大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统及其工艺方法与流程

本发明涉及一种大型全混合式沼气厌氧发酵罐(cstr)保温恒温的工艺方法，具体地指一种大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统及其工艺方法。

背景技术：

随着对环保的逐渐加强，人们不断利用各种方式来减少工农业生产对环境的破坏。生物质资源的利用越来越受到重视，近10年来得到较快发展，已建成2万多个大中型沼气工程，其中包括处理畜禽粪便及各种生产、生活污水、垃圾填埋等方法产生的沼气。

2007年之前，国家在沼气方面的投资绝大部分都用于户用沼气建设。随着农村经济社会发展以及农业产业结构调整，部分户用养殖模式逐渐转移到养殖小区、集约化养殖企业，这样使得部分户用沼气没有了原料，很多资源集中到养殖厂区、集约化养殖企业。针对这些情况，国家开始支持大中型沼气工程，目前国家投资沼气建设用于户用沼气的投资比例大概50％，20％～30％用于服务体系建设，其余用于大中型沼气工程。从国家投资结构的变化情况来看，大中型沼气工程发展势头强劲。

另一方面，城市化进程带来的城市生活垃圾，特别是餐厨垃圾产量越来越大，部分生活垃圾用于填满和焚烧发电，但是大型餐饮和集中收集的餐厨垃圾填满和焚烧的不多，大多也会集中厌氧发酵产沼气。

工业废水处理领域，特别是有机质含量高的生化废水处理，随着环保要求越来越高，小型生化污水处理厂运行成本明显加大，化工园区的进程加速让工业废水集中化排放处理，也客观上促进了集中建设大中型沼气工程。

中投顾问发布的《2016～2020年中国沼气产业投资分析及前景预测报告》指出，到2020年，我国工业伴生沼气的潜力将为215亿立方米，是2001年的2倍；农业沼气潜力将达到200亿立方米。如全用于发电，按每立方米沼气发电1.6度计算，仅工农业产生的沼气发电量就超过660亿度。今后，沼气热电联产将会有很大的发展空间。

沼气工程的核心是厌氧发酵，厌氧发酵工艺主要有：塞流式反应器(pfr)、高浓度塞流式工艺(hcf)、升流式固体反应器(usr)、完全混合式厌氧反应器(cstr)和上流式厌氧污泥床(uasb)共5种工艺。在悬浮物含量较高的情况下，经济效益和技术最合适的为cstr与usr，而cstr尤其适合于热电肥联产(chp)零排放模式。

从能源和环保综合利用角度，能源环保型势必成为今后处理畜禽粪污、餐厨和有机废水领域厌氧沼气工程的趋势，所以在新建的大中型沼气工程中大多数采用cstr工艺，cstr沼气发酵的工艺控制条件主要有四个控制性的工艺参数：发酵液温度、ph、营养物、有毒有害物质。按三种不同嗜温厌氧菌(嗜温5～20℃嗜温20～42℃嗜温42～75℃)工程上分为常温厌氧(15～30℃)、中温厌氧(30～45℃)、高温厌氧(45～60℃)三种。温度对沼气发酵尤为重要，当温度低于最优下限温度时，每下降1℃，效率下降11％。在上述范围，温度在1～3℃的微小波动，对厌氧反应影响不明显，但温度变化过大(急速变化)，则会使发酵菌活力下降，产生酸积累等问题。

现行的工艺，是采用在水解除砂池中采用蒸汽或者热水循环方式对发酵液进行加热，加热到发酵预设温度后进入发酵罐，而消化器周围环境温度却随着四季更替或昼夜交换而变化，为确保消化器能在恒温条件下运行大型，必须对发酵罐进行保温，发酵罐积往往达1000m³甚至数千立方，发酵罐的保温依然不可能保证大型发酵罐内部恒温，所以必须采用对发酵罐热补偿的方式以保证发酵罐内恒温，目前发酵罐保温主要采用两种方式：第一种是发酵罐内设置加热盘管直接对发酵液进行热补偿，另一种方式就是在发酵罐和保温层之间设置加热盘管或者其他加热设施对发酵罐做热补偿，间接对发酵罐保温。

