一种分体式多段滚筒发酵反应器及发酵方法
技术领域
本发明涉及发酵反应器技术，尤其涉及一种分体式多段滚筒发酵反应器及发酵方法。
背景技术
固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。固体废物不像废气、废水那样到处迁移和扩散，必须占有大量的土地，城市固体废物侵占土地的现象日趋严重，我国堆积的工业固体废物有60亿吨，生活垃圾有5亿吨，预计每年有1000万吨固体废物无法处理而堆积在城郊或公路两旁。固体废物是“三废”中最难处置的一种，因为它含有的成份相当复杂，其物理性状(体积、流动性、均匀性、粉碎程度、水份、热值等)也千变万化，要达到上述“无害化、减量化、资源化”目标会遇到相当大的麻烦，目前主要采用的方法包括压实、破碎、分选、固化、焚烧、生物处理等。
生物处理技术是利用微生物对有机固体废物的分解作用使其无害化可以使有机固体废物转化为能源、食品、饲料和肥料，还可以用来从废品和废渣中提取金属，是固化废物资源化的有效的技术方法，目前应用比较广泛的有：堆肥、制沼气、废纤维素制糖、废纤维生产饲料、生物浸出等。其中，堆肥(即好氧发酵)方法因为工艺简单、能耗低、产品资源化利用率高等特点而得到广泛应用。
传统的堆肥技术为自然堆肥法，无需设备，但占地面积较大，腐熟慢，周期长，有机肥品质差。现代好氧堆肥是在有氧的条件下，利用堆肥设备使畜禽粪便在好氧微生物的作用达到无害化、资源化、减量化、稳定化的处理。目前，好氧堆肥主要采用槽式发酵工艺和条剁式发酵工艺，生产的有机肥肥效高、稳定性好、生产效率高，但是这两种方法有占地面积大，自动化程度低等缺点。从国外引进的高温好氧堆肥卧式发酵滚筒技术具有机械化程度高，操作简单适宜工业化生产；生产效率高，停留时间短；筒内温度均匀，无害化效果好；能耗低，无撒漏，环境条件较好等优点。
卧式发酵滚筒十分适用于餐厨垃圾、禽畜粪便、活性污泥等各种含有大量有机物的固体废弃物的堆肥处理，但由于物料需要在滚筒内停留至少2～3天时间以保证满足无害化要求，导致卧式发酵滚筒的长度比较长，占地面积较大，对设备的加工制造要求较高。
传统的卧式发酵滚筒结构如图2所示，是一个使用水平滚筒来混合、反应、通风以及输出物料的反应系统。滚筒安装在大的支座上，并且通过一套机械传动装置来驱动滚筒转动。在滚筒中堆肥过程很快开始，物料中的有机物成分被好氧微生物降解，但是堆肥产品必须被进一步熟化才能直接施用于土地，通常采用条垛或静态好氧堆肥来完成堆肥过程的第二阶段。
滚筒中的物料按照其装入滚筒时的次序运动，滚筒旋转的速度和旋转时滚筒中轴线的倾斜度决定了堆肥的停留时间。由于是一体式滚筒设计，整个滚筒各处的转速是一致的，转速过低会导致物料翻混不均匀，造成局部缺氧发生厌氧反应，转速过高导致物料在滚筒中前进速度过快，料层散热过大而无法保证反应温度，而生产工艺要求物料在滚筒中必须高温停留2～3天才能满足无害化要求，故只能加长滚筒水平长度来保证物料停留时间，造成设备整体长度过长，占地面积增大。同时，物料在滚筒内发生好氧发酵反应，大量固态有机物被降解为二氧化碳和水，以气体形式排出，滚筒内的物料实际上是逐渐减量的，如图3～图5所示，滚筒后段的容积并未得到充分利用，间接造成电机驱动功率的浪费。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统卧式发酵滚筒存在的填充率降低，有效容积利用率不高，设备长度过长占地面积大的问题，提出一种分体式多段滚筒发酵反应器，该反应器具有安装调试简便、节省电机能耗、设备占地面积小的优点，能广泛适用于餐厨垃圾、城市生活垃圾、禽畜粪便、活性污泥等含有大量有机物的固体废弃物的发酵堆肥或生物干化处理。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种分体式多段滚筒发酵反应器，包括顺次设置的进料装置、滚筒和进气系统，所述进料装置与滚筒进料端连接，连接处设置有进料端密封；所述滚筒出料端与进气系统连接，连接处设置有出料端密封；所述滚筒包括顺次连接的多段筒体，各段筒体间采用动态密封连接，所述相邻筒体连接处设置有中间密封装置，每段所述筒体下方设置有托轮支撑和驱动装置，所述筒体的中心线与地面成＜1°的倾角，所述滚筒的进料端位于高点，出料端位于低点。
