一种厌氧发酵的沼气净化提纯系统的制作方法

本发明属于餐厨垃圾和畜禽粪污厌氧发酵综合处理技术领域，具体涉及一种餐厨垃圾和畜禽粪污协同处理制备生物天然气过程中的沼气净化提纯系统。

背景技术：

我国餐饮业发达，是全球知名的饮食大国。随着我国经济的快速增长，人们生活水平的不断提高，近年来餐饮行业得到高速发展，餐厨垃圾产量也与日俱增。餐厨垃圾具有含水率高、有机质含量高、易腐烂变质和滋生蝇虫等特点，如得不到及时有效处理，会造水体污染、空气污染等，增加城镇运营负荷，影响城镇人民居住生存环境。传统的餐厨垃圾处理方式包括好氧堆肥、脱水后填埋等，传统处理方式虽可实现餐厨垃圾的减量和处理，但处理效果偏差、资源化利用效率低、容易造成二次污染。当前，厌氧发酵处理已成为国内外餐厨垃圾处理的主流技术。

随着科技进步和环保要求的日趋严格，我国畜禽养殖产业呈现快速发展态势，传统的分散式、小规模的养殖方式已逐渐被规模化、集约化、区域化养殖模式替代。规模化畜禽养殖过程中产生大量的畜禽粪污，畜禽粪污具有cod、bod5、氨氮含量高，污染物成分复杂等特点。如处理不当，会造成土壤污染、水体污染、空气污染等，严重影响生态环境及人类居住环境。采用厌氧发酵工艺进行处理，在实现畜禽粪污减量化、无害化处理的同时，还可实现资源利用，生产沼气、有机肥等，对地区清洁用能、循环农业发展和环境提升等均具有重要意义。

目前，厌氧发酵的沼气一般通过干法脱硫方式脱硫，但是干法脱硫涉及填料寿命问题，调料再生频率较高，脱硫效率低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种厌氧发酵后沼气的净化提纯系统，通过二级脱硫及提纯可将沼气中的硫含量及二氧化碳含量降低至生物天然气含量标准范围内，使沼气生成为生物天然气。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种厌氧发酵的沼气净化提纯系统，其特征在于所述沼气净化提纯系统包括依次连接的脱水系统、沼气脱硫系统及二氧化碳去除系统；在所述沼气脱硫系统前端设置有增压装置；所述脱水系统用于脱去沼气中的饱和水；所述沼气脱硫系统为二级脱硫系统；所述沼气脱硫系统与所述二氧化碳去除系统及其他用气点间分别设置有稳压装置。

所述脱水系统包括依次相连的冷凝水罐、换热器、汽水分离器，沼气依次经自然冷却、换热器及汽水分离器脱去水分；所述增压装置设置在所述冷凝水罐与所述换热器间；所述汽水分离器与所述沼气脱硫系统连通。

所述沼气脱硫系统包括第一级生物脱硫系统和第二级干法脱硫系统；在第一级生物脱硫系统与第二级干法脱硫系统间设置有汽水分离器。

所述第一级生物脱硫系统依次包括碱式洗涤塔和生物反应器；所述碱式洗涤塔与所述增压风机连接的碱式洗涤塔，碱式洗涤塔吸收液排放管与生物反应器输入端连通，所述生物反应器的再生碱液的输出端与碱式洗涤塔连通；脱硫后沼气从碱式洗涤塔顶部输送经所述汽水分离器后输送至所述第二级干法脱硫系统中。

所述第二级干法脱硫系统包括并联设置的至少两个脱硫填料塔，所述脱硫填料塔中设置有填料层；每个脱硫填料塔沼气输入前端分别设置有所述汽水分离器。

所述稳压装置为稳压罐，经过沼气脱硫系统脱硫的沼气分别与各用气点处的稳压罐连接。

于其中一稳压罐与所述二氧化碳去除系统连通，所述二氧化碳去除系统为膜提纯设备，沼气经过膜提纯设备后成为生物天然气。

在脱硫系统前后端的沼气管道上分别设置用于故障检修的沼气放空排放管。

本发明的系统的有益效果：

1、沼气经自然冷却和板式换热器冷却脱除沼气中的饱和水，该方法节约用地、节能，自动化程度高。

2、采用二级脱硫方式，通过一级生物脱硫降低沼气中硫含量，再经干法脱硫；不仅提高脱硫效率，降低干法脱硫的操作强度，提高了干法脱硫填料的使用寿命；且产生的硫泥可进入固体有机肥生产系统，不会造成环境污染。

