IC厭氧反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)裝置

1、IC厭氧反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)裝置龔鋼明,邵希豪,蔡寶國(guó)(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院生物與食品工程系,上海200433摘要:通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)IC厭氧反應(yīng)器中內(nèi)循環(huán)裝置進(jìn)行了研究,并對(duì)其工作原理及影響內(nèi)循環(huán)的一些因素進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:IC厭氧反應(yīng)器;內(nèi)循環(huán)裝置;厭氧消化中圖分類號(hào):X703;S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-1166(200201-0023-03Study0n I nternal Circulation Device of I nternal Circulation Anaerobic Reactor G ONG G ang-ming,S HAO Xi-hao, CAI Bao-gu

2、o(Dept.of Biotechnology,Shanghai Institute of Technology,Shanghai200433,ChinaAbs tract:The Internal Circul ation Device of Internal Circul ation(ICAnaerobic Reactor was studied by imitative experim-ents.The working principle and factors that influence internal circulation were described in detail.K

3、eywords:IC anaerobic reactor;internal circulati on device利用厭氧反應(yīng)器本身所產(chǎn)生的沼氣驅(qū)動(dòng)發(fā)酵液在反應(yīng)器內(nèi)不斷地循環(huán),以達(dá)到強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程的目的,是IC厭氧反應(yīng)器最基本的特點(diǎn)。而發(fā)酵液的循環(huán)是靠反應(yīng)器中一特殊結(jié)構(gòu)內(nèi)循環(huán)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該裝置設(shè)計(jì)是否合理,對(duì)IC反應(yīng)器的性能有著重要的影響,筆者采用模擬方法,對(duì)內(nèi)循環(huán)裝置進(jìn)行了研究,并對(duì)其工作原理和影響內(nèi)循環(huán)的一些因素進(jìn)行了探討。1內(nèi)循環(huán)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理實(shí)驗(yàn)用IC反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制作。內(nèi)循環(huán)裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)示意圖,它主要由沼氣提升管、回流管、集氣罩和氣液分離器4個(gè)部分構(gòu)成。在模擬實(shí)驗(yàn)中,以空氣代

4、替沼氣。用可調(diào)式微型氣泵將空氣送入IC反應(yīng)器內(nèi)。氣體量用貯氣浮罩進(jìn)行計(jì)量,液體的循環(huán)量用量筒計(jì)量。在實(shí)驗(yàn)中采用了數(shù)個(gè)高度(50 120cm不同的反應(yīng)器和數(shù)個(gè)直徑(220mm不同的提升管。為了說(shuō)明內(nèi)循環(huán)裝置的工作原理,可將提升管與回流管看成是一個(gè)連通器。當(dāng)氣體進(jìn)入提升管后,管內(nèi)氣、水混合液的比重小于回流管內(nèi)水的比重,比重小的液體的液位高,在高度為h1的回流管內(nèi)水柱的壓力下,提升管內(nèi)的液面會(huì)上升至h2的高度,其等式如下:D w h1=D m(h1+h2(1式中D w水(發(fā)酵液的容重(kgm-3 1.氣體出口;2.氣液分離器;3.溢流口;4.滯留液位5.發(fā)酵液液面;6.提升管;7.回流管;8.氣咀;

5、9.集氣罩;10.沼氣導(dǎo)向板收稿日期:2001-04-29修回日期:2001-08-15作者簡(jiǎn)介:龔鋼明(1957-男,江西南昌人,碩士,主要從事生物技術(shù)的教學(xué)與研究工作。23中國(guó)沼氣China Biogas2002,20(1D m提升管內(nèi)氣、水(沼氣與發(fā)酵液混合液的容重(kgm-3h1提升管在水(發(fā)酵液內(nèi)的浸沒(méi)深度(mh2水(發(fā)酵液的提升高度(m當(dāng)沼氣進(jìn)入提升管后,管內(nèi)發(fā)酵液的容重變小,從理論上講,只要出現(xiàn)D m(h1+h2小于D wh1這一條件,混入沼氣后的發(fā)酵液就能上升至h2的高度,并從提升管的上端(溢流口溢出。溢出的發(fā)酵液在氣液分離器內(nèi)分離出沼氣后,在高水位勢(shì)能(重力的作用下進(jìn)入回流管

