專利名稱：用于從有機材料生成生物氣的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從有機材料生成生物氣(沼氣)的裝置，所述裝 置包括生物氣反應(yīng)器，該生物氣反應(yīng)器包括要被充填有機材料的充填 室和用于至少部分地從生物氣反應(yīng)器排出有機材料的回流通道。本發(fā)明還涉及用于生成生物氣的方法。
背景技術(shù)：
在生物氣(biogas)的生成過程中，使用厭氧細菌來分解不再與活 生物體相連的有機材料并將有機材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。厭氧細菌是自然循 環(huán)中的最后一環(huán)并且在自然界中無處不在，例如在反芻動物的胃中或 者湖泊和沼澤地的黑泥中都存在。在厭氧發(fā)酵中，首先，兼性甲基營 養(yǎng)菌 (facultative methylotroph ) 將從專性甲基營養(yǎng)菌 (obligate methylotroph)分化。在厭氧發(fā)酵中用作原材料的有機材料例如包括來 自工業(yè)、烹飪行業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)(淤泥和固態(tài)糞便)的有機材料或殘 留物或者再生粗產(chǎn)物(玉米青貯、牧草青貯和其它矮株植物)。這些有 機材料主要由碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)構(gòu)成。無規(guī)兼性甲基營養(yǎng)菌 (random facultative methylotroph)還可以在存在氧的條件下存活。它 們以處理的第一階段為主并將有機材料分解為醇、脂肪酸及其鹽。處 理的所述第一階段稱為產(chǎn)酸階段或水解。在第二階段，專性甲基營養(yǎng) 菌將醇、脂肪酸及其鹽轉(zhuǎn)化為氣體。該第二階段稱為甲垸化階段。第 一階段和第二階段延遲大約6小時出現(xiàn)，在開始的6小時中出現(xiàn)所謂 的水解階段。圖1是一般性地示出自然發(fā)酵過程的示意圖。具體地說，該示意 圖示出隨著天數(shù)流逝的有機干物質(zhì)(ODS)分解百分比(實線)。在這 點上可以觀察到，在開始的20天中，干物質(zhì)的分解進行得非常緩慢。 在存在相應(yīng)營養(yǎng)物供給的情況下，存在于全部有機廢料中的僅僅很少 數(shù)的細菌以對數(shù)比生長繁殖(虛線)。有機體按照細菌的生長繁殖比 率相同的比率分解并轉(zhuǎn)化為氣體。然而，令人期望的是有機干物質(zhì)的分解百分比為70%，也就是說，根據(jù)圖l的示意圖，在自然發(fā)酵過程 中只有在大約40天之后才能達到這一點。生物氣系統(tǒng)的目的是為有機 發(fā)酵提供環(huán)境，從而能夠顯著地加快有機發(fā)酵。從專利公開文獻DE3010183A1中可以獲知這種用于生成生物氣 的裝置和方法。該裝置包括權(quán)利要求1和13的前序部分的結(jié)構(gòu)。然而這種用于生成生物氣的裝置可獲得的有機干物質(zhì)分解百分比太低，因 此氣體產(chǎn)率也太低。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是進一步改進這種用于生成生物氣的普遍裝 置以及用于生成生物氣的方法，從而可以獲得更高的產(chǎn)氣量。所述目的是通過獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)的。根據(jù)從屬權(quán)利要求可以清楚本發(fā)明的有利實施例和進一步改進的 實施例。根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置基于一般的現(xiàn)有技術(shù)，該生 物氣反應(yīng)器還包括至少一個中間室，充填室、所述至少一個中間室以 及回流通道以該順序形成有機材料的流動路徑的各部分，只能朝一個 方向通過所述流動路徑，兩個相鄰部分中的一者形成上升流動路徑， 另一者形成下降流動路徑。采用該構(gòu)造，可以實現(xiàn)使流動體朝一個方 向平滑而均一地流過生物氣反應(yīng)器。通過設(shè)置至少一個附加的中間室， 可以防止各個室過大，這是因為如果各個室過大的話，將存在形成不 同流動區(qū)域的風(fēng)險，而這會不利地影響自然發(fā)酵過程。在發(fā)酵體的連 貫一致性改變的情況下，可以防止供給的發(fā)酵體的流動峰到達表面， 從而幾乎未發(fā)酵的發(fā)酵體或新鮮基質(zhì)在出口處從產(chǎn)酸階段漏出。通過 細分為多個室，可以在生物氣反應(yīng)器內(nèi)部提供多個發(fā)酵室，從而使流 動更均一并且更可控制。這樣，新供給的基質(zhì)在離開生物氣反應(yīng)器之 前不得不通過整個流動路徑，因此迫使基質(zhì)在預(yù)定時間段內(nèi)通過整個 過程。采用該構(gòu)造，可以顯著地提高生物氣的產(chǎn)量。有利的是，根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置還可以進行如下 改進為充填室設(shè)置溢流緣，可以經(jīng)由所述溢流緣從充填室為所述至 少一個中間室填充有機材料。采用所述溢流緣，在充填室與中間室之間的過渡處形成流體靜壓傾斜度，發(fā)酵體可以在這里優(yōu)選地脫氣。只 要發(fā)酵體在容納于腔室中的同時向前移動，氣體更傾向于封閉。當(dāng)發(fā) 酵體越過溢流緣向下掉落時，發(fā)酵體存在在阻力減小的情況下氣體完 全逸出的可能性。在根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置的優(yōu)選實施例中，還可以 想到，總共設(shè)置至少兩個中間室，所述中間室在回流通道的充填口下 方以及溢流緣上方的區(qū)域中相連。采用該構(gòu)造，可以更完全地發(fā)揮上 述優(yōu)點。通過將發(fā)酵容器細分為更多腔室，特別是通過將兩個中間室 相連，可以使流動更加可控，這些中間室根據(jù)連通容器的原理相連， 并且發(fā)酵體不得不依次流動通過所述兩個中間室。另外，根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置還可以進行如下改進 所述中間室在設(shè)置于生物氣反應(yīng)器內(nèi)部的杯形內(nèi)部貯存器的內(nèi)部形 成。這樣，獲得將生物氣反應(yīng)器細分為多個腔室的具體的可能方案。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置還可以進行如下改進 排出通道從回流通道分叉，從而使得排出通道與回流通道一起形成連 通管。這樣，當(dāng)供給新的發(fā)酵體時，生物氣反應(yīng)器中的發(fā)酵體的某一 部分可以自動排出。在這點上，在生物氣反應(yīng)器內(nèi)部不再需要可選地 打開或關(guān)閉排出通道的泵或閥。另外，根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置可以形成為充填室 的橫截面區(qū)域在溢流緣所在的區(qū)域中縮窄。由于在充填室的上側(cè)區(qū)段 的縮窄，溢流基質(zhì)受到壓縮并且阻止漂浮層的形成。優(yōu)選的是，橫截 面積的縮小量為50%。漂浮層會導(dǎo)致發(fā)酵體的脫氣狀況惡化。此外， 發(fā)酵休在該縮窄區(qū)域中受到壓縮，這樣防止非粘性發(fā)酵流過或越過粘 性發(fā)酵體。由于橫截面積縮小，基質(zhì)中的內(nèi)部摩擦阻力增大，從而不 能獲得最終混合物，于是可以可靠地防止形成漂浮層。漂浮層的形成 將導(dǎo)致發(fā)酵過程傾覆或甚至停滯。