实验室用全混合厌氧反应实验装置结构设计

黄超 丁伟 孙京 张蕾蕾

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022)

据统计,近年来我国每年产生的畜禽粪污近40亿t,农作物秸秆超过10 亿t,如此大量的农业废弃物处置不好会严重影响环境生态,处置得当也是一种营养含量丰富的可利用资源,畜禽粪污及秸秆的处置及资源化的利用可实现农牧业和生态环境的和谐统一,大型沼气工程处置农业废弃物是未来的发展趋势。CSTR 反应器可处置含固率较高的畜禽粪污,单位容积产气量大,因而在厌氧发酵大型沼气工程当中得到了广泛应用[1]。但是目前关于CSTR 反应器内部结构、搅拌、物料种类、物料浓度等因素对产气效果的影响仍缺乏系统研究[2]。因此,研究设计本实验装置,可在实验室对CSTR 反应器厌氧发酵过程各因素对产气效果的影响进行详细系统的研究,从而优化CSTR 沼气工程的建设和运行。

1 厌氧发酵工艺方案

全混合厌氧发酵工艺对应的物料浓度为6%～10%,采取的是连续进料、恒温厌氧发酵、组合式水力推进机械搅拌,自动控温、自动搅拌连续产气,工艺流程如图1 所示。

2 实验装置构成

反应装置主要由反应器罐体、可调速式机械搅拌器、温控装置、电控装置、脱硫装置、脱水装置、流量计、沼气收集浮罩等构成,其结构示意如图2 所示。反应器设计为圆柱体结构,反应器内部采用顶入式搅拌器和侧进式搅拌器结合的搅拌装置,通过反应器底部增温换热水箱、反应器圆周增温水套及温度传感器对反应器内部物料进行温度控制,电控装置由电源开关、电能表、调速器、温控开关、时控开关等构成,脱硫、脱水装置通过脱硫、脱水箱体内添加脱硫、脱水剂构成,流量计选用湿式防腐气体流量计,集气采用浮罩式集气罐。

3 实验装置主要部件结构设计

3.1 反应器罐体设计

反应器罐体为容积10L 的圆柱体结构,遵循沼气工程反应器一般容料量80%的原则,且保证装料后厌氧发酵过程中不至于造成物料上浮堵塞出气口,留有足够的容气空间高度,借鉴以往研究经验及相关资料选定罐体高径比为1.6[3],罐体内腔尺寸为Φ200mm×320mm。发酵罐体内、外筒均采用壁厚10mm 的透明亚克力管,发酵罐底、上盖以及联结法兰均采用20mm 厚透明亚克力板,进出料口以及溢流口等也均采用透明亚克力材料,罐体透明可在实验运行过程中更好观察反应器内部物料情况。进料口与溢流口伸入罐体内位置在罐体中下部,厌氧发酵过程中能够形成良好的水封作用,在料少时,不至于产生漏气现象而影响实验。

3.2 搅拌装置设计

3.2.1 搅拌器安装方式

搅拌装置由顶入式搅拌器和侧进式搅拌器构成,其结构示意如图3 所示。根据发酵原料的特性,发酵液粘度范围较广、易产生沉淀和浮渣,因此本项目综合考虑,设置顶入式搅拌器和侧进式搅拌器。2 个搅拌器均可以控制搅拌方向及搅拌速度,顶入式搅拌器可以带动物料形成向上或者向下的螺旋运动,侧进式搅拌器可以保证底部不存在沉积物料,同时可与顶入式搅拌器配合,使物料形成对流运动,从而使物料混合更加均匀、彻底。

