實驗室用全混合厭氧反應實驗裝置結構設計

黃超 丁偉 孫京 張蕾蕾

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022)

據統計,近年來我國每年產生的畜禽糞污近40億t,農作物秸稈超過10 億t,如此大量的農業廢棄物處置不好會嚴重影響環境生態,處置得當也是一種營養含量豐富的可利用資源,畜禽糞污及秸稈的處置及資源化的利用可實現農牧業和生態環境的和諧統一,大型沼氣工程處置農業廢棄物是未來的發展趨勢。CSTR 反應器可處置含固率較高的畜禽糞污,單位容積產氣量大,因而在厭氧發酵大型沼氣工程當中得到了廣泛應用[1]。但是目前關于CSTR 反應器內部結構、攪拌、物料種類、物料濃度等因素對產氣效果的影響仍缺乏系統研究[2]。因此,研究設計本實驗裝置,可在實驗室對CSTR 反應器厭氧發酵過程各因素對產氣效果的影響進行詳細系統的研究,從而優化CSTR 沼氣工程的建設和運行。

1 厭氧發酵工藝方案

全混合厭氧發酵工藝對應的物料濃度為6%～10%,采取的是連續進料、恒溫厭氧發酵、組合式水力推進機械攪拌,自動控溫、自動攪拌連續產氣,工藝流程如圖1 所示。

2 實驗裝置構成

反應裝置主要由反應器罐體、可調速式機械攪拌器、溫控裝置、電控裝置、脫硫裝置、脫水裝置、流量計、沼氣收集浮罩等構成,其結構示意如圖2 所示。反應器設計為圓柱體結構,反應器內部采用頂入式攪拌器和側進式攪拌器結合的攪拌裝置,通過反應器底部增溫換熱水箱、反應器圓周增溫水套及溫度傳感器對反應器內部物料進行溫度控制,電控裝置由電源開關、電能表、調速器、溫控開關、時控開關等構成,脫硫、脫水裝置通過脫硫、脫水箱體內添加脫硫、脫水劑構成,流量計選用濕式防腐氣體流量計,集氣采用浮罩式集氣罐。

3 實驗裝置主要部件結構設計

3.1 反應器罐體設計

反應器罐體為容積10L 的圓柱體結構,遵循沼氣工程反應器一般容料量80%的原則,且保證裝料后厭氧發酵過程中不至于造成物料上浮堵塞出氣口,留有足夠的容氣空間高度,借鑒以往研究經驗及相關資料選定罐體高徑比為1.6[3],罐體內腔尺寸為Φ200mm×320mm。發酵罐體內、外筒均采用壁厚10mm 的透明亞克力管,發酵罐底、上蓋以及聯結法蘭均采用20mm 厚透明亞克力板,進出料口以及溢流口等也均采用透明亞克力材料,罐體透明可在實驗運行過程中更好觀察反應器內部物料情況。進料口與溢流口伸入罐體內位置在罐體中下部,厭氧發酵過程中能夠形成良好的水封作用,在料少時,不至于產生漏氣現象而影響實驗。

3.2 攪拌裝置設計

3.2.1 攪拌器安裝方式

攪拌裝置由頂入式攪拌器和側進式攪拌器構成,其結構示意如圖3 所示。根據發酵原料的特性,發酵液粘度范圍較廣、易產生沉淀和浮渣,因此本項目綜合考慮,設置頂入式攪拌器和側進式攪拌器。2 個攪拌器均可以控制攪拌方向及攪拌速度,頂入式攪拌器可以帶動物料形成向上或者向下的螺旋運動,側進式攪拌器可以保證底部不存在沉積物料,同時可與頂入式攪拌器配合,使物料形成對流運動,從而使物料混合更加均勻、徹底。