以上两种方式在目前已经建设的大中型沼气建设中广泛采用，但是均存在很多问题。

第一种方式，靠热水或者其他热媒采用罐内盘管加热的方式，换热过程中，畜禽粪污、餐厨垃圾等固含量高的发酵液虽然在搅拌作用下不会很快沉积在盘管上，但是长时间使用后，会在加热盘管上形成鸟粪石，一旦形成，发酵罐内的机械搅拌无法去除，沉积在加热盘管上鸟粪石会严重影响加热效率，严重的可导致完全无法加热，造成发酵罐无法正常运行。加热盘管一般固定在发酵罐内部，拆卸清洗几乎不可能，加热盘管一般面积较大，采用停工后人工清洗工作量也非常大，而且容易产生安全事故。

第二种方式采用间接加热方式保温，热水盘管或者电阻丝对发酵罐加热，起到恒温作用，但是大面积的热水盘管和加热设备，势必会给发酵罐的保温施工带来诸多问题，而且采用热水类换热媒介的盘管很容易发生漏水，破坏保温层。所以这种热补偿方式的稳定性不好。

文献cn2586698y介绍的第一类热补偿方式，采用旋转式内盘管加热，这种热补偿方式适用于小型发酵罐，大型发酵罐按照该文献制作很难拆卸清洗，热补偿采用连续性盘管换热，热水从管底连续循环到灌顶，换热管路线过长从而导致换热效果效果不可控，对于大型cstr发酵罐上下部温差很大，这种连续性梯度热补偿很显然不能保证全罐恒温，热补偿效果得不到保障。文献201046964y对文献cn2586698y的热补偿方式做了改进，采用外加盘管方式，并且考虑了大型cstr加热方式的发酵罐上下温差问题，但是采用外盘管加热进行热补偿的方式存在的问题也很多，上述文献也没有解决大量使用外盘管影响发酵罐保温，以及盘管局部漏水给发酵罐保温层带来的损伤等问题。

技术实现要素：

本发明针对现有目前大中型厌氧沼气发酵罐热补偿工艺的不足，提供了一种大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统及其工艺方法，该系统和方法解决大型沼气全混合式厌氧发酵罐(cstr)中温(30℃～45℃)和高温(45℃～60℃)发酵过程中的发酵罐热补偿工艺缺陷，保证发酵罐内物料恒温，从而保证大中型厌氧沼气工程的发酵罐产气稳定性。该系统用于中温及高温厌氧沼气工程全混式厌氧发酵罐热补偿，可用于农村畜禽粪污及农田秸秆综合利用、城市餐厨垃圾等有机废弃物综合处理、化工、轻工、生物化工等领域的高浓度有机废水废固综合利用处理。本发明所采用的补偿系统和工艺方法不仅适用于中温、高温厌氧沼气发酵，还适用于不高于80℃的大型生化反应中，对反应器整体热补偿领域

为实现上述目的，本发明提供的一种大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统，所述系统包括发酵罐，所述发酵罐外壁上由上至下间隔开设有多个发酵液循环出口，所述发酵罐外壁上开设有沼液出口，所述沼液出口位于最下面的发酵液循环出口的下方，所述发酵罐外壁上部开设有溢流口，所述发酵罐外壁上部还设置有侧壁发酵液循环回流入口，且所述侧壁发酵液循环回流入口位于溢流口以下，所述发酵罐外壁下部还设置有粪污和有机质类物料入口，所述发酵罐外壁上由上至下间隔设置有多个温度计接口，所述温度计接口上设置有温度计，所述温度计接口数目及安装位置与发酵液循环出口一一对应，所述侧壁发酵液循环回流入口与粪污和有机质类物料入口之间的发酵罐外壁上由上至下开设有多个温度计接口，且所述温度计接口与对应的发酵液循环出口处于相同高度，所述发酵罐的罐顶上设置有发酵液循环竖直回流入口、沼气孔、秸秆类物料入口和发酵罐液位显示控制传感器，所述粪污和有机质类物料入口和秸秆类物料入口分别与二级沉沙均质池连接。所述溢流口与二级发酵罐连接，所述沼液出口通过出料泵与二级发酵罐连接，每个发酵液循环出口均通过循环泵与换热器的管程一端连接，所述换热器的管程另一端分别连接有侧壁发酵液循环液回流入口和发酵液循环竖直回流入口，所述换热器的壳程两端分别连接有回水去热储罐和热水储罐；

