間歇式引射內循環反應器

馬翠忠 周正穎

摘 ?要：引射內循環，就是以反應器產生的氣體為動力，以引射器為泵，使工質在反應器內上下循環流動，達到攪拌工質的目的。反應產生的氣體暫存在集氣罩內，由“U”形管控制達到一定量時再排出，間歇排出的氣體帶動引射器間歇工作。該文以厭氧反應器為例進行說明，但適應所有工質為液體但反應過程中產生氣體的反應器。

關鍵詞：間歇式;引射;內循環;反應器

中圖分類號： ?TQ021 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

傳統內循環厭氧反應器結構如圖1所示，反應器中有兩級三相分離器。反應器上部為沉淀區，下部為主反應區，中部為次反應區，主要功能是利用沼氣提升管內氣水混合液與該區液體的密度差產生循環動力。

根據煙囪效應原理，為了獲得足夠大的提升力，沼氣提升管必須足夠長，這也就決定了反應器必須足夠高。

由于中部反應區厭氧活性污泥含量少，有機物質濃度低，導致該區效率極低。

1 間歇式引射內循環反應器工作過程

反應器以UASB為基礎設計，主要由罐體、三相分離器、引射器、氣水分離器、進水、出水、排渣和加熱等裝置構成。

“U”形管、引射器、氣水分離器、回流管共同構成循環系統（圖2），“U”形管控制引射器的工作與否，引射器提供循環動力。其工作不是連續的，可分為沼氣積累和引射器工作2個階段，2個過程交替進行。

1.1 第一階段：沼氣積累

集氣罩收集的沼氣不是直接進入儲氣罐，而是暫時儲存在集氣罩中，隨著沼氣的積累，集氣罩內的水位逐步下降，此時循環系統不工作。

1.2 第二階段：引射器工作

當水位低于“U”形管的最低點時，引射器開始工作。沼氣通過“U”形管進入引射管，帶動沼液向上進入氣水分離器，水氣分離后，沼氣進入儲氣裝置，沼液則回流到反應器底部，實現自動循環。

隨著引射過程的進行，集氣罩內的沼氣逐漸減少，水位逐漸上升，當水位到達“U”形管的端口時，沼液進入“U”形管，阻斷沼氣通道，該引射過程結束，如圖3所示。

2 間歇式引射內循環反應器的主要特點

間歇式引射內循環反應器有6個特點。1）與傳統IC反應器相比，只有一級三相分離器，大大降低了反應器高徑比，材料容積率高，降低了成本。2）與傳統UASB反應器相比，使用自身產生的沼氣作動力實現內循環，降低了運行費用。3）使用引射器作為循環裝置，循環量大。整個循環系統結構簡單、無運動部件、自動運行，工作可靠。4）循環系統間歇式工作。只有積累了足夠多的沼氣時，循環系統才運行，循環水量與沼氣產量成正比，不會像傳統IC因沼氣產量少而造成循環系統癱瘓。5）固體懸浮物被阻擋在集氣罩下，水解后自動下沉，同時由于集氣罩內水位周期性上下變動，不會造成浮渣結殼。6）系統單元化，單元個體小、重量輕、節約材料、適應任何形狀的反應器、制作安裝方便。

3 間歇式引射內循環厭氧反應器的結構優化設計方案

3.1 上部進水

升流式反應器均采用在反應器底部進水，布水器支管的堵塞是難免的，一旦堵塞無法疏通。該方案采用上部進水（圖4），再回流到底部，仍屬于升流式反應器。

上部進水的優點：一是便于觀察，各分支管道工作情況一目了然。二是便于維護，各分支管道一旦出現堵塞情況，極容易疏通。三是省去了止回閥，避免了因止回閥失效造成的回水。四是防凍，進水工作完成后，管道中的水全部回流到預處理池，不會出現管道凍堵現象。

3.2 半地下式

根據當地地下水位情況，反應器盡可能地向地下延伸，主要目的就是降低反應器高度。一是有利于冬季保溫，二是可以降低運行費用，三是罐體用料規格可以降低，減少制造成本。

3.3 單元化

以1 000 m3反應器為例，可以設計成如圖5所示21個單元，20套循環、進水系統，每個單元覆蓋4 m2左右反應器區域。

集氣罩截面為等腰梯形，如圖6所示。中間單元底面為正方形，四周單元底面為直角梯形，以適應圓形罐體，又方便制作。

3.4 ?“U”形管、引射器外置

“U”形管是循環裝置的核心元件，任何故障將導致循環失敗，前期的2個工程如圖2所示在集氣罩內部，一旦出現故障無法維修。分析原理后發現放在集氣罩外部效果一樣，如圖6所示，這也是失敗教訓的總結。這一改進給安裝和維護帶來了極大方便，同時也大大降低了故障率。