3、沼气二级脱硫工艺采用先增压后脱硫的方式，增加干法脱硫中脱硫剂的使用寿命。生物脱硫更适用于以畜禽粪污为原料的沼气工程。脱硫后沼气通过稳压罐去往各用气点，保证后端用气点的压力稳定，避免了因压力不稳导致的停机。

附图说明

图1，高温干式厌氧发酵总体工艺流程示意图。

图2，中温湿式厌氧发酵总体工艺流程示意图。

图3，干式厌氧发酵罐示意图。

图4，湿式厌氧发酵罐示意图。

图5，沼气净化提纯系统流程示意图。

图6，干法脱硫及稳压系统流程示意图。

具体实施方式

针对上述技术方案，本发明现举较佳实例并结合图示进行具体说明。餐厨垃圾和畜禽粪污协同处理制备生物天然气系统，主要包括餐厨垃圾和畜禽粪污的前处理系统、厌氧发酵系统、沼气脱硫提纯系统及有机肥制造系统。

参看图1和图2，餐厨垃圾和畜禽粪污的前处理系统，具体包括餐厨垃圾料仓1、制浆分离机2、加热装置3、除油装置4、餐厨垃圾和畜禽粪污混合的混合料仓5。餐厨垃圾料仓1，为漏斗状结构，其具有可打开的密封盖，保证臭味不会从料仓中溢出，有利于环境保护。在料仓1中设置有液位报警控制装置(未图示)，以防止料仓中垃圾溢流至外部。在料仓底部设置有螺旋输送机101，该螺旋输送机与料仓外周为全密封结构，通过料仓密封盖及料仓底部全密封的螺旋输送机，最大限度降低料仓内臭气外泄。在料仓的螺旋输送机底部还设置有称重计量装置(未图示)，可以称量每次送进餐厨垃圾料仓中的餐厨垃圾重量。料仓1的餐厨垃圾通过螺旋输送机送出料仓，然后通过物料泵将餐厨垃圾送至制浆分离机2。制浆分离机具有破碎、除杂和制浆功能，可以将餐厨垃圾中的一些异物垃圾，比如塑料、果核等分离，并将其输送至制浆分离机外部的垃圾收集桶中。杂物在分离的同时餐厨垃圾经过破碎、制浆制成餐厨垃圾浆料。除油系统中包括浆料加热装置3、除油装置4，制浆分离机中制备的餐厨垃圾浆料通过管道泵送至加热装置3中，对餐厨垃圾浆料进行加热。加热温度60℃～70℃，有利于使浆料中块状油脂融化，利于后端的除油作业。加热后的餐厨垃圾浆料送至除油装置4中进行油脂分离，除油装置4采用离心分离出油脂，将分离收集到的油脂出售或进行再加工。经过除油系统除油的浆料通过管道泵送至混合料仓5中。在除油系统至混合料仓的输送管道上安装有流量计(未图示)，可以精确计量泵入混合料仓中的餐厨垃圾浆料的出料量，以便与畜禽污物按配比进行配料。

混合料仓5，为漏斗状结构，在其上开设有畜禽粪污入口及餐厨垃圾浆料入口。在畜禽粪污入口处设置有去除畜禽粪污中的石头等异物的格栅(未图示)。在混合料仓内设置有防止溢流的液位报警控制装置、设置在混合料仓底部的用于输送物料的螺旋输送机501及称重计量装置。在混合料仓出料的螺旋输送机卸料口处设有碎石收集和清理口，以防混合物料中的碎石对物料泵造成损害。在混合料仓中将畜禽粪污和餐厨垃圾浆料按比例配料后，通过出料螺旋输送机与物料泵连接泵送至厌氧发酵系统中进行厌氧发酵。