大型cstr恒温热补偿中换热器采用外置管式(管板式或其他适合于热水/具有一定含固量的工艺发酵液换热体系的换热器)的方式进行热补偿，换热器的换热功率计算取发酵罐所在地的最高小时温差下的全罐最大热损失，计算过程考虑最苛刻的环境温差和最苛刻的发酵罐保温环境，得到发酵罐在已有外保温层保温下的最大单位热损失，作为选择外置换热器换热功率的依据，同时充分考虑换热器的换热效率。

进一步地，所述发酵液循环出口与换热器之间设置有循环泵。

再进一步地，所述沼液出口与二级发酵罐之间还设置有出料泵。

再进一步地，所述二级发酵罐并联有沼液暂存罐。

再进一步地，所述沼气孔连接有沼气净化系统。

再进一步地，所述发酵液循环出口为3～5个。发酵液循环出口的个数随着发酵罐的高度可以增减，发酵罐高度每增加3～5m，相应的发酵液热补偿出口增加1个，同时在物料出口的同一高度按照上述增加设置一个温度传感器。

发酵罐罐壁上独立设置有上中下三个发酵液循环出口，发酵液循环出口的管口设置电磁阀门，可以单独控制对应的循环管路开启循环，换热器单独给发酵罐三个出料口物料进行循环加热；同时如果发酵罐内发酵液整体温度偏低，也可以控制多个管口同时开启，发酵液循环到换热器换热，换热器同时给发酵罐三个出料口物料进行循环加热，通过单管线循环和多管路整体循环保证发酵罐的整体恒温和局部恒温，从而保证发酵罐内生物菌种的活性，保证沼气稳定产生，同时保证发酵液厌氧消化的最大转化率。

再进一步地，所述温度计接口为3～5个；温度计接口的个数随着发酵罐的高度可以增减，发酵罐高度每增加3～5m，相应的温度计接口增加1个，所述温度计接口上设置有温度计，所述温度计为温度传感器，所述温度传感器与温度信号中控系统连通。

温度传感器的类型以满足精准(1～2℃)测量为依据，同时兼顾温度传输和控制功能，以保证能反应发酵罐特定高度的物料温度，从而实现多点温度监控，多点独立加热的工艺思路(即每个温度传感器的信号可以单独控制阀门开启和关闭，多个温度计接口的信号可以同时控制对应阀门开启和关闭)，保证发酵罐整体温度恒定在中温厌氧或者高温厌氧发酵罐设定的温度范围内，同时兼顾发酵罐局部温度相对恒定。

再进一步地，所述二级沉沙均质池与粪污和有机质类物料入口和秸秆类物料入口与发酵原料管路电动控制阀组件之间设置有之间的管线上设置有发酵原料管路电动控制阀组件，所述发酵原料管路电动控制阀组件包括由二级沉沙均质池至粪污和有机质类物料入口方向的管线上设置的前置阀、控制阀和后置阀，所述发酵原料管路电动控制阀组件还包括与前置阀、控制阀和后置阀构成的控制管线并联设置的管线上的旁通阀，所述控制阀与物料信号中控系统连通。

再进一步地，所述粪污和有机质类物料入口与发酵原料管路电动控制阀组件之间设置有粪污和有机质类物料开关阀，所述秸秆类物料入口与发酵原料管路电动控制阀组件之间设置有秸秆类物料开关阀。

再进一步地，所述发酵液循环出口与循环泵之间的管线上均设置有发酵循环液管路出口阀和发酵液循环管路控制阀(发酵液循环管路控制阀数量与发酵液循环出口的个数决定，它们能单独或者同时开启)；所述发酵液循环管路控制阀与循环液信号中控系统连通，循环液信号中控系统接受来自温度信号中控系统的信号，经过中控系统处理后，由循环液信号中控系统控制发酵液循环管路控制阀的开关和循环泵的开关。