首先，大多數(shù)生物氣在發(fā)酵過程的 前三分之一階段中生成，因此形成漂浮層的可能性最大。通過使生物氣反應(yīng)器具有朝向上側(cè)漸縮的上部，以及通過使溢流 緣延伸到上部中一定程度使得充填室的橫截面積在溢流緣所在區(qū)域中 縮小，可以獲得相同的優(yōu)點。除了上述優(yōu)點之外，這還具有如下效果通過過渡至錐形部分的過渡部以及錐形部分本身內(nèi)部使得對發(fā)酵體的 摩擦增大，如上所述，錐形部分本身阻止形成漂浮層。根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置還可以構(gòu)造成生物氣反應(yīng) 器包括朝向下側(cè)漸縮的下部，在下部的下方區(qū)域中形成用于沉淀物的 收集室，該收集室一方面可選地可以與生物氣反應(yīng)器內(nèi)部連接，另一 方面可選地可以與生物氣反應(yīng)器的外部環(huán)境連接。由于該構(gòu)造，諸如 沙子或其它致密介質(zhì)等沉淀物或雜質(zhì)將朝向生物氣反應(yīng)器內(nèi)部的下側(cè) 沉積，并且可以不時地從這里移除這些沉淀物。這樣可以排除在生物 氣反應(yīng)器中的流動路徑中的堵塞物。此外，這種沉淀物可能影響發(fā)酵 過程。采用這種可清除的收集室，可以消除這種不利影響。在本發(fā)明 的發(fā)酵過程中，將已分解90%以上并且?guī)缀醪辉俸腥魏斡袡C物質(zhì)的完全發(fā)酵體以大約10天的周期以50%的再引入率作為注射物再次引 入發(fā)酵過程中。最后，在兩個發(fā)酵循環(huán)之后經(jīng)由收集室移除其中所含 的鹽和其它有機部分。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置可以形成為在生物 氣反應(yīng)器的上方部分中連接有排氣管路，經(jīng)由該排氣管路可以為生物 氣反應(yīng)器內(nèi)部施加恒定壓力。這樣，提供了保持生物氣反應(yīng)器內(nèi)部壓 力恒定的措施，該措施容易實現(xiàn)，成本低并且非?？煽俊Ｒ虼?，可以 省略昂貴的閥，閥在用于生物氣反應(yīng)器的環(huán)境中時將非常快速地磨損。此外，用于生成生物氣的裝置可以實施為另外設(shè)置有可以被填 充液體的液體貯存器，排氣管路的通至生物氣反應(yīng)器內(nèi)部之外的端部 可以設(shè)置在液體中，從而使得可以經(jīng)由液體中的浸沒深度調(diào)節(jié)生物氣 反應(yīng)器的內(nèi)部壓力。采用該附加的液體貯存器，可以改變生物氣反應(yīng) 器的內(nèi)部壓力，從而可以調(diào)節(jié)最佳發(fā)酵條件。同時，借助于液體貯存 器進行壓力調(diào)節(jié)易于實現(xiàn)并且成本較低。另外，可以從通過液體從排 氣管路中排出的生物氣中除去可能的污染物。另外，根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置還可以進行如下改進 另外設(shè)置用于對充填室進行充填的混合單元，調(diào)節(jié)該混合單元從而將 新的有機材料與經(jīng)由再循環(huán)管道從生物氣反應(yīng)器排出的有機材料以大 約l: l的比例進行混合。在該情況下，從生物氣反應(yīng)器排出的有機材料是完全發(fā)酵的非反應(yīng)物質(zhì)。采用1: 1的比例進行混合，可以獲得最 佳效果。由于有機材料的主要部分在發(fā)酵過程的末尾分解，因此甲基 營養(yǎng)菌以最高的濃度存在。這些從生物氣反應(yīng)器排出的有機材料與新 引入的有機材料的混合物確保發(fā)酵過程非常強烈而快速地開始，這是 因為大量細菌面對大量有機體，因此導(dǎo)致發(fā)酵過程強烈地啟動。用于生成生物氣的裝置還可以進行如下改進另外提供設(shè)置在充 填室上游的熱交換器，調(diào)節(jié)該熱交換器從而借助于熱流體對新供給的 有機材料進行預(yù)加熱。這樣，可以實現(xiàn)將要供給到生物氣反應(yīng)器中的 發(fā)酵體預(yù)加熱至對于發(fā)酵過程來說最佳的溫度。在這點上，最佳溫度 是指使產(chǎn)氣量最大的溫度。此外，用于生成生物氣的裝置可以形成為在充填室上游設(shè)置碾 壓單元。通過碾壓供給的有機材料，物質(zhì)可以形成有機組分范圍廣泛 的水性可泵送混合物，這對于細菌來說是理想的食物。通過進行碾壓， 可以實現(xiàn)良好的徹底混合，增強泵送性，并且最終實現(xiàn)更快速發(fā)展的 發(fā)酵過程。這樣，有機材料被均質(zhì)化，即分?jǐn)啵瑥亩褂袡C部分的結(jié) 構(gòu)適度斷裂并釋放所含水分。這樣，形成較大的表面，細菌可以更密 集地落菌。作為進一步改進，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以構(gòu)造成設(shè)置儲氣罐， 生物氣反應(yīng)器中生成的生物氣可以存儲在該儲氣罐中，并且該儲氣罐 至少部分地包圍生物氣反應(yīng)器。該進一步改進的有利之處在于，該儲 氣罐對于生物氣反應(yīng)器具有隔熱效果，從而使得熱量更好地保持在生 物氣反應(yīng)器總，并且要供給至生物氣反應(yīng)器的熱能更少。同時，通過 該進一步改進，可以提供用于存儲生物氣的容器，而不需要另外的部 件。用于生物氣系統(tǒng)的熱交換器基于一般的現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)熱交換器殼 體封閉時，清潔裝置可以熱引入體。與粘性有機體相關(guān)的熱交換器的 問題在于，蛋白質(zhì)從大約6(TC的溫度起絮凝并沉積在熱引入體上。該 熱交換器能夠永久地移除這種沉積物從而確保良好的通過性和良好的 熱傳遞。此外，可移動的清潔裝置確保了物體的良好的徹底混合，從 而可以均一地加熱。上述熱交換器還可以進行如下改進可以借助于心軸驅(qū)動裝置使 清潔裝置往復(fù)運動。采用心軸驅(qū)動裝置，可以以少維護并且低成本的 方式實現(xiàn)清潔裝置的運動。此外，該熱交換器可以構(gòu)造成熱引入體由雙壁管道構(gòu)成，在該 雙壁管道中，供給管路包圍返回管路或者返回管路包圍供給管路。由 于使用雙壁管道，熱流體的供給管路和返回管路可以在同一側(cè)通至熱 交換器殼體之外。這樣，在熱交換器的相對側(cè)可以更容易地打開熱交 換器。另外，與設(shè)置通常的單壁管道的情況相比，熱流體通過熱交換 器內(nèi)部的雙壁管道流動的距離加倍。通過根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的方法，可以以類似的方式獲 得上述優(yōu)點。在一種有利的方式中，該方法還可以進行如下改進在生物氣反 應(yīng)器中發(fā)生的本方法的步驟在不對有機材料進行任何主動攪拌的情況 下執(zhí)行。通過避免攪拌有機材料，可以避免擾亂發(fā)酵過程。水解階段 是敏感的因此不容許任何干擾。另外，該方法還可以進行如下改進在被引入充填室之前，借助 于熱交換器將新供給的有機材料預(yù)加熱至35'C至37'C的溫度。這樣， 發(fā)酵過程在嗜溫范圍內(nèi)進行，從而獲得更高的分解率，因此可以生成 更多氣體。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的過程經(jīng)常在嗜熱范圍(大約55'C)內(nèi)進行，從而實現(xiàn)殺菌并且使過程進展更快，然而，這樣不能生成更多的氣體。 在嗜溫范圍內(nèi)，因為出于加熱目的而需要的能量更少，因此能量平衡 更佳。此外，該方法還可以進行如下改進將由新供給的預(yù)加熱的有機 材料與直接從回流通道排出并且引入充填室的有機材料構(gòu)成的有機材 料進行混合。由于與已經(jīng)經(jīng)過生物氣反應(yīng)器的有機材料進行混合，使 得新供給的有機材料與完全活性的細菌相混合，從而可以非?？焖俚?啟動發(fā)酵過程。還可以想到，發(fā)酵過程中的混合比例為1: 1。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)該比例是 獲得最高產(chǎn)氣量的最佳混合比例。最后，根據(jù)本發(fā)明的方法還可以進行如下改進使生物氣反應(yīng)器內(nèi)部的內(nèi)壓保持恒定。由于上述恒定內(nèi)壓，發(fā)酵過程受到干擾的可能 性降至最低，這對于發(fā)酵過程具有有利影響。由于上述內(nèi)壓恒定，可 以防止發(fā)酵體的流動不受控制。


