一體化秸稈沼氣發酵反應器設計

張　博，劉慶玉，薛志平，李金洋

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽　110866)

?

一體化秸稈沼氣發酵反應器設計

張博，劉慶玉，薛志平，李金洋

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽110866)

摘要：針對秸稈沼氣發酵過程中存在的秸稈親水性差、易結殼及進出料難等問題，設計了秸稈沼氣發酵反應器。反應器采用兩相分離發酵一體化結構，通過沼液循環回流，使秸稈始終處在高水分區域環境，營造良好的厭氧微生物的生存環境，同時在固液兩相分離和沼液回流過程中使秸稈在反應器內形成上下流動的狀態，從而達到自動攪拌和秸稈破殼功能。另外，在進料口處設置預處理罐,對進料口進行水封，并對物料進行預處理。該反應器結構簡單、運行穩定、操作方便、節省動力，實現了預處理、自動破殼及兩相一體化秸稈高效發酵沼氣的功能，對促進秸稈綜合利用、帶動秸稈沼氣工程的推廣具有重要意義。

關鍵詞：沼氣；秸稈；厭氧消化；預處理；兩相一體化；自動破殼

0引言

近年來，生物質能是受到全世界普遍關注的綠色清潔能源，其中將秸稈用于產沼氣已成為秸稈處置與能源化的一個重要技術途徑[1-2]。羅濤、陳闖[3]等人研究表明：沼氣工程采用批式非連續運行發酵處理會使產氣分布不均衡，厭氧消化效率低，投入產出比差。邱凌、劉得江、李志華[4]等人研究認為：靜態沼氣發酵裝置原料入池后，隨著時間的推移，發酵間內存在嚴重的結殼、沉淀及分層現象，導致發酵間有效容積減小，不破殼和大換料就無法繼續使用。由于沒有破殼和清渣裝置，形成的結殼和發酵沉淀物只能從頂部的天窗口取出，勞動強度大，安全保障差，容易發生事故，致使大量的沼氣池無法使用。傳統秸稈單相厭氧發酵技術存在著秸稈降解率低、進出料困難等問題，阻礙了秸稈能源化利用的推廣與發展[5]。關正軍、李文哲[6]研究認為：在大中型沼氣工程中，與單相沼氣發酵相比,兩相厭氧發酵具有有機負荷大、發酵穩定性高、水力停留時間短及產氣效率高的特點。

本設計基于前人對大中型沼氣工程大量研究中存在的問題，設計了具有連續進出料運行能力，實現秸稈預處理、自動破殼及兩相一體化厭氧發酵沼氣反應器。經多次試驗表明：該裝置能夠理想地實現各項功能，發揮兩相發酵的優勢。一體化秸稈沼氣發酵反應器具有結構簡單、運行穩定、操作方便，節省動力等特點，對促進秸稈綜合利用、帶動秸稈沼氣工程的推廣具有重要意義。

1設計目標和工作原理

1.1設計目標

本設計主要針對秸稈沼氣發酵過程存在的秸稈親水性差、易結殼及進出料難等問題，通過采用兩相分離發酵一體化結構，實現連續進出料、預處理、自動破殼和高效發酵沼氣的運行功能；同時，應具有結構簡單、操作方便及節省運行動力等特點。

1.2工作原理

反應器的工作原理如圖1所示。反應器主要由自動進料系統、預處理區、固相發酵區和液相發酵區構成。秸稈經粉碎后由傳送帶輸送至進料斗后進入螺旋進料器，加入到預處理區；通過增加新料將預處理好的物料溢流到固相發酵區反應，液體從固相底部通過沼液流通管流入液相發酵區，進而實現兩相分離。沼渣從底部排污閥直接排出，液相發酵區的液體利用沼液循環泵提供動力，通過管路循環利用，注入到頂部固相發酵區，沼液對發酵原料產生沖擊攪拌作用，實現了液力攪拌功能。預處理池與發酵罐壁之間通過相對錯位焊接的破殼切割臂聯接，利用液位升降對發酵秸稈產生的剪切力進行切割，實現自動破殼的同時也增加了固相底板的強度。

在固相發酵區和液相發酵區設置球形固相底板隔開，實現固液兩相的強制分離；在反應器主體右側設置沼氣導氣管、外部設置沼液回流管，用以實現沼氣的流通和完成沼液循環。發酵產生的沼氣通過出氣閥儲存至反應器外的雙層儲氣柔膜氣柜以備使用。

