專利名稱：節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源開發(fā)利用領(lǐng)域，具體涉及一種節(jié)能型秸稈厭氧發(fā) 酵預(yù)處理裝置。
技術(shù)背景隨著人類對可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)地球環(huán)境的日益重視，生物質(zhì)資源的開發(fā) 利用引起了廣泛關(guān)注。大部分生物質(zhì)資源，如農(nóng)作物秸稈、草等的主要成分 是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這三種成分的質(zhì)量占植物纖維原料總質(zhì)量的80% 95%。三者在植物的細(xì)胞壁中相互結(jié)合在一起被稱為木質(zhì)纖維素。據(jù) 估計(jì)，地球上的植物每年通過光合作用形成的生物質(zhì)所蘊(yùn)含的能量大約是人 類每年所消耗的化石能源的10倍。在各種可供人類開發(fā)利用的木質(zhì)纖維素資 源中，農(nóng)作物秸稈是最為豐富的一種，它約占農(nóng)作物生物學(xué)產(chǎn)量的60%，全 世界每年約生產(chǎn)各種農(nóng)作物秸稈35 40億噸，我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年的秸 稈產(chǎn)量在6億噸以上。這些農(nóng)業(yè)廢棄物以其可再生性、清潔性，以及巨大的 能源儲藏能力受到人類的青睞。在這些資源的多種能源化利用途徑當(dāng)中，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣作為一種重要 途徑越來越受到人們的關(guān)注。在處理固廢方面，厭氧生物處理技術(shù)主要處理 對象為高含水率的易生物降解原料，如下水道污泥、糞便等，而各種農(nóng)作物 秸稈由于受其自身結(jié)構(gòu)的限制，如何采用厭氧發(fā)酵技術(shù)對其高效轉(zhuǎn)化一直是 厭氧生物處理領(lǐng)域的一大難題。受結(jié)構(gòu)的制約秸稈類原料厭氧生物轉(zhuǎn)化利用 過程面臨以下兩大難題①木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的屏障作用。木質(zhì)素 在植物細(xì)胞壁中與纖維素和半纖維素等碳水化合物結(jié)合在一起形成"木質(zhì)素 一碳水化合物聯(lián)合體"(Lignin-carbohydrate complexes,簡稱LCC)， LCC起到保護(hù)植物細(xì)胞免受微生物攻擊的作用。由于木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的屏障作用，降低了原料可利用表面，并阻礙了微生物和酶順利接近纖維素。 因此木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的屏障作用是此類原料生物降解遇到的一大 障礙。②纖維素高結(jié)晶度對生物降解的抑制作用。纖維素分子呈聚集態(tài)，纖 維素結(jié)晶區(qū)內(nèi)鏈分子的全部羥基和非結(jié)晶區(qū)內(nèi)鏈分子的部分羥基會形成很多 氫鍵，這使得纖維素極難溶解，反應(yīng)性能差。在纖維素的結(jié)晶區(qū)，葡萄糖分 子的羥基全部在分子內(nèi)部或與分子外部的氧相結(jié)合，這種結(jié)晶構(gòu)造，使得酶 分子和水分子難以侵入到其內(nèi)部中去，這是木質(zhì)纖維原料生物降解所必須突 破的又一障礙，被認(rèn)為是木質(zhì)纖維原料厭氧生物轉(zhuǎn)化利用過程中所遇到的一 個主要挑戰(zhàn)。長期以來，人們一直在不停的探索破解這兩大難題的技術(shù)途徑，希望采 用預(yù)處理手段突破這兩個瓶頸。提出的預(yù)處理方法林林總總，概括起來可以 分為物理法、化學(xué)法和生物法。其中物理方法包括機(jī)械粉碎、蒸汽爆破、高能射線輻照，以及微波及超聲波處理等；化學(xué)方法有堿處理、稀酸處理、有 機(jī)溶劑處理、氧化處理，以及超臨界萃取處理等；生物處理方面許多研究者 一直在為尋找或培育出高效降解木質(zhì)素的微生物而苦苦探求?？