專利名稱：沼氣設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及沼氣設備和通過厭氧降解有機物質產生沼氣的方法。
沼氣這一術語用來表示例如在瀉湖或淀積盆地中有機物質的厭氧發(fā)酵過程中以及在沼氣設備中進行的技術方法過程中自然產生的、被水蒸汽飽和的氣體混合物。上述的氣體混合物由55-75％甲烷、24-44％二氧化碳和少量的其它組分組成。沼氣可通過燃燒產生能量，熱值平均為21.5×106焦耳/立方米(散射帶14.0-29.9×106焦耳/立方米)。原則上，任何易于厭氧降解的有機物質都可用作生產沼氣的原料。然而，優(yōu)選的物質是殘余物質(如液體和固體肥料)、含有大量有機物質的污水淤泥和廢水、家庭廢物的有機組分和農業(yè)原料以及鄉(xiāng)村中獲得的物質(植物材料)。在這些原料的厭氧降解中，其中的高分子化合物開始分解成低分子化合物，例如脂肪水解成脂肪酸和甘油。然后產生的化合物在甲烷微生物相中轉化成二氧化碳和甲烷。除了由產生的二氧化碳和釋放出的氫氣形成的水以外，還形成大量的甲烷。
“沼氣設備”這一術語用來描述利用厭氧發(fā)酵技術轉化方法生產沼氣或純化高濃度廢水的裝置。
Gwf-Gas/Natural Gas 124，no.8,389-394(1983)揭示了一種沼氣設備。該裝置包括有機殘余物料的預儲存裝置、配有一個泵(可以帶有切割工具)和加熱裝置的供料裝置、配有一個攪拌器和底部加熱裝置的發(fā)酵器、把發(fā)酵的生物肥料從發(fā)酵器中排入另一個容器的裝置、以及把發(fā)酵器中產生的沼氣排入一個氣體儲存裝置的裝置。這種沼氣設備中的各個裝置，特別是預儲存裝置和發(fā)酵器，相互分離地放置在敞開的空間中。這種沼氣設備可在35或55℃的發(fā)酵溫度下(發(fā)酵器中)進行操作。
另外，已知一種由Novatech Gesellschaft fur umweltschoned TechnologieGmbH，Vellberg制造的沼氣設備。這種沼氣設備由如下裝置構成由預制槽(包括均化和泵送料裝置、固體計量站和液體肥料收集槽)構成的預備裝置；包括加熱器、絕熱套、攪拌器和圓頂蓋的發(fā)酵儲存裝置；配有分離器的排放裝置；由氣體管道、脫硫裝置、儲氣裝置和附件組成的氣體裝置；由封閉型熱能站、熱能儲存裝置、管道和附件構成的氣體處理裝置。這種沼氣設備的各個裝置也是相互分離地排列在敞開的空間中。
另外，已知在Bundschuh(選擇的農業(yè)組織)有一種沼氣集團的沼氣儲存設備。該設備包括預備裝置、液體肥料供料裝置、發(fā)酵器、配有隔熱層和覆蓋板的覆蓋層、從發(fā)酵器中排出液相肥料的裝置以及供熱裝置。另外，發(fā)酵器的外壁裝有絕熱層。
針對現(xiàn)有技術，本發(fā)明的目的是提供一種沼氣設備和沼氣制備方法。該設備和方法確保了較高的能量均衡、廉價、結構緊湊及產生沼氣中含有較少的二氧化碳和其它成分。
這個目的可借助于包括權利要求1中技術特征的沼氣設備和權利要求15所述的方法達到。
從屬權利要求涉及權利要求1所述沼氣裝置的優(yōu)選實施方案。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于通過改善反應設備的絕熱條件來改善能量均衡，極有利于環(huán)保。在該反應設備中，沼氣設備的各個裝置彼此布置合理，同時降低隔熱成本以及傳輸產物方便。
沼氣的化學組成取決于溫度，特別是沼氣中的CO2和H2O在較低溫度時含量較少。本發(fā)明的優(yōu)點在于能利用這一特征，通過適當?shù)剡x擇操作溫度和通過在密閉反應器外殼內有機物質產生氣體的裝置的布置而達到其目的。