6、,從而形成內(nèi)循環(huán)。只要沼氣不斷地進(jìn)入提升管,發(fā)酵液就能不停地循環(huán)。需要指出的是,實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得數(shù)據(jù)與公式(1計(jì)算的結(jié)果并不相符,無(wú)疑地,這與水在管內(nèi)提升時(shí)遇到的阻力有關(guān)。2沼氣產(chǎn)量與產(chǎn)生連續(xù)循環(huán)的臨界值在實(shí)驗(yàn)中觀察到,發(fā)酵液連續(xù)循環(huán)的出現(xiàn)與沼氣量密切相關(guān),而且,沼氣氣量太低或太高,內(nèi)循環(huán)的連續(xù)性都會(huì)受到影響。氣量較低時(shí),氣體會(huì)以小氣泡的形式從提升管內(nèi)的水中逸出,不能形成內(nèi)循環(huán)。隨著氣量的增加,開(kāi)始出現(xiàn)間斷性循環(huán)。只有當(dāng)氣量增加到一定程度時(shí),才會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性循環(huán)。開(kāi)始出現(xiàn)連續(xù)循環(huán)時(shí)的沼氣產(chǎn)量,為連續(xù)循環(huán)的“最小沼氣臨界值(Y min”。隨著氣量的繼續(xù)增加,循環(huán)量也相應(yīng)地增加。但是,當(dāng)氣量大到某一數(shù)值

7、時(shí),循環(huán)再一次發(fā)生間斷,氣體會(huì)陣發(fā)性地從提升管中沖出,所帶出的水量很少,循環(huán)量顯著下降,影響到連續(xù)循環(huán)的正常進(jìn)行。連續(xù)循環(huán)遭到破壞時(shí)的沼氣產(chǎn)量,為連續(xù)循環(huán)的“最大沼氣臨界值(Y max”。由此可見(jiàn),一方面必須要有足夠的沼氣產(chǎn)量才能形成連續(xù)的循環(huán),另一方面,又必須將沼氣的最高產(chǎn)量控制在一定的范圍內(nèi),才不至于使連續(xù)循環(huán)遭到破壞。沼氣產(chǎn)量的變化,實(shí)際上所帶來(lái)的是提升管內(nèi)發(fā)酵液容重的變化。隨著沼氣產(chǎn)量的增加,進(jìn)入提升管內(nèi)的沼氣逐漸增多,導(dǎo)致提升管內(nèi)發(fā)酵液容重逐漸變小。只有當(dāng)管內(nèi)發(fā)酵液容重下降到最大臨界值D m(max時(shí),才會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的循環(huán)。當(dāng)沼氣產(chǎn)量繼續(xù)增加,管內(nèi)發(fā)酵液容重繼續(xù)下降,直至降到最小臨界值

8、D m(min時(shí),因氣量過(guò)大,使升水發(fā)生斷裂,導(dǎo)致循環(huán)量下降。因此,連續(xù)的內(nèi)循環(huán)是在D m(maxD m(min兩個(gè)臨界值的范圍內(nèi)進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),Y min和Y max,或者D m (max和D m(min兩個(gè)臨界值會(huì)隨提升管的直徑、浸沒(méi)深度和提升高度的不同而有所改變。3提升管的提升高度在這里所定義的“提升高度”是指:提升管上端溢流口至IC反應(yīng)器發(fā)酵液液面的距離,即提升管與回流管之間的液位差(h2。根據(jù)(1式可以推導(dǎo)出:h2=(D w D m-1h1(2從(2式可以了解到,提升高度(h2與提升管內(nèi)發(fā)酵液的容重(D m和提升管的浸沒(méi)深度(h1有關(guān)。D m越小(進(jìn)入提升管內(nèi)的沼氣量越多,或者提

9、升管的浸沒(méi)深度(h1越大,提升高度(h2也越大。但在設(shè)計(jì)中,不能根據(jù)(2式確定提升管的提升高度,這是因?yàn)樵趦?nèi)循環(huán)裝置的設(shè)計(jì)中希望得到最大的循環(huán)量,而不是為了要將發(fā)酵液提升得很高。如果將提升管溢流口至發(fā)酵液液面的距離(h2拉得很大,會(huì)增加發(fā)酵液在提升管內(nèi)上升時(shí)的沿程阻力,從而會(huì)減少循環(huán)量。而適當(dāng)?shù)亟档吞嵘叨?h2卻可以增加發(fā)酵液的循環(huán)量。筆者認(rèn)為,只要能保證提升液在氣液分離器內(nèi)的“滯流液位”不會(huì)淹沒(méi)提升管的溢流口,這一提升高度就是適宜的。如果“滯流液位”超過(guò)溢流口,也會(huì)增加提升的阻力,減少循環(huán)量。4提升管的浸沒(méi)深度提升管下端沼氣入口處(氣咀至I C反24中國(guó)沼氣China Biogas2002

