规模化沼气工程湿式发酵工艺发酵罐搅拌器选择

穆震宇

（山西能投生物质能开发利用股份有限公司，山西太原 030000）

0 引言

在规模化生物质行业中，湿式厌氧发酵作为主流沼气厌氧发酵工艺，有较成熟的工艺技术和较广泛的应用。谈到湿式厌氧发酵离不开厌氧发酵罐及其中重要工艺设备搅拌器，所以在项目初期搅拌器的选择成为项目投产后能否经济、稳定生产的重要因素之一。

1 厌氧发酵罐中搅拌器的作用

生化反应是依靠传质而进行的，而传质的产生必须通过基质与微生物之间的实际接触。在规模化沼气工程中，混合搅拌是最有效、最可行的手段。目前搅拌器普遍认为在沼气厌氧发酵过程中能起到以下作用。

（1）达到均质效果，使得新旧物料混合均匀，使微生物与原料充分接触，促进反应进行。

（2）使固体物质在料液中分散、悬浮，增加与微生物的接触面，促进这些物质的消化，同时还避免这些物质的沉积与结壳。

（3）通过搅拌可以使气体在液相中很好地分离。

（4）传递发酵罐内温度，消除温度不均匀现象，使生化反应正常进行。

（5）改变料液中物相的关系。

2 常用的搅拌方式与优缺点分析

2.1 水力搅拌

水力搅拌一般是利用泵运转产生的液体流动来完成对物料的搅拌。需要在发酵罐上设置导流孔，在发酵罐外设置泵房。在规模化生物质沼气工程中常采用螺杆泵作为动力泵进行，设置1～3 个螺杆泵从不同方向通过出流管将消化液在罐内喷射出去以达到搅拌的目的。由于没有机械传动装置在罐内，因此维护管理方便简单。但缺点是对高固含量的消化液搅拌效果较差。

2.2 顶部中心搅拌

将搅拌器安装在发酵罐顶部中心，一般为皮带传动和齿轮传动，可以用普通电机直接连接或与减速机直接连接，这种搅拌方式的优点是设计制造相对简单。但由于不能移动，在运行中如选择径流型搅拌器，由于离心力的作用会在搅拌器周围产生打旋现象。

2.3 侧插式长轴搅拌

这种搅拌器安装形式也是在发酵罐侧壁开孔，将搅拌装置安装在反应器的侧壁上，搅拌器长轴侧插入罐体内。螺旋桨在罐内，机械及电机部分在罐外，易于维修和保养。缺点是螺旋桨在罐内活动范围较局限，国外有可以调整角度的倾斜式长轴搅拌器，可以上下左右摆动。但是由于长轴的原因活动范围也不大，同时单一类型侧插式搅拌器往往不好处理表面结壳问题。

2.4 顶部偏心式搅拌

将搅拌装置在立式容器上偏心安装，可以有效防止打旋现象产生，产生与加挡板相近似一些的搅拌效果。偏心搅拌使搅拌中心偏离容器中心，使反应原料各点受力不同，因而原料层间的相对运动和原料层之间的湍动加强，搅拌效果明显加强，搅拌效果明显提高。但是也存在不能移动的问题，往往一座发酵罐需要安装多个搅拌器。同时偏心搅拌容易引起振动，尤其消化液含固率较高时一般应用较少。欧洲一部分采用低速搅拌的沼气工程使用这种搅拌器安装形式。

2.5 潜水搅拌

潜水搅拌机在搅拌过程中，通过叶轮旋转创建水流，搅拌水中物质，增加水中含氧量，有效阻止悬浮物沉积，可满足固液二相的混合搅拌要求。搅拌器适用于污水处理、沼气发酵等过程中需要搅拌、混合的场所，具有结构紧凑、效率高、能耗低、便于养护、叶轮精度高、推力大等优点。沼气工程中常用潜水搅拌器不同于轴流潜水搅拌器，多为桨式潜水搅拌器。可以提升或下降到一定高度，有一定的旋转角度，是较为灵活的一种搅拌器。在规模化沼气工程中多作为配合其他类或单一类搅拌器使用。由于灵活性较强，应对结壳问题也有较优秀的效果。同时灵活的性能也可以提供不同的液体流向以达到最佳的搅拌效果。缺点是维修成本较高，维修较麻烦。

3 桨式搅拌器螺旋桨的选择

现国内螺旋桨材料基本分为碳钢和不锈钢两类，但是在实际使用过程中，这两类材料搅拌器桨叶都存在磨损较快的问题。频繁的更换桨叶无疑增加了运行和维护成本。国外有的使用耐磨涂层工艺处理螺旋桨叶以达到较高的耐磨度，这应该是国内搅拌器桨叶发展的方向。就我公司的项目运行看来，虽然进口桨叶单价成本较高，但在设备稳定性、使用周期和长期维保费用方面来看也比较经济。

4 通过原料及前端预处理工艺选择搅拌器的建议

从实际运行情况来看，单一秸秆或以秸秆为主要原料项目中搅拌设备磨损速度较单粪污原料要高很多。因为秸秆中的木质素等富有韧性的物质在一定程度上加速了设备的磨损。但由于搅拌器叶轮更换较为麻烦，一般会在前端对物料进行预处理。发酵工艺前端预处理工艺常见分为两种：机械预处理与水解酸化预处理。