本发明还提供了一种大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统的工艺方法，包括以下步骤：

1)二级沉沙均质池中粪污和有机质类物料经粪污和有机质类物料入口进入发酵罐中，或二级沉沙均质池中秸秆类物料经秸秆类物料入口进入发酵罐中；

2)上述物料在发酵罐内进行持续发酵，发酵得到沼液由沼液出口输送至二级发酵罐或沼液暂存罐；发酵罐上部通过溢流口溢流出来的溢流液进入二级发酵罐或沼液暂存罐，发酵罐发酵过程中产生的沼气由沼气孔进入沼气净化系统；

3)在持续发酵过程中，通过观测孔观察到发酵罐液位过高时，物料信号中控系统控制控制阀关闭，当发酵罐液位过低时，发酵罐液位显示控制传感器控制出料泵关闭；

4)在持续发酵过程中，若发酵罐上任意一个或者多个温度计接口上的温度计检查该区域的发酵罐温度值低于设定的发酵温度下限值的℃时，温度信号传输至温度信号中控系统，温度信号中控系统将控制信号传递给循环液信号中控系统，循环液信号中控系统控制同一高度对应的发酵液循环管路控制阀开启，同时，循环液信号中控系统开启循环泵；发酵液循环液经循环泵进入换热器的管程中，同时，来自热水储罐中热水进入换热器壳程中，发酵液循环液和热水进行冷热转换，热交换后的水由换热器壳程另一端进入回水去热储罐中，热交换后的发酵液循环液再由换热器的管程另一端出，通过侧壁发酵液循环回流入口或发酵液循环竖直回流入口回流至发酵罐中；

对于换热器换热的物料是通过侧壁发酵液循环回流入口或发酵液循环竖直回流入口回到发酵罐，发明者认为利用侧壁发酵液循环回流入口参与循环的优势在于循环物料闭路循环，循环过程中能节约静压能，降低循环过程的循环泵功率的开启功率，当由发酵液循环竖直回流入口参与循环，优势在于，可以对发酵液上层液面产生冲刷，循环加热的同时，一定程度上防止轻质发酵物料上浮到顶部结壳；侧壁发酵液循环回流入口和发酵液循环竖直回流入口二选一；

5)在持续发酵过程中，若发酵罐上任意一个或者多个温度计接口上的温度计检查该区域的发酵罐温度值返回至发酵温度下限值时，温度信号传输至温度信号中控系统，温度信号中控系统将控制信号传递给循环液信号中控系统，循环液信号中控系统控制同一高度对应的发酵液循环管路控制阀关闭，同时，循环液信号中控系统关闭循环泵，关闭热水储罐的热水出水阀，换热器停止工作；

6)在持续发酵过程中，通过温度计接口上的温度计监测发酵罐中不同高度的温度，反复步骤4)～5)操作，从而保证发酵罐整体恒温，保证发酵系统稳定。

本发明的有益效果在于：

1)本发明一方面解决了内置加热盘管加热过程发酵液沉积在换热盘管上的问题，另一方面解决了外置加热盘管热水循环漏液和加热盘管本身影响保温层问题，解决了大型发酵罐的恒温热补偿问题，并通过多点温控，多点循环的方式，对大型cstr发酵罐上下温差过大问题做了技术改进。

2)本发明换热热源为发电机组的缸道水，发电机组的循环水一方面可用于原料预处理，一方面用于本发明的工艺需求，本发明采用外置换热器强制循环换热方式，能保证缸道水回水温度相对恒定，保证发电机在不需要外加缸道水降温换热装置或者补加常温水的前提下正常运行，在热量综合利用和保证发电机组缸道水循环稳定性方面，也优于传统的方式。

