一種甲烷生產設備及其系統的製作方法

2023-09-19 01:19:15

本發明涉及農業廢棄物資源化利用及環境保護技術領域，具體而言，涉及一種甲烷生產設備及其系統。

背景技術：

隨著全世界能源的需求不斷增長以及化石能源的逐漸匱乏，尋求可替代再生能源並提高能源利用率已迫在眉睫。甲烷是一種能量高的可燃氣體，其具有可再生、成本低、汙染小等特點。如富含木質纖維素的植物秸稈或者富含蛋白質的動物糞便都有望作為產甲烷的原材料。我國農作物秸稈年產量高達8億多噸，但是，我國的秸稈綜合利用率只有30％左右，過剩的秸稈主要以焚燒和廢棄的形式處理，導致了環境的汙染也浪費了資源。同時，另外一種農業廢棄物——畜禽糞便每年約產生二十億噸，如果處置不當會造成水體和土壤的汙染，而畜禽糞便同樣被認為是一種重要的能源載體有機廢物。

因此，採用畜糞秸稈消化產沼氣成為了一種操作簡單、成本較低的甲烷生產方式，但是目前畜糞秸稈厭氧消化產沼氣仍存在工藝耗時長、甲烷產率低等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種甲烷生產設備，其能夠提升厭氧消化產甲烷的效率，大幅縮短厭氧消化的停留時間。

本發明的另一目的在於提供一種甲烷生產系統，其包括上述的甲烷生產設備，其能夠在提高畜糞和秸稈利用率的同時，提升厭氧消化產甲烷的效率，並且還能起到減少環境汙染的效果。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種甲烷生產設備，其包括熱鹼預處理裝置、酶水解裝置和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器，熱鹼預處理裝置、酶水解裝置和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器依次連通。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述熱鹼預處理裝置包括用於進行秸稈熱鹼預處理的第一預處理池、用於進行畜糞熱鹼預處理的第二預處理池以及鹼液罐，鹼液罐均與第一預處理池和第二預處理池連通。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述酶水解裝置包括與第一預處理池和第二預處理池對應的第一酶水解池和第二酶水解池，第一酶水解池和第二酶水解池均設置有攪拌器。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述第一預處理池、第二預處理池、第一酶水解池和第二酶水解池均設置有溫控裝置。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述第二預處理池和第二酶水解池之間還設置有紫外消毒裝置。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述甲烷生產設備還包括過濾回流裝置，過濾回流裝置均與酶水解裝置和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器連通。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述第一酶水解池和第二酶水解池均是由碳鋼材料製成的。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述第一預處理池和第二預處理池均是由水泥築成的。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，上述厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器由雙層碳鋼製成，且厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器內部設置有三相分離器；厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器外部還設置有洗氣罐和集氣罐，洗氣罐分別與厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器和集氣水瓶連通。

一種甲烷生產系統，其包括上述的甲烷生產設備。

本發明實施例的有益效果是：上述的甲烷生產設備通過設置依次連通的熱鹼預處理裝置、酶水解裝置和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器，使得甲烷生產的原料能夠先後進行熱鹼預處理、酶水解和厭氧消化，從而高效率的持續產出甲烷。因此，本發明實施例提供的上述甲烷生產設備及其系統，不但具備較高的甲烷生產工藝效率，而且其可以將作物秸稈和畜糞作為甲烷生產的原料進行加工利用，減少了這些廢棄物對環境的汙染，也提高了資源利用率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供甲烷生產設備的平面結構示意圖；

圖2為本發明第一實施例提供甲烷生產系統的結構模塊連接示意圖；

圖3為本發明第二實施例提供甲烷生產設備的平面結構示意圖；

圖4為本發明第二實施例提供甲烷生產系統的結構模塊連接示意圖。

圖標：10-甲烷生產系統；100-甲烷生產設備；20-甲烷生產系統；200-甲烷生產設備；110-控制系統；112-手動控制系統；114-智能控制系統；120-熱鹼預處理裝置；121-攪拌器；122-第一預處理池；123-鹼液罐；124-第二預處理池；224-第二預處理池；125-溫控裝置；140-酶水解裝置；141-攪拌器；142-第一酶水解池；144-第二酶水解池；244-第二酶水解池；145-溫控裝置；147-電動泵；149-電動泵；150-過濾回流裝置；152-反衝洗裝置；157-電動泵；160-厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器；162-三相分離器；164-洗氣罐；166-集氣罐；230-紫外線消毒器。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供了一種甲烷生產設備100，其主要應用於熱鹼-酶水解-厭氧消化產甲烷工藝中使用，並且其待加工原料可以是畜糞和作物秸稈。需要說明的是，本實施例提供的甲烷生產設備100，不但能夠高效率的產出甲烷，而且其使得畜糞和秸稈的可資源化的利用率得以提升，有利於節約資源和減少環境汙染。

