專利名稱：氣提對流循環厭氧消化反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及有機物厭氧處理與沼氣發生技術領域，具體是一種氣提對流循環厭氧消化反應器，可用于有機廢棄物或能源作物的厭氧消化處理并生產沼氣。
背景技術：
厭氧消化反應是有機物被厭氧菌在厭氧條件分解產生沼氣的過程。沼氣中一般含甲烷50 70%，可以直接作為燃料、化工原料使用，也可以提純甲烷后作為天然氣進行利用。因厭氧消化反應溫和、轉化率高，能有效處理并利用多種復雜有機物，而廣泛應用于生活和工農業有機廢棄物的處理上，同時厭氧消化制取沼氣作為生物質能源高效率的轉化方式，越來越受到人們的重視。例如德國到2009年底，共有約1000個沼氣企業，5000處大中型沼氣工程在生產運行，沼氣發電占德國用電量的2. 3%，并計劃到2020年將建成12000個沼氣工程，裝機總量為4800MW，使沼氣發電將占全德國發電總量的7. 5% ;在瑞典2006年車用提純沼氣的量就已經超過常規天然氣了，到2007年提純沼氣驅動的車達I. 5萬輛；我國到2010年底，已經建成大中型沼氣4700處，建設沼氣提純工程十余處。厭氧消化反應器是沼氣工程的核心設備，其造價、能耗和消化效率是決定沼氣工程項目可行性的關鍵因素，根據厭氧消化物料的特點進行反應器的研究與創新，是有機物厭氧消化領域的重點。厭氧消化能有效處理并利用多種復雜有機物，但所發酵物料例如餐廚垃圾、禽畜糞便、作物秸桿等成分復雜，其不同組份比重不同、可生化性不同，需要發酵的時間也長短不一，特別是發酵物料中如果混合了植物秸桿等高纖維比例的物料，很容易造成分層與浮渣結殼。厭氧反應器中分層通常表現為，由上至下依次第一層是浮渣層，是一些難溶于水的原料，細菌少，有機物得不到消化。如果浮渣太厚、干燥，會結殼，如果發酵物總固體濃度大，粘稠度高時還會產生大量泡沫，兩者都會影響沼氣進入氣室并嚴重影響發酵進程。比較有效的解決方法是對浮渣進行破碎、濕潤與厭氧微生物的再接種；第二層是上清液，其原料濃度稀，厭氧菌少；第三層是活性層，含大量發酵殘余物；第四層是沼渣層，為物料中發酵充分的熟料與泥沙等比重較大的物質。這種情況下厭氧微生物只限于在活性層較為旺盛，而其它層或因可被利用的原料缺乏，或因條件不適宜微生物的活動，使厭氧消化效率降低。公知為解決發酵物料在厭氧反應器中分層與浮渣結殼，人們采用機械攪拌、沼氣攪拌或整體推流等措施來促進微生物與原料的接觸。常見的厭氧消化反應器有完全混合式反應器(CSTR)、塞流式反應器(PFR)與升流式厭氧污泥床反應器(UASB)等。完全混合式反應器是目前應用最多的反應器類型，如德國大中型沼氣工程中約90%為立式完全混合反應器，其通過安裝機械裝置進行攪拌。這增加了成本，提高了能耗，攪拌裝置通過消化反應器的軸承密封也容易產生氣密性問題，而且完全混合往往造成部分活性污泥與未發酵完成的物料一同排出，降低了有機物的處理率與沼氣的生產量。塞流式反應器通過料液整體推流的方式強化傳質效應，其抗環境沖擊性強，成本與能耗較低，但也存在著(I)需要固體和微生物的回流作為接種物；(2)反應器面積/體積比較大，反應器內難以保持一致的溫度；(3)易產生厚的結殼等方面的缺點。升流式厭氧污泥床反應器利用了物料厭氧消化產生的沼氣進行攪拌，但反應器上部需要設置氣、固、液三相分離器，反應器底部需設置均勻布水系統，在水力負荷較高或SS負荷較高時易流失固體和微生物，所以建造成本高，運行技術要求高，且對發酵料有嚴格的干物質濃度限制。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種氣提對流循環厭氧消化反應器。本發明目的的實現是將反應器分隔為升流區發酵間和降流區發酵間，升流區發酵間與降流區發酵間通過氣提管和回流通道相連。反應器利用沼氣浮力、氣提效應與氣提產生的壓力差三者協同，使反應器的升流區發酵間和降流區發酵間形成升、降流的對流循環； 發酵料液在升流區接近于完全混合，而降流區接近于推拉式，整個反應器形成了完全混合與推流式的循環串聯，從而實現低能耗勻質攪拌，提高了傳質效應和有機負荷。同時通過氣提管將升流區發酵物料提升至反應器頂部后噴涌與反沖，實現沼氣與料液相分離，實現了浮渣、泡沫的自動破碎、淋濕與厭氧菌再接種，且厭氧消化反應器結構簡單緊湊厭氧消化效果好，沼氣產量大。