傮w來看，雖 然方法多種多樣，而且一些方法，如稀酸處理、蒸汽爆破等在破壞木質(zhì)素對 纖維素和半纖維素的屏障作用，以及降低纖維素的結(jié)晶度等方面都取得了不 錯的效果，但由于受經(jīng)濟(jì)性的制約，很難投入實(shí)際工程應(yīng)用，所以到目前為 止，還很難說某種方法已經(jīng)能夠滿足大規(guī)模生物轉(zhuǎn)化秸稈等木質(zhì)纖維原料制 取沼氣等能源產(chǎn)品的需要。因此，隨著人類對開發(fā)利用生物質(zhì)能需求的曰益 增加，如何尋求上述問題的突破已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種利用太陽能和生物能為動力進(jìn)行充氧對秸稈類 原料進(jìn)行好氧發(fā)酵預(yù)處理，從而提高此類原料厭氧生物轉(zhuǎn)化效率的裝置。 本發(fā)明的目的可以通過以下措施達(dá)到一種節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，包括原料預(yù)處理倉6和原料預(yù)處理箱10，原料預(yù)處理箱10安裝在原料預(yù)處理倉6中；其中原料預(yù)處理倉6頂部設(shè)有至少一個氣體提升管8;原料預(yù)處理倉6的一邊設(shè)有太陽能溫室4，太陽能溫室4與原料預(yù)處理倉6通過原料預(yù)處理倉6下部的通風(fēng)口 5相通。太陽能溫室4內(nèi)部有蓄熱材料3;太陽能溫室4下部開有進(jìn)風(fēng)口 1，進(jìn)風(fēng) 口 1上裝有單向門2，從而保證空氣只能從外部向溫室內(nèi)部流動。具體操作 時太陽能溫室4設(shè)置在原料預(yù)處理倉6的南邊，以充分收集太陽能。氣體提升管8的下部設(shè)有加熱裝置7，例如電輔助加熱圈，可安裝在氣 體提升管8內(nèi)部或外部，主要在氣體提升力不足以滿足原料預(yù)處理過程充氧 要求時使用；氣體提升管8上裝有控制通風(fēng)量的調(diào)節(jié)閥13。原料預(yù)處理箱10的底板上設(shè)有通氣孔；原料預(yù)處理箱10內(nèi)設(shè)有下端密 封、上端開口、管壁上有通風(fēng)孔的通氣管9;原料預(yù)處理倉6內(nèi)還可設(shè)有導(dǎo) 軌11，原料預(yù)處理箱10活動放置在導(dǎo)軌11上，即原料預(yù)處理箱10預(yù)安裝 在導(dǎo)軌11上并能沿導(dǎo)軌11移動，以方便原料預(yù)處理箱IO進(jìn)出原料預(yù)處理倉 6;原料預(yù)處理箱的體積以方便操作為宜。原料預(yù)處理倉6優(yōu)先選用長方形結(jié)構(gòu)，具體設(shè)置時可以考慮長邊優(yōu)先采 用東西走向，四周安裝保溫材料，上部的氣體提升管8的數(shù)量根據(jù)原料預(yù)處 理倉6的長度合理設(shè)置。原料預(yù)處理倉6的一端或兩端設(shè)有密封門12。本裝置的簡要運(yùn)行過程為首先將密封門12、調(diào)節(jié)閥13、進(jìn)風(fēng)口 1上的 單向門2全部關(guān)閉，利用太陽能溫室4給原料預(yù)處理倉6預(yù)熱，待預(yù)熱完成 后將裝好原料的預(yù)處理箱10沿導(dǎo)軌11推進(jìn)原料預(yù)處理倉6，然后關(guān)閉密封 門，待原料所攜帶的氧氣及預(yù)處理倉6內(nèi)空氣中氧氣的含量顯著降低后，開 啟調(diào)節(jié)閥13利用由溫差產(chǎn)生的氣體提升力為原料預(yù)處理箱10內(nèi)的微生物補(bǔ) 充氧氣。原料預(yù)處理程度滿足要求后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥13，然后打開密封門12 將原料預(yù)處理箱IO取出，預(yù)處理好的原料除留一小部分做下一批次的接種物 外，其余部分調(diào)整C/N后送入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵。之后可以開始下一 批預(yù)處理過程。