多級(jí)氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器的研制及其效益分析

多級(jí)氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器的研制及其效益分析劉健峰;張無(wú)敵;尹芳;王昌梅;趙興玲;柳靜;楊紅瀏士清【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器存在攪拌不均勻、微生物與有機(jī)物接觸不充分、頂層易結(jié)殼、能源轉(zhuǎn)化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費(fèi)用高等問(wèn)題，研制了一種多級(jí)氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器，其包括連續(xù)攪拌全混合厭氧反應(yīng)器主體、文丘里管、多級(jí)外循環(huán)管路.利用文丘里管實(shí)現(xiàn)了氣液聯(lián)合攪拌的效果，用泵把發(fā)酵液吸出，再通過(guò)文丘里管將其射入，沼氣在射入位置的上部形成攪拌作用，可以防止發(fā)酵液上層結(jié)殼，液體通過(guò)流出和射入的液位差形成攪拌作用，而且可以根據(jù)發(fā)酵過(guò)程的不同情況，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行不同形式、不同程度的攪拌.與傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器進(jìn)行比較，新型CSTR反應(yīng)器在造價(jià)上要比傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器貴0.450萬(wàn)元，但是在年運(yùn)行費(fèi)用上要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器節(jié)省0.631萬(wàn)元，所以新型CSTR反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)效益更高.％FocuseontheproblemsoftraditionalCSTRreactorsuchasinunevenmixing,anicmatterisnotsufficient,thetopcrustiseasy,lowenergyconversionefficiency,astirringdevicechangefrequentlyandthehighermaintenancecosts.Wedevelopedamulti-stagegas-liquidjointstirredstyleCSTRanaerobicdigester.ThenewCSTRreactoriscomposedofmixingcontinuousstirredanaerobicreactormainbody,Venturitube,multi-stageoutsidecirclepipeline.Theventuritubeplaysanimportantroletoachieveajointgas-liquidstirringeffect,usingapumptosuckoutthebio-slurry,andthentoshotthroughtheventuritube,withtheresultofgasplusesintheupperposition,itwillhavefunctionofstirringsothatitcanpreventtheupperbio-slurryfromformingshell.Asaresultofthattheliquidflowingpowerofthedifferentlevelsbetweentheentranceandtheshootinglevel,anagitationisgenerated.Furthermore,ourdigestercanprovidemanykindsofagitationsaccordingtodifferentsituationsandfermentationprocess,tofitdifferentfermentationrawmaterialsindifferentformsanddegrees.ItiscomparedwiththeconventionalCSTRreactors,itshowedthattheformercostsismorethanthelatter,withabout4500RMB,butthenewCSTRreactorcansave6310RMBinoperatingcoststhantheoldonesperyear,sotheeconomicalbenefitsofnewCSTRreactorisbetter.【期刊名稱】《湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)》【年(卷)，期】2017(056)001【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P153-156)【關(guān)鍵詞】氣液聯(lián)合攪拌;文丘里管;CSTR反應(yīng)器;厭氧消化【作者】劉健峰漲無(wú)敵伊芳;王昌梅;趙興玲;柳靜;楊紅;劉士清【作者單位】云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500;云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明650500【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】S237沼氣工程是一種處理有機(jī)廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化、環(huán)?；?、能源化利用的有效途徑。通過(guò)厭氧消化過(guò)程，可以使有機(jī)物經(jīng)過(guò)微生物的分解作用，產(chǎn)生清潔能源沼氣，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的資源化、環(huán)?；茫?］。中國(guó)的沼氣發(fā)酵技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過(guò)波浪式的發(fā)展歷程，到70年代后期開始蓬勃發(fā)展起來(lái)。近年來(lái)，厭氧消化新工藝被廣泛研究與應(yīng)用，厭氧消化技術(shù)應(yīng)用于酒精、食品、屠宰、制藥、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)、化工等近20個(gè)行業(yè)的廢物處理工程［2-4］。