3.2.2 攪拌葉片設計

攪拌葉片根據其結構可以分為開啟渦輪式攪拌葉片、圓盤渦輪式攪拌葉片、槳式攪拌葉片、推進式攪拌葉片等,常用攪拌葉片形式如圖4 所示。本實驗裝置頂入式攪拌器攪拌葉片采用三葉開啟渦輪斜葉片,分為高中低3 層,每層有3 個葉片,與軸線方形均成45°,這種攪拌形式有利于介質在上下和中心圓柱攪拌空間內形成傳導,較大幅度提高攪拌效果。側進式攪拌器攪拌葉片采用推進式攪拌葉片,可推動介質形成軸流型流動狀態,循環速度高、剪切力小,這種攪拌方式可以促使反應器內部邊緣和反應器底部介質充分混合。此種攪拌裝置的設置可適用的粘度范圍較廣,易于安裝、制造和維修,且防沉淀和浮渣效果較好[4]。

3.2.3 攪拌器攪拌功率計算

實現物料的攪拌需要輸入動力,即為攪拌功率。由于攪拌功率受葉翅形狀、物料粘度等因素的影響,故而,在進行攪拌裝置的設計時需計算攪拌功率。根據公式(1) 可計算出攪拌功率,其中,攪拌功率和功率準數、物料密度、攪拌速度與攪拌直徑等因素有關,故而需計算功率準數。

根據設計要求,本設計所選擇的葉翅結構形狀近似于MIG 式攪拌葉翅,在計算功率準數時近似于多層平直槳葉,利用攪拌功率計算式,得:

式中,Re為雷諾數。

式中,μ為物料粘度；b為槳葉寬度；d為攪拌直徑；D為攪拌槽內徑。

本項目所設計的厭氧反應器是基于濃度為6%～10%物料的基礎上所進行的,以濃度為10%的牛糞為例,利用NDJ -5S 數顯粘度計測得物料粘度為19668MPa·s,雷諾數Re=3.436×10-4,屬于較高粘度,所設計的槳葉類型可近似為3 層平直槳葉,其攪拌介質粘度范圍通常為＜50000MPa·S。其中,本課題設計的頂入式攪拌器類型為立式攪拌,即D=180mm,根據規定,攪拌直徑與攪拌槽內徑的比值在0.5～0.98,為增加攪拌接觸面積,提高攪拌效率,故而將比值選為0.75,即攪拌直徑d=135mm,槳葉寬度30mm。經過公式(2) 的計算可得功率準數Np=7.5。

在研究攪拌對牛糞干式厭氧發酵效果的影響時發現,間歇性的低速攪拌可取得較好的產氣效果[5],并且在研究機械攪拌對豬糞與稻草聯合的厭氧干發酵性能的影響試驗中,以轉速為15r·min-1與45r·min-1為例,對比在不同轉速下產氣效果等因素的不同,發現在25r·min-1的轉速下,厭氧發酵能更好地進行[6],由于10%濃度的糞便的粘度較高,故而本課題在設計轉速條件時選取8～20r·min-1。經過公式(1) 的計算,攪拌軸功率為85W。所以選用中心軸攪拌電機功率為90W。側進式攪拌器轉速為200r·min-1。將參數帶入式(1) 求得對應攪拌葉片直徑30mm,計算可得功率準數Np=2.2。計算得出攪拌功率為23.2W,選用25W 電機。

3.3 溫控裝置設計

反應溫度是CSTR 反應器厭氧產氣過程中關鍵的工藝參數,反應溫度的控制直接影響到產氣效率,越是適宜的溫度條件,發酵反應速度越快,微生物的作用越明顯,產氣效率越高,CSTR 沼氣工程中最佳反應溫度及反應溫度的控制一直受到廣泛關注。為了模擬不同溫度對厭氧發酵的影響,本實驗設備通過對溫控裝置的設計,可實現對物料溫度的精準控制。在反應器底部設置增溫換熱水箱,采取電加熱方式,并通過溫度傳感器及溫控開關調節水箱內水的溫度。反應器圓周外部設置水套,水套通過管路與水箱連接,并通過水泵實現水箱、水套內水循環,通過溫度傳感器及溫控開關控制水套內溫度。通過反應器底部的水箱及反應器圓周的水套,可實現對反應器內部的溫度控制,從而驗證溫度對CSTR 反應器厭氧發酵產氣情況的影響。

3.4 電控裝置設計

電控箱使用白鋼材質,增溫換熱水箱內置于電控箱內,使實驗裝置整體更加整潔、美觀,電控箱按照所需電氣元件尺寸開孔,電控箱外觀工整,電氣元件分布合理,操作便捷。電控箱控制線路圖如圖5 所示。