本發明的技術方案是本發明的技術方案是反應器整體為立式柱形罐體，可以是圓柱形也可以是矩形；所述反應器內豎向分隔為升流區發酵間和降流區發酵間，在升流區發酵間的底部安裝進料管，升流區發酵間的頂面低于反應器料液面，并向上安裝復數根氣提管，氣提管向上延伸，其出口可低于反應器料液面50cm以內或者直接高于反應器料液面，并在氣提管的出口安裝折流帽或安裝100° 180°彎頭用于料液的反沖；在降流區發酵間的中下部安裝復數條回流通道，在降流區發酵間的底部安裝排渣管，回流通道的入口高于降流區發酵間排渣管，回流通道的出口連接升流區發酵間的底部。本發明，其發酵物料由進料管注入反應器升流區發酵間，發酵并產生沼氣，沼氣帶動料液上升并在頂面聚集，通過氣提管將氣料混合物提升至降流區發酵間上部，物料從氣提管涌出，經折流帽或彎頭折流反沖，沖淋頂層浮渣，沼氣與料液分離并同時完成頂層浮渣、泡沫的破碎、淋濕與再接種，促使浮渣層有機物達到有效發酵。物料于降流區發酵間繼續發酵，并在重力與回流通道回吸的雙重作用下，向下運動。回流通道入口位置高于降流區發酵間排渣管，物料中發酵充分的熟料穩定性強、比重較大，更多的在降流區發酵間底部沉積，并通過降流區發酵間排渣管排出。發酵不充分的生料與活性菌體密度較小，更多的通過回流通道進入升流區發酵間底部，并沖擊、攪拌、接種新進物料。如此不斷發酵產生沼氣，升流區發酵間和降流區發酵間形成升、降流的對流循環。本發明，所述反應器可安裝沼氣泵和配氣管，沼氣泵位于反應器罐體外，配氣管位于升流區發酵間下部，反應過程中要求加大對流循環強度時，可通過沼氣泵經配氣管泵入沼氣，提高升流區發酵間中沼氣量。本發明，所述反應器在處理雞糞等泥沙含量大的有機廢棄物時，為防止升流區發酵間泥沙等比重較大的物質淤積，可在反應器底部設置沉沙溝和升流區發酵間排渣管。本發明，所述反應器為控制發酵過程的溫度，在厭氧消化反應器上安裝溫度傳感器和保溫層，在升、降流發酵間間隔上設置換熱器，也可以通過配氣管向反應器中注入蒸汽進行加溫。本發明的有益效果是
(1)物料于氣提對流循環厭氧消化反應器升流區和降流區對流循環，在升流區接近于完全混合，而降流區接近于推流式，整個反應器形成了完全混合與推流式的循環串聯，從而提高傳質效應和有機負荷，克服反應器通常的反混、溝流現象。反應器有機負荷高、厭氧消化完全、產氣量大，尤其適宜餐廚垃圾、禽畜糞便、作物秸桿、污水廠污泥等高固體有機物的厭氧消化；
(2)反應器利用了沼氣的浮力，省去了機械攪拌裝置，降低了成本，提高了可靠性并具有節能的效果。利用氣提管將發酵物料提升至反應器頂部后反沖，實現了氣體與料液的分離，實現了浮渣、泡沫的自動破碎、淋濕與厭氧菌再接種，解決了分層、浮渣結殼與料液泛起泡沫等問題；
(3)反應器抗沖擊性強，對所發酵物料總固體濃度適宜跨度大，這既擴展了可應用范圍，又降低在具體工程中原料含水率的調配成本。反應器可實現大高徑比，且結構簡單緊湊，制造、安裝、維修方便，占地少投資省適合規模化生產。
圖I是實施例的立面剖視結構示意圖；圖2、圖3分別是實施例罐體為圓柱體時圖 I的A-A、B-B剖視圖。圖4、圖5分別是實施例罐體為矩形柱體時圖I的A_A、B-B剖視圖。圖中，I、進料管 2、柱形罐體 3、升流區發酵間 4、氣提管 5、降流區發酵間 6、回流通道 7、排氣管 8、降流區發酵間排渣管 9、換熱器 10、折流帽支架 11、折流帽 12、氣提管支架 13、配氣管 14、沉渣溝 15、升流區發酵間排渣管 16、沼氣泵。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述
參照圖I-圖5，一種氣提對流循環厭氧消化反應器，由進料管I、柱形罐體2、升流區發酵間3、氣提管4、降流區發酵間5、回流通道6、排氣管7、降流區發酵間排渣管8、換熱器9、 折流帽支架10、折流帽11、氣提管支架12、配氣管13、沉渣溝14、升流區發酵間排渣管15、 沼氣泵16構成。本實施例，在反應器柱形罐體2內豎向分隔為升流區發酵間3和降流區發酵間5， 升流區發酵間3底部安裝進料管I、配氣管13并設置沉沙溝14，配氣管13連接罐體外沼氣泵16，沉沙溝14端口安裝升流區發酵間排渣管15。升流區發酵間3的頂面低于反應器料液面，并向上安裝復數根氣提管4，氣提管4向上延伸，其出口高于反應器料液面，氣提管4 的出口安裝折流帽支架10和折流帽11，用于料液的反沖，在其它的實施例中，折流帽11也可以由100° 180°彎頭所代替，在降流區發酵間5的中下部安裝復數條回流通道6，在降流區發酵間5的底部安裝排渣管8，回流通道6的入口高于降流區發酵間排渣管8，回流通道6的出口連接升流區發酵間3的底部。