在本發(fā)明中，“有機物質”一詞是指基本上由固體組分(如固體肥料和植物性物質)組成的有機物質?！靶迈r的有機物質”一詞表示基本上沒有發(fā)生厭氧降解的有機物質。“預酸化的有機物質”表示在裝置中基本上沒有形成甲烷的有機物質。“產生氣體的有機物質”表示至少部分仍形成甲烷氣體的有機物質。“發(fā)酵的有機物質”表示幾乎完全降解的有機物質。
以下參照附圖進一步說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。


圖1表示沼氣設備的俯視圖。
圖2表示沿圖1中線I-I所作的截面圖。
圖1和2中所示的沼氣設備可以借助于多重絕熱保護特別適用于寒冷氣候地區(qū)使用(室外溫度為-25℃(冬天)至+25℃(夏天))。
該沼氣設備包括基本上為圓柱形的密封反應器外殼2。反應器外殼2裝有混合、發(fā)酵和預供料器11(內部溫度約為5-10℃)。它與內墻表面(8)相鄰，且被隔墻(12)與中間區(qū)隔離，并與新鮮有機物質供料裝置13和供料裝置4相連通。
沼氣設備1的操作方法是先用供料裝置13把新鮮的有機物質送入混合、發(fā)酵和預供料器11中。新鮮有機物質的大部分厭氧發(fā)酵發(fā)生在混合、發(fā)酵和預供料器11中。所得的預酸化有機物質用旋轉螺桿(帶有組合切割器)粉碎，并輸送到混合、發(fā)酵和預供料器11中與供料裝置4相接的部位，且選擇主要以自由降落的方式向前輸送沼氣設備中的產物?；蛘?，混合、發(fā)酵和預供料器11也可裝備合適的泵；如有需要，包括對新鮮有機物質必需的合適切割機。另外，混合、發(fā)酵和預供料器11也可裝備攪拌器。
另外，混合、發(fā)酵和預供料器11連接到預酸化有機物質的pH值控制器和通風裝置上。這些裝置(未畫出)放在儲存室18中。儲存室18在反應器外殼2中與內墻表面8相鄰，通過隔墻12與中間區(qū)6隔斷，用墻19與混合、發(fā)酵和預供料器11隔斷。另外，通風過程可以將預酸化有機物質(嗜熱區(qū))加熱，從而進一步減少反應器3的加熱成本。
現(xiàn)在用供料裝置4將預酸化的有機物質輸送到基本上為圓柱形的反應器3中。反應器3放在密閉反應器外殼2的熱中心。根據(jù)本發(fā)明，所謂的“熱中心”不應理解為由純幾何產生的分布中心，而是指由對冷的外部溫度的絕熱能力皆處于均勻的中心分布，因此使總的熱量損耗降低至最小限度。
反應器3的底座裝有加熱器(如加熱線圈)。加熱器主要用于啟動該沼氣設備，即將反應器3中的有機物質加熱到25-40℃或(取決于原料)50-60℃的發(fā)酵溫度。沼氣設備最好在25-35℃的發(fā)酵溫度下運作，其原因是在該溫度下沼氣中的二氧化碳和其它組分的比例較低，而甲烷的絕對量基本上不低于較高溫度時的甲烷含量。裝在反應器3底座上的加熱器與在加熱室21中的峰值負荷電站20相連接。加熱室21在反應器外殼2中與內墻表面8相鄰，用隔墻12與中間區(qū)6隔離，且通過墻22與混合、發(fā)酵和預供料器11隔離。在反應器3底座中也可裝備氣體加熱和循環(huán)系統(tǒng)，以代替或輔助該加熱器。
在反應器3的底座下(在加熱器下方)和側壁上裝有絕熱層。另外，在反應器3中的有機物質上方設有絕熱覆蓋物。浮在有機物質上或放在拉伸網(wǎng)上的絕熱覆蓋物有利于減少沼氣中的含水量。