进一步地，所述滚筒包括顺次连接的2-10个筒体。
进一步地，所述滚筒长度为5～100米。
进一步地，每段所述筒体下方设置有两个托轮支撑，两个托轮支撑中间设置有驱动装置。
进一步地，所述滚筒的每段筒体均为同轴心、中空圆柱形筒体，但具有不同的直径，直径自进料端向出料端逐渐增大，所述滚筒的直径是与处理量相适应，优选的相邻两段筒体直径尺寸按50～500mm的尺寸差递增。筒体间采用同心套管插接的形式相互关联，防止物料在滚筒轴向运动时发生撒漏。
进一步地，所述筒体内壁设置有若干倾斜的导料板，使物料尽快进入下一个筒体。
进一步地，所述分体式多段滚筒发酵反应器还包括检测系统和控制系统，所述检测系统包括但不限于设置在滚筒内的温度检测装置、湿度检测装置和氧含量检测装置中的一种或多种，所述控制系统分别与检测系统、驱动装置、进料装置和进气系统电连，根据检测装置信号反馈进行闭环控制。
进一步地，所述中间密封装置包括固定密封罩、连接板、鱼鳞密封体、摩擦套和挡条，相邻筒体插接处的外侧筒体上设置有密封罩，密封罩上设置安装法兰，所述密封罩两端的外侧筒体外壁和内侧筒体外壁上均套设有摩擦套，所述鱼鳞密封体一端通过连接板固定在安装法兰上，另一端压在摩擦套上形成动密封面，鱼鳞密封体用钢丝绳箍紧施加压力保持密封性；所述相邻筒体插接缝隙内设置有挡条，防止物料、灰尘从筒壁间隙中逸出。中间密封装置可以适应筒体的变形、筒体偏摆及偏心，保证整个滚筒内部的密封，防止物料翻动产生的扬尘和有机物分解产生的恶臭气体泄漏。
本发明的另一个目的还公开了一种发酵方法，该方法为好氧发酵方法，采用上述分体式多段滚筒发酵反应器进行，包括以下步骤：物料经过进料装置从进料端进入滚筒内，物料随着滚筒的旋转作用沿轴线方向前进，空气从出料密封装置上的进气口进入滚筒内部，空气与物料逆流接触，反应完的物料从出料端排出，剩余空气以及有机物降解产生的气态产物从进料密封装置上的排气口排出；物料处于不同发酵反应段的筒体单独控制转速。
进一步地，根据物料所处发酵反应阶段的不同，分别控制每段筒体的转速。滚筒内物料从进料到出料依次通过进料阶段、中温反应阶段、高温反应阶段、降温反应阶段和出料阶段，对应筒体的进料段筒体、中温段筒体、高温段筒体、降温段筒体和出料段筒体，根据实际生产需求进料段筒体和出料段筒体可能分别与中温段筒体、降温段筒体合并运行。所述进料段筒体和出料段筒体转速为4～10转/分，中温段筒体转速为0.5～5转/分，高温段筒体转速为0.5～5转/分，降温段筒体转速为0.1～5转/分。
本发明分体式多段滚筒发酵反应器结构科学、合理，与现有技术相比较具有以下优点：
1)本发明采用分体式多段设计，根据反应阶段的不同将反应器沿长度方向划分为多段筒体(若干反应段)，每一反应段单独控制转速，使物料在不同的反应阶段处于最合适的反应条件下，有利于提高反应速率，避免局部厌氧反应的发生。
2)本发明采用分体式多段设计，每一段滚筒都有不同的转速，利用转速落差造成物料堆积的效果，从而解决物料反应降解后体积减小滚筒填充率降低，滚筒有效容积得不到充分利用的问题。
3)本发明采用分体式多段设计，由于物料停留时间主要与滚筒转速和滚筒长度有关，在满足停留时间的前提下，部分反应段的滚筒转速可以减少至很低，从而缩短滚筒设计长度，节省占地面积。
4)本发明采用分体式多段设计，需要电机驱动的筒体变短，电机负载降低，消耗电机功率降低，可以达到节能的效果。
5)本发明采用分体式多段设计，随着每段筒体长度的缩短，对其加工制造的工艺难度要求降低，设备的安装调试更灵活，同时也有利于设备的拆卸、运输。
6)本发明采用分体式多段设计，各段筒体上分别设有若干温度传感器、氧含量传感器、湿度传感器等各种检测仪器，用以实时检测反应器内物料状态，控制系统根据检测信号调整各段电机转速、通风风机等相关设备，实现闭环自动控制。
