用于从有机材料生成生物气的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于从有机材料生成生物气的装置，所述装置包括生物气反应器(10)，所述生物气反应器包括要被充填有机材料的充填室(20)和用于至少部分地从生物气反应器(10)排出有机材料的回流通道(36)。根据本发明，生物气反应器(10)还包括至少一个中间室(30)，充填室(20)、所述至少一个中间室(30)以及回流通道(36)以该顺序形成有机材料的流动路径的一些部分，有机材料只能朝一个方向通过所述流动路径，两个连续部分中的一者形成上升流动路径，另一者形成下降流动路径。另外，本发明涉及一种用于生成生物气的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及用于从有机材料生成生物气(沼气)的装置，所述装置包括生物气反应器，该生物气反应器包括要被充填有机材料的充填室和用于至少部分地从生物气反应器排出有机材料的回流通道。

本发明还涉及用于生成生物气的方法。

背景技术

在生物气(biogas)的生成过程中，使用厌氧细菌来分解不再与活生物体相连的有机材料并将有机材料转变为气体。厌氧细菌是自然循环中的最后一环并且在自然界中无处不在，例如在反刍动物的胃中或者湖泊和沼泽地的黑泥中都存在。在厌氧发酵中，首先，兼性甲基营养菌(facultative methylotroph)将从专性甲基营养菌(obligatemethylotroph)分化。在厌氧发酵中用作原材料的有机材料例如包括来自工业、烹饪行业、商业、农业(淤泥和固态粪便)的有机材料或残留物或者再生粗产物(玉米青贮、牧草青贮和其它矮株植物)。这些有机材料主要由碳水化合物、脂肪和蛋白质构成。无规兼性甲基营养菌(random facultative methylotroph)还可以在存在氧的条件下存活。它们以处理的第一阶段为主并将有机材料分解为醇、脂肪酸及其盐。处理的所述第一阶段称为产酸阶段或水解。在第二阶段，专性甲基营养菌将醇、脂肪酸及其盐转化为气体。该第二阶段称为甲烷化阶段。第一阶段和第二阶段延迟大约6小时出现，在开始的6小时中出现所谓的水解阶段。

图1是一般性地示出自然发酵过程的示意图。具体地说，该示意图示出随着天数流逝的有机干物质(ODS)分解百分比(实线)。在这点上可以观察到，在开始的20天中，干物质的分解进行得非常缓慢。在存在相应营养物供给的情况下，存在于全部有机废料中的仅仅很少数的细菌以对数比生长繁殖(虚线)。有机体按照与细菌的生长繁殖比率相同的比率分解并转化为气体。然而，令人期望的是有机干物质的分解百分比为70％，也就是说，根据图1的示意图，在自然发酵过程中只有在大约40天之后才能达到这一点。生物气系统的目的是为有机发酵提供环境，从而能够显著地加快有机发酵。

从专利公开文献DE3010183A1中可以获知这种用于生成生物气的装置和方法。该装置包括权利要求1和13的前序部分的结构。然而这种用于生成生物气的装置可获得的有机干物质分解百分比太低，因此气体产率也太低。

发明内容

因此，本发明的目的是进一步改进这种用于生成生物气的普遍装置以及用于生成生物气的方法，从而可以获得更高的产气量。

所述目的是通过独立权利要求的特征来实现的。

根据从属权利要求可以清楚本发明的有利实施例和进一步改进的实施例。

根据本发明的用于生成生物气的装置基于一般的现有技术，该生物气反应器还包括至少一个中间室，充填室、所述至少一个中间室以及回流通道以该顺序形成有机材料的流动路径的各部分，只能朝一个方向通过所述流动路径，两个相邻部分中的一者形成上升流动路径，另一者形成下降流动路径。采用该构造，可以实现使流动体朝一个方向平滑而均一地流过生物气反应器。通过设置至少一个附加的中间室，可以防止各个室过大，这是因为如果各个室过大的话，将存在形成不同流动区域的风险，而这会不利地影响自然发酵过程。在发酵体的连贯一致性改变的情况下，可以防止供给的发酵体的流动峰到达表面，从而几乎未发酵的发酵体或新鲜基质在出口处从产酸阶段漏出。通过细分为多个室，可以在生物气反应器内部提供多个发酵室，从而使流动更均一并且更可控制。这样，新供给的基质在离开生物气反应器之前不得不通过整个流动路径，因此迫使基质在预定时间段内通过整个过程。采用该构造，可以显著地提高生物气的产量。

有利的是，根据本发明的用于生成生物气的装置还可以进行如下改进：为充填室设置溢流缘，可以经由所述溢流缘从充填室为所述至少一个中间室填充有机材料。采用所述溢流缘，在充填室与中间室之间的过渡处形成流体静压倾斜度，发酵体可以在这里优选地脱气。只要发酵体在容纳于腔室中的同时向前移动，气体更倾向于封闭。当发酵体越过溢流缘向下掉落时，发酵体存在在阻力减小的情况下气体完全逸出的可能性。

在根据本发明的用于生成生物气的装置的优选实施例中，还可以想到，总共设置至少两个中间室，所述中间室在回流通道的充填口下方以及溢流缘上方的区域中相连。采用该构造，可以更完全地发挥上述优点。通过将发酵容器细分为更多腔室，特别是通过将两个中间室相连，可以使流动更加可控，这些中间室根据连通容器的原理相连，并且发酵体不得不依次流动通过所述两个中间室。

另外，根据本发明的用于生成生物气的装置还可以进行如下改进：所述中间室在设置于生物气反应器内部的杯形内部贮存器的内部形成。这样，获得将生物气反应器细分为多个腔室的具体的可能方案。