反應器罐體的剖面是圓柱形或者矩形，本實施例不作限定。其工作原理是將需發酵物料從進料管I注入柱形罐體2的升流區發酵間3發酵并產生沼氣，沼氣帶動料液上升并在頂面聚集，升流區發酵間3的頂面低于反應器的料液面，氣料混合物通過氣提管4進一步提升至降流區發酵間5上部，物料從氣提管涌出，經折流帽11或彎頭折流反沖，沖淋頂層浮渣，沼氣與料液分離，并同時完成頂層浮渣的破碎、淋濕與厭氧菌再接種，促使浮渣層有機物有效發酵。物料于降流區發酵間繼續發酵，并在重力與回流通道6的回吸雙重作用下，向下運動。回流通道入口高于降流區發酵間排渣管8，物料中發酵充分的熟料穩定性強比重較大，更多的在降流區發酵間底部沉積，并通過降流區發酵間排渣管8排出。發酵不充分的生料與活性微生物體密度較小，更多的通過回流通道6 進入升流區發酵間3底部，并沖擊、攪拌、接種新進物料。如此往復形成升流發酵間與降流發酵間的對流循環，不斷產生沼氣。沼氣在反應器頂部聚集由排氣管7輸出進行利用。當所發酵物料可生化性差、總固體濃度高，反應過程中要求加大對流攪拌強度時, 可通過沼氣泵16經配氣管13泵入沼氣，提高升流區發酵間3中沼氣量，強化攪拌。當發酵物料中泥沙等比重較大的無機物無法通過沼氣帶動上升時，會沉積在反應器升流區發酵間3底部沉沙溝14中，可通過升流區發酵間排渣管15，在泥沙淤積時排出。為了控制發酵過程的溫度，在反應器上安裝溫度傳感器和保溫層，在反應器升流發酵間3和降流發酵間5的間隔上設置換熱器9。雖然所述實施例中氣提對流循環厭氧消化反應器降流區發酵間5為左右對稱的兩個，但并不限定氣提對流循環厭氧消化反應器降流區發酵間5為左右對稱的兩個。以上所述僅為本發明的具體實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種氣提對流循環厭氧消化反應器，其特征在于所述反應器內豎向分隔為升流區發酵間(3)和降流區發酵間(5)，在升流區發酵間(3)的底部安裝進料管(1)，升流區發酵間(3)的頂面低于反應器料液面，并向上安裝復數根氣提管(4)，氣提管(4)向上延伸，其出口低于反應器料液面50cm以內或者直接高于反應器料液面，在降流區發酵間(5)的中下部安裝復數條回流通道(6)，在降流區發酵間(5)的底部安裝排渣管(8)，回流通道(6)的入口高于降流區發酵間排渣管(8)，回流通道(6)的出口連接升流區發酵間(3)的底部。
2.根據權利要求I所述的氣提對流循環厭氧消化反應器，其特征在于在所述氣提管(4)的出口安裝反沖部用于料液的反沖，反沖部為折流帽(11)或為100° 180°彎頭。
3.根據權利要求I所述的氣提對流循環厭氧消化反應器，其特征在于在所述反應器上設置沼氣泵(16)及配氣管(13)，配氣管(13)位于升流區發酵間(3)下部。
4.根據權利要求I所述的氣提對流循環厭氧消化反應器，其特征在于在所述升流區發酵間(3)的底部設置沉沙溝(14)和升流區發酵間排渣管(15)。
5.根據權利要求I所述的氣提對流循環厭氧消化反應器，其特征在于在所述反應器上安裝溫度傳感器和保溫層，在升流發酵間(3)和降流發酵間(5)的間隔上設置換熱器(9)，或通過配氣管(13)向反應器中注入蒸汽進行加溫。
全文摘要
本發明涉及一種氣提對流循環厭氧消化反應器，該反應器整體為柱形罐體，所述反應器內豎向分隔為升流區發酵間和降流區發酵間，在升流區發酵間的底部安裝進料管，升流區發酵間的頂面低于反應器料液面，并向上安裝復數根氣提管，氣提管向上延伸，其出口高于反應器料液面，在降流區發酵間的中下部安裝回流通道，在降流區發酵間的底部安裝排渣管，回流通道的入口高于降流區發酵間排渣管，回流通道的出口連接升流區發酵間的底部。發酵物料從進料管注入升流區發酵間底部發酵并產生沼氣，沼氣帶動料液上升并在頂面聚集，通過氣提管將氣料混合物提升后噴涌、反沖，實現了氣體與料液的分離，同時實現了浮渣、泡沫的破碎、淋濕與厭氧菌再接種。具有機負荷高、厭氧消化完全、能耗低、產氣量大等特點。
文檔編號C12M1/107GK102586095SQ20121005322
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者許鑒峰 申請人:許鑒峰