4.1 机械预处理

国内常见的规模化生物质沼气项目与餐厨垃圾沼气项目预处理工艺是有一些区别的。餐厨垃圾预处理使用筛分设备对垃圾中的杂物进行筛分、去除、回收等工序后就可以直接进行发酵。但生物质沼气项目中除了筛分、破碎，最重要的一点还是进行秸秆与粪污的混合，包括纯秸秆项目，也是秸秆与消化液的混合。一方面是为了均匀物质，最主要是为了通过混合搅拌使每一批次进入发酵罐中的物料可以保持良好的含固率及微生物与原料的接触面积，易于发酵和提升产期率。生物质沼气项目中，秸秆的机械预处理多使用破碎后秸秆通过螺旋或皮带送入混合匀浆设备，与粪液接收池送入的粪污进行预混合后泵送至发酵罐中。混合设备也是多种多样的，有精确控制配料的称重匀浆设备如Dissolver、ProMix 等进口设备，也有较简单的凭借经验控制的混合器等。这些设备都是为了充分混合物料使物料充分发酵而设计的。

4.2 水解酸化预处理

将秸秆原料置入水解池，加入粪污或沼液并进行加温搅拌。如没有沼液或粪污可以加入碳铵进行碳氮比的调整。水解酸化过程中，在大量的水解产酸菌的作用下，将不溶性有机物水解为溶解性物质，将大分子的物质转化为易于生物降解的小分子有机物质（如有机酸类等），来提高秸秆原料的可生化性。经过水解后的原料一同泵送至厌氧发酵罐内进行发酵。以往的水解工艺是不经过破碎直接进行水解酸化工艺，但实际运行过程中发现，无论是设备的故障率还是后端的产期率都不理想，所以后期几乎所有项目都会在预处理前端加一道破碎工艺，除非使用全株青储秸秆作为原料。

4.3 选型建议

常用的两种预处理工艺对前端物料都有破碎、均质的效果，但就项目实际情况来看，对同样处理量的两个项目1 年设备使用情况对比，机械预处理后物料对搅拌器螺旋桨的磨损要远小于水解酸化预处理工艺。就搅拌器故障率来看，水解酸化工艺大于机械预处理工艺所。根据后期维保运行考虑，建议水解酸化工艺搅拌器选用易维修的搅拌器类型配合1～2 台潜水搅拌器作为破壳使用效果为佳。同时在选用时尽量做到设备备件通用化以减少备品、备件库存量。机械预处理工艺后使用的发酵罐搅拌器建议选择潜水搅拌器。

5 进口设备与国外设备选择建议

目前，欧美等国沼气行业发展的相当先进，尤其是欧洲以瑞士、德国等发达国家在规模化沼气发酵技术领域已进行了多年的研究。我国虽然是最先开始发展沼气发酵技术的，但多为小型沼气发酵技术，使用范围和秸秆利用率也较小。目前我国作为规模化沼气工程急速发展阶段，可向欧美国家进行学习，尤其是工艺设备制造。

从我公司目前运行项目来看，进口设备在维保费用远远高于国产设备，但进口设备稳定性却优于国产设备。国内不乏优秀的、先进的设备制造企业，但生物质行业还处于发展初期，大多数优秀的设备制造企业没有涉足该行业，从而导致该行业设备制造技术参差不齐。所以仅限于目前对进口和国产搅拌器设备进行选型建议。

5.1 侧入式、侧插式搅拌器等

就搅拌器而言，侧入式、侧插式等机械部分与电气部分在发酵罐外的搅拌设备，国产设备与进口设备差别不大。由于维保简单，方便更换，作为非连续性运转设备可以考虑作出详细的设备检维修计划以减少故障率带来的生产损失，及时更换，及时保养。所以在选择这类搅拌器时，可以通过长远设备维保费用核算初期投资成本和固定资产管理综合考量。

5.2 潜水搅拌器

潜水搅拌器作为沉入发酵罐且灵活的搅拌器，维保相对困难。同时，发生较大的设备故障如吊绳断裂、电机进水等，会造成较严重的生产损失。通过以往的经验来看，隐蔽类设备选择时必须要考虑设备稳定性，低维保频率，低故障率等。所以对于潜水搅拌的选择而言，建议选择优质的稳定性高的国产设备或性价比较高的进口专用设备。

6 总结

综上所述，规模化沼气项目中发酵罐搅拌器的选择原则总结为以下4 个：

（1）根据前端工艺选择以降低磨损率和故障率。

（2）根据原料性质选择以保证工艺性能和设备稳定性。

（3）根据后期设备管理需要计划性维保或低维保频率而具体选择设备类型。

（4）根据初期投资对比选择最合适的进口设备或国产设备。

项目初期设备选择的合适，项目后期运行就会非常顺利。目前我国生物质行业专用设备还属于初期阶段，几乎没有专用设备。大多数设备为其他行业的通用设备，但是由于没有专门匹配原料与设备，很多设备无法发挥出其应有的性能，表现出极高的故障率和不稳定性，感觉设备不好用或设备质量差。希望通过以往的选型经验及实例，给规模化沼气项目中湿式发酵工艺发酵罐搅拌器设备选型提供一些参考。