用于從反應器3中排出產生氣體后的有機物質的排放裝置5連接在反應器3的側壁的上部區(qū)域，供料裝置4至少有一部分作為一套管的內管穿過反應器3的排放裝置5。另外，排放裝置5連接到反應器3上，供料管4的出口進入反應器3，基本上呈縱向地位于反應器3的中軸線相對邊上。以確保反應器中有機物質有足夠長的平均停留時間。
排放裝置5包括一個彎向底座的孔，該孔設置在遠離出口裝置10的隔墻9側面上，用于從反應器3中排出產生氣體后的有機物質。隔墻9基本上與反應器3外墻表面7和隔墻12之間的供料裝置4以及排放裝置5平行延伸。
在反應器3的外墻表面7和反應器外殼2的內墻表面8和/或隔墻12之間的延伸中間區(qū)6，主要用于再產生氣體和儲存從反應器3中排出的有機物質。產生氣體后的有機物質在排入中間區(qū)6后的這段時間內幾乎都繞著反應器3流向出口裝置10。如果沼氣設備在約為30℃的發(fā)酵溫度下運作，產生氣體后的有機物質在剛排入中間區(qū)6時的溫度約為20℃，當這種物質通過約一半的中間區(qū)6時，它的溫度降低至10-15℃。在特別富含甲烷的物質中，約占沼氣設備中所得甲烷總量的20％是在中間區(qū)6中再產生的。從出口裝置10中排出的發(fā)酵過的有機物質可用作肥料。
或者，也可把加熱和循環(huán)系統(tǒng)裝在中間區(qū)6的底座中。該系統(tǒng)由敷設在底座中用來輸送稍加熱過的氣體的通風管道組成，這些通風管連通到循環(huán)通風機23和氣體加熱器24上，從而以特別有利于“由內而外”地提供熱量。循環(huán)通風機23和氣體加熱器24安裝在加熱室21中。通過把加熱器設置在密閉反應器外殼中，進一步降低了熱量損耗。關于這一點，必須強調這種氣體加熱和循環(huán)系統(tǒng)可以用在上述用來加熱反應器3的加熱器中，任選其一種加熱裝置或相互補充使用。
在密閉反應器外殼2中設置伸展在反應器3和中間區(qū)6上方的隔膜14，以便使這部分反應器外殼2的上方能達到氣密封。由于有了反應器3和中間區(qū)6上方的隔膜14形成的氣體儲存裝置，使氣體儲存裝置中所含氣體得到了絕熱，從而進一步減少了反應器的加熱成本。當發(fā)酵溫度約為30℃時，氣體儲存裝置中的氣體溫度約為20℃。另外，隔膜14的移動，即由于不同充氣量而移動的距離，可用來顯示出儲氣量。
密封反應器外殼2用頂蓋15密封，在頂蓋15下方與頂蓋15相隔一定距離設置絕熱中間覆蓋物16(裝有風扇17)。當用這種方式設計密封反應器外殼2的頂部區(qū)時，可用太陽能改善隔膜14上方的空氣區(qū)和絕熱中間覆蓋物16和頂蓋15之間的空氣區(qū)中的能量平衡，因為即使在零度以下的溫度，入射光線也會在頂蓋15之下產生較高的溫度?？傊?，這種設置顯示出在整個設備上方有兩層有效的絕熱區(qū)。
在大多數(shù)情況下，密封反應器外殼2或多或少埋入土中。然而，密封反應器外殼2也可用土墻包住。另外，排水裝置25設置在密封反應器外殼2的地下。密封反應器外殼2的頂蓋15幾乎延伸到包圍密封反應器外殼2的地表面為止，即它以環(huán)形的方式明顯突出反應器外殼2的側壁，并用水槽密封。通過這些措施保證了周圍的土質干燥，從而能起到良好的絕熱介質作用。
上述的描述表明，本發(fā)明涉及一種全新的沼氣設備，并且(涉及投資和運作)十分經(jīng)濟，結構也非常緊湊。這種沼氣設備特別適用于氣候較冷的地區(qū)。
權利要求