1.出料池　2.固體出料閥　3.液相閥

2系統結構設計

2.1進料系統

目前，給料機主要有帶式給料機、刮板給料機、鏈式給料機、螺旋給料機及往復給料機等類型。其中，螺旋給料機是目前應用比較廣泛，主要用于輸送粉末狀、顆粒狀和小塊狀物料的機型。本設計所用的秸稈原料碎片本身結構疏松、密度小，適用于螺旋進料器。采用螺旋進料裝置可使輸送效率提高，物料進給穩定均勻，密封性好。在進料階段，通過輸送帶將粉碎好的秸稈向上輸送至進料斗，進料斗下端連接螺旋進料器，螺旋進料器輸送末端連接預處理池底部邊緣。為方便進料，螺旋進料器底端與預處理池連接部分設計成向下擴張的錐形后再連接到預處理區域，實現將原料擠壓推進至預處理區，優于普通的螺旋進料器。

2.2預處理單元

秸稈作為纖維素類原料，因其分子結構復雜，加之物理結構在發酵過程中不易被微生物分解利用，通常需要進行預處理。常見的處理方法有粉碎研磨處理、整齊爆裂熱處理、酸處理、堿處理及微生物處理。生產實踐中采用一種方法或幾種方法結合使用，提高降解率，以便后續發酵過程利用。然而，對于秸稈沼氣本身屬于收益率較低的項目，如采用工藝復雜、成本較高的預處理方法，會失去其推廣應用價值[7-8]。

本設計是將粉碎后的新料通過進料裝置輸送到發酵罐內預處理罐，預處理罐上部噴淋沼液，使罐內保持一定的水位，可以對進料口起到水封的作用；秸稈隨著螺旋進料器不斷進入到預處理罐中，使得罐內的秸稈不斷上升，積累之后從頂部排出到固相發酵區。發酵原料在預處理罐中停留大約72h，可以有效地改善原料的親水性，達到預處理的作用，提高分解利用效率。

2.3兩相發酵區

為優化沼氣發酵，根據兩相厭氧發酵高穩定性、高水力負荷、高產氣率和水力滯留期短設計了固液兩相一體化沼氣發酵裝置。固相沼氣發酵區是裝置的上部分，液相沼氣發酵區是裝置下部分，兩相由球形固相底板相隔。球形底板有利于排出沼渣，底板上有通氣管把液相沼氣發酵區生成的氣體送到發酵罐上方。發酵罐頂部內設置有沼氣排氣閥，實現沼氣輸送儲存。發酵裝置管壁外側設置有固液兩相分離的排液閥，實現發酵液體從固相發酵區到液相發酵區的自然流動。

液相沼氣發酵區是產甲烷的主要區域，容積為固相沼氣發酵區的一定比例。發酵罐底部設置出液口，實現沼液的排出和循環功能。沼液循環管路實現沼液循環利用和液體排放與供給。

2.4對原料的破殼與切割

在發酵過程中，由于秸稈原料的物理特性導致其上浮結殼，產氣無法排出，同時原料利用率低下。鑒于此，在固相沼氣發酵區內設置有雙層破殼切割臂，破殼切割臂由“十”字形螺旋刀片構成，錯位固定在發酵罐壁上，當液面升降時可實現自動攪拌和自動破殼。循環沼液經過循環泵輸送進入固相發酵區后自上而下呈一定角度分流噴入，對發酵原料產生沖擊和推動進而實現液力攪拌功能。通過固相沼氣發酵區的液體供給與排出產生明顯液面升降，在升降過程中十字形螺旋刀片完成對發酵原料的切割。

2.5分層排污和出料

因該一體化裝置內部有預處理、固相發酵和液相發酵3個部分，需設置3個排污和出料口，且排污出料管均設計與水平呈現一定角度通過壓差自動排污出料。

考慮到在反應器運行過程中由于原料進入可能會帶入土和沙石，所以在預處理底部設置了排污口，并通過閥門控制，便于定期排污使用；考慮固相滯留期的影響導致秸稈發酵不完全，在固相底部設置了排渣口和閥門，用于定期排渣使用；考慮到沼液循環過程中氨氮含量會逐漸積累升高，影響產氣量，需要設置液相排污口，用于定期排放沼液。

3設計參數確定

以沈陽農業大學能源基地50 m3秸稈沼氣工程為例，進行說明。

3.1進料系統

經過機械粉碎后粒徑為3～5cm的秸稈經傳送帶輸送至料斗。傳送帶選用化工行業普通爬坡傳送帶，型號為B500，輸送速度0.8m/s。螺旋進料器選用TL-20傾斜型，最大提升高度6m，輸送量6m3/h,功率5.5kW。其中，為方便進料，螺桿進料器底部300mm為光桿漸縮無螺旋片結構；螺桿進料器與預處理池連接錐形部分設計錐角為60°；進料斗設計為固定容積0.25m3，主要目的是可以充當進料量的量器。