4 反應器操作方法

4.1 反應器及電控箱結構

厭氧反應器及電控箱結構如圖6 所示。厭氧發酵實驗過程中可以根據實驗需要通過相應電控開關進行相關參數設定。

4.2 攪拌設定

攪拌設定可手動攪拌與自動攪拌切換,手動攪拌時,打開攪拌控制面板中攪拌控制開關,綠色電源指示燈亮表示攪拌電機電源接通。調節攪拌方向開關可控制順時針、逆時針攪拌或不攪拌,通過攪拌控制面板中攪拌速度旋鈕調節攪拌轉速。關閉攪拌面板中攪拌控制開關攪拌即停止。自動攪拌時,使用可編程時控器設置攪拌開啟和關閉時間,將可編程時控器連入攪拌控制電路,保持攪拌控制面板中攪拌控制開關于開啟狀態,攪拌方向和攪拌速度設定與手動攪拌時操作相同。

4.3 溫度設定

連接控制箱和反應器,從加水口往工作水箱內加水至水面高于工作水箱內溫度探頭,打開電源開關,電源指示燈亮表示電源接通。使用溫度控制面板中“+” 和“-” 調至設定溫度,打開溫控開關1 和2,溫度監測面板紅色指示燈亮表示電熱管電源接通開始加熱。當溫度監測面板上所顯示溫度達到所設定溫度時,稍等數分鐘后,即可自動恒溫控制。

5 實驗運行情況

5.1 實驗地點

吉林省農業機械研究院農業廢棄物資源化利用實驗室。

5.2 實驗原料及來源

實驗原料:牛糞、牛糞菌種。

牛糞來源于吉林省長春市陶家屯養殖戶,牛糞菌種來源于吉林省農業機械研究院實驗室厭氧反應完成不再產氣的牛糞。

5.3 實驗裝置

實驗裝置為自行設計的全混合厭氧反應裝置兩套,如圖7 所示。反應裝置各部件間使用硅膠管進行連接。

5.4 實驗設計

實驗使用牛糞總固體物濃度(TS) 為16.1%,菌種TS 為6.55%,牛糞與菌種按照7：3 比例混合,混合后TS=13.19%,取混合后物料7000mL,加入到CSTR 反應器。增溫水箱設定溫度為42℃,水套設定溫度為40℃,如此設定可保持反應器內部物料溫度為恒溫35℃。設定頂入式和側進式攪拌器同時啟停,攪拌方式為每3h 攪拌3min,頂入式攪拌器設定攪拌轉速為20r·min-1,側進式攪拌器設定攪拌速度為200r·min-1。兩套實驗裝置同時加入物料開始運行。

5.5 實驗數據

實驗開始后,每日10：00 記錄流量計讀數,記錄了28d 的產氣數據。其中,第1 套裝置累計產氣197.59L,容積產氣率為1.008L·L-1·d-1,本次實驗產氣高峰出現在第11～16 天,其中最高峰出現在第13 天、第15 天,具體數據見表1。第2 套裝置累計產氣195.18L,容積產氣率為0.996L·L-1·d-1,本次實驗產氣高峰出現在第12～19 天,其中最高峰出現在第15 天、第16 天。具體數據見表2。實驗過程中,兩套設備皆運行穩定,厭氧發酵產氣情況正常。

表1 CSTR 反應器(1) 28d 產氣記錄表

表2 CSTR 反應器(2) 28d 產氣記錄表

6 結論

按照上述CSTR 實驗裝置結構設計加工制作的2套設備,在吉林省農業機械研究院農業廢棄物資源化利用實驗室進行模擬工程上的CSTR 反應器厭氧反應運行,整套實驗裝置運行穩定,產氣正常。運行過程中操作便捷,物料溫度可控,攪拌時間、攪拌速度、攪拌間隔可控,浮罩式集氣裝置可直觀觀察產氣情況,濕式防腐氣體流量計產氣量計量精準。實驗裝置占用空間小,耗能低。本實驗裝置可為大型CSTR 沼氣工程項目運行提供多項數據支撐,適合從事厭氧發酵行業的工作者使用。