1.沼氣設備，它包括密封反應器外殼(2)，設置在所述反應器外殼(2)中與其內墻表面(8)保持一定距離的反應器(3)，預酸化有機物質的供料裝置(4)流入該反應器，從反應器(3)中排出產生氣體的有機物質的排放裝置(5)連接到所述的反應器上，在反應器(3)的外墻表面(7)和反應器外殼(2)的內壁表面(8)之間延伸的隔墻(9)，以及裝在反應器(3)中的加熱器，其特征在于排放裝置(5)設計成把產生氣體的有機物質從隔墻(9)一側的反應器(3)中排入反應器(3)外墻表面(7)和反應器外殼(2)內墻表面(8)之間的中間區(qū)(6)中，以及發(fā)酵有機物質的出口裝置(10)設置在反應器外殼(2)中與隔墻(9)另一側相鄰的地方。
2.如權利要求1所述的沼氣設備，其特征在于，與內墻表面(8)相鄰的混合、發(fā)酵和預供料器(11)設置在反應器外殼(2)中，且該混合、發(fā)酵和預供料器用隔斷墻(12)與中間區(qū)(6)隔離，并連接到新鮮有機物質的供料裝置(13)和供料裝置(4)上。
3.如權利要求2所述的沼氣設備，其特征在于所述的混合、發(fā)酵和預供料器(11)配有旋轉螺桿。
4.如權利要求1-3中任一項所述的沼氣設備，其特征在于反應器(3)的供料裝置(4)和排放裝置(5)是管形的，供料裝置(4)以徑向間距穿過排放裝置(5)。
5.如權利要求1-4中任一項所述的沼氣設備，其特征在于排放裝置(5)與反應器(3)連接，且供料裝置(4)流入反應器(3)的流出口位置，基本上呈縱向地處于反應器(3)的中軸線的相對邊。
6.如權利要求1-5中任一項所述的沼氣設備，其特征在于在密封反應器外殼(3)中設置在反應器(3)和中間區(qū)(6)的上方延伸的氣密封隔膜(14)。
7.如權利要求1-6中任一項所述的沼氣設備，其特征在于密閉反應器外殼(2)用頂蓋(15)密封，在頂蓋(15)之下一定距離設有絕熱中間覆蓋物(16)。
8.如權利要求7所述的沼氣設備，其特征在于在絕熱中間覆蓋物(16)中設置風扇(17)。
9.如權利要求7或8所述的沼氣設備，其特征在于密封反應器外殼(2)的頂蓋(15)延伸到密封反應器外殼(2)周圍的地表為止。
10.如權利要求1-9中任一項所述的沼氣設備，其特征在于密封反應器外殼(2)埋在泥土中。
11.如權利要求1-10中任一項所述的沼氣設備，其特征在于在密封反應器外殼(2)之下泥土中設置排水裝置(25)。
12.如權利要求1-11中任一項所述的沼氣設備，其特征在于在反應器(3)的底座上設置加熱器。
13.如權利要求1-12中任一項所述的沼氣設備，其特征在于在反應器(3)中有機物質的上方設有絕熱覆蓋物。
14.如權利要求1-13中任一項所述的沼氣設備，其特征在于在反應器(3)的底座和/或側壁上設有絕熱層。
15.通過在包括密封反應器外殼的沼氣設備中厭氧降解有機物質來生產沼氣的方法，其特征在于使預酸化的有機物質與產生氣體的有機物質進行熱交換。
全文摘要
沼氣設備,它包括密封反應器外殼(2);設置在所述反應器外殼(2)中與其內墻表面(8)保持一定距離的反應器(3),預酸化有機物質的供料裝置(4)流入該反應器,從反應器(3)中排出產生氣體的有機物質的排放裝置(5)接到所述的反應器上;在反應器(3)的外墻表面(7)和反應器外殼(2)的內壁表面(8)之間有隔墻以及裝在反應器(3)中的加熱器;排放裝置(5)設計成把產生氣體的有機物質從隔墻(9)一側的反應器(3)內排入反應器(3)外墻表面(7)與反應器外殼(2)內墻表面(8)之間的中間區(qū)(6)中,以及發(fā)酵有機物質的出口裝置(10),它位于反應器外殼(2)中與隔墻(9)另一側相鄰的地方。
文檔編號C12M1/107GK1244850SQ98802078
公開日2000年2月16日 申請日期1998年10月22日 優(yōu)先權日1997年10月22日
發(fā)明者萊因哈特·馮努登舍爾德 申請人:萊因哈特·馮努登舍爾德