到2013年年底，農(nóng)村戶用沼氣已累計(jì)發(fā)展至4122.52萬(wàn)戶，約占中國(guó)農(nóng)戶總數(shù)的20%，具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)；大中型沼氣也取得了良好的進(jìn)展；全國(guó)已建成處理農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程總池容達(dá)1505.77萬(wàn)m3，在改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和解決農(nóng)村能源方面發(fā)揮了積極作用［5］。對(duì)于大中型沼氣工程建設(shè)，中國(guó)根據(jù)原料來(lái)源不同以及交通運(yùn)輸是否方便，進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)，如原料的預(yù)處理、厭氧消化工藝、沼氣輸配、制肥、消化液后處理等方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)［6］。目前，中國(guó)所建的大中型沼氣工程絕大部分是CSTR反應(yīng)器，因?yàn)镃STR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，是處理農(nóng)業(yè)廢棄物的最佳選擇。但是，CSTR反應(yīng)器攪拌不均勻、微生物與有機(jī)物接觸不充分、頂層易結(jié)殼、能源轉(zhuǎn)化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費(fèi)用高，因此對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化具有重要意義。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的大中型沼氣工程的攪拌方式主要有機(jī)械攪拌和液體攪拌，這兩種攪拌方式均存在一定的不合理性。①機(jī)械攪拌。機(jī)械攪拌是使用各種安裝形式的機(jī)械裝置，通過(guò)各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使物料達(dá)到混合狀態(tài)的一種攪拌方式。反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，機(jī)械葉輪會(huì)被腐蝕造成資源浪費(fèi)，維修費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)效益低，而且葉輪攪拌能耗較大，造成能源浪費(fèi)。②液體攪拌。液體攪拌一般利用泵運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的液體流動(dòng)來(lái)完成對(duì)物料的攪拌，利用發(fā)酵液本身，通過(guò)泵抽取發(fā)酵液，再通過(guò)其沖擊作用，打破發(fā)酵液表面結(jié)殼，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液攪拌，是一種能耗低、操作簡(jiǎn)單、保證罐體密封性的攪拌方式，但是液體攪拌不夠充分，不能確保微生物與有機(jī)物的充分接觸[6]o目前，國(guó)內(nèi)大部分沼氣工程均為濕發(fā)酵反應(yīng)器，濕發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)酵料液的TS濃度在4%~6%，發(fā)酵罐體內(nèi)絕大部分為液體[7]。所以，本研究主要針對(duì)用于濕發(fā)酵的CSTR反應(yīng)器存在的攪拌不均勻、微生物與有機(jī)物接觸不充分、頂層易結(jié)殼、能源轉(zhuǎn)化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費(fèi)用高等問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。本研究利用帶有文丘里管的外循環(huán)管路，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)氣液聯(lián)合攪拌，提供了一種罐內(nèi)設(shè)備少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工維修簡(jiǎn)便、攪拌效果好、運(yùn)行費(fèi)用低的厭氧反應(yīng)裝置。1.1設(shè)計(jì)方案—種氣液聯(lián)合攪拌的新型CSTR反應(yīng)裝置如圖1所示，在連續(xù)攪拌全混合厭氧反應(yīng)器的外部安裝含有文丘里管的多級(jí)外循環(huán)管路，在發(fā)酵過(guò)程中，可以通過(guò)循環(huán)泵將發(fā)酵液從Ax（其中x=1,2,3...N,N由反應(yīng)器的攪拌級(jí)數(shù)來(lái)確定）吸出，通過(guò)文丘里管和外循環(huán)管路，再?gòu)腂x射入，沼氣在射入位置的上部形成攪拌作用，而且可以達(dá)到防止發(fā)酵液上層結(jié)殼的效果，液體則在射入位置的下部形成攪拌作用，其中沼液出口的最下端一級(jí)應(yīng)高于活性污泥層，另一方面配備有自動(dòng)化控制設(shè)備和變速器，實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)攪拌，并且可以根據(jù)發(fā)酵過(guò)程的不同情況，對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行不同形式、不同程度的攪拌。循環(huán)泵安裝在出水端的最下面一級(jí)，沼液由于重力作用，可以自行流到泵處，為泵提供足夠的沼液，可使泵更好地工作，而且方便安裝和維修。在外循環(huán)管路上安裝文丘里管，文丘里管的進(jìn)氣口與氣柜相連，利用文丘里管的原理來(lái)達(dá)到氣液攪拌和破殼的效果。在文丘里管的進(jìn)氣口段加一個(gè)沼氣開關(guān)，可以有效地控制沼氣的進(jìn)氣量，從而控制氣體攪拌的程度。夕卜循環(huán)管路的沼液出口端到文丘里管的管道直徑應(yīng)大于沼液進(jìn)口端的管道直徑，不但能保證文丘里管有足夠的壓力，而且可以確保沼液射流進(jìn)入反應(yīng)器。在沼液射入端口安裝一個(gè)水力噴射器，來(lái)增強(qiáng)攪拌效果。文氏管是文丘里管的簡(jiǎn)稱，文丘里效應(yīng)的原理則是當(dāng)風(fēng)吹過(guò)阻擋物時(shí)，在阻擋物的背風(fēng)面上方端口附近氣壓相對(duì)較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動(dòng)。文氏管的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，它就是把氣流由粗變細(xì)，以加快氣體流速，使氣體在文氏管出口的后側(cè)形成一個(gè)真空區(qū)。