下面將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中 圖1是一般性地示出自然發(fā)酵過程的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置的示意圖； 圖3是圖2所示裝置的碾壓單元的平面圖； 圖4示出通過本發(fā)明的方法可靠地實現(xiàn)的發(fā)酵過程； 圖5是圖2所示裝置的熱交換器的示意性剖視圖； 圖6是沿著圖5中的線I-I截取的示意性剖視圖； 圖7是沿著圖5中的線II-II截取的示意性剖視圖； 圖8是根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置的進一步改進實施例 的示意圖。
具體實施方式
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置的示意圖。在該優(yōu) 選實施例中，生物氣反應(yīng)器10包括外部容器12，優(yōu)選的是，該外部 容器在中央部分為圓筒形，分別在上部14和下部16中朝向端部呈圓 錐形。在外部容器12內(nèi)部容納有內(nèi)部貯存器18，該內(nèi)部貯存器為杯 形并且距離外部容器12以基本上恒定的距離布置，從而在外部容器 12與內(nèi)部貯存器18之間形成包圍內(nèi)部貯存器18的充填室20。外部容 器12以及內(nèi)部貯存器18優(yōu)選由鋼制成，但是，也可以實施由其它材 料例如塑料等制成的實施例。在本實施例中，內(nèi)部貯存器18的用作溢 流緣22的上邊緣插入到朝向上側(cè)漸縮的上部14中一定的深度，從而 使得設(shè)置于其間的充填室20的橫截面積朝向上側(cè)縮小大約50%。然 而，在這點上，唯一重要的是，該橫截面朝向充填室20的端部縮小。 作為選擇，可以通過如下方式實現(xiàn)這一點即，將溢流緣22的上端向 外側(cè)彎曲，即朝向外部容器12彎曲。還可以在充填室20的上端設(shè)置 單獨的引導(dǎo)板，將所述引導(dǎo)板安裝在外部容器12上并使充填室20的橫截面朝向上側(cè)縮小，從而實現(xiàn)所需的橫截面縮小，而非通過朝向上側(cè)漸縮的上部14與溢流緣22之間的相互作用來實現(xiàn)。在反應(yīng)器下部， 內(nèi)部貯存器18按照與外部容器12類似的方式朝向下側(cè)漸縮。內(nèi)部貯 存器18在漸縮的下部24中優(yōu)選為圓柱與圓錐形。在內(nèi)部貯存器18內(nèi) 部設(shè)置有圓筒形內(nèi)管26，從而使得如同內(nèi)部貯存器18與外部容器12 之間一樣，在內(nèi)管26與內(nèi)部貯存器18之間獲得大致相同的距離。內(nèi) 管26的下邊緣向下延伸得與內(nèi)部貯存器18的圓筒部分(非漸縮的部 分)幾乎一樣遠。內(nèi)管26的上邊緣向上延伸超出溢流緣22。在內(nèi)管 26內(nèi)部設(shè)置有回流管28，該回流管向下延伸到內(nèi)部貯存器18的部分 24中，在部分24處，回流管28從內(nèi)管26內(nèi)部通向內(nèi)部貯存器18之 外?；亓鞴?8向上延伸，使得回流管28的上邊緣相對于豎直平面低 于溢流緣22。有利的是，回流管28的上邊緣向上延伸得與外部容器 12的中央部分(優(yōu)選為圓筒形)基本上一樣遠。在本實施例中，外部 容器12、內(nèi)部貯存器18、內(nèi)管26和回流管28同心地設(shè)置。在內(nèi)管 26的外側(cè)與內(nèi)部忙存器18的內(nèi)側(cè)之間形成大致圓筒形的第一中間室 30。在回流管28的外側(cè)與內(nèi)管26的內(nèi)側(cè)之間形成大致圓筒形的第二 中間室32。第一中間室30和第二中間室32在下部相互連接。回流管 28的上邊緣形成充填口 34。在回流管28內(nèi)部形成回流通道36。如上 所述，回流管28離開內(nèi)部貯存器18通入內(nèi)部貯存器18的下部24， 在下部16處穿過外部容器12的壁，并且通入注射泵38，該注射泵優(yōu) 選為單螺桿泵(helical rotor pump)。在回流管28的延伸到充填室20 內(nèi)部的部分上，排出管40分叉并向上延伸到充填室20中，使得排出 管40的上端開口處于與回流管28的充填口 34大致等高的位置。在反 應(yīng)器上部，排出管40形成為使排出管40的上部彎曲90度以上，并且 彎曲部分穿過外部容器12的壁延伸到外部。于是，由排出管40形成 的排出通道42為U形并且與回流通道36相連，從而使得回流通道36 和排出通道42形成連通的管道。充填室20形成為可以在反應(yīng)器下部 從外部充填有機材料或有機物質(zhì)。按照后面將更詳細描述的方式，還 通過充填室20、第一中間室30和第二中間室32供給有機物質(zhì)，其中 有機物質(zhì)可能仍然含有沉淀物或致密介質(zhì)。因此，對應(yīng)的管道部分44和46在外部容器12和內(nèi)部貯存器18的底端分叉，所述管道部分44 和46設(shè)置有位于相應(yīng)容器附近的滑閥(slider) 48、 52以及與該滑閥 相隔一定距離的另一個滑閥50、 54。利用各自的滑閥，各管道部分44 和46可以選擇性地打開和關(guān)閉。滑閥50和滑閥48之間的距離優(yōu)選為 大約80cm，滑閥52和滑閥54之間的距離優(yōu)選為大約60cm。在正常 操作過程中，滑閥48和52是打開的，滑閥50和54是關(guān)閉的。因此， 當(dāng)有機物質(zhì)中所含的沉淀物向下沉降時，這些沉淀物沿著部分16和 24朝向各容器12、 18的中心滑動，并且通過各管道部分44、 46中的 各打開的滑閥48、 52離開。在關(guān)閉的滑閥50、 54處收集沉淀物。于 是，滑闊48與50之間的管道部分以及滑閥52與54之間的管道部分 分別形成沉淀物的收集室56、 58。優(yōu)選的是，例如借助于有機玻璃將 這些管道部分形成為在收集室56、 58處為透明的，從而能夠監(jiān)視沉淀 物的收集量。當(dāng)達到某一數(shù)量時，可以關(guān)閉各滑閥48和52來移除收 集的沉淀物，以便防止容器12、 18泄漏。然后，打開各滑閥50和54 并清空收集室56、 58。為了進行正常操作，再次關(guān)閉滑閥50和54， 并打開滑閥48和52。隔熱裝置60 (圖中僅僅示出一部分)完全包圍 外部容器12 (沒有示出供給和排放線路)，從而可以將生物氣反應(yīng)器 10內(nèi)部的溫度盡可能恒定地保持在優(yōu)選的35° (該溫度有利于生成生 物氣)，并且使得為保持所述溫度而需要供給的能量較少。在該優(yōu)選實 施例中，在隔熱裝置60中嵌入加熱器62，所述加熱器以裝有水的螺 旋布置的水管的形式嵌入，并且例如在熱電組合單元(未示出)中將 水加熱。作為選擇，也可以在隔熱裝置60中嵌入加熱絲。優(yōu)選的是， 加熱器62在從下側(cè)向上直到上部14下方的區(qū)域包圍外部容器12。為 了保護隔熱裝置60，可以采用例如金屬片外套等防護外套包圍包括加 熱器62的隔熱裝置60。