附图说明

图1为本发明大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统图；

图2为发酵罐的细节图；

图中，发酵罐1、发酵液循环出口1.1、上部发酵液循环出口1.1a、中部发酵液循环出口1.1b、下部发酵液循环出口1.1c、沼液出口1.2、溢流口1.3、侧壁发酵液循环回流入口1.4、粪污和有机质类物料入口1.5、温度计接口1.6、上部温度计接口1.6a、中部温度计接口1.6b、下部温度计接口1.6c、发酵液循环竖直回流入口1.7、沼气孔1.8、秸秆类物料入口1.9、发酵罐液位显示控制传感器1.10、二级沉沙均质池2、粪污和有机质类物料开关阀2.1、秸秆类物料开关阀2.2、二级发酵罐3、换热器4、回水去热储罐5、热水储罐6、循环泵7、出料泵8、沼液暂存罐9、沼气净化系统10、温度信号中控系统11、发酵原料管路电动控制阀组件12、前置阀12.1、控制阀12.2、后置阀12.3、旁通阀12.4、物料信号中控系统13、发酵循环液管路出口阀14、发酵液循环管路控制阀15、循环液信号中控系统16。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

如图1所示的大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统，所述系统包括全容积为3800m³的碳钢焊接发酵罐1，采用中温csry工艺，灌顶装搅拌电机减速机，采用三层桨式搅拌器，发酵罐1直径约17m，高度(带搅拌器锥体部分)约19.5m；

发酵罐1外壁上由上至下间隔开设有上部发酵液循环出口1.1a、中部发酵液循环出口1.1b和下部发酵液循环出口1.1c，下部发酵液循环出口1.1c的发酵罐1外壁上开设有沼液出口1.2，发酵罐1外壁上部开设有溢流口1.3，所述发酵罐1外壁上部还设置有侧壁发酵液循环回流入口1.4，且所述侧壁发酵液循环回流入口1.4位于溢流口1.3以下，发酵罐1外壁下部还设置有粪污和有机质类物料入口1.5；

侧壁发酵液循环回流入口1.4与粪污和有机质类物料入口1.5之间的发酵罐1外壁上由上至下开设有上部温度计接口1.6a、中部温度计接口1.6b、下部温度计接口1.6c，且温度计接口1.6设置位置与对应的发酵液循环出口1.1处于相同高度；每个温度计接口1.6上设置有温度传感器，

发酵罐1的罐顶上设置有发酵液循环竖直回流入口1.7、沼气孔1.8、秸秆类物料入口1.9和发酵罐液位显示控制传感器1.10，沼气孔1.8连接有沼气净化系统10；

粪污和有机质类物料入口1.5和秸秆类物料入口1.9分别与二级沉沙均质池2连接，溢流口1.3与二级发酵罐3连接，沼液出口1.2通过出料泵8与二级发酵罐3连接，每个发酵液循环出口1.1均通过循环泵7与换热器4的管程一端连接，换热器4的管程另一端分别连接有侧壁发酵液循环液回流入口1.4和发酵液循环竖直回流入口1.7，所述换热器4的壳程两端分别连接有回水去热储罐5和热水储罐6。沼液出口1.2与二级发酵罐3之间还设置有出料泵8。二级发酵罐3并联有沼液暂存罐9。

二级沉沙均质池2与粪污和有机质类物料入口1.5和秸秆类物料入口1.8之间设置有之间的管线上设置有发酵原料管路电动控制阀组件12，所述发酵原料管路电动控制阀组件12包括由二级沉沙均质池2至粪污和有机质类物料入口1.5方向的管线上设置的前置阀12.1、控制阀12.2和后置阀12.3，所述发酵原料管路电动控制阀组件12还包括与前置阀12.1、控制阀12.2和后置阀12.3构成的控制管线并联设置的管线上的旁通阀12.4，所述控制阀12.2与物料信号中控系统13连通。

粪污和有机质类物料入口1.5与发酵原料管路电动控制阀组件12之间设置有粪污和有机质类物料开关阀2.1，所述秸秆类物料入口1.8与发酵原料管路电动控制阀组件12之间设置有秸秆类物料开关阀2.2。

上部发酵液循环出口1.1a、中部发酵液循环出口1.1b和下部发酵液循环出口1.1c与循环泵7之间的管线上均设置有发酵循环液管路出口阀14和发酵液循环管路控制阀15(即为上部发酵液循环管路控制阀15a、中部发酵液循环管路控制阀15b和下部发酵液循环管路控制阀15c)；发酵液循环管路控制阀15与循环液信号中控系统16连通。