此外，根据本发明的用于生成生物气的装置还可以进行如下改进：排出通道从回流通道分叉，从而使得排出通道与回流通道一起形成连通管。这样，当供给新的发酵体时，生物气反应器中的发酵体的某一部分可以自动排出。在这点上，在生物气反应器内部不再需要可选地打开或关闭排出通道的泵或阀。

另外，根据本发明的用于生成生物气的装置可以形成为：充填室的横截面区域在溢流缘所在的区域中缩窄。由于在充填室的上侧区段的缩窄，溢流基质受到压缩并且阻止漂浮层的形成。优选的是，横截面积的缩小量为50％。漂浮层会导致发酵体的脱气状况恶化。此外，发酵体在该缩窄区域中受到压缩，这样防止非粘性发酵流过或越过粘性发酵体。由于横截面积缩小，基质中的内部摩擦阻力增大，从而不能获得最终混合物，于是可以可靠地防止形成漂浮层。漂浮层的形成将导致发酵过程倾覆或甚至停滞。首先，大多数生物气在发酵过程的前三分之一阶段中生成，因此形成漂浮层的可能性最大。

通过使生物气反应器具有朝向上侧渐缩的上部，以及通过使溢流缘延伸到上部中一定程度使得充填室的横截面积在溢流缘所在区域中缩小，可以获得相同的优点。除了上述优点之外，这还具有如下效果：通过过渡至锥形部分的过渡部以及锥形部分本身内部使得对发酵体的摩擦增大，如上所述，锥形部分本身阻止形成漂浮层。

根据本发明的用于生成生物气的装置还可以构造成：生物气反应器包括朝向下侧渐缩的下部，在下部的下方区域中形成用于沉淀物的收集室，该收集室一方面可选地可以与生物气反应器内部连接，另一方面可选地可以与生物气反应器的外部环境连接。由于该构造，诸如沙子或其它致密介质等沉淀物或杂质将朝向生物气反应器内部的下侧沉积，并且可以不时地从这里移除这些沉淀物。这样可以排除在生物气反应器中的流动路径中的堵塞物。此外，这种沉淀物可能影响发酵过程。采用这种可清除的收集室，可以消除这种不利影响。在本发明的发酵过程中，将已分解90％以上并且几乎不再含有任何有机物质的完全发酵体以大约10天的周期以50％的再引入率作为注射物再次引入发酵过程中。最后，在两个发酵循环之后经由收集室移除其中所含的盐和其它有机部分。

此外，根据本发明的用于生成生物气的装置可以形成为：在生物气反应器的上方部分中连接有排气管路，经由该排气管路可以为生物气反应器内部施加恒定压力。这样，提供了保持生物气反应器内部压力恒定的措施，该措施容易实现，成本低并且非常可靠。因此，可以省略昂贵的阀，阀在用于生物气反应器的环境中时将非常快速地磨损。

此外，用于生成生物气的装置可以实施为：另外设置有可以被填充液体的液体贮存器，排气管路的通至生物气反应器内部之外的端部可以设置在液体中，从而使得可以经由液体中的浸没深度调节生物气反应器的内部压力。采用该附加的液体贮存器，可以改变生物气反应器的内部压力，从而可以调节最佳发酵条件。同时，借助于液体贮存器进行压力调节易于实现并且成本较低。另外，可以从通过液体从排气管路中排出的生物气中除去可能的污染物。

另外，根据本发明的用于生成生物气的装置还可以进行如下改进：另外设置用于对充填室进行充填的混合单元，调节该混合单元从而将新的有机材料与经由再循环管道从生物气反应器排出的有机材料以大约1∶1的比例进行混合。在该情况下，从生物气反应器排出的有机材料是完全发酵的非反应物质。采用1∶1的比例进行混合，可以获得最佳效果。由于有机材料的主要部分在发酵过程的末尾分解，因此甲基营养菌以最高的浓度存在。这些从生物气反应器排出的有机材料与新引入的有机材料的混合物确保发酵过程非常强烈而快速地开始，这是因为大量细菌面对大量有机体，因此导致发酵过程强烈地启动。

用于生成生物气的装置还可以进行如下改进：另外提供设置在充填室上游的热交换器，调节该热交换器从而借助于热流体对新供给的有机材料进行预加热。这样，可以实现将要供给到生物气反应器中的发酵体预加热至对于发酵过程来说最佳的温度。在这点上，最佳温度是指使产气量最大的温度。

此外，用于生成生物气的装置可以形成为：在充填室上游设置碾压单元。通过碾压供给的有机材料，物质可以形成有机组分范围广泛的水性可泵送混合物，这对于细菌来说是理想的食物。通过进行碾压，可以实现良好的彻底混合，增强泵送性，并且最终实现更快速发展的发酵过程。这样，有机材料被均质化，即分断，从而使有机部分的结构适度断裂并释放所含水分。这样，形成较大的表面，细菌可以更密集地落菌。

作为进一步改进，根据本发明的装置可以构造成：设置储气罐，生物气反应器中生成的生物气可以存储在该储气罐中，并且该储气罐至少部分地包围生物气反应器。该进一步改进的有利之处在于，该储气罐对于生物气反应器具有隔热效果，从而使得热量更好地保持在生物气反应器总，并且要供给至生物气反应器的热能更少。同时，通过该进一步改进，可以提供用于存储生物气的容器，而不需要另外的部件。

用于生物气系统的热交换器基于一般的现有技术，当热交换器壳体封闭时，清洁装置可以热引入体。与粘性有机体相关的热交换器的问题在于，蛋白质从大约60℃的温度起絮凝并沉积在热引入体上。该热交换器能够永久地移除这种沉积物从而确保良好的通过性和良好的热传递。此外，可移动的清洁装置确保了物体的良好的彻底混合，从而可以均一地加热。

