[发明专利]一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于固体废弃物处理及资源化领域，特别是纤维素、木质素类废弃物的处理与处置，具体涉及到一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法。

背景技术

我国秸秆类生物质资源丰富，每年产量可达7亿吨以上，除了少数秸秆被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外，大多数秸秆被堆置或直接粉碎还田或直接焚烧，这不仅造成资源浪费，也带来了严重的环境污染问题。如将秸秆类生物质进行厌氧发酵处理，废物通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲烷和CO₂产生的反应，其中甲烷俗称沼气是一种可再生利用的生物质能源。其发酵残余物--沼液、沼渣亦可作为肥料进行资源化，这样高品质资源化还可减少环境污染。

秸秆类农业废弃物主要由植物细胞壁组成，干化黄秸秆的基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等，还有少量的钾、镁、钙、硅等化合物的矿物质。纤维素和半纤维素由多糖构成，是产沼气的能量来源。目前，在国内大型沼气工程实践中，主要采用的预处理方式有物理粉碎预处理与碱液预处理。其中，物理粉碎预处理是通常采用的粉碎方式有切割破碎与研磨破碎，而实际应用中发现粉碎预处理效果很有限、不能从本质上改变秸秆的结晶结构。碱液预处理是利用NaOH等极性溶液可以作为润胀剂渗入纤维内部，使得纤维素部分氢键被破坏，部分酯键皂化反应消失，润胀作用提高了厌氧微生物系统可及度，一定程度上提高了原料可降解性。但其对于纤维素结晶区的影响极小，晶体类型没有本质改变，无法充分挖掘产气潜力且运行成本偏高。

使得目前工程化项目均在预处理方面存在着原料受限、预处理技术单一且效率低、发酵效率低且周期长、易发生堵塞与浮渣等问题急需解决。

发明内容

本发明提供了一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置及方法，可以有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的一种纤维素、木质素发酵产沼气的微氧预处理装置，预处理罐、搅拌器、热交换器、微氧曝气装置、调节阀、风机、切割机、循环泵、ORP仪、DO仪、温度计、控制系统；

其中，所述预处理罐依靠内部安装的搅拌器与外部设置的切割机、循环泵实现物料均匀混合、破碎及防止沉淀与结壳；

所述热交换器与温度计连锁并控制罐体内物料温度；

所述微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成微氧曝气系统，为木质素、纤维素水解提供适宜环境；

所述控制系统接收并处理以上设备与仪表返回的信号，自动调节系统运行状态；

根据本发明的第二方面，在本发明的预处理罐为带保温、内部防腐的钢制罐或混凝土池，罐顶密封，底部呈锥斗状；预处理罐内部安装有搅拌器以实现罐体内含固率5-10％的物料能够均匀混合，搅拌器形式可以是中心垂直搅拌器、潜水搅拌器、中心倒流筒等；预处理罐外部设置了切割机、循环泵并通过管道连接，切割机、循环泵均为能够处理或输送大颗粒物料的设备，其中循环泵可将底部物料吸出并在切割机作用下进行二次切割破碎后喷射至预处理罐上部，以此实现物料于预处理罐外部循环，同时可有效防止物料罐底沉积与罐顶结壳；

根据本发明的第三方面，在本发明的热交换器可根据罐体材质与形式布置与罐体内壁、罐外保温层中，热交换器形式可以采用盘管式、混合式及直接加热式等，其与罐内安装的温度计进行温控连锁控制，为物料水解提供较佳的温度环境；环境温度根据物料形式不同可控制在35-50℃间；

根据本发明的第四方面，在本发明的微氧曝气装置、调节阀、风机、ORP仪、DO仪组成微氧曝气系统，为木质素、纤维素水解提供适宜环境，即溶解氧浓度控制在0.3-0.7mg/L、氧化还原电位控制在-300～-150mV；其中，微氧曝气装置可采用穿孔管、膜片式、盘式等形式，安装于罐体底部；风机采用高压、低噪型鼓风机，风压根据罐体高度确定；调节阀安装在风机与微氧曝气装置连接的管路上，其开度可调整；ORP仪、DO仪安装与罐体上并实时反映罐体内物料的氧化还原电位与溶解氧浓度，其信号通过线缆传至控制系统；

根据本发明的第五方面，在本发明的控制系统接收ORP仪、DO仪、温度计的信号，以此判断预处理罐内物料反应状态，并通过内部数据处理模型来调整搅拌器、热交换器、调节阀、风机、切割机、循环泵等运行状态；即通过调整搅拌器、切割机、循环泵的运行状态以确保物料均匀混合及防止沉淀与结壳，以温度计数据为依据通过调整热交换器以确保预处理罐处于最佳运行温度，以ORP仪、DO仪数据为依据通过调整调节阀、风机来确保木质素、纤维素最佳水解环境；