综上，本发明分体式多段滚筒发酵反应器能广泛适用于处理餐厨垃圾、城市生活垃圾、禽畜粪便、活性污泥等含有大量有机物的固体废弃物的发酵堆肥或生物干化。
附图说明
图1为分体式多段滚筒发酵反应器的结构示意图；
图2为传统分体式多段滚筒发酵反应器的结构示意图；
图3为图2的AA截面图；
图4为图2的BB截面图；
图5为图2的CC截面图；
图6为好氧发酵反应过程图；
图7为中间密封装置的结构示意图；
图8为图7的DD截面图。
具体实施方式
本发明公开了一种分体式多段滚筒发酵反应器，包括顺次设置的进料装置1、滚筒3和进气系统5，所述进料装置1与滚筒3进料端连接，连接处设置有进料端密封2；所述滚筒3出料端与进气系统5连接，连接处设置有出料端密封4。
所述滚筒3不再是传统滚筒的一体式长滚筒，而是按照反应阶段分为包括进料段、出料段在内的若干段筒体，具体地，所述滚筒3为卧式筒体，包括顺次连接的多段筒体，各段筒体间采用动态密封连接，所述滚筒包括2-10个筒体。所述滚筒3长度为5～100米。所述滚筒的每段筒体均为同轴心、中空圆柱形筒体，但具有不同的直径，直径自进料端向出料端逐渐增大，所述滚筒的直径是与处理量相适应，优选的相邻两段筒体直径尺寸按50～500mm的尺寸差递增。筒体间采用同心套管插接的形式相互关联，防止物料在滚筒轴向运动时发生撒漏。所述相邻筒体连接处设置有中间密封装置6。
所述中间密封装置6的结构如图7和图8所示，包括固定密封罩、连接板62、鱼鳞密封体63、摩擦套64和挡条65，相邻筒体插接处的外侧筒体上设置有密封罩，密封罩上设置安装法兰61，所述密封罩两端的外侧筒体外壁和内侧筒体外壁上均套设有摩擦套64，所述鱼鳞密封体63一端通过螺栓与连接板62固定在安装法兰61上，另一端压在摩擦套64上形成动密封面，鱼鳞密封体63用钢丝绳箍紧施加压力保持密封性，所述鱼鳞密封体采用柔性复合材料和钢板制成；所述相邻筒体插接缝隙内设置有挡条，具体地，内侧筒体外壁与外侧筒体内壁间设有挡条，所述挡条一端固定在内侧筒体外壁上，所述挡条采用石棉、橡胶等柔性材料制成，防止物料、灰尘从筒壁间隙中逸出。中间密封装置可以适应筒体的变形、筒体偏摆及偏心，保证整个滚筒内部的密封，防止物料翻动产生的扬尘和有机物分解产生的恶臭气体泄漏。
每段所述筒体下方设置有托轮支撑和驱动装置，优选的每段所述筒体下方设置有两个托轮支撑，两个托轮支撑中间设置有驱动装置。本发明每一段滚筒单独配置一套驱动装置和托轮支撑装置，每一段滚筒可以按照所处反应阶段的不同设定不同的转速。
所述筒体的中心线与地面成＜1°的倾角，所述滚筒3的进料端位于高点，出料端位于低点，发酵物料由进料端向出料端移动的过程中边前进边发酵反应。
所述分体式多段滚筒发酵反应器还包括检测系统7和控制系统，所述检测系统包括但不限于设置在滚筒内的温度检测装置、湿度检测装置和氧含量检测装置中的一种或多种。所述控制系统分别与检测系统7驱动装置、进料装置和进气系统电连，所述检测系统实时检测反应器内物料状态，检测信号实时传入控制系统8，控制系统根据检测信号调整各筒体电机转速、通风风机等相关设备，实现闭环自动控制。
本发明的另一个目的还公开了一种发酵方法，采用上述分体式多段滚筒发酵反应器进行，包括以下步骤：物料经过进料装置从进料端进入滚筒内，物料随着滚筒的旋转作用沿轴线方向前进，空气从出料密封装置上的进气口进入滚筒内部，空气与物料逆流接触，反应完的物料从出料端排出，剩余空气以及有机物降解产生的气态产物从进料密封装置上的排气口排出；物料处于不同发酵反应段的筒体单独控制转速。