排氣管路64在外部容器12的上端處，即上部14的漸縮端處分叉。 所述排氣管路64向下通向外部容器12的外部并且與外部容器12相 鄰，排氣管路64的端部伸入液體貯存器66并且向下延伸到所述液體 貯存器66內(nèi)部。液體貯存器66優(yōu)選為圓筒形容器，該容器的下部朝 向下側(cè)呈錐形漸縮。供氣管路68在液體貯存器66的上側(cè)分叉，通過該供氣管路68將獲得的生物氣供給到儲氣罐(未示出)，在這里，熱 電組合單元(未示出)可以獲得生物氣來發(fā)電。在液體貯存器66的下 端，管道部分70通向液體貯存器66之外。立管72從所述管道部分 70分叉，所述立管72向上通至液體貯存器66的上邊緣并且與液體貯 存器66相鄰。立管72在上側(cè)敞開，在立管2的上邊緣與該上邊緣下 方超過lm的位置之間形成有三個孔口 74，最下面的孔口位于立管72 的上邊緣下方超過lm的位置處。三個孔口 74中最下面的孔口與最上 面的孔口之間的距離優(yōu)選為lm。立管72按照連通管原理與液體貯存 器66內(nèi)部相連。在工作過程中，液體貯存器66內(nèi)部填充有液體76(優(yōu) 選為水)，可以通過孔口 74來調(diào)節(jié)液體的液位。由于連通管原理，在 立管72和液體貯存器66中保持相同的液位，因此如果最下面的孔口 74是敞開的，那么液體貯存器66中可以填充液體76直到液位與最下 面的孔口 74的水平相對應(yīng)。如果例如借助于塞子使最下面的孔口 74 關(guān)閉，那么液體貯存器66中可以填充液體直到獲得與更高處的孔口 74的水平相對應(yīng)的更高的液位。如果全部孔口 74都是關(guān)閉的，那么 液體貯存器66中可以完全填充液體，當(dāng)達到完全充填時液體到達立管 72的上邊緣。排氣管路64的通向外部容器12之外的端部78位于液 體貯存器66內(nèi)部，從而使所述端部78浸在液體76中。端部78的下 端開口與立管72的最上面的孔口以2m的距離間隔開。于是，當(dāng)三個 孔口 74中最下面的孔口敞開時，排氣管路64在液體76中的浸沒深度 為最小值，即lm;只有當(dāng)三個孔口 74中最上面的孔口敞開時，該浸 沒深度才為最大值，即2m。由于可以調(diào)節(jié)排氣管路64的端部78的浸 沒深度，可以將外部容器12內(nèi)部的壓力調(diào)節(jié)為恒定值。因此，當(dāng)充填 有水時，以lm的浸沒深度可以在外部容器12中獲得0.1巴的壓力。 以2m的浸沒深度可以將外部容器12中的壓力調(diào)節(jié)為0.2巴。如上所 述，管道部分70在液體貯存器66的下端通向外部。這里，在該管道 部分中在液體貯存器66的出口與立管72的分叉部之間設(shè)置有滑閥80， 在該管道部分中在立管72的分叉部之后設(shè)置有滑閥82。利用這兩個 滑閥80、 82，可以選擇性地打開或關(guān)閉通過管道部分70的通路。在 正常操作過程中，滑閥80是打開的，滑閥82是關(guān)閉的，因此形成沉淀物的收集室84。于是，生物氣中所含的雜質(zhì)被液體76過濾出來。 氣體在液體76中上升，過濾出來的沉淀物在液體76中向下沉降，然 后通過液體貯存器66的下部的漸縮形狀將沉淀物引導(dǎo)至中央并收集 在收集室84中。在收集室84所在的區(qū)域中，管道部分70是透明的， 例如由有機玻璃制成，從而使得可以監(jiān)視沉淀物的收集。當(dāng)收集室84 中的沉淀物數(shù)量達到某一數(shù)量時，可以關(guān)閉滑閥80并打開滑閥82, 從而可以在管道部分70的下端從系統(tǒng)中排出沉淀物。在清空收集室 84之后，再次關(guān)閉滑閥82并打開滑閥80。如上所述，可以從下面對充填室20進行充填。為此，連接充填室 20與混合單元86的出口的管道部分穿過外部容器12的下部16中的 壁延伸。優(yōu)選的是，混合單元86的出口朝向充填室20漸縮50%?；?合單元86的入口與管道相連，通過該管道將混合單元86與注射泵38 的出口和熱交換器88的出口相連?；旌蠁卧?6將從注射泵38和熱交 換器88供給的有機材料優(yōu)選以1: l的比例混合。作為選擇，該用于 生成生物氣的裝置還可以以其它混合比例工作。熱交換器88 (后面將 更詳細地描述)包括設(shè)置在出口附近的溫度傳感器90，借助于該溫度 傳感器可以檢測位于熱交換器中的有機物質(zhì)的溫度。熱交換器88與設(shè) 置在入口側(cè)的新鮮基質(zhì)泵(fresh substrate pump) 92相連，該新鮮基質(zhì) 泵優(yōu)選為單螺桿泵。所述新鮮基質(zhì)泵92轉(zhuǎn)而與布置在入口側(cè)的碾壓單 元94相連。碾壓單元94與新鮮基質(zhì)泵92之間的連接以及新鮮基質(zhì)泵 92與熱交換器88之間的連接是借助于管道連接件來實現(xiàn)的。碾壓單 元94包括三個順次布置的例如星形切割刀片等切割工具96，在切割 工具的與基質(zhì)流相對的側(cè)面上相應(yīng)設(shè)置襯套98。切割工具96布置在 軸IOO上。軸IOO至少在某些區(qū)段上形成為蝸輪傳送軸。為了將軸100 連接到切割工具96上，在切割工具96所在的區(qū)域中使軸100變平， 從而使得切割工具96可以準(zhǔn)確地安裝在軸上。襯套98包括中心圓孔， 軸100穿過該中心圓孔從而使襯套98不干擾軸100的旋轉(zhuǎn)。通過螺栓 (未示出)鎖定襯套98，從而使切割工具96對相應(yīng)襯套98上供給的 可能纖維狀的有機新鮮基質(zhì)施加切割和剪切作用。襯套98的孔的尺寸 是分級設(shè)計的，從而分級執(zhí)行碾壓并且可以單獨進行調(diào)節(jié)。于是，借助于形成為蝸輪傳送器的軸100將經(jīng)由料斗102供給的有機新鮮基質(zhì) 供給至切割工具96，通過所述切割工具96進行壓碎，并繼續(xù)供給至 新鮮基質(zhì)泵92。軸IOO和切割工具96受驅(qū)動單元104 (例如電機)驅(qū) 動。在圖3中示出碾壓工具的平面圖。在新鮮基質(zhì)泵92與熱交換器88之間、在熱交換器88與混合單元 86之間、在混合單元86與外部容器12之間、在注射泵38與外部容 器12之間、以及在外部容器12與液體貯存器66之間分別設(shè)置有滑閥 106，通過相應(yīng)的滑閥可以選擇性地打開和關(guān)閉相應(yīng)的管道連接件。在 正常操作過程中，所有這些滑閥106都是打開的，然而例如出于維修 的目的，在更換某一元件時可能需要關(guān)閉該元件上游和/或下游的相應(yīng) 滑閥106，以便能夠在沒有有機材料從系統(tǒng)泄漏的情況下更換元件。下面將描述圖2所示用于生成生物氣的裝置的操作或利用圖2所 示裝置生成生物氣的方法。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法中，對于兩種甲基 營養(yǎng)菌，即兼性甲基營養(yǎng)菌和專性甲基營養(yǎng)菌共生(即，兩者相互補 充并相互依存)的事實考慮過少。
背景技術(shù)：