厌氧发酵系统，包括厌氧发酵罐6及设置在厌氧发酵罐上的风机7和正负压保护器8。在厌氧发酵罐内设置有温度传感器、液位传感器、压力传感器(未图示)。温度传感器与厌氧发酵罐保温设备连锁，控制厌氧发酵罐运行温度；液位传感器可获取厌氧发酵罐内物料的实际体积，从而调整厌氧发酵罐进料量；压力传感器控制厌氧发酵罐中压力大小。在厌氧发酵罐设置提供热能的热水装置。热水装置为设置在厌氧发酵罐中的加热盘管61。加热盘管61具有热水给水端和热水回水端，加热盘管中的热水给水端的热水来自锅炉产生的热水，锅炉的加热能源为该系统脱硫后的沼气，实现能源再利用，节省额外加热热能，降低了系统运行成本。

参看图3和图4，其中图3为干式厌氧发酵罐结构示意图，图4为湿式厌氧发酵罐结构示意图。图3中，厌氧发酵罐顶部设双膜储气柜以节省占地，双膜储气柜分内膜611和外膜610，在外膜上设置有调压空气管口608，调压风机7通过调压空气管口608气柜内填充少量空气，通过控制系统调节两层膜之间气量，稳定气柜运行压力和保持外膜形状美观。内膜与厌氧发酵罐连接，设压力传感器与正负压保护器8连锁起到状态监控及安全保障作用。在发酵罐内设置有搅拌装置，搅拌装置包括贯穿在发酵罐两侧罐壁上搅拌轴603，设置在搅拌轴上桨叶604，设置在发酵罐外提供动力的搅拌电机602，通过搅拌装置进行物料搅拌混合。在发酵罐罐壁601上设置有进料口605、冲洗水口606，用于进料及冲洗发酵罐。在发酵罐壁上还设置有沼气出口609，在沼气出口609上设置有阻火器(未图示)，保证厌氧发酵罐整体的安全性。在发酵罐壁上还设置有出料口612，用于发酵后的排放消化液。

图4中，其与图3的干式厌氧发酵罐的结构的主要区别在于搅拌装置620设置在发酵罐壁内。

经过厌氧发酵系统发酵后，获得沼气通过管道输送至沼气净化提纯系统9中进行沼气净化提纯，生成生物天然气输出。

参看图5，沼气净化提纯系统9包括脱水系统、沼气脱硫系统、二氧化碳去除系统。其中，脱水系统依次包括相连接的冷凝水罐901、板式换热器903、汽水分离器904；在脱水系统的冷凝水罐和板式换热器间设置有增压装置902，增压装置为增压风机。

从厌氧发酵罐出来的的沼气温度约55℃，并携带大量饱和水。在沼气进行脱硫前，需去除沼气中大量饱和水。首先，经厌氧发酵罐出来的沼气通过具有一定坡度的输气管，在输气管低点与冷凝水罐901中的通气管连通，通过沼气输气管自然降温，沼气中的一部分饱和水凝结为水，沿着输气管低点引至冷凝水罐中收集，同时沼气经过自然冷却降温至大约45℃左右。冷凝水罐设液封装置，保证罐内压力平衡同时保证不会将沼气携带进罐体；冷凝水罐设液位传感器与罐体溢流口和排净口连锁，保证罐内液封高度的稳定范围。经过初步降温脱水的沼气通过增压风机902进入板式换热器903。通过板式换热器换热降温，析出沼气中剩余饱和水后，再经汽水分离器904将汽水分离，去除沼气中的水。板式换热器出口端的沼气降温至30℃左右同时脱除饱和水，以满足脱硫入口温度和水分要求。在沼气经过汽水分离器904后，未进入沼气生物脱硫系统前的管道上安装有流量计(未图示)，该流量计可提供沼气产量和累积产量数据，流量计安装在汽水分离器后，去除了沼气中的饱和水份，保证流量计的精度和数据的准确性。

沼气中通常含有硫化氢，通过脱硫可将硫化氢脱去。沼气脱硫系统为二级脱硫系统，第一级为生物脱硫系统、第二级为干法脱硫系统，通过两级脱硫，可提高脱硫效率，提高干法脱硫系统的寿命。