上述热交换器还可以进行如下改进：可以借助于心轴驱动装置使清洁装置往复运动。采用心轴驱动装置，可以以少维护并且低成本的方式实现清洁装置的运动。

此外，该热交换器可以构造成：热引入体由双壁管道构成，在该双壁管道中，供给管路包围返回管路或者返回管路包围供给管路。由于使用双壁管道，热流体的供给管路和返回管路可以在同一侧通至热交换器壳体之外。这样，在热交换器的相对侧可以更容易地打开热交换器。另外，与设置通常的单壁管道的情况相比，热流体通过热交换器内部的双壁管道流动的距离加倍。

通过根据本发明的用于生成生物气的方法，可以以类似的方式获得上述优点。

在一种有利的方式中，该方法还可以进行如下改进：在生物气反应器中发生的本方法的步骤在不对有机材料进行任何主动搅拌的情况下执行。通过避免搅拌有机材料，可以避免扰乱发酵过程。水解阶段是敏感的因此不容许任何干扰。

另外，该方法还可以进行如下改进：在被引入充填室之前，借助于热交换器将新供给的有机材料预加热至35℃至37℃的温度。这样，发酵过程在嗜温范围内进行，从而获得更高的分解率，因此可以生成更多气体。根据现有技术的过程经常在嗜热范围(大约55℃)内进行，从而实现杀菌并且使过程进展更快，然而，这样不能生成更多的气体。在嗜温范围内，因为出于加热目的而需要的能量更少，因此能量平衡更佳。

此外，该方法还可以进行如下改进：将由新供给的预加热的有机材料与直接从回流通道排出并且引入充填室的有机材料构成的有机材料进行混合。由于与已经经过生物气反应器的有机材料进行混合，使得新供给的有机材料与完全活性的细菌相混合，从而可以非常快速地启动发酵过程。

还可以想到，发酵过程中的混合比例为1∶1。已经发现该比例是获得最高产气量的最佳混合比例。

最后，根据本发明的方法还可以进行如下改进：使生物气反应器内部的内压保持恒定。由于上述恒定内压，发酵过程受到干扰的可能性降至最低，这对于发酵过程具有有利影响。由于上述内压恒定，可以防止发酵体的流动不受控制。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1是一般性地示出自然发酵过程的示意图；

图2是根据本发明的用于生成生物气的装置的示意图；

图3是图2所示装置的碾压单元的平面图；

图4示出通过本发明的方法可靠地实现的发酵过程；

图5是图2所示装置的热交换器的示意性剖视图；

图6是沿着图5中的线I-I截取的示意性剖视图；

图7是沿着图5中的线II-II截取的示意性剖视图；

图8是根据本发明的用于生成生物气的装置的进一步改进实施例的示意图。

具体实施方式

图2示出根据本发明的用于生成生物气的装置的示意图。在该优选实施例中，生物气反应器10包括外部容器12，优选的是，该外部容器在中央部分为圆筒形，分别在上部14和下部16中朝向端部呈圆锥形。在外部容器12内部容纳有内部贮存器18，该内部贮存器为杯形并且距离外部容器12以基本上恒定的距离布置，从而在外部容器12与内部贮存器18之间形成包围内部贮存器18的充填室20。外部容器12以及内部贮存器18优选由钢制成，但是，也可以实施由其它材料例如塑料等制成的实施例。在本实施例中，内部贮存器18的用作溢流缘22的上边缘插入到朝向上侧渐缩的上部14中一定的深度，从而使得设置于其间的充填室20的横截面积朝向上侧缩小大约50％。然而，在这点上，唯一重要的是，该横截面朝向充填室20的端部缩小。作为选择，可以通过如下方式实现这一点：即，将溢流缘22的上端向外侧弯曲，即朝向外部容器12弯曲。还可以在充填室20的上端设置单独的引导板，将所述引导板安装在外部容器12上并使充填室20的横截面朝向上侧缩小，从而实现所需的横截面缩小，而非通过朝向上侧渐缩的上部14与溢流缘22之间的相互作用来实现。在反应器下部，内部贮存器18按照与外部容器12类似的方式朝向下侧渐缩。内部贮存器18在渐缩的下部24中优选为圆柱与圆锥形。在内部贮存器18内部设置有圆筒形内管26，从而使得如同内部贮存器18与外部容器12之间一样，在内管26与内部贮存器18之间获得大致相同的距离。内管26的下边缘向下延伸得与内部贮存器18的圆筒部分(非渐缩的部分)几乎一样远。内管26的上边缘向上延伸超出溢流缘22。在内管26内部设置有回流管28，该回流管向下延伸到内部贮存器18的部分24中，在部分24处，回流管28从内管26内部通向内部贮存器18之外。回流管28向上延伸，使得回流管28的上边缘相对于竖直平面低于溢流缘22。有利的是，回流管28的上边缘向上延伸得与外部容器12的中央部分(优选为圆筒形)基本上一样远。在本实施例中，外部容器12、内部贮存器18、内管26和回流管28同心地设置。在内管26的外侧与内部贮存器18的内侧之间形成大致圆筒形的第一中间室30。在回流管28的外侧与内管26的内侧之间形成大致圆筒形的第二中间室32。第一中间室30和第二中间室32在下部相互连接。回流管28的上边缘形成充填口34。在回流管28内部形成回流通道36。如上所述，回流管28离开内部贮存器18通入内部贮存器18的下部24，在下部16处穿过外部容器12的壁，并且通入注射泵38，该注射泵优选为单螺杆泵(helical rotor pump)。在回流管28的延伸到充填室20内部的部分上，排出管40分叉并向上延伸到充填室20中，使得排出管40的上端开口处于与回流管28的充填口34大致等高的位置。在反应器上部，排出管40形成为使排出管40的上部弯曲90度以上，并且弯曲部分穿过外部容器12的壁延伸到外部。于是，由排出管40形成的排出通道42为U形并且与回流通道36相连，从而使得回流通道36和排出通道42形成连通的管道。充填室20形成为可以在反应器下部从外部充填有机材料或有机物质。按照后面将更详细描述的方式，还通过充填室20、第一中间室30和第二中间室32供给有机物质，其中有机物质可能仍然含有沉淀物或致密介质。因此，对应的管道部分44和46在外部容器12和内部贮存器18的底端分叉，所述管道部分44和46设置有位于相应容器附近的滑阀(slider)48、52以及与该滑阀相隔一定距离的另一个滑阀50、54。利用各自的滑阀，各管道部分44和46可以选择性地打开和关闭。滑阀50和滑阀48之间的距离优选为大约80cm，滑阀52和滑阀54之间的距离优选为大约60cm。在正常操作过程中，滑阀48和52是打开的，滑阀50和54是关闭的。因此，当有机物质中所含的沉淀物向下沉降时，这些沉淀物沿着部分16和24朝向各容器12、18的中心滑动，并且通过各管道部分44、46中的各打开的滑阀48、52离开。在关闭的滑阀50、54处收集沉淀物。于是，滑阀48与50之间的管道部分以及滑阀52与54之间的管道部分分别形成沉淀物的收集室56、58。优选的是，例如借助于有机玻璃将这些管道部分形成为在收集室56、58处为透明的，从而能够监视沉淀物的收集量。当达到某一数量时，可以关闭各滑阀48和52来移除收集的沉淀物，以便防止容器12、18泄漏。然后，打开各滑阀50和54并清空收集室56、58。为了进行正常操作，再次关闭滑阀50和54，并打开滑阀48和52。隔热装置60(图中仅仅示出一部分)完全包围外部容器12(没有示出供给和排放线路)，从而可以将生物气反应器10内部的温度尽可能恒定地保持在优选的35°(该温度有利于生成生物气)，并且使得为保持所述温度而需要供给的能量较少。在该优选实施例中，在隔热装置60中嵌入加热器62，所述加热器以装有水的螺旋布置的水管的形式嵌入，并且例如在热电组合单元(未示出)中将水加热。作为选择，也可以在隔热装置60中嵌入加热丝。优选的是，加热器62在从下侧向上直到上部14下方的区域包围外部容器12。为了保护隔热装置60，可以采用例如金属片外套等防护外套包围包括加热器62的隔热装置60。