如图6所示，好氧发酵反应可分为四个主要阶段，根据物料所处发酵反应阶段的不同，分别控制每段筒体的转速。滚筒内物料从进料到出料依次通过进料阶段、中温反应阶段、高温反应阶段、降温反应阶段和出料阶段，对应筒体的进料段筒体、中温段筒体、高温段筒体、降温段筒体和出料段筒体。图6为好氧发酵反应的温度、时间进程图，进料段和出料段转速最快以方便物料快速通过避免在入料口处造成堆积，可设置为4～10转/分；中温(升温)阶段由于物料属于驯化期，为保证料层温度能够快速提升，避免料层翻动过快热量散失，滚筒转速不宜过快可设置为0.05～5转/分，优选为0.2～1.5转/分；高温阶段由于微生物处于活动旺盛期，大部分有机物在该阶段分解放热，氧气消耗量大，需要保证物料与空气的接触充足，同时物料中的水分主要也在这一阶段蒸发排出，故该阶段的滚筒转速可以相对稍快，可设置为0.5～5转/分，优选为0.5～2.5转/分；进入腐熟(降温)阶段后微生物反应活性下降，耗氧量降低，此阶段滚筒转速可以慢些以保证物料停留时间，可设置为0.1～5转/分，优选为0.1～1转/分。
对于滚筒类型的发酵反应器来说，物料在反应器内的停留时间主要由物料安息角、滚筒斜度、直径、长度与滚筒转速决定，其中安息角是物料固有属性不可调整，滚筒斜度、直径由处理量决定，各自有不同的适宜范围，因此通常通过改变滚筒转速来保证物料的停留时间，滚筒转速越慢物料停留时间越长。传统滚筒反应器由于只有一套驱动装置，整体保持同一转速，而高温阶段作为好氧发酵的主要反应阶段，通常滚筒的转速由高温阶段的反应条件决定，转速较高，为保证物料有足够的停留时间反应只能在设计时加长滚筒长度，导致设备占地面积较大。本发明采用分体式多段设计后，各反应段可按照不同反应条件单独驱动，升温段和降温段可以采用相比高温阶段更低的转速运行，在保证足够的停留时间的前提下可以设计更短的滚筒长度，相对传统滚筒反应器可缩短30％以上，节约设备占地面积。
如图2-5所示，由于物料在滚筒反应器内边前进边反应，随着停留时间的延长，物料中的有机物逐渐分解为二氧化碳和水以气体形式排出反应器，滚筒内物料逐渐减少，填充率降低，进料端初始填充率保持在80％左右，在出料端填充率只有50％左右，体积减量40％以上，滚筒的有效容积并未充分利用。本发明采用分体式多段设计后，原则上从进料段向出料段依次减慢，可以利用各反应段的速度落差即后一段滚筒转速比前一段滚筒转速慢，造成物料堆积的效果，从而提高物料填充率，避免滚筒容积的浪费，节省能耗。
本发明采用分体式多段设计的各段滚筒装置的滚筒筒体直径都不一样，从进料端向出料端逐段递增，形成同心套管插接的方式相关联，保证物料沿滚筒轴向前进时不会漏料，各段筒体之间的连接处设有中间密封装置，保证整个滚筒内部的密封，防止物料翻动产生的扬尘和有机物分解产生的恶臭气体泄漏。
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种分体式多段滚筒发酵反应器，属于有机固废处理领域。
所述分体式多段滚筒发酵反应器的结构如图1所示，包括顺次设置的进料装置1、滚筒3和进气系统5，所述进料装置1包括但不限于螺杆输送设备；所述进料装置1与滚筒3进料端连接，连接处设置有进料端密封2，所述进料端密封2上设置有出气口；所述滚筒3出料端与进气系统5连接，连接处设置有出料端密封4。所述出料端密封4底端设置有漏斗状出口，所述漏斗状出口低于滚筒3水平高度。
所述滚筒3包括顺次连接的4段筒体：第一筒体31、第二筒体32、第三筒体33和第四筒体34，均为同轴心、中空圆柱形筒体，其直径自进料端向出料端逐渐增大，各筒体采用同心套管插接的形式相互关联，防止物料在滚筒轴向运动时发生撒漏。所述滚筒3总长度为40米，第一筒体直径为4米。所述相邻筒体连接处设置有中间密封装置6。
所述中间密封装置6的结构如图7和图8所示，包括固定密封罩、连接板62、鱼鳞密封体63、摩擦套64和挡条65，相邻筒体插接处的外侧筒体上设置有密封罩，密封罩上设置安装法兰61，所述密封罩两端的外侧筒体外壁和内侧筒体外壁上均套设有摩擦套64，所述鱼鳞密封体63一端通过螺栓与连接板62固定在安装法兰61上，另一端压在摩擦套64上形成动密封面，鱼鳞密封体63用钢丝绳箍紧施加压力保持密封性，所述鱼鳞密封体采用柔性复合材料和钢板制成；所述内侧筒体外壁与外侧筒体内壁间设有挡条，所述挡条一端固定在内侧筒体外壁上，所述挡条采用石棉、橡胶等柔性材料制成。