外置后“U”形管與引射管不需要密封，連接牢固即可，而在集氣罩內部則連接處絕對不能漏氣。

引射器外置后，氣水分離器可以下移到集氣罩頂部以下，相應的集氣罩可以上移，增大反應器的有效容積。

3.5 水封式氣水分離器

傳統IC配備的氣水分離器為全封閉式，第一個工程實例也采用全封閉式，其最大弊端是回流管堵塞后無法維護。現改為水封式，回流管設在分離器外部，便于維護，如圖2所示，同時回流管與進料管共用。一管兩用后，如果循環與進料同時進行，則流量不能滿足要求，必須加溢流管，如圖6所示。但必須將循環水與進料在上部隔離，只有循環水走溢流管。對于以動物糞便為原料的沼氣池，由于污水中含有各種雜物，成分極度復雜，進料管的堵塞是難免的，一旦堵塞，原料會溢出到反應器上部，基于此溢流管出口應在集氣罩下部，將原料引入集氣罩以下。

4 對原有UASB反應器的升級改造

如圖7所示，集氣罩出氣口通過“U”形管與引射器連接，氣水分離器出水口與反應器進水管連接即可實現間歇式自動循環。集氣罩應加固，防止上浮。

在系統正常運行的情況下即可實現改造升級，成本以百元計。

5 儲氣罐的優化設計

采用塔節式濕式儲氣罐。

5.1 蓄水池全地下

冬季蓄水池內只有很薄的一層冰，不影響正常使用，不需要對池水加熱。當水封槽離開水面后，只需要用行程開關控制電熱線加熱塔節水封槽內的水即可。

5.2 塔節式儲氣罐

儲氣罐由2-3節組成，儲氣罐上升到蓄水池水面以上時，由水封槽內的水和下一節罐體形成水封，并帶動下一節罐體上升。該方案可以降低蓄水池高度（3 m即可），降低成本，同時也使蓄水池全地下有了可能。

儲氣罐分節后，高徑比不足0.5，特別是中心塔節，重心在上部，底部又無法支撐，極易傾斜。為此中心塔節底部應有足夠的配重，利用不倒翁原理，防止塔身傾斜。同時由于罐體較輕，也必須加配重。配重材料應選用鋼材，不能用混凝土，因為其密度較低，除去水的浮力后只有自重的一半多一點。

5.3 凝結水排出

全地下蓄水池導致沼氣管道位置更低，為排出管道中的凝結水，必須設計專門的凝結水收集儲存裝置，如圖8所示，然后用手動壓水泵排出。圖中底部的橫管用于儲存凝結水，左側有2根管，一根用于排水，另一根用于檢查儲水管內的存水量。實際凝結水很少，但該裝置必須有。

6 在兩步發酵沼氣池上的應用

最初，間歇式引射循環是專門為戶用沼氣池設計的，主要解決秸稈原料的出料難問題。如圖9所示，集氣罩將沼氣池分為上下2個部分，糞便原料進入發酵間，秸稈原料進入酸化間，利用引射器將酸化液送入發酵間，秸稈殘渣出料方便，發酵間幾乎不用出料。

這一設計由于需要單獨的儲氣裝置，成本較高，未能大面積應用。但可以用于農村社區生活垃圾的集中處理，如圖10所示，由多個長方形磚混結構沼氣池并聯組成。

污水管連接進料間進入下部的發酵間，生活垃圾進入上部的酸化池。當一個酸化池需要清理時，可以將水抽干，固體殘渣原地干化。該方案對沼氣池的氣密性要求大大降低，一般建筑工人即可勝任。

參考文獻

[1]馬翠忠.脈沖引射內循環厭氧反應器[P].中國專利：ZL 2010 1 0581566.X，2013-03-06.

[2]中國機械工業聯合會.上流式厭氧反應器：JB/T 10669—2016[S].北京： 機械工業出版社，2017：4.

[3]全國沼氣標準化技術委員會.沼氣工程儲氣裝置技術條件：NY/T2598—2014[S].北京： 中國農業出版社，2014：6.