排气管路64在外部容器12的上端处，即上部14的渐缩端处分叉。所述排气管路64向下通向外部容器12的外部并且与外部容器12相邻，排气管路64的端部伸入液体贮存器66并且向下延伸到所述液体贮存器66内部。液体贮存器66优选为圆筒形容器，该容器的下部朝向下侧呈锥形渐缩。供气管路68在液体贮存器66的上侧分叉，通过该供气管路68将获得的生物气供给到储气罐(未示出)，在这里，热电组合单元(未示出)可以获得生物气来发电。在液体贮存器66的下端，管道部分70通向液体贮存器66之外。立管72从所述管道部分70分叉，所述立管72向上通至液体贮存器66的上边缘并且与液体贮存器66相邻。立管72在上侧敞开，在立管2的上边缘与该上边缘下方超过1m的位置之间形成有三个孔口74，最下面的孔口位于立管72的上边缘下方超过1m的位置处。三个孔口74中最下面的孔口与最上面的孔口之间的距离优选为1m。立管72按照连通管原理与液体贮存器66内部相连。在工作过程中，液体贮存器66内部填充有液体76(优选为水)，可以通过孔口74来调节液体的液位。由于连通管原理，在立管72和液体贮存器66中保持相同的液位，因此如果最下面的孔口74是敞开的，那么液体贮存器66中可以填充液体76直到液位与最下面的孔口74的水平相对应。如果例如借助于塞子使最下面的孔口74关闭，那么液体贮存器66中可以填充液体直到获得与更高处的孔口74的水平相对应的更高的液位。如果全部孔口74都是关闭的，那么液体贮存器66中可以完全填充液体，当达到完全充填时液体到达立管72的上边缘。排气管路64的通向外部容器12之外的端部78位于液体贮存器66内部，从而使所述端部78浸在液体76中。端部78的下端开口与立管72的最上面的孔口以2m的距离间隔开。于是，当三个孔口74中最下面的孔口敞开时，排气管路64在液体76中的浸没深度为最小值，即1m；只有当三个孔口74中最上面的孔口敞开时，该浸没深度才为最大值，即2m。由于可以调节排气管路64的端部78的浸没深度，可以将外部容器12内部的压力调节为恒定值。因此，当充填有水时，以1m的浸没深度可以在外部容器12中获得0.1巴的压力。以2m的浸没深度可以将外部容器12中的压力调节为0.2巴。如上所述，管道部分70在液体贮存器66的下端通向外部。这里，在该管道部分中在液体贮存器66的出口与立管72的分叉部之间设置有滑阀80，在该管道部分中在立管72的分叉部之后设置有滑阀82。利用这两个滑阀80、82，可以选择性地打开或关闭通过管道部分70的通路。在正常操作过程中，滑阀80是打开的，滑阀82是关闭的，因此形成沉淀物的收集室84。于是，生物气中所含的杂质被液体76过滤出来。气体在液体76中上升，过滤出来的沉淀物在液体76中向下沉降，然后通过液体贮存器66的下部的渐缩形状将沉淀物引导至中央并收集在收集室84中。在收集室84所在的区域中，管道部分70是透明的，例如由有机玻璃制成，从而使得可以监视沉淀物的收集。当收集室84中的沉淀物数量达到某一数量时，可以关闭滑阀80并打开滑阀82，从而可以在管道部分70的下端从系统中排出沉淀物。在清空收集室84之后，再次关闭滑阀82并打开滑阀80。