進一步地，本實施例提供的甲烷生產設備100包括依次連通的熱鹼預處理裝置120、酶水解裝置140和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160，即通過熱鹼預處理裝置120、酶水解裝置140和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160的設置，使得甲烷生產的原料底物能夠先後進行熱鹼預處理、酶水解和厭氧消化，從而高效率持續產出甲烷。

進一步地，本實施例提供的熱鹼預處理裝置120包括用於進行秸稈熱鹼預處理的第一預處理池122、用於進行畜糞熱鹼預處理的第二預處理池124以及鹼液罐123，鹼液罐123均與第一預處理池122和第二預處理池124連通。需要說明的是，通過鹼液罐123可以將鹼液分別輸送到第一預處理池122和第二預處理池124，以便於第一預處理池122和第二預處理池124進行熱鹼預處理。

另外，具體地，第一預處理池122由水泥構築而成，其上端與鹼液罐123連通，並且頂部還設置了進料口，底部設有出料口。需要說明的是，為了達到很好的熱鹼預處理效果，本實施例提供的第一預處理池122的內部設置有攪拌器121，池壁自帶有溫控裝置125，故通過攪拌器121，能夠在原料進行熱鹼預處理的過程中對原料進行持續的攪拌，以達到充分熱鹼化的目的；通過溫控裝置125可以對第一預處理池122內部溫度進行控制，以便於在熱鹼預處理過程中進行溫度的精準實時控制。

進一步地，需要強調的是，本實施例提供的第二預處理池124與第一預處理池122結構上大致相同，本實施例不再贅述，不同之處在於，第二預處理池124主要進行熱鹼預處理的原料底物為畜糞，並且甲烷生產設備100正常工作時，第一預處理池122和第二預處理池124相對於鹼液罐123並聯設置，同時工作，分別將作物秸稈和畜糞作為底物進行熱鹼預處理。

進一步地，不同原料底物在第一預處理池122和第二預處理池124中經過熱鹼預處理後，分別進入到第一酶水解池142和第二酶水解池144進行酶水解。具體地，由於第一酶水解池142和第二酶水解池144大致相同，因此，以介紹第一酶水解池142為例：

第一酶水解池142由碳鋼水箱製成，其上端設置有密封蓋和出料口，水箱中設置有攪拌器141，底部設置有進料口並與第一預處理池122的出料口連通，另外，第一酶水解池142碳鋼的主體部位還設置有溫控裝置145，以便於在進行酶水解過程中對其內部進溫度的實時精準控制。

進一步地，經過在第一酶水解池142水解過後的原料底物第一次酶水解後，會通過電動泵147將水解液從出料口處傳輸到過濾回流裝置150中的濾布濾池中，濾布濾池底部設置排泥口，並通過電動泵149進行殘渣回流，即水解液在濾布濾池中經過過濾後會形成水解液和剩餘殘渣，過濾得到的水解液會在電動泵157的作用下被輸送到厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160進行厭氧消化，而剩餘殘渣會在電動泵149的作用下被輸送回第一酶水解池142繼續水解，另外，為了防止濾布濾池中的濾布因為堵塞而影響使用，本實施例提供的濾布濾池中的還設置有反衝洗裝置152，通過反衝洗裝置152間歇式的對濾布進行衝洗，保證了濾布時刻保持較佳的過濾效果。需要說明的是，第一酶水解池142和第二酶水解池144對應均有各自的過濾回流裝置150，因為其結構功能基本相同，因此，本實施例不再贅述。

進一步地，在兩個過濾回流裝置150中經過濾布濾池過濾得到的水解液被輸送到厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160後，主要進行厭氧消化反應。具體地，本實施例提供的厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160由雙層碳鋼製成，且厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160內部設置有三相分離器162，通過三相分離器162使得進入到厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160的水解液在厭氧消化過程中產生的甲烷能夠被及時的分離輸送出去。

進一步地，厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160外部還設置有洗氣罐164和集氣罐166，洗氣瓶164分別與厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160和集氣罐166連通，即當甲烷被厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160中的三相分離器162分離出來後，會首先被輸送到洗氣罐164中進行淨化，然後，再進入到集氣罐166中進行收集。