3.2預處理單元

新原料由進料系統不斷輸送，預處理之后的原料被新料排擠溢出預處理單元。預處理單元的大小與每天進料量和預處理時間有關。預處理單元體積為

V1=G×t

式中V1—預處理單元體積(m3)；

G—每日進料量(m3)；

t—預處理時間(d)。

本設計水力滯留期(HRT)為50d，每天進料1m3，取預處理時間為3d，計算得預處理池容積為3m3。預處理池直徑設計為2m，計算得預處理池高度為0.64m。預處理區材料選用Q235鋼。

3.3兩相發酵區

由預處理區進入液相發酵區的原料與接種物反應，通過循環沼液調節液相發酵區液位高度。消化器的容積與每日進料量、儲氣容積、兩相發酵區體積比和沼液循環量有關[9]，則

V3=V0+V1+V2

V4=V3×10%

V=V3+V4

式中V3—液相發酵區有效容積(m3)；

V0—設計容積(m3)；

V1—預處理單元體積(m3)；

V2—循環沼液體積(m3)；

V4—儲氣容積(m3)。

本設計中，材料選用Q235鋼，每日進料量為1m3，預處理單元體積為3m3，循環沼液體積為1m3，同時按照液相發酵區設計容積為20m3，計算得儲氣容積為2.4m3。考慮到秸稈兩相發酵中液相體積近似為固相體積的2倍，則固相區高度為1.1m，液相區高度為2.5m，發酵罐總高為5.2m，徑高比為0.68，固相區有效容積為16.34m3，液相區有效容積為24.04m3。

與此同時，為方便排渣，在固相發酵區與液相發酵區之間的球形隔板錐角為120°，在固相區預處理池底部設有排泥沙管，其與水平面呈向下45°角傾斜。

3.4對原料的破殼與切割

固相沼氣發酵區內設置有雙層破殼切割臂，層與層上下之間間隔距離為500 mm，每層的破殼切割臂為“十”字形螺旋刀片構成，材料選擇Q235鋼板經加工而成；兩層錯位45°固定在發酵罐壁上；循環管路進入固相發酵區后呈左右對置180°角度，自上而下呈斜向下45°角分流噴入，實現最大切向速度，產生攪拌動力實現液力攪拌功能。“十”字形螺旋刀片結構如圖2所示。

運行過程中，通過視鏡觀測發現：當液相發酵區液位高于液位上限時，開啟循環泵閥門；低于液位下限時，關閉閥門。循環沼液經過流通管路輸送進入固相發酵區反應后，通過沼液循環管路自上而下呈一定角度分流噴入。通過固相沼氣發酵區的液體供給與排出產生明顯液面升降，在升降過程中十字形螺旋刀片完成對發酵原料的切割。隨著連續進出料和沼液循環，液相發酵區液位升降實現反應器的自動攪拌、破殼和連續發酵功能。

圖2　螺旋刀片結構示意圖

3.5排污和出料

考慮到運行過程中由原料進入可能會帶入土和沙石，所以在預處理底部設置了排污口，位于反應器底部中心，利于完全排出廢污；同時，通過化學防腐專用電磁閥門ZSH-ABS控制，便于定期排污使用，排污管道選用DN40型號做防腐處理的鋼管；在固相底部設置的排渣口同樣選用DN40型號做防腐處理的鋼管，位于固相區中心偏左，排污閥門選用化工級不銹鋼電動排污閥PZ-73，口徑對應為DN40；沼液循環管道選用DN40型號做防腐處理的鋼管，鋼管設計在液相區距離底部20mm，用于定期實現沼液從液相發酵區到固相發酵區流通；沼液循環管路選用DN40型號做防腐處理的鋼管，同時在循環管路設置沼液排污口，并通過化學防腐專用電磁閥門ZSH-ABS控制；沼氣存儲設備采用GXL-ZQ 25m3雙層儲氣柔膜氣柜。

4結論

1)設計了內置0.6m3預處理池，促使發酵原料在厭氧發酵過程中被充分利用，提高產氣率；設計的裝置可完成液體無動力流通，完整的密封措施設計保證兩相厭氧過程穩定運行。