中所述的發(fā)酵過程的第一 階段(水解或產(chǎn)酸階段)和第二階段(甲烷化階段)延遲大約6小時 出現(xiàn)，在開始的6小時中出現(xiàn)所謂的水解階段。所制備的醇和脂肪酸 在接下來的第二階段中也必須是可處理的。在這點上，重要的是，在 根據(jù)本發(fā)明的方法中沒有通過攪拌或混合而通過重新開始的過量酸形 成等來擾亂第一階段的平衡。添加任何新鮮基質(zhì)都將導(dǎo)致酸形成，從 而導(dǎo)致酸產(chǎn)物聚積；如果有機材料的處理沒有最佳地進行，那么實際 發(fā)酵過程將導(dǎo)致酸產(chǎn)物的過量產(chǎn)生。因此，在本發(fā)明的方法中有意對 產(chǎn)酸階段(水解)賦予優(yōu)先權(quán)，從而使得本發(fā)明的方法與根據(jù)現(xiàn)有技 術(shù)的很多方法不同。在本發(fā)明的方法中，水解和甲垸化是平衡的，并 且不像現(xiàn)有技術(shù)中那樣分離地進行。如果水解和甲烷化分離地進行， 就不得不將預(yù)酸化基質(zhì)引入正作用的過程中，這將導(dǎo)致形成酸濃度， 并且導(dǎo)致需要長時間(有時候為20天至30天或更長)來建立平衡。 通過攪拌和混合以及通過注射氣體可以帶來相同的缺點。在本發(fā)明的 方法中，有意避免通過攪拌和混合來擾亂平衡。在用有機材料充填碾壓單元94的料斗102之前，有利的是分選有機材料，即除去粗糙的干擾材料并將較大的部分碾壓至大約30mm。 然后將有機材料填充到料斗102中。然后，手動或自動(例如借助于 擋光板(未示出)等)開啟驅(qū)動單元104。這樣，軸100旋轉(zhuǎn)，從而 軸100的蝸輪傳送器將充填基質(zhì)傳送至三個切割工具96中的第一個。 該切割工具96碾壓有機新鮮基質(zhì)并且傳送有機新鮮基質(zhì)通過相應(yīng)襯 套98。然后，有機新鮮基質(zhì)通過由切割工具96和相關(guān)襯套98構(gòu)成的 第二和第三碾壓階段(如圖2從右側(cè)到左側(cè))。通過所述碾壓階段將來 自烹飪行業(yè)、來自油脂分離器、來自食品行業(yè)以及來自其它來源的有 機材料均質(zhì)化，即分解，從而使有機部分的結(jié)構(gòu)適度斷裂并釋放所含 水分。這樣，形成較大的表面，發(fā)酵過程中所涉及的細菌可以更密集 地落菌。借助于切割工具96如此獲得的基質(zhì)是有機組分范圍廣泛的水 性可泵送混合物。軸100的供給作用以及切割工具96的供給作用將有 機新鮮基質(zhì)繼續(xù)供給至新鮮基質(zhì)泵92。所述新鮮基質(zhì)泵92受控制器 (未示出)控制，將新鮮基質(zhì)泵入熱交換器88并從熱交換器進一步泵 入混合單元86中，最后泵入生物氣反應(yīng)器10的充填室20中。在這點 上，從碾壓單元94供給的新鮮基質(zhì)首先被供給到熱交換器88內(nèi)部。 然后關(guān)閉新鮮基質(zhì)泵92。根據(jù)本實施例，供給到熱交換器88中的新 鮮基質(zhì)被加熱到37°C，借助于溫度傳感器90來監(jiān)視該溫度。所述加 熱操作是通過將與新鮮基質(zhì)空間上分離的熱流體引入熱引導(dǎo)體(后面 將進行描述)來實現(xiàn)的。流體優(yōu)選具有大約8(TC的溫度。 一旦溫度傳 感器90檢測到溫度達到37°C，就打開新鮮基質(zhì)泵92，從而將新的新 鮮基質(zhì)引入熱交換器88并且將己經(jīng)預(yù)加熱的新鮮基質(zhì)從熱交換器88 排出并引入混合單元86中。與新鮮基質(zhì)泵92—起還同步地操作注射 泵38，這將在后面更詳細地進行描述。新鮮基質(zhì)泵92優(yōu)選保持打開 直到溫度傳感器90檢測到35X:或更低的溫度。然后，關(guān)閉新鮮基質(zhì) 泵92，從而使得現(xiàn)在可以對新引入熱交換器88中的還沒有預(yù)加熱的 有機新鮮基質(zhì)進行預(yù)加熱，直到上述新鮮基質(zhì)達到37'C的溫度并如上 所述繼續(xù)移動。有機新鮮基質(zhì)的供給時間間隔可以是變化的，不是唯 一地必須根據(jù)溫度傳感器90來控制新鮮基質(zhì)泵92。借助于溫度傳感 器90進行控制還不如理解為，這是供給溫度最低為35'C的新鮮基質(zhì)的必要條件。根據(jù)在熱交換器88中預(yù)加熱新鮮基質(zhì)的需要，上述時間 間隔可以更長。因此，如果能夠在熱交換器88中對新鮮基質(zhì)進行快速 預(yù)加熱，則可以實施幾乎連續(xù)的供給或者特定周期內(nèi)供給新鮮基質(zhì)。 注射泵38用于將從生物氣反應(yīng)器IO排出的溫度為35'C的基質(zhì)引入混 合單元86中。如上所述，新鮮基質(zhì)泵92和注射泵38同步地操作，從 而使得基質(zhì)的各相同部分被注射泵38和新鮮基質(zhì)泵92引入混合單元 86中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，假定從生物氣反應(yīng)器排出的基質(zhì)(非反應(yīng)的發(fā)酵體) 和新鮮基質(zhì)(從熱交換器88排出的基質(zhì))具有大致相同的溫度，通過 將兩個質(zhì)量流以1: l的比例混合，可以獲得最佳效果。然而，l至2 'C的誤差是可接受的。通過將非反應(yīng)的發(fā)酵體與新鮮基質(zhì)以正確的比 例混合，可以促進發(fā)酵過程，從而使得最終剩余的有機材料受到侵襲 和分解。該措施大大地有助于實現(xiàn)本發(fā)明的方法中對有機材料的高分 解率，該分解率可以高達70%和更多。在這點上，要注意到，上述兩 個質(zhì)量流的混合決不能在例如上游溝道等上游容器中進行，否則將損 失氣體。在混合單元86中，通過混合單元86的錐形漸縮出口可以更徹底 地混合供給的基質(zhì)。在發(fā)酵過程結(jié)束時，有機材料的主要部分被分解， 甲基營養(yǎng)菌以最高的濃度存在。借助于混合單元86在新鮮基質(zhì)中引入 甲基營養(yǎng)菌可以確保發(fā)酵過程更強烈地開始，這是因為大量細菌面對 大量新鮮基質(zhì)，從而導(dǎo)致更強烈地啟動發(fā)酵過程。在進入充填室20之 后，基質(zhì)受后續(xù)基質(zhì)的驅(qū)動而在充填室20中上升。在充填室20中向 上流動的基質(zhì)在到達充填室20的上部區(qū)域中的狹窄部分時受到壓縮， 從而不會形成漂浮層。在溢流緣22處溢流的發(fā)酵體經(jīng)由溢流緣22掉 入第一中間室30。在越過溢流緣22掉落的過程中，發(fā)酵體完全脫氣。 此外，有可能形成的基質(zhì)結(jié)塊被碎裂，這使得能夠脫氣并促進脫氣。 在實際中，在該溢流緣22處的掉落高度大約為0.6m，該高度有時候 決定于施加于生物氣反應(yīng)器10內(nèi)部的壓力。如圖2中的點所示，生物 氣被收集在外部容器12的上部14中。由于內(nèi)管26的上邊緣高于溢流 緣22，可以避免發(fā)酵體直接從充填室20移動到第二中間室32中。引 入第一中間室30的發(fā)酵體將在所述第一中間室中向下移動。發(fā)酵體的這種向下移動受到補充的發(fā)酵體驅(qū)動。第一中間室30在內(nèi)部貯存器 18的下部與第二中間室32相連，從而使得在第一中間室30的下端排 出的發(fā)酵體被引入第二中間室32的下端。發(fā)酵體在第二中間室32中 上升。由于連通容器的原理，在第一中間室30和第二中間室32中基 本上保持相同的填充高度。該填充高度與充填口 34相對應(yīng)。當(dāng)發(fā)酵體 在第二中間室32中到達充填口 34時，發(fā)酵體掉入回流通道36并在回 流通道36中向下沉降?；|(zhì)在回流通道36中向下沉降的高度有時候 決定于施加于生物氣反應(yīng)器10內(nèi)部的壓力。當(dāng)從第二中間室32掉入 回流通道36中時，生物質(zhì)還完全脫氣。由于排出通道42與回流通道 36 —起形成連通管，排出通道42中的填充高度決定于回流通道36中 的填充高度。在回流通道36中向下移動的基質(zhì)大約有一半經(jīng)由排出通 道42離開生物氣反應(yīng)器，另一半被注射泵38供給到混合單元86中， 如上所述，在混合單元中上述基質(zhì)與新供給的新鮮基質(zhì)混合。在外部 容器12內(nèi)部，通過加熱器62使生物質(zhì)保持在大約35'C的溫度。本過 程在嗜溫范圍(3(TC至38'C)內(nèi)進行，這是因為在該范圍內(nèi)分解率較 高，因此可以生成更多氣體。存在于該過程中的甲基營養(yǎng)菌非常敏感， 需要盡可能均一并且不存在巨大變化的溫度。