本发明还提供了一种大型全混式厌氧沼气发酵罐热补偿系统的工艺方法，包括以下步骤：

1)二级沉沙均质池2中的粪污和有机质类物料经粪污和有机质类物料入口1.5进入发酵罐1中；

2)上述物料在发酵罐1内进行持续发酵，发酵得到沼液由沼液出口1.2输送至二级发酵罐3和沼液暂存罐9；发酵罐上部通过溢流口1.3溢流出来的溢流液进入二级发酵罐2或沼液暂存罐9，发酵罐发酵过程中产生的沼气由沼气孔1.8进入沼气净化系统10；

3)在持续发酵过程中，通过观测孔观察到发酵罐液位过高时，物料信号中控系统13控制控制阀12.2关闭，发酵罐液位显示控制传感器1.10控制着控制泵8关闭；

4)在持续发酵过程中，当上部温度计接口温度传感器1.6a、中部温度计接口温度传感器1.6b、下部温度计接口温度传感器1.6c上任意一个温度传感器检查该区域的发酵罐温度值低于35℃时，或者，发酵罐整体温度低于35℃时，温度信号传输至温度信号中控系统11，温度信号中控系统11将控制信号传递给循环液信号中控系统16，循环液信号中控系统16控制同一高度对应的发酵液循环管路控制阀15(即为上部发酵液循环管路控制阀15a、中部发酵液循环管路控制阀15b和下部发酵液循环管路控制阀15c)开启或者，开启全部的发酵液循环管路控制阀15，同时，循环液信号中控系统16开启循环泵7；发酵液循环液经循环泵7进入换热器4的管程中，同时，来自热水储罐6(热水储罐6中热水来自发电机缸道水或者其他公用工程热水)中热水进入换热器4壳程中，发酵液循环液和热水进行冷热转换，热交换后的水由换热器4壳程另一端进入回水去热储罐5中，热交换后的发酵液循环液再由换热器4的管程另一端出，通过侧壁发酵液循环回流入口1.4或发酵液循环竖直回流入口1.7回流至发酵罐1中；

5)在持续发酵过程中，当上部温度计接口温度传感器1.6a、中部温度计接口温度传感器1.6b、下部温度计接口温度传感器1.6c上任意一个检查温度传感器该区域的发酵罐温度值返回35℃时，或者，发酵罐整体温度返回35℃时，温度信号传输至温度信号中控系统11，温度信号中控系统11将控制信号传递给循环液信号中控系统16，循环液信号中控系统16控制同一高度对应的发酵液循环管路控制阀15(即为上部发酵液循环管路控制阀15a、中部发酵液循环管路控制阀15b和下部发酵液循环管路控制阀15c)关闭或者，关闭全部的发酵液循环管路控制阀15，同时，关闭热水储罐6的热水出水阀，换热器4停止工作，

6)在持续发酵过程中，通过温度计接口1.6上的温度传感器监测发酵罐中不同高度的温度，反复步骤4)～5)操作，从而保证发酵罐整体恒温，保证发酵系统稳定。

在上述工作过程中，控制阀12.2为电动或者气动控制阀容易损坏或者运行不正常，一旦发现12.2损坏，关闭前置阀12.1和后置阀12.3，并打开旁通阀12.4保证发酵系统稳定；

实施例2

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于：

发酵罐1全容积为2400m³的利浦罐，发酵罐以冬天平均温度5℃为基准的环境中，全罐采用保温后约需要热补偿量为10～12kw。

该系统的二级沉沙均质池2中装有秸秆类物料，秸秆类物料经秸秆类物料入口1.9发酵罐1中进行发酵。

在实际工作过程中，物料循环管线采用绝热效果良好的管道及设备保温材质，管道阀门采用带流量控制的电磁阀，循环管路的循环泵采用变频电机控制的离心泵或其他形式的泵，为了保证工艺稳定，循环泵采用一用一备方式设置，保证循环管路的流体循环。

换热器为管壳式换热器，热水走壳程，发酵液走管程，便于换热器的清洗，换热器热水来源于沼气发电机缸道水或者其他没有沼气发电的项目中的公用工程热水或者其他热媒，换热器换热功率要充分考虑发酵罐在最苛刻的环境下热损失和换热器本身的换热效率。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。