如上所述，可以从下面对充填室20进行充填。为此，连接充填室20与混合单元86的出口的管道部分穿过外部容器12的下部16中的壁延伸。优选的是，混合单元86的出口朝向充填室20渐缩50％。混合单元86的入口与管道相连，通过该管道将混合单元86与注射泵38的出口和热交换器88的出口相连。混合单元86将从注射泵38和热交换器88供给的有机材料优选以1∶1的比例混合。作为选择，该用于生成生物气的装置还可以以其它混合比例工作。热交换器88(后面将更详细地描述)包括设置在出口附近的温度传感器90，借助于该温度传感器可以检测位于热交换器中的有机物质的温度。热交换器88与设置在入口侧的新鲜基质泵(fresh substrate pump)92相连，该新鲜基质泵优选为单螺杆泵。所述新鲜基质泵92转而与布置在入口侧的碾压单元94相连。碾压单元94与新鲜基质泵92之间的连接以及新鲜基质泵92与热交换器88之间的连接是借助于管道连接件来实现的。碾压单元94包括三个顺次布置的例如星形切割刀片等切割工具96，在切割工具的与基质流相对的侧面上相应设置衬套98。切割工具96布置在轴100上。轴100至少在某些区段上形成为蜗轮传送轴。为了将轴100连接到切割工具96上，在切割工具96所在的区域中使轴100变平，从而使得切割工具96可以准确地安装在轴上。衬套98包括中心圆孔，轴100穿过该中心圆孔从而使衬套98不干扰轴100的旋转。通过螺栓(未示出)锁定衬套98，从而使切割工具96对相应衬套98上供给的可能纤维状的有机新鲜基质施加切割和剪切作用。衬套98的孔的尺寸是分级设计的，从而分级执行碾压并且可以单独进行调节。于是，借助于形成为蜗轮传送器的轴100将经由料斗102供给的有机新鲜基质供给至切割工具96，通过所述切割工具96进行压碎，并继续供给至新鲜基质泵92。轴100和切割工具96受驱动单元104(例如电机)驱动。在图3中示出碾压工具的平面图。

在新鲜基质泵92与热交换器88之间、在热交换器88与混合单元86之间、在混合单元86与外部容器12之间、在注射泵38与外部容器12之间、以及在外部容器12与液体贮存器66之间分别设置有滑阀106，通过相应的滑阀可以选择性地打开和关闭相应的管道连接件。在正常操作过程中，所有这些滑阀106都是打开的，然而例如出于维修的目的，在更换某一元件时可能需要关闭该元件上游和/或下游的相应滑阀106，以便能够在没有有机材料从系统泄漏的情况下更换元件。

下面将描述图2所示用于生成生物气的装置的操作或利用图2所示装置生成生物气的方法。在根据现有技术的方法中，对于两种甲基营养菌，即兼性甲基营养菌和专性甲基营养菌共生(即，两者相互补充并相互依存)的事实考虑过少。背景技术中所述的发酵过程的第一阶段(水解或产酸阶段)和第二阶段(甲烷化阶段)延迟大约6小时出现，在开始的6小时中出现所谓的水解阶段。所制备的醇和脂肪酸在接下来的第二阶段中也必须是可处理的。在这点上，重要的是，在根据本发明的方法中没有通过搅拌或混合而通过重新开始的过量酸形成等来扰乱第一阶段的平衡。添加任何新鲜基质都将导致酸形成，从而导致酸产物聚积；如果有机材料的处理没有最佳地进行，那么实际发酵过程将导致酸产物的过量产生。因此，在本发明的方法中有意对产酸阶段(水解)赋予优先权，从而使得本发明的方法与根据现有技术的很多方法不同。在本发明的方法中，水解和甲烷化是平衡的，并且不像现有技术中那样分离地进行。如果水解和甲烷化分离地进行，就不得不将预酸化基质引入正作用的过程中，这将导致形成酸浓度，并且导致需要长时间(有时候为20天至30天或更长)来建立平衡。通过搅拌和混合以及通过注射气体可以带来相同的缺点。在本发明的方法中，有意避免通过搅拌和混合来扰乱平衡。

在用有机材料充填碾压单元94的料斗102之前，有利的是分选有机材料，即除去粗糙的干扰材料并将较大的部分碾压至大约30mm。然后将有机材料填充到料斗102中。然后，手动或自动(例如借助于挡光板(未示出)等)开启驱动单元104。这样，轴100旋转，从而轴100的蜗轮传送器将充填基质传送至三个切割工具96中的第一个。该切割工具96碾压有机新鲜基质并且传送有机新鲜基质通过相应衬套98。然后，有机新鲜基质通过由切割工具96和相关衬套98构成的第二和第三碾压阶段(如图2从右侧到左侧)。通过所述碾压阶段将来自烹饪行业、来自油脂分离器、来自食品行业以及来自其它来源的有机材料均质化，即分解，从而使有机部分的结构适度断裂并释放所含水分。这样，形成较大的表面，发酵过程中所涉及的细菌可以更密集地落菌。借助于切割工具96如此获得的基质是有机组分范围广泛的水性可泵送混合物。轴100的供给作用以及切割工具96的供给作用将有机新鲜基质继续供给至新鲜基质泵92。所述新鲜基质泵92受控制器(未示出)控制，将新鲜基质泵入热交换器88并从热交换器进一步泵入混合单元86中，最后泵入生物气反应器10的充填室20中。在这点上，从碾压单元94供给的新鲜基质首先被供给到热交换器88内部。然后关闭新鲜基质泵92。根据本实施例，供给到热交换器88中的新鲜基质被加热到37℃，借助于温度传感器90来监视该温度。所述加热操作是通过将与新鲜基质空间上分离的热流体引入热引导体(后面将进行描述)来实现的。流体优选具有大约80℃的温度。一旦温度传感器90检测到温度达到37℃，就打开新鲜基质泵92，从而将新的新鲜基质引入热交换器88并且将已经预加热的新鲜基质从热交换器88排出并引入混合单元86中。与新鲜基质泵92一起还同步地操作注射泵38，这将在后面更详细地进行描述。新鲜基质泵92优选保持打开直到温度传感器90检测到35℃或更低的温度。然后，关闭新鲜基质泵92，从而使得现在可以对新引入热交换器88中的还没有预加热的有机新鲜基质进行预加热，直到上述新鲜基质达到37℃的温度并如上所述继续移动。有机新鲜基质的供给时间间隔可以是变化的，不是唯一地必须根据温度传感器90来控制新鲜基质泵92。借助于温度传感器90进行控制还不如理解为，这是供给温度最低为35℃的新鲜基质的必要条件。根据在热交换器88中预加热新鲜基质的需要，上述时间间隔可以更长。因此，如果能够在热交换器88中对新鲜基质进行快速预加热，则可以实施几乎连续的供给或者特定周期内供给新鲜基质。注射泵38用于将从生物气反应器10排出的温度为35℃的基质引入混合单元86中。如上所述，新鲜基质泵92和注射泵38同步地操作，从而使得基质的各相同部分被注射泵38和新鲜基质泵92引入混合单元86中。已经发现，假定从生物气反应器排出的基质(非反应的发酵体)和新鲜基质(从热交换器88排出的基质)具有大致相同的温度，通过将两个质量流以1∶1的比例混合，可以获得最佳效果。然而，1至2℃的误差是可接受的。通过将非反应的发酵体与新鲜基质以正确的比例混合，可以促进发酵过程，从而使得最终剩余的有机材料受到侵袭和分解。该措施大大地有助于实现本发明的方法中对有机材料的高分解率，该分解率可以高达70％和更多。在这点上，要注意到，上述两个质量流的混合决不能在例如上游沟道等上游容器中进行，否则将损失气体。