在大約8至10天后回流通道36達到如下狀態(tài)在高度富有發(fā)酵 細菌的該位置，基質(zhì)僅僅含有非反應(yīng)的發(fā)酵體。借助于液體貯存器66 使聚積在外部容器12的上部14中的生物氣保持在恒定壓力，并且該 生物氣首先經(jīng)由排氣管路64被連續(xù)地排放到液體貯存器66中，并且 經(jīng)由供氣管路68從液體貯存器中引入儲氣罐(未示出)。這里沒有使 用易于磨損的壓力閥，而是通過lm至2m的浸沒深度保持壓力恒定。 通過泵38和92的泵送壓力、通過從溢流緣22朝向充填口 34的流體 靜壓傾斜度并且通過上部14中0.1至0.2巴的氣壓來實現(xiàn)在整個系統(tǒng) 中對發(fā)酵體的輸送?？梢岳蒙鲜隽黧w靜壓傾斜度以及內(nèi)部壓力使得 對生物氣反應(yīng)器中的有機材料的輸送作用改變，即可以將上述流體靜 壓傾斜度和/或內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)為使有機材料連貫一致地輸送。
結(jié)果，可以實現(xiàn)如下發(fā)酵過程即，在大約6至IO天的相對較短 時間內(nèi)使有機組分減少達70%或更多。這意味著提取出大量氣體，并且在相應(yīng)的基本條件下獲得非常高的效率。有機材料的轉(zhuǎn)化在封閉容
器中進行，從而沒有異味會逸出到外部。從排出管40排出的發(fā)酵殘留 物具有泥土的氣味，沒有粘性物質(zhì)并且在各方面都與環(huán)境相容。這些 殘留物不需要實施進一步處理就可以作為天然肥料施加于農(nóng)用地面 上。如果因為強制性規(guī)定而需要實施進一步處理，則可以不費力地實 施固液分離處理，這是因為這種完全發(fā)酵的殘留物很容易分離。
分解的有機干物質(zhì)的每千克大約2n^的生物氣獲取量處于可實現(xiàn) 的范圍內(nèi)。生物氣具有大約70%至74%的甲基含量，因此獲得7.0至 7.4kWh/mS的能量值。上述裝置或相關(guān)方法的另一個不可低估的優(yōu)點在 于，干物質(zhì)含量為20%至25%的基質(zhì)可以發(fā)酵為呈漿狀但是仍可泵 送。即使在干物質(zhì)含量非常高的情況下，在生物氣反應(yīng)器10中也不存 在與流動有關(guān)的問題，這是因為非反應(yīng)的發(fā)酵體與新鮮基質(zhì)的混合物 在被引入發(fā)酵容器之前進行混合時被非反應(yīng)的發(fā)酵體稀釋，所述基質(zhì) 的pH值被提高至大約7.5至7.8，該pH值對于生物群落來說是優(yōu)選的。 上述裝置和上述方法確保了超過90%的有機材料的分解。于是實現(xiàn)最 佳發(fā)酵，并且殘留物(注射物)具有超過8.0至8.4的pH值。結(jié)果， 再引入率(注射物的數(shù)量)對于基質(zhì)具有直接的影響。新鮮基質(zhì)與注 射物以正確比例(通常為1: 1的比例)進行徹底混合的混合物構(gòu)成發(fā) 酵基質(zhì)。在該發(fā)酵基質(zhì)中，將獲得大于7.0的pH值，這提供了生物群 落很好地起作用的基本條件和必要條件?？偠灾?，采用上述方法可 以獲得大量經(jīng)濟的優(yōu)點，另外可以獲得工廠生產(chǎn)方面的優(yōu)點以及使系 統(tǒng)更小并且占據(jù)更大市場份額的優(yōu)點。
此外，通過上述裝置和上述方法可以獲得如下優(yōu)點
采用完全發(fā)酵的注射物，將盡可能最多的厭氧活細菌引入新鮮 基質(zhì)，即，大量的細菌培養(yǎng)導(dǎo)致發(fā)酵過程強烈地開始并且將這種強烈 的活動保持不受限的時間長度。
"通過將pH值增大至大于7.0 (對于生物群落來說是有利的)，提 供了可以最佳并且不受干擾地進行發(fā)酵過程的環(huán)境。
由于可以精確地控制再引入率(注射量)，可以通過注射量來提 高pH值小于7.0的基質(zhì)的pH值。因此，很有必要增加注射量并因此從開始就提供對于厭氧共生中的生物群落有利的環(huán)境。
一般來說，有機殘留物包括三種基本組分碳水化合物、有機脂 肪和蛋白質(zhì)。這三種基本組分在厭氧發(fā)酵中起到重要作用，并且含有 一定的潛在能量?？茖W(xué)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就已分解的有機干物質(zhì)(ODS) 而言，可以從這三種有機組分中提取出具有相應(yīng)質(zhì)量的如下數(shù)量的生 物氣。
碳水化合物產(chǎn)量 790cmVkg 包括大約50XCH4 +大約50%CO2 有機脂肪 1250cmVkg包括大約68XCH4 +大約32%C02
蛋白質(zhì)_704cm3/kg 包括大約71XCH4+大約29%C02
生物氣_大約2744cm3/kg分解的ODS_
在本發(fā)明的發(fā)酵過程中，可以獲得有機干物質(zhì)的最高分解率，這 一點基本上歸因于高再引入率(注射物)。50%的發(fā)酵體兩次經(jīng)過發(fā)酵 過程。但是，甚至IO天的正常流通都能確保最佳的有機體分解率。本 發(fā)明的厭氧過程在大約6至10天內(nèi)完成。假定ODS的分解率為大約 70%，則利用該過程可以實現(xiàn)每千克分解的ODS獲得1.9201113生物氣， 生物氣含有百分比為大約68%至74%的CH4，這將產(chǎn)出能量值為 7.1kWh/m3的生物氣。
還應(yīng)該提到，細菌分解室負荷是來自污水處理技術(shù)的用于發(fā)酵的 術(shù)語。僅僅當(dāng)在反應(yīng)器中進行攪拌和混合時該術(shù)語才有意義，并因此 與本過程不相關(guān)。數(shù)值為大約6.0至6.5kg ODS/m3的細菌分解空間不 會影響本方法的發(fā)酵過程，然而在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法中，提到的是 最大值為大約1.5kg ODS/m3的細菌分解空間至2.5kg ODS/n^的細菌分 解空間。
圖4示出通過本發(fā)明的方法可靠地實現(xiàn)的發(fā)酵過程的進程。該圖 中示出的有機干物質(zhì)(ODS)的分解進程是通過本發(fā)明的方法可靠地 實現(xiàn)的。
圖5是圖2所示裝置的熱交換器的示意性剖視圖。在中央部分， 熱交換器88的殼體包括平放的雙壁部分108，該雙壁部分設(shè)置有分別 在兩側(cè)朝向外側(cè)漸縮的端部110、 112。雙壁部分108優(yōu)選為圓筒形， 左端部110和右端部112相應(yīng)地為漏斗形，但是作為選擇可以使用其它橫截面形狀，例如矩形橫截面。熱交換器殼體的雙壁部分108經(jīng)由 兩端帶孔的凸緣114與左端部110和右端部112相連接。右端部112 在其下側(cè)面上設(shè)置有管座116，所述管座可以例如借助于帶孔凸緣與新 鮮基質(zhì)泵92相連。熱交換器殼體的左端部110設(shè)置有管座118，所述 管座可以例如借助于帶孔凸緣與混合單元86相連。由雙壁限定的熱交 換器殼體的雙壁部分108的空間用作承熱空間120，該承熱空間設(shè)置 有用于引入優(yōu)選水的熱流體的供給管路122和用于排出流體的排出管 路124。例如可以在熱電組合單元中對可以流過承熱空間120的流體 進行加熱。供給管路122的流體溫度優(yōu)選為80°C。雙壁部分108如此 形成熱引入體，可以通過該熱引入體對經(jīng)由管座116供給到熱交換器 88內(nèi)部的有機新鮮基質(zhì)進行預(yù)加熱，新鮮基質(zhì)在預(yù)加熱之后可以經(jīng)由 管座118排出。上面已經(jīng)結(jié)合圖2描述了熱交換器88與溫度傳感器90 相結(jié)合的操作。此外，在熱交換器88內(nèi)部布置有三個雙壁承熱管126， 這些承熱管形成為使得供給管路圍繞返回管路。因此，可以經(jīng)由供給 管路的入口 128供給與供給到承熱空間120中的流體相同的流體，所 述流體在外部管套中從右向左經(jīng)過供給管路中的承熱管126，并且在 承熱管126的左端處在承熱管中心部分的返回管路中從左向右返回到 返回管路的出口 130。于是，這三個承熱管126還用作熱引入體，用 于將存在于熱交換器88內(nèi)部的物質(zhì)預(yù)加熱至優(yōu)選35r至37'C。承熱 管126在右側(cè)由熱交換器殼體的右端部112固定。這三個承熱管126 在左側(cè)由支承盤132固定。