第一级生物脱硫系统，主要包括碱式洗涤塔905与生物反应器906。经过增压，再经汽水分离器的去除水分的沼气进入碱式洗涤塔中，碱液从碱式洗涤塔的上部向下喷淋，沼气则从碱式洗涤塔的底部向上穿过喷淋碱液后从碱式洗涤塔的顶部输出至干法脱硫系统中；经过与沼气接触脱硫后的吸收液则从碱式洗涤塔的底部输送至生物反应器进行脱硫再生，再生后的碱液从生物反应器中回流至碱式洗涤塔中进行沼气脱硫作业。脱水后的沼气经增压风机902升压后送入碱式洗涤塔中，碱式洗涤塔碱液采用碳酸钠或氢氧化钠水溶液作为洗涤液，在碱式洗涤塔内h2s与喷淋的碱液进行反应，将沼气中部分硫化氢从沼气中脱除。洗涤后的沼气从洗涤塔顶部排出后进入第二级干法脱硫系统907中。洗涤塔吸收液流至塔底，进入生物反应器906中，在生物反应器底部有空气分布系统，通过空气分布气系统给微生物提供氧气，以便将经过洗涤塔进入生物反应器中的吸收液中的硫化物转化为单质硫，同时将洗涤过沼气的碱液经过生物反应得到再生。从生物反应器出来的再生碱液循环回流至洗涤塔，以去除沼气中所含的h2s气体，实现洗涤塔碱液的循环再利用。经过生物反应器所产生的硫泥可送入有机肥生产系统作为添加剂，调节有机肥营养成分。该第一级生物脱硫系统较适合餐厨垃圾和畜禽粪污为原料的生物天然气工程。经过第一级生物脱硫系统脱硫，降低沼气中的硫含量，然后再进入第二级干法脱硫系统中继续脱硫，可减轻第二级干法脱硫系统的脱硫负担。

第二级干法脱硫系统907包括至少两个并联设置的干法脱硫塔907-2。在每个干法脱硫塔的沼气输入前端的管道上分别设置有汽水分离器907-1。通过汽水分离器，将从生物脱硫系统中带入的水分去除。

经过第一级生物脱硫系统的沼气通过汽水分离器907-1后进入干法脱硫塔907-2中进行进一步脱硫，参看图6。干法脱硫塔为脱硫填料塔，其填料层为fe2o3。沼气经汽水分离器将沼气中的水去除后，从填料塔底部进入，经过填料层脱硫后从填料塔上端排出。脱硫填料塔的主要目的是使沼气中的h2s与脱硫填料塔中填料层的fe2o3发生反应，生成fe2s3实现沼气脱硫。待脱硫作业结束、fe2o3反应结束后，可对填料层进行再生，使fe2o3填料层可再生重复利用。脱硫填料塔907可并联设置多组，提高脱硫效率。由于填料再生时，该脱硫填料塔无法进行脱硫工作，因此，在干法脱硫中，必须设置至少两组干法脱硫塔，以备填料再生时，另一个干法脱硫塔可以继续工作。但是如此操作，使得脱硫效率比较低。通过在干法脱硫前进行生物脱硫，降低了沼气中的硫含量，在干法脱硫时，则填料吸收的硫含量则相应降低，延长了干法脱硫塔的填料使用时间，提高了脱硫效率。

其中生物脱硫技术处理能力大，自动化程度高，更适合以餐厨垃圾和畜禽粪污为原料制备生物天然气系统；干法脱硫技术采用脱硫前增压技术，可避免在脱硫塔内形成负压，从而增加脱硫剂寿命；干法脱硫系统作为生物脱硫的精细脱硫辅助措施，降低脱硫剂更换频率，降低运营成本。

经过干法脱硫系统进一步脱硫后的沼气，一部分通过稳压罐909为锅炉提供热能，锅炉可为厌氧发酵系统提供热水循环。一部分通过稳压罐909后进入二氧化碳去除系统中去除沼气中二氧化碳。二氧化碳去除系统为膜提纯设备908，对沼气进一步净化提纯。利用膜的选择透过性，将脱硫后沼气中的二氧化碳气体去除，得到富含甲烷的气体，即生物天然气。在每个干法脱硫塔顶部设置放空管，检修时塔内沼气引至安全地带高空放散，当后端用气点出现故障时，脱硫塔出来的沼气及相应稳压罐的沼气连接至火炬进行燃烧，保证生产环境的安全。

稳压罐根据后端用气量可存储10秒的沼气用量，由于膜提纯系统沼气压力和锅炉系统沼气压力差较大，设置稳压罐可保证膜提纯系统启动时锅炉系统沼气压力稳定，避免锅炉系统熄火，同时也保证膜提纯系统运行稳定。