在混合单元86中，通过混合单元86的锥形渐缩出口可以更彻底地混合供给的基质。在发酵过程结束时，有机材料的主要部分被分解，甲基营养菌以最高的浓度存在。借助于混合单元86在新鲜基质中引入甲基营养菌可以确保发酵过程更强烈地开始，这是因为大量细菌面对大量新鲜基质，从而导致更强烈地启动发酵过程。在进入充填室20之后，基质受后续基质的驱动而在充填室20中上升。在充填室20中向上流动的基质在到达充填室20的上部区域中的狭窄部分时受到压缩，从而不会形成漂浮层。在溢流缘22处溢流的发酵体经由溢流缘22掉入第一中间室30。在越过溢流缘22掉落的过程中，发酵体完全脱气。此外，有可能形成的基质结块被碎裂，这使得能够脱气并促进脱气。在实际中，在该溢流缘22处的掉落高度大约为0.6m，该高度有时候决定于施加于生物气反应器10内部的压力。如图2中的点所示，生物气被收集在外部容器12的上部14中。由于内管26的上边缘高于溢流缘22，可以避免发酵体直接从充填室20移动到第二中间室32中。引入第一中间室30的发酵体将在所述第一中间室中向下移动。发酵体的这种向下移动受到补充的发酵体驱动。第一中间室30在内部贮存器18的下部与第二中间室32相连，从而使得在第一中间室30的下端排出的发酵体被引入第二中间室32的下端。发酵体在第二中间室32中上升。由于连通容器的原理，在第一中间室30和第二中间室32中基本上保持相同的填充高度。该填充高度与充填口34相对应。当发酵体在第二中间室32中到达充填口34时，发酵体掉入回流通道36并在回流通道36中向下沉降。基质在回流通道36中向下沉降的高度有时候决定于施加于生物气反应器10内部的压力。当从第二中间室32掉入回流通道36中时，生物质还完全脱气。由于排出通道42与回流通道36一起形成连通管，排出通道42中的填充高度决定于回流通道36中的填充高度。在回流通道36中向下移动的基质大约有一半经由排出通道42离开生物气反应器，另一半被注射泵38供给到混合单元86中，如上所述，在混合单元中上述基质与新供给的新鲜基质混合。在外部容器12内部，通过加热器62使生物质保持在大约35℃的温度。本过程在嗜温范围(30℃至38℃)内进行，这是因为在该范围内分解率较高，因此可以生成更多气体。存在于该过程中的甲基营养菌非常敏感，需要尽可能均一并且不存在巨大变化的温度。

在大约8至10天后回流通道36达到如下状态：在高度富有发酵细菌的该位置，基质仅仅含有非反应的发酵体。借助于液体贮存器66使聚积在外部容器12的上部14中的生物气保持在恒定压力，并且该生物气首先经由排气管路64被连续地排放到液体贮存器66中，并且经由供气管路68从液体贮存器中引入储气罐(未示出)。这里没有使用易于磨损的压力阀，而是通过1m至2m的浸没深度保持压力恒定。通过泵38和92的泵送压力、通过从溢流缘22朝向充填口34的流体静压倾斜度并且通过上部14中0.1至0.2巴的气压来实现在整个系统中对发酵体的输送。可以利用上述流体静压倾斜度以及内部压力使得对生物气反应器中的有机材料的输送作用改变，即可以将上述流体静压倾斜度和/或内部压力调节为使有机材料连贯一致地输送。

结果，可以实现如下发酵过程：即，在大约6至10天的相对较短时间内使有机组分减少达70％或更多。这意味着提取出大量气体，并且在相应的基本条件下获得非常高的效率。有机材料的转化在封闭容器中进行，从而没有异味会逸出到外部。从排出管40排出的发酵残留物具有泥土的气味，没有粘性物质并且在各方面都与环境相容。这些残留物不需要实施进一步处理就可以作为天然肥料施加于农用地面上。如果因为强制性规定而需要实施进一步处理，则可以不费力地实施固液分离处理，这是因为这种完全发酵的残留物很容易分离。