圖6示出沿著圖5中的線I-I截取的示意性剖視圖。支承盤132包 括三個鰭部134，這三個鰭部從中心延伸至外周并且分別設(shè)置有位于 中央的容納孔136。容納孔136形成為盲孔并用于容納和支承承熱管 126的左端。在支承盤132中心形成的孔也形成為盲孔并且設(shè)置有軸 承138，從而使得心軸140的左端可以支承在該孔中。
再次參考圖5，心軸140在熱交換器88的中心沿著熱交換器88 的縱向延伸。心軸140的平行于承熱管126延伸的部分設(shè)置有螺紋。 心軸140的右端通向熱交換器殼體的右端部112之外并且與驅(qū)動單元 142相連。在熱交換器88的操作過程中，在對熱交換器88中的粘性生物質(zhì)進行預(yù)加熱的過程中，蛋白質(zhì)將從大約60'C的溫度開始絮凝并 沉積在熱引入體108、 126的表面上。為了除去這些沉積物，在熱交換 器88中設(shè)置有清潔裝置144。清潔裝置144包括清潔盤146，該清潔 盤的外徑最低程度地小于雙壁部分108的內(nèi)徑。這里術(shù)語"最低程度 地小于"是指在上述兩元件之間設(shè)置僅僅允許兩元件相對于彼此相對 運動所需的誤差。此外，設(shè)置有三個清潔盤148并且每個清潔盤圍繞 相應(yīng)的承熱管126，承熱管126的外徑最低程度地小于清潔盤148的 內(nèi)徑。清潔盤148的外徑和清潔盤146的內(nèi)徑尺寸設(shè)置為在安裝狀 態(tài)下在清潔盤146的內(nèi)徑與清潔盤148的外徑以及在清潔盤148的外 徑與心軸140之間形成有一定距離。清潔盤146和148布置在兩個清 潔支承盤150之間。圖7示出沿著圖5中的線n-n截取的示意性剖視圖。清潔支承盤具有環(huán)形部分，該環(huán)形部分的外徑小于雙壁部分108的內(nèi)徑。三個鰭 部從該環(huán)形部分向內(nèi)延伸，在清潔支承盤150的中心在三個鰭部的交 點處形成有與心軸140的螺紋對應(yīng)的螺紋。這三個鰭部每個都設(shè)置有 分別位于中央的環(huán)形部，即在該環(huán)形部中，鰭部在安裝狀態(tài)下以環(huán)狀 方式包圍承熱管126。在該情況下，鰭部的所述環(huán)形部的內(nèi)徑大于承 熱管126的外徑。再次參考圖5，在兩側(cè)，清潔盤146和148由上述構(gòu)造的清潔支 承盤150支承和引導(dǎo)。為了從熱引入體108、 126上除去沉積物，在熱交換器88的操作 過程中(例如通過順時針或逆時針運行的電機)使驅(qū)動單元142朝一 個方向運動，由于承熱管126防止清潔裝置144與心軸140 —起旋轉(zhuǎn)， 從而通過心軸140與清潔支承盤150之間的螺紋嚙合使整個清潔裝置 144朝一個方向運動。因此，清潔盤146經(jīng)由雙壁部分108的內(nèi)側(cè)刷 過清潔盤148和清潔承熱管126。當(dāng)?shù)竭_限位處時，驅(qū)動單元142被 切換，從而使心軸140沿相反的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。于是，清潔裝置144 朝相反方向運動直到再次到達限位處。所述限位可以是時間限制或者 可以借助于傳感器進行檢測。限位處基本上對應(yīng)于承熱管126的左右 端、心軸140的螺紋的左右端以及雙壁部分108的左右端。采用心軸驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)清潔裝置的往復(fù)運動，通過該往復(fù)運動可以從熱引入體108、 126除去沉積物。刮除的沉積物被引入規(guī)則的基質(zhì)流中，這 是因為這些沉積物必定會被推入熱交換器殼體的左端部110中并在每 個泵送周期中與基質(zhì)相混合。此外，通過使清潔裝置144進行往復(fù)運 動可以實現(xiàn)新鮮基質(zhì)的連續(xù)混合，從而確保對新鮮基質(zhì)的均一預(yù)加熱。可以通過很少的手動操作將左端部U0和右端部112從雙壁部分 108上移除，從而可以容易地從內(nèi)部檢測熱交換器88。作為心軸140的替代方式，也可以設(shè)置電液驅(qū)動氣缸或氣動氣缸 來移動清潔裝置144。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的用于生成生物氣的裝置的進一步改進實施 例的示意圖。圖8所示裝置與上述裝置的不同之處在于，另外設(shè)置有 儲氣罐152。儲氣罐152包圍生物氣反應(yīng)器10，從而使得只有外部容 器的下部16是露出的。在該進一步改進實施例中，排出管40的出口 稍稍細長，從而使該出口可以穿過儲氣罐152。在該進一步改進實施 例中，液體貯存器66更靠下設(shè)置從而使得液體貯存器66設(shè)置在儲氣 罐152下方。生物氣反應(yīng)器10中生成的生物氣從生物氣反應(yīng)器排出， 并且經(jīng)由在儲氣罐152中延伸的排氣管路64被引導(dǎo)至液體貯存器66。 從液體貯存器66排出的生物氣被供給至儲氣罐152。可以經(jīng)由供氣管 路154從儲氣罐152提取生物氣。作為上述實施例的替代方式，圖2所示用于生成生物氣的裝置中 的熱交換器88可以省略，并且可以借助于引入蒸汽來預(yù)加熱新鮮基 質(zhì)。本說明書、附圖以及權(quán)利要求書中披露的本發(fā)明的特征對于單獨 地以及任意組合地實現(xiàn)本發(fā)明來說是重要的。此外，申請人明確地保留將如下各項要求在本發(fā)明的范圍內(nèi)的權(quán)利一種用于生物氣系統(tǒng)的熱交換器包括熱引入體108、 126，所述熱引入體用于借助于空間上分離的流體來加熱存在于熱交換器88中的 物體，該熱交換器的特征在于清潔裝置144，當(dāng)熱交換器88封閉時， 該清潔裝置可以滑過熱引入體108、 126。進一步改進的熱交換器的特征在于清潔裝置144，可以借助于心 軸驅(qū)動裝置140使該清潔裝置往復(fù)運動。進一步改進的熱交換器的特征在于由雙壁管道構(gòu)成的熱引入體 108、 126，供給管路包圍返回管路或者返回管路包圍供給管路。附圖標(biāo)記列表 10生物氣反應(yīng)器 12外部容器14 外部容器的上部 16外部容器的下部18 內(nèi)部貯存器20 充填室22 溢流緣24 內(nèi)部貯存器的下部26 內(nèi)管28 回流管30 第一中間室32 第二中間室34 充填口36 回流通道38 注射泵40排出管42排出通道44管道部分46管道部分48 滑閥閥閥閥集滑 滑 滑 收o 2 4 65 5 5 558收集室 60 隔熱裝置 62 加熱器 64排氣管路 66 液體貯存器 68供氣管路 70管道部分 72立管 74 孔口 76 液體78排氣管路的端部80 滑閥82 滑閥84 收集室86 混合單元88熱交換器90 溫度傳感器92 新鮮基質(zhì)泵94 碾壓單元96 切割工具98 襯套畫軸102 料斗104 驅(qū)動單元106 滑閥108熱交換器殼體的雙壁部分 110熱交換器殼體的左端部 112熱交換器殼體的右端部 114帶孔的凸緣 116 管座11S 管座120 承熱空間 122供給管路 124排出管路126 承熱管128 入口130 出口132 支承盤134 鰭部136 容納孔138 軸承140 心軸142 驅(qū)動單元144 清潔裝置146 清潔盤148 清潔盤150 清潔支承盤152 儲氣罐 154供氣管路