3.2.2 搅拌叶片设计

搅拌叶片根据其结构可以分为开启涡轮式搅拌叶片、圆盘涡轮式搅拌叶片、桨式搅拌叶片、推进式搅拌叶片等,常用搅拌叶片形式如图4 所示。本实验装置顶入式搅拌器搅拌叶片采用三叶开启涡轮斜叶片,分为高中低3 层,每层有3 个叶片,与轴线方形均成45°,这种搅拌形式有利于介质在上下和中心圆柱搅拌空间内形成传导,较大幅度提高搅拌效果。侧进式搅拌器搅拌叶片采用推进式搅拌叶片,可推动介质形成轴流型流动状态,循环速度高、剪切力小,这种搅拌方式可以促使反应器内部边缘和反应器底部介质充分混合。此种搅拌装置的设置可适用的粘度范围较广,易于安装、制造和维修,且防沉淀和浮渣效果较好[4]。

3.2.3 搅拌器搅拌功率计算

实现物料的搅拌需要输入动力,即为搅拌功率。由于搅拌功率受叶翅形状、物料粘度等因素的影响,故而,在进行搅拌装置的设计时需计算搅拌功率。根据公式(1) 可计算出搅拌功率,其中,搅拌功率和功率准数、物料密度、搅拌速度与搅拌直径等因素有关,故而需计算功率准数。

根据设计要求,本设计所选择的叶翅结构形状近似于MIG 式搅拌叶翅,在计算功率准数时近似于多层平直桨叶,利用搅拌功率计算式,得:

式中,Re为雷诺数。

式中,μ为物料粘度；b为桨叶宽度；d为搅拌直径；D为搅拌槽内径。

本项目所设计的厌氧反应器是基于浓度为6%～10%物料的基础上所进行的,以浓度为10%的牛粪为例,利用NDJ -5S 数显粘度计测得物料粘度为19668MPa·s,雷诺数Re=3.436×10-4,属于较高粘度,所设计的桨叶类型可近似为3 层平直桨叶,其搅拌介质粘度范围通常为＜50000MPa·S。其中,本课题设计的顶入式搅拌器类型为立式搅拌,即D=180mm,根据规定,搅拌直径与搅拌槽内径的比值在0.5～0.98,为增加搅拌接触面积,提高搅拌效率,故而将比值选为0.75,即搅拌直径d=135mm,桨叶宽度30mm。经过公式(2) 的计算可得功率准数Np=7.5。

在研究搅拌对牛粪干式厌氧发酵效果的影响时发现,间歇性的低速搅拌可取得较好的产气效果[5],并且在研究机械搅拌对猪粪与稻草联合的厌氧干发酵性能的影响试验中,以转速为15r·min-1与45r·min-1为例,对比在不同转速下产气效果等因素的不同,发现在25r·min-1的转速下,厌氧发酵能更好地进行[6],由于10%浓度的粪便的粘度较高,故而本课题在设计转速条件时选取8～20r·min-1。经过公式(1) 的计算,搅拌轴功率为85W。所以选用中心轴搅拌电机功率为90W。侧进式搅拌器转速为200r·min-1。将参数带入式(1) 求得对应搅拌叶片直径30mm,计算可得功率准数Np=2.2。计算得出搅拌功率为23.2W,选用25W 电机。

3.3 温控装置设计

反应温度是CSTR 反应器厌氧产气过程中关键的工艺参数,反应温度的控制直接影响到产气效率,越是适宜的温度条件,发酵反应速度越快,微生物的作用越明显,产气效率越高,CSTR 沼气工程中最佳反应温度及反应温度的控制一直受到广泛关注。为了模拟不同温度对厌氧发酵的影响,本实验设备通过对温控装置的设计,可实现对物料温度的精准控制。在反应器底部设置增温换热水箱,采取电加热方式,并通过温度传感器及温控开关调节水箱内水的温度。反应器圆周外部设置水套,水套通过管路与水箱连接,并通过水泵实现水箱、水套内水循环,通过温度传感器及温控开关控制水套内温度。通过反应器底部的水箱及反应器圆周的水套,可实现对反应器内部的温度控制,从而验证温度对CSTR 反应器厌氧发酵产气情况的影响。

3.4 电控装置设计

电控箱使用白钢材质,增温换热水箱内置于电控箱内,使实验装置整体更加整洁、美观,电控箱按照所需电气元件尺寸开孔,电控箱外观工整,电气元件分布合理,操作便捷。电控箱控制线路图如图5 所示。