经过厌氧发酵系统发酵后的消化液进入固液分离设备10中进行固液分离。经固液分离设备分离后的液体一部分作为回流液进入厌氧发酵系统，剩余部分沼液进入液体有机肥生产系统生产液体有机肥。液体有机肥生产过程包括沼液陈化、酸化处理，絮凝沉淀，离心分离，复配络合，超细过滤后灌装形成最终待售的液体有机肥。

经过固液分离设备分离后的沼渣，进入固体肥料生产系统生产固体有机肥。固体有机肥生产过程一般包括:沼渣与秸秆、蘑菇渣或花生壳和畜禽粪污混合后，经10d～15d好氧发酵，再堆肥7d左右，进行配料、破碎、筛分、造粒、烘干、冷却、加菌、包膜和包装生产,形成最终待售的固体有机肥。

通过该处理系统制备生物天然气的方法：

实施例1

将100t含固率为15％餐厨垃圾倒入餐厨垃圾料仓，通过称重计量装置对其计量；通过安装在料仓出口的螺旋输送机将餐厨垃圾送至制浆分离机制浆。通过制浆分离机将餐厨垃圾进行异物分离(比如塑料、果核、骨头等)，将分离异物后的餐厨垃圾破碎制浆，然后用泵将餐厨垃圾浆料送至除油系统中加热除油。加热物料温度至60℃～70℃，通过离心分离装置将浆料中的油脂分离。除油后的剩余餐厨垃圾浆料泵送至混合料仓与畜禽粪污混合。从除油系统输出的浆料通过流量计计量，记录出料量，以便在混合料仓进行精准配料。

将950t含固率为25％的鸡粪和猪粪混合物送入混合料仓中，在混合料仓投料口设置格栅去除畜禽粪污中的大粒径固体杂质。与餐厨浆料混合后调节ts浓度至24％，c/n比至22，混合物通过出料螺旋输送机输出混合料仓，然后通过物料泵送厌氧发酵系统中发酵。在该实施例中厌氧发酵系统为推流式厌氧发酵罐，即干式厌氧发酵。混合物料在发酵罐内锅炉产生的热水加热并保温在55℃±0.5℃，发酵罐内物料经搅拌装置充分搅拌，水力停留时间33天，进行厌氧发酵产生沼气。厌氧发酵过程需实时监测运行温度，储气膜压力等。每天对相关运行参数进行定时检测，如罐内物料ts浓度，有机物浓度vs，挥发性脂肪酸含量及沼气成分等。发酵罐每天进料和出料，当罐内浓度过高时，用沼液回流以调节罐内浓度，罐内浓度过低时加入混合物料，根据监测参数调整运行工况，以保证厌氧发酵罐内处于最佳发酵状态。通过调整发酵状态，保证本方法以餐厨垃圾和畜禽粪污为原料产生的沼气中甲烷含量大于55％。

发酵罐产生的沼气经自然冷却后，通过增压风机进入板式换热器进行热交换冷却后，温度由55℃降至30℃，在降温的同时，沼气中的水蒸汽部分为冷凝水罐收集，部分通过汽水分离器被冷凝分离，实现沼气脱水。脱水后的沼气经过生物脱硫系统，通过碱液洗涤脱硫、生物反应器再生碱液后，沼气中的h2s含量由1000ppm降至100ppm。经过生物脱硫系统脱硫的沼气经过汽水分离器，将经过生物脱硫系统代入的水分脱离后的沼气进入干法脱硫系统进行脱硫，通过沼气中h2s与干法脱硫系统中的填料反应，使沼气中h2s含量降至10ppm以下，实现沼气脱硫。脱硫后的沼气分别进入不同的稳压罐中，其中一稳压罐中的沼气直接输送至锅炉房中为锅炉提供热能；一部分进入稳压罐中后送入膜提纯设备，经提纯去除二氧化碳后生成生物天然气。产品生物天然气符合《天然气》(gb17820-2018)标准。

发酵罐出料的消化液经固液分离后，沼渣含固率为25％，沼液含固率为5％，沼渣进行好氧堆肥，生产固体有机肥。沼液一部分回流调节发酵罐内物料浓度，剩余部分进入有机肥生产系统，经过陈化和酸化处理，之后经絮凝后离心分离，进行复配络合，络合完成后进行超细过滤生产液体有机肥。该液体有机肥符合《复合微生物肥料》(ny/t798-2015)标准。