分解的有机干物质的每千克大约2m³的生物气获取量处于可实现的范围内。生物气具有大约70％至74％的甲基含量，因此获得7.0至7.4kWh/m³的能量值。上述装置或相关方法的另一个不可低估的优点在于，干物质含量为20％至25％的基质可以发酵为呈浆状但是仍可泵送。即使在干物质含量非常高的情况下，在生物气反应器10中也不存在与流动有关的问题，这是因为非反应的发酵体与新鲜基质的混合物在被引入发酵容器之前进行混合时被非反应的发酵体稀释，所述基质的pH值被提高至大约7.5至7.8，该pH值对于生物群落来说是优选的。上述装置和上述方法确保了超过90％的有机材料的分解。于是实现最佳发酵，并且残留物(注射物)具有超过8.0至8.4的pH值。结果，再引入率(注射物的数量)对于基质具有直接的影响。新鲜基质与注射物以正确比例(通常为1∶1的比例)进行彻底混合的混合物构成发酵基质。在该发酵基质中，将获得大于7.0的pH值，这提供了生物群落很好地起作用的基本条件和必要条件。总而言之，采用上述方法可以获得大量经济的优点，另外可以获得工厂生产方面的优点以及使系统更小并且占据更大市场份额的优点。

此外，通过上述装置和上述方法可以获得如下优点：

·采用完全发酵的注射物，将尽可能最多的厌氧活细菌引入新鲜基质，即，大量的细菌培养导致发酵过程强烈地开始并且将这种强烈的活动保持不受限的时间长度。

·通过将pH值增大至大于7.0(对于生物群落来说是有利的)，提供了可以最佳并且不受干扰地进行发酵过程的环境。

·由于可以精确地控制再引入率(注射量)，可以通过注射量来提高pH值小于7.0的基质的pH值。因此，很有必要增加注射量并因此从开始就提供对于厌氧共生中的生物群落有利的环境。

一般来说，有机残留物包括三种基本组分：碳水化合物、有机脂肪和蛋白质。这三种基本组分在厌氧发酵中起到重要作用，并且含有一定的潜在能量。科学研究已经发现，就已分解的有机干物质(ODS)而言，可以从这三种有机组分中提取出具有相应质量的如下数量的生物气。

在本发明的发酵过程中，可以获得有机干物质的最高分解率，这一点基本上归因于高再引入率(注射物)。50％的发酵体两次经过发酵过程。但是，甚至10天的正常流通都能确保最佳的有机体分解率。本发明的厌氧过程在大约6至10天内完成。假定ODS的分解率为大约70％，则利用该过程可以实现每千克分解的ODS获得1.920m³生物气，生物气含有百分比为大约68％至74％的CH₄，这将产出能量值为7.1kWh/m³的生物气。

还应该提到，细菌分解室负荷是来自污水处理技术的用于发酵的术语。仅仅当在反应器中进行搅拌和混合时该术语才有意义，并因此与本过程不相关。数值为大约6.0至6.5kg ODS/m³的细菌分解空间不会影响本方法的发酵过程，然而在根据现有技术的方法中，提到的是最大值为大约1.5kg ODS/m³的细菌分解空间至2.5kg ODS/m³的细菌分解空间。

图4示出通过本发明的方法可靠地实现的发酵过程的进程。该图中示出的有机干物质(ODS)的分解进程是通过本发明的方法可靠地实现的。

图5是图2所示装置的热交换器的示意性剖视图。在中央部分，热交换器88的壳体包括平放的双壁部分108，该双壁部分设置有分别在两侧朝向外侧渐缩的端部110、112。双壁部分108优选为圆筒形，左端部110和右端部112相应地为漏斗形，但是作为选择可以使用其它横截面形状，例如矩形横截面。热交换器壳体的双壁部分108经由两端带孔的凸缘114与左端部110和右端部112相连接。右端部112在其下侧面上设置有管座116，所述管座可以例如借助于带孔凸缘与新鲜基质泵92相连。热交换器壳体的左端部110设置有管座118，所述管座可以例如借助于带孔凸缘与混合单元86相连。由双壁限定的热交换器壳体的双壁部分108的空间用作承热空间120，该承热空间设置有用于引入优选水的热流体的供给管路122和用于排出流体的排出管路124。例如可以在热电组合单元中对可以流过承热空间120的流体进行加热。供给管路122的流体温度优选为80℃。双壁部分108如此形成热引入体，可以通过该热引入体对经由管座116供给到热交换器88内部的有机新鲜基质进行预加热，新鲜基质在预加热之后可以经由管座118排出。上面已经结合图2描述了热交换器88与温度传感器90相结合的操作。此外，在热交换器88内部布置有三个双壁承热管126，这些承热管形成为使得供给管路围绕返回管路。因此，可以经由供给管路的入口128供给与供给到承热空间120中的流体相同的流体，所述流体在外部管套中从右向左经过供给管路中的承热管126，并且在承热管126的左端处在承热管中心部分的返回管路中从左向右返回到返回管路的出口130。于是，这三个承热管126还用作热引入体，用于将存在于热交换器88内部的物质预加热至优选35℃至37℃。承热管126在右侧由热交换器壳体的右端部112固定。这三个承热管126在左侧由支承盘132固定。

图6示出沿着图5中的线I-I截取的示意性剖视图。支承盘132包括三个鳍部134，这三个鳍部从中心延伸至外周并且分别设置有位于中央的容纳孔136。容纳孔136形成为盲孔并用于容纳和支承承热管126的左端。在支承盘132中心形成的孔也形成为盲孔并且设置有轴承138，从而使得心轴140的左端可以支承在该孔中。