本發(fā)明所涉及的秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置具有以下3方面的特點(diǎn) ①利用好氧微生物對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，以最大限度的破壞木質(zhì)素，從而打破木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的屏蔽作用，為提高秸稈厭氧發(fā)酵的轉(zhuǎn)化效 率提供了保證。② 補(bǔ)充好氧微生物所需氧氣的動力主要來自太陽能和原料好氧發(fā)酵過程 的自身產(chǎn)能，最大限度降低了原料處理過程中外來能量的投入。③ 裝置本身結(jié)構(gòu)相對簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡便，便于推廣利用。圖1是本發(fā)明的秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置的側(cè)面視圖。圖2是本發(fā)明的秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置的主視圖。圖中l(wèi)為進(jìn)風(fēng)口， 2為單向門，3為蓄熱材料，4為太陽能溫室，5為通 風(fēng)口， 6為原料預(yù)處理倉，7為加熱裝置，8為氣體提升管，9為通氣管，10 為原料預(yù)處理箱，ll為導(dǎo)軌，12為密封門，13為調(diào)節(jié)閥。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說明書附圖的詳細(xì)的說明僅僅是闡述本發(fā)明的普遍原理，并非 限制性的，實(shí)際應(yīng)用過程中可以根據(jù)處理原料的不同性質(zhì)和處理要求，以及 裝置的安裝位置進(jìn)行合理的調(diào)整和修改。一種節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，在四周安裝保溫材料的東西走向 的長方形原料預(yù)處理倉6頂部設(shè)三個氣體提升管8，在氣體提升管8的下部 裝有加熱裝置7 (如電輔助加熱圈)，中部裝有調(diào)節(jié)閥13。原料預(yù)處理倉6 內(nèi)壁上設(shè)有導(dǎo)軌11，原料預(yù)處理箱IO底部通過滑輪活動安裝在導(dǎo)軌11上； 原料預(yù)處理箱10的底板上設(shè)有通氣孔，原料預(yù)處理箱10內(nèi)均勻分布有下端 密封、上端開口、管壁上有通風(fēng)孔的通氣管9，空氣可以從底板上的通氣孔 流進(jìn)，經(jīng)過秸稈后再從通氣管9上的通風(fēng)孔流出，使秸稈的溫度及氧量均勻。 原料預(yù)處理倉6的南邊設(shè)太陽能溫室4，內(nèi)部的蓄熱材料3可就地取材選用 鵝卵石；太陽能溫室4通過通風(fēng)口 5與原料預(yù)處理倉6相通。太陽能溫室4 下部開有進(jìn)風(fēng)口 1，進(jìn)風(fēng)口 1上安裝單向門2，從而保證空氣只能從外部向溫 室內(nèi)部流動。首先給裝置進(jìn)行預(yù)熱，將密封門12、調(diào)節(jié)閥13、進(jìn)風(fēng)口 1上的單向門

全部關(guān)閉，利用太陽能溫室4給原料預(yù)處理倉6預(yù)熱。利用揉切機(jī)將秸稈揉 切處理成2 3cm長的絲狀體，添加接種物并調(diào)整其含水率到60%左右，然 后裝入原料預(yù)處理箱IO,待原料預(yù)處理倉的溫度升高到2(TC以上后將預(yù)處理 箱10沿導(dǎo)軌11推進(jìn)原料預(yù)處理倉6，然后迅速關(guān)閉密封門，待原料所攜帶 的氧氣及預(yù)處理倉6內(nèi)空氣中氧氣的含量顯著降低后，開啟調(diào)節(jié)閥13利用由 溫差產(chǎn)生的氣體提升力為原料預(yù)處理箱10內(nèi)的微生物補(bǔ)充氧氣，當(dāng)通過進(jìn)風(fēng) 口 1和單向門2的進(jìn)入原料預(yù)處理倉6的空氣使原料預(yù)處理箱10內(nèi)的溫度呈 現(xiàn)下降趨勢時，關(guān)閉調(diào)節(jié)闊13。在預(yù)處理過程中，原料的溫度以維持在50 6(TC為宜，預(yù)處理時間以6 8天為宜。