本實施例提供的甲烷生產設備100的工作原理是：向甲烷生產設備100的第一預處理池122和第二預處理池124中加入對應的底物，通過鹼液罐123將鹼液輸送到第一預處理池122和第二預處理池124中進行熱鹼預處理，在熱鹼預處理過程中，可以通過攪拌器121來對底物進行攪拌，可以通過溫控裝置125來控制熱鹼預處理過程中的溫度。

進一步地，經過熱鹼預處理過後，底物被輸送到對應的酶水解池中進行酶水解，需要說明的是，同樣的，在酶水解過程中，可以通過攪拌器141來對底物進行攪拌，使得水解速度加快，可以通過溫控裝置145來控制水解過程中的溫度，以實現實時精準的酶水解參數控制。

進一步地，經過酶水解過後，水解液被輸送到對應的過濾回流裝置150內進行過濾和回流再水解。其中，過濾得到的殘渣回流再水解，過濾得到的水解液被輸送到厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160進行厭氧消化反應，產生甲烷。另外，在過濾回流裝置150內部中，可以通過設置的反衝洗裝置152對濾布進行及時的清洗，以保證過濾回流裝置150正常工作。

進一步地，經過濾布濾池過濾得到的水解液被輸送到厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160後，在三相分離器162的作用下發生厭氧消化反應，產生的甲烷被及時分離處理，並輸送到洗氣罐164中進行淨化，最後，再進入到集氣罐166中進行收集。

另外，需要強調的是，本實施例的甲烷生產設備100通過設置依次連通的熱鹼預處理裝置120、酶水解裝置140和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器160，使得生產甲烷的原料底物能夠先後進行熱鹼預處理、酶水解和厭氧消化，從而高效率持續產出甲烷。因此，本實施例提供的甲烷生產設備100，不但具備較高的甲烷生產工藝效率，而且還減少了廢棄物對環境的汙染，提高了資源利用率。

請結合參照1和圖2，本實施例還提供了一種甲烷生產系統10，其包括上述的甲烷生產設備100和用於控制甲烷生產設備100的控制系統110。需要說明的是，此控制系統110包括手動控制系統112和智能控制系統114，且兩者並聯設置。需要說明的是，其中，手動控制系統112為備用系統，智能控制系統114為甲烷生產設備100正常使用時的工作控制方式。因此，通過設置多樣化的控制系統110，不但確保了甲烷生產設備100的智能化控制和高效率運轉，而且還降低了甲烷生產設備100的故障率，進一步提高了甲烷生產的工藝效率。

第二實施例

請參照圖3，本實施例提供了一種甲烷生產設備200，其與第一實施例提供的甲烷生產設備100大致相同，不同之處在於，本實施例提供的甲烷生產設備200在第二預處理池224和第二酶水解池244之間設置了紫外線消毒器230。

具體地，由於第二預處理池224中添加的底物為畜糞，而畜糞中含有多種微生物(如病原體和孢子)，其可以利用酶水解的碳水化合物進行繁殖生長，導致水解液中的碳水化合物濃度降低，從而影響後續產甲烷的能力，因此，本實施例中設置紫外線消毒器230將熱鹼預處理後的畜糞先進行紫外滅菌，然後進入第二酶水解池244中進行水解，酶水解結束後，畜糞水解液再循環到紫外線消毒器230中進行二次紫外滅菌。需要說明的是，通過紫外線消毒器230的設置，使得酶水解前後能夠進行兩次的紫外滅菌處理，從而保證了原料底物的甲烷轉化率，提高了資源利用率。

另外，結合參照圖3和圖4，本實施例還提供了一種甲烷生產系統20，其與第一實施例提供的甲烷生產系統10大致相同，不同之處在於，本實施例提供的甲烷生產系統20中採用的是本實施提供的甲烷生產設備200，其通過設置紫外線消毒器230，實現了酶水解前後的兩次滅菌處理，保證了原來底物的甲烷轉化率。

綜上所述，本發明實施例提供的甲烷生產設備通過設置依次連通的熱鹼預處理裝置、酶水解裝置和厭氧膨脹顆粒汙泥床反應器，使得生產甲烷的原料底物能夠先後進行熱鹼預處理、酶水解和厭氧消化，從而達到高效率長時間產出甲烷的目的；通過在熱鹼預處理裝置與酶水解裝置之間設置紫外消毒器，實現了酶水解前後的兩次滅菌處理，保證了底物原料的甲烷轉化率。因此，本發明實施例提供的上述甲烷生產設備及其系統，不但具備較高的甲烷生產的工藝效率，而且其可以將作物秸稈和畜糞作為甲烷生產的原料進行加工利用，減少了環境汙染，提高了資源利用率。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。