每段所述筒体下方设置有两个托轮支撑，两个托轮支撑中间设置有驱动装置。第一筒体31下方设置有第一托轮支撑311和第二托轮支撑313，所述第一托轮支撑311与第二托轮支撑313之间设置有第一驱动装置312。第二筒体32下方设置有第三托轮支撑321和第四托轮支撑323，所述第三托轮支撑321与第四托轮支撑323之间设置有第二驱动装置322。第三筒体33下方设置有第五托轮支撑331和第六托轮支撑333，所述第五托轮支撑321与第六托轮支撑323之间设置有第三驱动装置322。第四筒体34下方设置有第七托轮支撑341和第八托轮支撑，所述第七托轮支撑341与第八托轮支撑之间设置有第四驱动装置342。
所述筒体的中心线与地面成＜1°的倾角，所述滚筒3的进料端位于高点，出料端位于低点，发酵物料由进料端向出料端移动的过程中边前进边发酵反应。
根据物料所处发酵反应阶段，分别控制每段筒体的转速。第一筒体31的转速为2转/分，第二筒体32的转速为0.6转/分、第三筒体33的转速为0.2转/分，第四筒体34的转速为2转/分。
所述分体式多段滚筒发酵反应器还包括检测系统7和控制系统8，所述检测系统包括设置在滚筒内的温度检测装置、湿度检测装置和氧含量检测装置，所述控制系统分别与检测系统7、驱动装置、进料装置和进气系统电连。
具体发酵方法：物料通过进料装置1进入滚筒3内，靠近进料端的第一筒体31为进料段，筒体内壁设有若干倾斜的导料板使物料尽快进入第二筒体32(第一反应段)，避免物料在第一筒体31(进料段)堆积。物料离开第一筒体31(进料段)进入第二筒体32(第一段反应段)后，第二筒体32速度降低，物料边前进边反应，保证物料和空气充分接触，在第二筒体32停留一定时间后进入第三筒体33(第二反应段)，由于在第二筒体32已有部分物料发酵降解，滚筒内物料变少、填充率降低，故第三筒体33转速比第二筒体32降低，利用速度落差造成物料堆积，提高滚筒内填充率，使滚筒容积得到有效利用，在第三筒体33全部反应并达到无害化要求，(当筒体为N个时，依次类推，直至物料在第N-1筒体完成全部反应并达到无害化要求)，物料进入第四筒体34(出料段)，第四筒体34转速变快，第四筒体34内设有若干倾斜的导料板使物料尽快排出滚筒3，通过出料装置离开。
空气从出料端密封4上的进气口5进入滚筒3内，与滚筒3内物料逆流接触，并将物料降解产生的二氧化碳、水蒸气、臭气等气态产物吹扫出滚筒3，混合气体最终由进料端密封装置2上的进气系统5排出系统。
实施例2
本实施例公开了一种分体式多段滚筒发酵反应器，其结构与实施例1基本相同，不同的是，本实施例中所述滚筒3包括顺次连接的5段筒体，分别为：进料段筒体、中温段筒体、高温段筒体、降温段筒体和出料段筒体。
根据物料所处发酵反应阶段，分别控制每段筒体的转速。物料所处发酵反应阶段自进料到出料依次划分为进料阶段、中温反应阶段、高温反应阶段、降温反应阶段和出料阶段，对应筒体的进料段筒体、中温段筒体、高温段筒体、降温段筒体和出料段筒体。所述进料段筒体和出料段筒体转速为7转/分，中温段筒体转速为1转/分，高温段筒体转速为1.5转/分，降温段筒体转速为0.5转/分。
采用上述分体式多段滚筒发酵反应器进行的发酵方法，包括以下步骤：物料经过进料装置从进料端进入滚筒内，物料随着滚筒的旋转作用沿轴线方向前进，空气从出料密封装置上的进气口进入滚筒内部，空气与物料逆流接触，反应完的物料从出料端排出，剩余空气以及有机物降解产生的气态产物从进料密封装置上的排气口排出；物料处于不同发酵反应段的筒体单独控制转速。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权力要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个方案均受本发明之约束。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