原料預(yù)處理程度滿足要求后，如果調(diào) 節(jié)閥13處于開啟狀態(tài)，需要將其關(guān)閉，然后打開密封門12將原料預(yù)處理箱 IO取出，預(yù)處理好的原料除留一小部分做下一批次的接種物外，其余部分調(diào) 整C/N到20 30:1范圍后送入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵。之后可以開始下一 批預(yù)處理過程。需要說明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)，既以太陽能和原 料自身所產(chǎn)生物能為充氧動力從而滿足原料預(yù)處理過程對氧氣的需求，可以 在裝置的具體細(xì)節(jié)上根據(jù)需要進(jìn)行合理的改變和調(diào)整。
權(quán)利要求
1、一種節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，包括原料預(yù)處理倉(6)和原料預(yù)處理箱(10)，原料預(yù)處理箱(10)安裝在原料預(yù)處理倉(6)中，其特征在于原料預(yù)處理倉(6)頂部設(shè)有至少一個氣體提升管(8)；原料預(yù)處理倉(6)的一邊設(shè)有太陽能溫室(4)，太陽能溫室(4)與原料預(yù)處理倉(6)通過原料預(yù)處理倉(6)下部的通風(fēng)口(5)相通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 所述的太陽能溫室(4)內(nèi)部有蓄熱材料(3)，所述的太陽能溫室(4)下部 開有進(jìn)風(fēng)口 (1)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 所述的進(jìn)風(fēng)口 (1)上設(shè)有保證空氣單向流動的單向門(2)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 所述的氣體提升管(8)的下部設(shè)有加熱裝置(7)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 所述的氣體提升管(8)上裝有控制通風(fēng)量的調(diào)節(jié)閥(13)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 在所述的原料預(yù)處理箱(10)的底板上設(shè)有通氣孔。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 在所述的原料預(yù)處理箱(10)內(nèi)設(shè)有下端密封、上端開口、管壁上有通風(fēng)孔 的通氣管(9)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，其特征在于 所述的原料預(yù)處理倉(6)內(nèi)設(shè)有導(dǎo)軌(11)，所述的原料預(yù)處理箱(10)活 動安裝在所述的導(dǎo)軌(11)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種節(jié)能型秸稈厭氧發(fā)酵預(yù)處理裝置，包括原料預(yù)處理倉6和原料預(yù)處理箱10，原料預(yù)處理倉6頂部設(shè)有至少一個氣體提升管8；原料預(yù)處理倉6內(nèi)活動安裝有原料預(yù)處理箱10；原料預(yù)處理倉6的一邊設(shè)有太陽能溫室4，太陽能溫室4與原料預(yù)處理倉6通過原料預(yù)處理倉6下部的通風(fēng)口5相通。本發(fā)明以太陽能和生物能為動力提供秸稈類原料厭氧發(fā)酵生物預(yù)處理過程補(bǔ)充氧氣所需能量，既提高了秸稈預(yù)處理效果，又降低了預(yù)處理能耗，因此，本發(fā)明具有提高秸稈厭氧生物轉(zhuǎn)化效率以及降低原料預(yù)處理費(fèi)用的雙重功效。
文檔編號C12M1/107GK101235349SQ20081002066
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日
發(fā)明者馮景偉, 卓 孟, 張繼彪, 李培培, 李繼紅, 楊世關(guān), 羅興章, 趙國華, 鄒星星, 正 鄭, 陳廣銀, 黃星發(fā) 申請人:南京大學(xué)