再次参考图5，心轴140在热交换器88的中心沿着热交换器88的纵向延伸。心轴140的平行于承热管126延伸的部分设置有螺纹。心轴140的右端通向热交换器壳体的右端部112之外并且与驱动单元142相连。在热交换器88的操作过程中，在对热交换器88中的粘性生物质进行预加热的过程中，蛋白质将从大约60℃的温度开始絮凝并沉积在热引入体108、126的表面上。为了除去这些沉积物，在热交换器88中设置有清洁装置144。清洁装置144包括清洁盘146，该清洁盘的外径最低程度地小于双壁部分108的内径。这里术语“最低程度地小于”是指在上述两元件之间设置仅仅允许两元件相对于彼此相对运动所需的误差。此外，设置有三个清洁盘148并且每个清洁盘围绕相应的承热管126，承热管126的外径最低程度地小于清洁盘148的内径。清洁盘148的外径和清洁盘146的内径尺寸设置为：在安装状态下在清洁盘146的内径与清洁盘148的外径以及在清洁盘148的外径与心轴140之间形成有一定距离。清洁盘146和148布置在两个清洁支承盘150之间。

图7示出沿着图5中的线II-II截取的示意性剖视图。清洁支承盘具有环形部分，该环形部分的外径小于双壁部分108的内径。三个鳍部从该环形部分向内延伸，在清洁支承盘150的中心在三个鳍部的交点处形成有与心轴140的螺纹对应的螺纹。这三个鳍部每个都设置有分别位于中央的环形部，即在该环形部中，鳍部在安装状态下以环状方式包围承热管126。在该情况下，鳍部的所述环形部的内径大于承热管126的外径。

再次参考图5，在两侧，清洁盘146和148由上述构造的清洁支承盘150支承和引导。

为了从热引入体108、126上除去沉积物，在热交换器88的操作过程中(例如通过顺时针或逆时针运行的电机)使驱动单元142朝一个方向运动，由于承热管126防止清洁装置144与心轴140一起旋转，从而通过心轴140与清洁支承盘150之间的螺纹啮合使整个清洁装置144朝一个方向运动。因此，清洁盘146经由双壁部分108的内侧刷过清洁盘148和清洁承热管126。当到达限位处时，驱动单元142被切换，从而使心轴140沿相反的旋转方向旋转。于是，清洁装置144朝相反方向运动直到再次到达限位处。所述限位可以是时间限制或者可以借助于传感器进行检测。限位处基本上对应于承热管126的左右端、心轴140的螺纹的左右端以及双壁部分108的左右端。采用心轴驱动装置可以实现清洁装置的往复运动，通过该往复运动可以从热引入体108、126除去沉积物。刮除的沉积物被引入规则的基质流中，这是因为这些沉积物必定会被推入热交换器壳体的左端部110中并在每个泵送周期中与基质相混合。此外，通过使清洁装置144进行往复运动可以实现新鲜基质的连续混合，从而确保对新鲜基质的均一预加热。

可以通过很少的手动操作将左端部110和右端部112从双壁部分108上移除，从而可以容易地从内部检测热交换器88。

作为心轴140的替代方式，也可以设置电液驱动气缸或气动气缸来移动清洁装置144。

图8示出根据本发明的用于生成生物气的装置的进一步改进实施例的示意图。图8所示装置与上述装置的不同之处在于，另外设置有储气罐152。储气罐152包围生物气反应器10，从而使得只有外部容器的下部16是露出的。在该进一步改进实施例中，排出管40的出口稍稍细长，从而使该出口可以穿过储气罐152。在该进一步改进实施例中，液体贮存器66更靠下设置从而使得液体贮存器66设置在储气罐152下方。生物气反应器10中生成的生物气从生物气反应器排出，并且经由在储气罐152中延伸的排气管路64被引导至液体贮存器66。从液体贮存器66排出的生物气被供给至储气罐152。可以经由供气管路154从储气罐152提取生物气。

作为上述实施例的替代方式，图2所示用于生成生物气的装置中的热交换器88可以省略，并且可以借助于引入蒸汽来预加热新鲜基质。

本说明书、附图以及权利要求书中披露的本发明的特征对于单独地以及任意组合地实现本发明来说是重要的。

此外，申请人明确地保留将如下各项要求在本发明的范围内的权利：

一种用于生物气系统的热交换器包括热引入体108、126，所述热引入体用于借助于空间上分离的流体来加热存在于热交换器88中的物体，该热交换器的特征在于清洁装置144，当热交换器88封闭时，该清洁装置可以滑过热引入体108、126。

进一步改进的热交换器的特征在于清洁装置144，可以借助于心轴驱动装置140使该清洁装置往复运动。

进一步改进的热交换器的特征在于由双壁管道构成的热引入体108、126，供给管路包围返回管路或者返回管路包围供给管路。

附图标记列表：

10  生物气反应器

12  外部容器

14  外部容器的上部

16  外部容器的下部

18  内部贮存器

20  充填室

22  溢流缘

24  内部贮存器的下部

26  内管

28  回流管

30  第一中间室

32  第二中间室

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  滑阀

50  滑阀

52  滑阀

54  滑阀

56  收集室

58   收集室

60   隔热装置

62   加热器

64   排气管路

66   液体贮存器

68   供气管路

70   管道部分

72   立管

74   孔口

76   液体

78   排气管路的端部

80   滑阀

82   滑阀

84   收集室

86   混合单元

88   热交换器

90   温度传感器

92   新鲜基质泵

94   碾压单元

96   切割工具

98   衬套

100  轴

102  料斗

104  驱动单元

106  滑阀

108  热交换器壳体的双壁部分

110  热交换器壳体的左端部

112  热交换器壳体的右端部

114  带孔的凸缘

116  管座

118  管座

120  承热空间

122  供给管路

124  排出管路

126  承热管

128  入口

130  出口

132  支承盘

134  鳍部

136  容纳孔

138  轴承

140  心轴

142  驱动单元

144  清洁装置

146  清洁盘

148  清洁盘

150  清洁支承盘

152  储气罐

154  供气管路