權(quán)利要求
1、一種用于從有機材料生成生物氣的裝置，所述裝置包括生物氣反應(yīng)器(10)，所述生物氣反應(yīng)器包括要被充填有機材料的充填室(20)和用于至少部分地從生物氣反應(yīng)器(10)排出有機材料的回流通道(36)，其特征在于，生物氣反應(yīng)器(10)還包括至少一個中間室(30)，充填室(20)、所述至少一個中間室(30)以及回流通道(36)以該順序形成有機材料的流動路徑的各部分，有機材料只能朝一個方向通過所述流動路徑，彼此相鄰的兩個部分中的一個部分形成上升流動路徑，而另一個形成下降流動路徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，充填室(20)包括 溢流緣(22)，可以經(jīng)由所述溢流緣從充填室(20)為所述至少一個中 間室(30)充填有機材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，總共設(shè)置至少兩個 中間室(30， 32)，所述中間室(30, 32)在回流通道(36)的充填口(34)下方以及溢流緣(22)上方的區(qū)域中相連。
4、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述中 間室(30， 32)在設(shè)置于生物氣反應(yīng)器(10)內(nèi)部的杯形內(nèi)部貯存器(18)的內(nèi)部形成。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，排出通 道(42)從回流通道(36)分叉，從而使得排出通道(42)與回流通 道(36) —起形成連通管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，充填室(20)的橫 截面區(qū)域在溢流緣(22)所在的區(qū)域中縮窄。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，生物氣反應(yīng)器(IO) 包括朝向上側(cè)漸縮的上部(14)，溢流緣(22)延伸到上部(14)中從 而使得充填室(20)的橫截面區(qū)域在溢流緣(22)所在區(qū)域中縮窄。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，生物氣 反應(yīng)器(10)包括朝向底部漸縮的下部(16)，在下部(16)的下側(cè)區(qū) 段中形成用于沉淀物的收集室(56)，該收集室一方面可選地可以與生 物氣反應(yīng)器(IO)內(nèi)部連接，另一方面可選地可以與生物氣反應(yīng)器(IO) 的外部環(huán)境連接。
9、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，在生物 氣反應(yīng)器的上側(cè)區(qū)段中連接有排氣管路(64)，經(jīng)由該排氣管路可以為 生物氣反應(yīng)器(10)內(nèi)部施加恒定壓力。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，另外設(shè)置有可以 被填充液體(76)的液體貯存器(66)，排氣管路(64)的通至生物氣 反應(yīng)器(10)內(nèi)部之外的端部(78)可以設(shè)置在液體(76)中，從而 使得生物氣反應(yīng)器(10)的內(nèi)部壓力可以經(jīng)由該端部在液體(76)中 的浸沒深度調(diào)節(jié)。
11、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，另外 設(shè)置用于對充填室(20)進行充填的混合單元(86)，調(diào)節(jié)該混合單元 從而將新的有機材料與經(jīng)由再循環(huán)管道(36)從生物氣反應(yīng)器(10) 排出的有機材料以大約l: l的比例進行混合。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，另外 提供設(shè)置在充填室(20)上游的熱交換器(88)，調(diào)節(jié)該熱交換器從而 借助于熱流體對新供給的有機材料進行預(yù)加熱。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，在充 填室(20)上游設(shè)置碾壓單元(94)。
14、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，設(shè)置 儲氣罐(152)，生物氣反應(yīng)器(10)中生成的生物氣存儲在該儲氣罐 中，并且該儲氣罐至少部分地包圍生物氣反應(yīng)器(10)。
15、 一種用于生成生物氣的方法，包括如下步驟 采用有機材料充填生物氣反應(yīng)器(10)的充填室(20);沿著由充填室(20)、至少一個中間室(30)以及回流通道(36) 形成的各部分單方向地輸送有機材料，兩個相鄰部分分別形成上升流 動路徑和下降流動路徑；在所述部分之間的過渡處借助于有機材料的暫時暴露來使有機物 質(zhì)脫氣。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，在生物氣反應(yīng)器 (10)中發(fā)生的所述方法的步驟在不對有機材料進行任何主動攪拌的情況下完成。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，在被填充 到充填室(20)之前，借助于熱交換器(88)將新供給的有機材料預(yù) 加熱至35t:至37'C的溫度。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，其特征在于， 充填充填室(20)的有機材料是由新供給的預(yù)加熱的有機材料與直接 從回流通道(36)排出的有機材料混合而成的。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述混合的比例 為1: K
20、 根據(jù)權(quán)利要求15至19中任一項所述的方法，其特征在于， 在生物氣反應(yīng)器(10)內(nèi)部，內(nèi)壓保持恒定。
21、 根據(jù)權(quán)利要求15至20中任一項所述的方法，其特征在于， 有機材料可以從充填室(20)經(jīng)由其溢流緣(22)填充到所述至少一 個中間室(30)中，有機材料借助于充填室(20)的橫截面區(qū)域的縮 窄在溢流緣(22)所在區(qū)域中增密。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從有機材料生成生物氣的裝置，所述裝置包括生物氣反應(yīng)器(10)，所述生物氣反應(yīng)器包括要被充填有機材料的充填室(20)和用于至少部分地從生物氣反應(yīng)器(10)排出有機材料的回流通道(36)。根據(jù)本發(fā)明，生物氣反應(yīng)器(10)還包括至少一個中間室(30)，充填室(20)、所述至少一個中間室(30)以及回流通道(36)以該順序形成有機材料的流動路徑的一些部分，有機材料只能朝一個方向通過所述流動路徑，兩個連續(xù)部分中的一者形成上升流動路徑，另一者形成下降流動路徑。另外，本發(fā)明涉及一種用于生成生物氣的方法。
文檔編號C12M1/18GK101410505SQ200780010575
公開日2009年4月15日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月3日
發(fā)明者G·佩爾斯克 申請人:埃爾塔加許可有限責(zé)任公司