10、,20(1應(yīng)器發(fā)酵液液面的距離稱為提升管的“浸沒(méi)深度(h1”。實(shí)驗(yàn)觀察到,在氣量相同的情況下,隨著提升管浸沒(méi)深度的增加,發(fā)酵液的循環(huán)量增加。如果采用“氣提比”這樣一個(gè)參數(shù),即每1m3沼氣可提升的發(fā)酵液數(shù)量,單位為m3(發(fā)酵液m-3(沼氣,那么,隨著提升管浸沒(méi)深度的增加,氣提比增加。也就是說(shuō),隨著提升管浸沒(méi)深度的增加,同樣多的沼氣能提升更多的發(fā)酵液。5提升管的管徑如何確定提升管的管徑是內(nèi)循環(huán)裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)中觀察到,無(wú)論氣量是多、是少,只要提升管的管徑合適,便會(huì)有內(nèi)循環(huán)的產(chǎn)生。這表明,根據(jù)沼氣產(chǎn)量選用直徑合適的提升管是十分必要的,它的作用在于調(diào)整提升管內(nèi)氣、液混合的比例,使混合液

11、的容重保持在D m(max和D m(min兩個(gè)臨界值的范圍之內(nèi),使循環(huán)得以連續(xù)的進(jìn)行。而要正確地選擇提升管的直徑,首先要了解I C反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量。反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量可通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得,也可根據(jù)已有的資料進(jìn)行計(jì)算,然后根據(jù)“沼氣產(chǎn)量”和“氣提比”計(jì)算出提升液的“流量”(m3s-1,再根據(jù)“流量”和“上升流速”(ms-1計(jì)算出提升管的管徑。由于沼氣產(chǎn)量、提升管的浸沒(méi)深度和提升高度都會(huì)對(duì)循環(huán)液的流量、流速產(chǎn)生影響,因此,提升管的直徑應(yīng)當(dāng)在一定的沼氣產(chǎn)量、一定的浸沒(méi)深度和一定的提升高度這樣具體的條件下,根據(jù)循環(huán)液的流量和流速來(lái)加以確定。6回流管回流管的直徑不應(yīng)小于提升管的直徑,以保證回流的暢通?；亓鞴苤睆?/p>

12、過(guò)小,會(huì)提高氣液分離器中的滯留液位,滯留液位淹沒(méi)提升管的溢流口時(shí),會(huì)給提升造成一定的阻力。7提升管的氣咀沼氣從集氣罩進(jìn)入提升管的入口處稱為“氣咀”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到:1.氣咀不宜設(shè)在提升管的最下端;2.氣咀最好是由多個(gè)小孔眼所組成?？傊?氣咀的設(shè)計(jì)是否合理,同樣會(huì)給內(nèi)循環(huán)造成一定的影響。參考文獻(xiàn):1邵希豪,喻俊,等.內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC探討J.中國(guó)沼氣,2001,19(1:27-28.2吳允,等.啤酒生產(chǎn)廢水處理新技術(shù)內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器J.環(huán)境保護(hù),1997,9(4:18-19.未來(lái)德國(guó)風(fēng)力發(fā)電量將超過(guò)水力發(fā)電量在德國(guó)明斯特召開(kāi)的可再生能源國(guó)際經(jīng)濟(jì)論壇最近預(yù)測(cè),到2003年,德國(guó)風(fēng)力發(fā)電量將會(huì)超過(guò)水力發(fā)電量。德國(guó)目前的水力發(fā)電量為200億千瓦時(shí),已幾乎沒(méi)有再增長(zhǎng)的可能。德國(guó)去年的風(fēng)力發(fā)電量?jī)H為91億千瓦時(shí),但發(fā)展速度很快,而且發(fā)展?jié)摿薮?。?003年,德國(guó)所擁有的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備年度發(fā)電量預(yù)計(jì)將突破200億千瓦時(shí)大關(guān),超過(guò)水力發(fā)電量。英發(fā)展政策將