;原料預處理箱10內設有下端密 封、上端開口、管壁上有通風孔的通氣管9;原料預處理倉6內還可設有導 軌11,原料預處理箱10活動放置在導軌11上,即原料預處理箱10預安裝 在導軌11上并能沿導軌11移動,以方便原料預處理箱IO進出原料預處理倉 6;原料預處理箱的體積以方便操作為宜。原料預處理倉6優先選用長方形結構,具體設置時可以考慮長邊優先采 用東西走向,四周安裝保溫材料,上部的氣體提升管8的數量根據原料預處 理倉6的長度合理設置。原料預處理倉6的一端或兩端設有密封門12。本裝置的簡要運行過程為首先將密封門12、調節閥13、進風口 1上的 單向門2全部關閉,利用太陽能溫室4給原料預處理倉6預熱,待預熱完成 后將裝好原料的預處理箱10沿導軌11推進原料預處理倉6,然后關閉密封 門,待原料所攜帶的氧氣及預處理倉6內空氣中氧氣的含量顯著降低后,開 啟調節閥13利用由溫差產生的氣體提升力為原料預處理箱10內的微生物補 充氧氣。原料預處理程度滿足要求后,關閉調節閥13,然后打開密封門12 將原料預處理箱IO取出,預處理好的原料除留一小部分做下一批次的接種物 外,其余部分調整C/N后送入厭氧反應器進行厭氧發酵。之后可以開始下一 批預處理過程。本發明所涉及的秸稈厭氧發酵預處理裝置具有以下3方面的特點 ①利用好氧微生物對秸稈進行預處理,以最大限度的破壞木質素,從而打破木質素對纖維素和半纖維素的屏蔽作用,為提高秸稈厭氧發酵的轉化效 率提供了保證。② 補充好氧微生物所需氧氣的動力主要來自太陽能和原料好氧發酵過程 的自身產能,最大限度降低了原料處理過程中外來能量的投入。③ 裝置本身結構相對簡單,適應性強,操作簡便,便于推廣利用。圖1是本發明的秸稈厭氧發酵預處理裝置的側面視圖。圖2是本發明的秸稈厭氧發酵預處理裝置的主視圖。圖中l為進風口, 2為單向門,3為蓄熱材料,4為太陽能溫室,5為通 風口, 6為原料預處理倉,7為加熱裝置,8為氣體提升管,9為通氣管,10 為原料預處理箱,ll為導軌,12為密封門,13為調節閥。
具體實施方式
下面結合說明書附圖的詳細的說明僅僅是闡述本發明的普遍原理,并非 限制性的,實際應用過程中可以根據處理原料的不同性質和處理要求,以及 裝置的安裝位置進行合理的調整和修改。一種節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,在四周安裝保溫材料的東西走向 的長方形原料預處理倉6頂部設三個氣體提升管8,在氣體提升管8的下部 裝有加熱裝置7 (如電輔助加熱圈),中部裝有調節閥13。原料預處理倉6 內壁上設有導軌11,原料預處理箱IO底部通過滑輪活動安裝在導軌11上; 原料預處理箱10的底板上設有通氣孔,原料預處理箱10內均勻分布有下端 密封、上端開口、管壁上有通風孔的通氣管9,空氣可以從底板上的通氣孔 流進,經過秸稈后再從通氣管9上的通風孔流出,使秸稈的溫度及氧量均勻。 原料預處理倉6的南邊設太陽能溫室4,內部的蓄熱材料3可就地取材選用 鵝卵石;太陽能溫室4通過通風口 5與原料預處理倉6相通。太陽能溫室4 下部開有進風口 1,進風口 1上安裝單向門2,從而保證空氣只能從外部向溫 室內部流動。首先給裝置進行預熱,將密封門12、調節閥13、進風口 1上的單向門
全部關閉,利用太陽能溫室4給原料預處理倉6預熱。利用揉切機將秸稈揉 切處理成2 3cm長的絲狀體,添加接種物并調整其含水率到60%左右,然 后裝入原料預處理箱IO,待原料預處理倉的溫度升高到2(TC以上后將預處理 箱10沿導軌11推進原料預處理倉6,然后迅速關閉密封門,待原料所攜帶 的氧氣及預處理倉6內空氣中氧氣的含量顯著降低后,開啟調節閥13利用由 溫差產生的氣體提升力為原料預處理箱10內的微生物補充氧氣,當通過進風 口 1和單向門2的進入原料預處理倉6的空氣使原料預處理箱10內的溫度呈 現下降趨勢時,關閉調節闊13。在預處理過程中,原料的溫度以維持在50 6(TC為宜,預處理時間以6 8天為宜。原料預處理程度滿足要求后,如果調 節閥13處于開啟狀態,需要將其關閉,然后打開密封門12將原料預處理箱 IO取出,預處理好的原料除留一小部分做下一批次的接種物外,其余部分調 整C/N到20 30:1范圍后送入厭氧反應器進行厭氧發酵。之后可以開始下一 批預處理過程。需要說明的是,本領域技術人員在不脫離本發明實質,既以太陽能和原 料自身所產生物能為充氧動力從而滿足原料預處理過程對氧氣的需求,可以 在裝置的具體細節上根據需要進行合理的改變和調整。
權利要求
1、一種節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,包括原料預處理倉(6)和原料預處理箱(10),原料預處理箱(10)安裝在原料預處理倉(6)中,其特征在于原料預處理倉(6)頂部設有至少一個氣體提升管(8);原料預處理倉(6)的一邊設有太陽能溫室(4),太陽能溫室(4)與原料預處理倉(6)通過原料預處理倉(6)下部的通風口(5)相通。
2、 根據權利要求1所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 所述的太陽能溫室(4)內部有蓄熱材料(3),所述的太陽能溫室(4)下部 開有進風口 (1)。
3、 根據權利要求2所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 所述的進風口 (1)上設有保證空氣單向流動的單向門(2)。
4、 根據權利要求1所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 所述的氣體提升管(8)的下部設有加熱裝置(7)。
5、 根據權利要求1所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 所述的氣體提升管(8)上裝有控制通風量的調節閥(13)。
6、 根據權利要求1所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 在所述的原料預處理箱(10)的底板上設有通氣孔。
7、 根據權利要求1所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 在所述的原料預處理箱(10)內設有下端密封、上端開口、管壁上有通風孔 的通氣管(9)。
8、 根據權利要求1所述的節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,其特征在于 所述的原料預處理倉(6)內設有導軌(11),所述的原料預處理箱(10)活 動安裝在所述的導軌(11)上。
全文摘要
本發明公開了一種節能型秸稈厭氧發酵預處理裝置,包括原料預處理倉6和原料預處理箱10,原料預處理倉6頂部設有至少一個氣體提升管8;原料預處理倉6內活動安裝有原料預處理箱10;原料預處理倉6的一邊設有太陽能溫室4,太陽能溫室4與原料預處理倉6通過原料預處理倉6下部的通風口5相通。本發明以太陽能和生物能為動力提供秸稈類原料厭氧發酵生物預處理過程補充氧氣所需能量,既提高了秸稈預處理效果,又降低了預處理能耗,因此,本發明具有提高秸稈厭氧生物轉化效率以及降低原料預處理費用的雙重功效。
文檔編號C12M1/107GK101235349SQ20081002066
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月20日 優先權日2008年2月20日
發明者馮景偉, 卓 孟, 張繼彪, 李培培, 李繼紅, 楊世關, 羅興章, 趙國華, 鄒星星, 正 鄭, 陳廣銀, 黃星發 申請人:南京大學