當(dāng)這個(gè)真空區(qū)靠近工件時(shí)會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的吸附作用，如圖2所示。液體從文丘里管的入口9進(jìn)入，隨之截面逐漸減小，液體流速加快。這時(shí)就在10吸附腔的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)真空度，致使周圍空氣被吸入文氏管內(nèi)，隨著氣液混合一起流進(jìn)擴(kuò)散腔11內(nèi)，之后射流出去［8］。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及計(jì)算1.2.1新型CSTR反應(yīng)器發(fā)酵罐體的設(shè)計(jì)確定反應(yīng)器發(fā)酵罐體的有效容積為6L。根據(jù)V=(nD2/4)xH，即V=nR2xH。其中，V為反應(yīng)器的有效容積，D為反應(yīng)器的柱形直徑，H為反應(yīng)器的有效高度。取高徑比為1:1，則上式可化為V=nD3/4。取V=6L,可得經(jīng)計(jì)算可得D=H=0.2m。根據(jù)反應(yīng)器柱體高與直徑之比為1.0：1.5較合理，可得柱體高h(yuǎn)=0.13m，分別取A1A2A3、B1B2B3B4的間距為柱體的1/3,可得進(jìn)料口位于反應(yīng)器右側(cè)底端，A3位于距離底端0.04m處，A2位于距離底端0.08m處，A1位于距離底端0.13m處。B4位于反應(yīng)器左側(cè)底端，B3距離B40.04m,B2距離B40.08m,B1距離B40.13m。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)液面一般為淹沒(méi)頂蓋2/3，可以得到出料口位于距離底端0.17m處［8］。1.2.2文丘里管的設(shè)計(jì)由于攪拌太慢，水流量太小，吸氣量較少，會(huì)導(dǎo)致射流壓力小，攪拌不均勻、不充分，而攪拌過(guò)快又會(huì)致使發(fā)酵液從出氣孔溢出，管道太細(xì)還會(huì)發(fā)生堵塞，因?yàn)?5mm管的流量為1.67~16.67L/min,而反應(yīng)器發(fā)酵罐體的有效體積為6L,所以文丘里管選擇15mm管較合適［8］。文丘里管設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。1.2.3新型CSTR反應(yīng)器試運(yùn)行發(fā)酵試驗(yàn)在常溫條件下，利用新型CSTR反應(yīng)器處理水葫蘆汁液，其中接種物是用水葫蘆汁液長(zhǎng)期馴化的豬糞。水力滯留時(shí)間為6d,水葫蘆汁液COD濃度為15950mg/L。分別用濕式流量計(jì)、CODmaxII在線測(cè)定儀、GC-6890A型氣相色譜儀測(cè)定日產(chǎn)氣量、COD、甲烷含量。2.1水葫蘆產(chǎn)氣情況分析日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化如圖3所示。日產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵時(shí)間逐漸增多，第5天時(shí)逐步平緩，說(shuō)明微生物已經(jīng)適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，整個(gè)體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定后，平均日產(chǎn)氣量為4.2L,池容產(chǎn)氣率為0.7m3/m3?d，甲烷平均含量達(dá)到63%。2.2COD去除效果進(jìn)水COD濃度為15950mg/L,水力滯留時(shí)間為6d時(shí)，反應(yīng)器穩(wěn)定后，出水COD濃度為3900mg/L,COD降解率為76%。2.3新型CSTR反應(yīng)器試運(yùn)行情況分析結(jié)果表明，新型的CSTR反應(yīng)器的出水COD為3900mg/L,根據(jù)CSTR反應(yīng)器的特點(diǎn)，出水COD在4000mg/L左右均屬正常范圍，所以新型的CSTR反應(yīng)器能夠正常運(yùn)行。2.4.1經(jīng)濟(jì)效益分析已在云南省安寧市建設(shè)了一項(xiàng)600m3的沼氣工程，采用氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應(yīng)器，以600m3的沼氣工程項(xiàng)目為例，對(duì)新型CSTR反應(yīng)器與傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器進(jìn)行比較。新型CSTR反應(yīng)器在造價(jià)上要比傳統(tǒng)CSTR反應(yīng)器貴0.450萬(wàn)元，但在年運(yùn)行費(fèi)用上要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器節(jié)省0.630萬(wàn)元，沼氣工程的壽命一般不能低于20年，所以20年運(yùn)行下來(lái)要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器節(jié)省12.623萬(wàn)元。所以，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，新型的CSTR反應(yīng)器要比傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)效益好（表2、表3）。2.4.2能源、環(huán)境效益分析沼氣工程本身就是一種處理有機(jī)廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用的有效途徑，可提高厭氧反應(yīng)器的效率，可以在單位時(shí)間內(nèi)提高有機(jī)廢棄物的資源化效率和產(chǎn)沼氣效率，而且產(chǎn)生的沼氣可以替代傳統(tǒng)的煤礦燃料，達(dá)到節(jié)能減排、綠色能源的目的。1m3有效池體積的CSTR反應(yīng)器液體攪拌所需的電量為0.005kW-h/d，而機(jī)械攪拌的CSTR反應(yīng)器所需電量一般為0.0065kW-h/d[9]o與液體攪拌相比，在相同的流量下，額外增加了一部分氣體攪拌，也就是說(shuō)在相同的耗電量下，增加了攪拌的程度，所以在相同的攪拌程度下縮短了攪拌時(shí)間，節(jié)省了耗電量，節(jié)省了能量。因此，與機(jī)械攪拌相比，新型CSTR反應(yīng)器至少每天節(jié)約用電0.0015kW?h/d,即1000m3沼氣工程一年可節(jié)省219kg的標(biāo)煤，減排二氧化碳546kg，減排149kg碳粉塵，減排二氧化硫16.425kg。本研究在傳統(tǒng)的CSTR反應(yīng)器的基礎(chǔ)