4 反应器操作方法

4.1 反应器及电控箱结构

厌氧反应器及电控箱结构如图6 所示。厌氧发酵实验过程中可以根据实验需要通过相应电控开关进行相关参数设定。

4.2 搅拌设定

搅拌设定可手动搅拌与自动搅拌切换,手动搅拌时,打开搅拌控制面板中搅拌控制开关,绿色电源指示灯亮表示搅拌电机电源接通。调节搅拌方向开关可控制顺时针、逆时针搅拌或不搅拌,通过搅拌控制面板中搅拌速度旋钮调节搅拌转速。关闭搅拌面板中搅拌控制开关搅拌即停止。自动搅拌时,使用可编程时控器设置搅拌开启和关闭时间,将可编程时控器连入搅拌控制电路,保持搅拌控制面板中搅拌控制开关于开启状态,搅拌方向和搅拌速度设定与手动搅拌时操作相同。

4.3 温度设定

连接控制箱和反应器,从加水口往工作水箱内加水至水面高于工作水箱内温度探头,打开电源开关,电源指示灯亮表示电源接通。使用温度控制面板中“+” 和“-” 调至设定温度,打开温控开关1 和2,温度监测面板红色指示灯亮表示电热管电源接通开始加热。当温度监测面板上所显示温度达到所设定温度时,稍等数分钟后,即可自动恒温控制。

5 实验运行情况

5.1 实验地点

吉林省农业机械研究院农业废弃物资源化利用实验室。

5.2 实验原料及来源

实验原料:牛粪、牛粪菌种。

牛粪来源于吉林省长春市陶家屯养殖户,牛粪菌种来源于吉林省农业机械研究院实验室厌氧反应完成不再产气的牛粪。

5.3 实验装置

实验装置为自行设计的全混合厌氧反应装置两套,如图7 所示。反应装置各部件间使用硅胶管进行连接。

5.4 实验设计

实验使用牛粪总固体物浓度(TS) 为16.1%,菌种TS 为6.55%,牛粪与菌种按照7：3 比例混合,混合后TS=13.19%,取混合后物料7000mL,加入到CSTR 反应器。增温水箱设定温度为42℃,水套设定温度为40℃,如此设定可保持反应器内部物料温度为恒温35℃。设定顶入式和侧进式搅拌器同时启停,搅拌方式为每3h 搅拌3min,顶入式搅拌器设定搅拌转速为20r·min-1,侧进式搅拌器设定搅拌速度为200r·min-1。两套实验装置同时加入物料开始运行。

5.5 实验数据

实验开始后,每日10：00 记录流量计读数,记录了28d 的产气数据。其中,第1 套装置累计产气197.59L,容积产气率为1.008L·L-1·d-1,本次实验产气高峰出现在第11～16 天,其中最高峰出现在第13 天、第15 天,具体数据见表1。第2 套装置累计产气195.18L,容积产气率为0.996L·L-1·d-1,本次实验产气高峰出现在第12～19 天,其中最高峰出现在第15 天、第16 天。具体数据见表2。实验过程中,两套设备皆运行稳定,厌氧发酵产气情况正常。

表1 CSTR 反应器(1) 28d 产气记录表

表2 CSTR 反应器(2) 28d 产气记录表

6 结论

按照上述CSTR 实验装置结构设计加工制作的2套设备,在吉林省农业机械研究院农业废弃物资源化利用实验室进行模拟工程上的CSTR 反应器厌氧反应运行,整套实验装置运行稳定,产气正常。运行过程中操作便捷,物料温度可控,搅拌时间、搅拌速度、搅拌间隔可控,浮罩式集气装置可直观观察产气情况,湿式防腐气体流量计产气量计量精准。实验装置占用空间小,耗能低。本实验装置可为大型CSTR 沼气工程项目运行提供多项数据支撑,适合从事厌氧发酵行业的工作者使用。