实施实例2

将180t含固率为15％餐厨垃圾倒入餐厨料仓，通过称重计量装置对其计量；通过安装在料仓出口的螺旋输送机将餐厨垃圾送至制浆分离机制浆。通过制浆分离机将餐厨垃圾进行异物分离(比如塑料、果核、骨头等)，将分离异物后的餐厨垃圾破碎制浆，然后用泵将餐厨垃圾浆料送至除油系统中加热除油。加热物料温度至60℃～70℃，通过离心分离装置将浆料中的油脂分离。除油后的剩余餐厨垃圾浆料泵送至混合料仓与畜禽粪污混合；将600t含固率为10％的畜禽粪污混合物倒入混合料仓，与餐厨浆料混合至ts浓度11.2％，c/n比25，混合物与物料泵送至全混流厌氧发酵罐。物料在发酵罐内用热水加热并保温在38℃±0.5℃，发酵罐内物料经搅拌器充分搅拌，水力停留时间30d，进行厌氧发酵产生沼气。厌氧发酵过程需实时监测运行温度，储气膜压力等。每天对相关运行参数进行定时检测，如罐内物料ts浓度，有机物浓度vs，挥发性脂肪酸含量及沼气成分等。发酵罐每天进料和出料，当罐内浓度过高时，用沼液回流以调节罐内浓度，罐内浓度过低时加入混合物料，根据监测参数调整运行工况，以保证厌氧发酵罐内处于最佳发酵状态。通过调整发酵状态，保证本方法以餐厨垃圾和畜禽粪污为原料的生物天然气工程产生的沼气中甲烷含量大于55％。

发酵罐产生的沼气经自然冷却析出的饱和水收集至冷凝水罐，沼气通过增压风机使增压后的沼气进入板式换热器进行热交换冷却后，温度由38℃降至28℃，在降温过程析出的水分通过汽水分离器被冷凝分离，实现沼气脱水。脱水后的沼气经生物脱硫系统，通过碱液洗涤脱硫、生物反应器再生碱液后，沼气中的h2s含量由1000ppm降至100ppm。经过生物脱硫系统脱硫的沼气经过汽水分离器，将经过生物脱硫系统代入的水分脱离后，的沼气进入干法脱硫系统进行脱硫，通过沼气中h2s与干法脱硫系统中的填料反应，使沼气中h2s含量降至10ppm以下，实现沼气脱硫。脱硫后的沼气分别进入不同的稳压罐中，其中一稳压罐中的沼气直接输送至锅炉房中为锅炉提供热能；一部分进入稳压罐中后送入膜提纯设备，经提纯去除二氧化碳后生成生物天然气。产品生物天然气符合《天然气》(gb17820-2018)标准。

厌氧发酵罐出料的消化液经固液分离后，沼渣含固率为25％，沼液含固率为5％，沼渣进行好氧堆肥，生产固体有机肥。沼液一部分回流调节发酵罐内物料浓度，剩余部分进入有机肥生产系统，经过陈化和酸化处理，之后经絮凝后离心分离，进行复配络合，络合完成后进行超细过滤生产液体有机肥。该液体有机肥符合《复合微生物肥料》(ny/t798-2015)标准。

上述两实施例，为本系统的两种厌氧发酵工艺。第一种发酵工艺当畜禽粪污为干清粪方式收集的粪污，餐厨垃圾含固率为15％～20％，物料经混合后调整物料ts浓度至20％～27％时，进入推流式厌氧发酵罐发酵，罐内温度为50℃～60℃，停留时间30d～40d，此工艺为高温干式厌氧发酵工艺。第二种发酵工艺为当畜禽粪污为水冲粪方式收集的粪污，含固率≤10％，餐厨垃圾含固率为15％～20％，物料加工艺水后经混合调整物料ts浓度至10％-15％，进入全混流厌氧发酵罐，罐内温度为30℃～40℃，停留时间30d～40d，此工艺为中温湿式厌氧发酵工艺。由此可知，本系统选择的厌氧发酵工艺由混合物料的ts浓度决定。