2)沼液循環利用可以實現液力攪拌功能，又能夠使微生物充分與發酵原料接觸。在此過程中，通過液位的升降和十字形設置的螺旋刀片實現了自動破殼；沼液循環利用時，沼液呈左右對置180°角度循環噴入，傳遞給發酵原料切向速度，從而實現對原料的攪拌，節省攪拌動力。

3)設計了50m3兩相一體化秸稈沼氣發酵罐，具有完善的進出料裝置，經驗證可以理想地達到連續進出料的目的。

4)發酵過程中沼液循環利用可以實現液力攪拌功能，又能夠使微生物充分與發酵原料接觸，在此過程中通過液位的升降和十字形設置的螺旋刀片實現了自動破殼。

5)兩相一體化秸稈沼氣反應器，具有完善的進出料裝置，可實現連續進出料。固液兩相發酵可以提高處理效率，增強系統運行穩定性和抗沖擊負荷能力；同時，提高傳質效率和甲烷產氣率并降低排污負荷。

參考文獻：

[1]王亞靜,畢于運,高春雨. 中國秸稈資源可收集利用量及其適宜性評價[J].中國農業科學,2010(9):1852-1859.

[2]畢于運. 秸稈資源評價與利用研究[D].北京:中國農業科學院,2010.

[3]羅濤,陳闖,梅自力,等.自流排砂沼氣池設計與試驗[J].農業機械學報,2012,43(12):114-117.

[4]邱凌,劉得江,李志華，等.中國沼氣產業化發展關鍵技術研究—動態發酵裝置與發酵工藝[C]//中國沼氣學會第七次全國代表大會暨沼氣產業化發展研討會論文集.杭州：中國沼氣學會，2005:173-176.

[5]孫勇,李文哲,張鴻瓊,等.高寒地區兩相厭氧戶用沼氣系統設計與試驗[J].農業工程學報,2012,28(9):196-201.

[6]關正軍,李文哲,鄭國香，等.牛糞固液分離液兩相厭氧發酵技術[J].農業工程學報,2011,27(7):300-305.

[7]魏勃,劉文輝,袁林江，等.產氫產甲烷兩相厭氧發酵的研究進展[J].工業水處理,2014(8):10-13.

[8]卞永存,寇巍,李世密，等.農作物秸稈兩相厭氧發酵工藝研究進展[J].可再生能源,2009,27(5):61-65.

[9]趙立欣.大中型沼氣工程技術[M].北京：化學工業出版社，2008:73-78.

[10]齊岳.沼氣工程系統設計與施工運行[M]. 北京：人民郵電出版社，2011:59-62.

[11]李軼,劉雨秋,谷士艷，等.玉米秸稈纖維降解的預處理工藝條件篩選[J].沈陽農業大學學報,2013,44(1):99-103.

[12]劉榮厚.生物質能工程[M].北京：化學工業出版社，2009:67-70.

[13]季軍遠.分段組合式厭氧生物反應器工作性能的研究[D].杭州：浙江大學,2013.

[14]孫向文.一體化兩相厭氧反應器玉米秸稈產氣研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2012.

[15]高新星,趙立欣,董保成，等.分離式兩相厭氧發酵滲濾液回流對發酵過程影響[J].農業工程學報,2011,27(10):266-269.

[16]林聰.沼氣技術理論與工程[M].北京：化學工業出版社，2008:114-116.

[17]張全國.沼氣技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2008:74-75.

The Design of Straw Biogas Fermentation Integral Reactor

Zhang Bo, Liu Qingyu, Xue Zhiping, Li Jinyang

(Engineering college of Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866, China)

Abstract：This design examined poor hydrophilicity of straw, easy crusting, hard to charge and discharge during biogas fermentation process of straw. Two-phase separated fermentation integrated device was taken, straw was allowed always in high moisture environment, a good living environment for anaerobic microbe was built with the help of biogas slurry recirculation flow. In order to seal on the feeding port, A pretreatment tank was designed in the feeding terminal. At the same time, the materials were pretreated. This design had the feature of easing structure, running stabilization, easing operation. Pretreatment, auto crust-breaking, two-phase integrated device, high -effective fermentation of straw were achieved. It had played an important role in boosting straw comprehensive utilization and driving straw biogas project extension.

Key words：biogas; straw; anaerobic digestion; pretreatment; fermentation; crust auto-breaking

文章編號：1003-188X(2016)02-0244-05

中圖分類號：S216.4

文獻標識碼：A

作者簡介：張博(1992-)，男，河南鎮平人，碩士研究生，(E-mail)syauzhan@163.com。通訊作者：李金洋(1976-)，男，河北吳橋人，講師，碩士，(E-mail)syenergy@126.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B07)

收稿日期：2015-01-20